基于射頻控制的智能照明系統(tǒng)設計

1、摘 要本文介紹了基于射頻控制的智能照明系統(tǒng)的硬件及軟件的設計。該設計利用了led燈照明，白熾燈照明和單片機控制技術，采用at89s51單片機作為系統(tǒng)的中央控制單元，pt2262/ 2272作為發(fā)射接收模塊，由單片機程序控制，實現(xiàn)各種功能的整合。無論你在家庭的哪個位子都能自由控制各個房間燈的亮和滅；外出之前只要按一下遙控鍵就可以關上所有的燈；坐在客廳的沙發(fā)上就能夠?qū)崿F(xiàn)照明燈具的亮度和柔和度的美妙變化該照明系統(tǒng)還采用太陽能輔助供電，從而實現(xiàn)節(jié)能，環(huán)保和智能化，另外該系統(tǒng)留有擴展接口，很容易對系統(tǒng)進行升級?？傊?，一種全新的生活模式將呈現(xiàn)在您的眼前。關鍵詞：led照明，綠色環(huán)保，射頻收發(fā)，調(diào)光控制，單

2、片機控制rf-based intelligent lighting systemabstractthis article introduces a rf-based intelligent lighting system s hardware and softwares design. this design has uses the led lamp illumination, the incandescent lighting and the monolithic integrated circuit control technology, uses the at89s51 monolit

3、hic integrated circuit to be systems central control unit, the pt2262/2272 launch receive module. it depends the monolithic integrated circuit programmed control to realize each kind of functions conformity. wherever you are, you can control each compartment lamps shining freely in family and exting

4、uish; before going out, pressing the teleswitch , you can shut off all the lamps; sitting on the safa, you can realize the illumination lamps and lanterns brightness and the gentleness in the living room .the wonderful changes .this lighting system also uses the solar energy auxiliary power supply,

5、thus realizes the energy conservation, environmental protection and intellectualization. anymore, this system leaves leeway the expansion connection, so it is easy to carry on the promotion to the system. in brief, one kind of brand-new mode of life will present before your eyes.keywords：the led ill

6、umination, the green environmental protection, radio frequency receiving and dispatching, the light control, the monolithic integrated circuit control目 錄1 緒論12 智能照明的理論基礎12.1 led的介紹1 2.1.1 led器件的應用基礎 22.1.2 常見led及其應用22.2 白熾燈的介紹2 2.2.1 白熾燈的應用基礎 2 2.2.2 常見白熾燈及其應用 33 照明方案3 3.1 燈光方案設計3 3.2 電源模塊選擇3 3.3 無線

7、模塊方案43.4 主控模塊方案43.5 系統(tǒng)框圖64 系統(tǒng)硬件設計6 4.1 燈型設計6 4.2 電源設計9 4.2.1 負載燈具電源設計 9 4.2.2 主控芯片供電電源設計10 4.3 射頻收發(fā)設計 104.3.1 發(fā)射模塊104.3.2 接收模塊11 4.4 單片機控制電路設計 11 4.5 太陽能方案設計 124.5.1 太陽能供電系統(tǒng)框圖124.5.2 太陽能電池板134.5.3 蓄電池154.5.4 太陽能供電控制電路165 系統(tǒng)軟件設計 16 5.1 無線控制框圖 17 5.2 主程序控制流程 176 系統(tǒng)測試 177 結(jié)論18致謝18參考文獻18附錄1 客廳整體圖20附錄2 臥

8、室白熾燈調(diào)光21附錄3 部分程序清單221 緒論智能照明系統(tǒng)(intelligent lighting system)是通過關鍵基礎理論模型的研究，智能家居是以科技為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、自動化，智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的居住環(huán)境。家居智能化技術起源于歐美，最具代表性的是無線射頻技術，通過高頻的無線射頻通訊技術傳輸控制信號。因其安裝方便、控制范圍較大且控制可靠，容易而被人們廣泛接受和應用。下面介紹一下智能照明的發(fā)展現(xiàn)狀?！罢彰麟姎狻北环Q為是人們生活中除了“吃、穿、住、用、行”之外的第六大基礎需求。隨著時代發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高，消費能力逐漸加強，消費觀念也有極大轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的照明電氣

9、技術已經(jīng)遠遠滿足不了現(xiàn)代人的需要，對于照明的控制，人們希望使用更加便捷甚至是隨心所欲，于是智能照明電氣應運而生。隨著智能照明電氣概念的興起，充滿人性化與浪漫、溫馨、高品味的智能家居照明情景的概念迅速引起人們的好奇與期盼，人們希望購買一套這樣的智能照明電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅，隨需應變，隨時可變”的悠閑生活。然而，任何一件新事物的產(chǎn)生與發(fā)展都將擁有一段漫長而曲折的經(jīng)歷，“智能照明電氣”概念從提出到實現(xiàn)并非產(chǎn)商們想像的那樣簡單。隨著高科技和信息技術的廣泛應用，安全、舒適、便利的生活環(huán)境已經(jīng)不再是一個遙遠的夢想。由于智能家居系統(tǒng)能夠為人們提供更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活環(huán)境，因此已經(jīng)成為

10、房地產(chǎn)商追逐的熱點。在未來，沒有智能家居系統(tǒng)的住宅將像今天不能上網(wǎng)的住宅那樣不合潮流。相信不遠的將來，智能家居一定會更好地造福人類。2 智能照明的理論基礎智能照明電氣最終取代傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，乃大勢所趨，是家居智能化進程中必然要走的一步。智能照明電氣可以依靠無線技術來實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，無線技術不但可以免去布線的煩惱，而且可以方便的解決家庭設備的聯(lián)網(wǎng)問題，因此，網(wǎng)絡化的智能照明電氣會令你的生活更豐富多彩。通過邏輯控制程序，就可以控制房里所有的燈開關并可調(diào)節(jié)亮度和柔和度，對家庭中的燈具進行集中控制。太陽能節(jié)能裝置也是日后發(fā)展的方向。2.1 led的介紹led發(fā)光二極管，是一種半導體固體發(fā)光器件，電光功率轉(zhuǎn)

11、換非常高，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。led照明燈具在近期得到飛躍的發(fā)展，led作為綠色環(huán)保的清潔光源得到廣泛的認可。2.1.1 led器件的應用基礎led光源的技術日趨成熟，每瓦發(fā)光流明迅速增長，促使其逐年遞減降價。以1wled光源為例，2008年春的價格已是2006年春的價格三分之一，2009年春降至2006年的四分之一。 led燈具的高節(jié)能、長壽命、利環(huán)保的優(yōu)越性能獲得普遍的公認。與傳統(tǒng)的路燈相比，該燈被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上，并且在led產(chǎn)生的光譜中不含紫外線、紅外線等輻射，

12、是典型的綠色照明光源。2.1.2 常見led及其應用 圖1 草帽led 圖2 led臺燈2.2 白熾燈的介紹白熾燈是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。自1879年，美國的愛迪生制成了碳化纖維（即碳絲）白熾燈以來，經(jīng)人們對燈絲材料、燈絲結(jié)構、充填氣體的不斷改進，白熾燈的發(fā)光效率也相應提高。白熾燈的發(fā)展趨勢主要是研制節(jié)能型燈泡。不同用途和要求的白熾燈，其結(jié)構和部件不盡相同。白熾燈的光效雖低，但光色和集光性能好，是產(chǎn)量最大，應用最廣泛的電光源。2.2.1 白熾燈的應用基礎 現(xiàn)代的鎢絲白熾燈發(fā)光體是用金屬鎢拉制的燈絲，這種材料最可貴的特點是其熔點很高，即在高溫下仍能保持固態(tài)。事實

13、上，一只點亮的白熾燈的燈絲溫度高達3000。正是由于熾熱的燈絲產(chǎn)生了光輻射，才使電燈發(fā)出了明亮的光芒。白熾燈有一個其他大部分類型發(fā)光產(chǎn)品不具備的優(yōu)點，即適合頻繁啟動的場合，并且很容易實現(xiàn)調(diào)光效果。2.2.2 常見白熾燈及其應用 圖3 各種白熾燈 圖4 白熾燈矩陣3 照明方案從前兩節(jié)的論述中可以看出led照明和白熾燈照明技術已經(jīng)相當成熟。實現(xiàn)方案非常多。本文要設計的是家居led客廳照明燈和白熾燈臥室照明，還有聲光控的走道照明。根據(jù)室內(nèi)的不同特殊環(huán)境，選擇方案時就要考慮燈具尺寸、亮度、柔和度等的影響，以及室內(nèi)電源的局限性，為了節(jié)約電能，采用太陽能電池供電，也不失為一種好的方法。3.1 燈光方案設計

14、根據(jù)論文的設計要求，本文提出了幾種方案：（1）led照明方案有很大的可行性，而且其系統(tǒng)的升級也比較方便，便于推廣使用，適應現(xiàn)代化建設的發(fā)展需求。利用led燈的組合實現(xiàn)發(fā)光形狀，點亮數(shù)量的不同，還可以有顏色的不同組合（2）不同房間的要求采用不同燈具。白熾燈調(diào)光性能好，適合做臥室照明。采用pwm脈寬調(diào)制，通過軟件設置不同的脈寬占空比，從而實現(xiàn)輸出電壓有效值的變化，反映出燈光亮度的變化，就是無級調(diào)光。（3）體現(xiàn)節(jié)能，我們在布置走道時可以采取聲光控的方案。實現(xiàn)天黑后人來燈亮，人走燈滅，既節(jié)能又安全。3.2 電源模塊選擇 一般常見的穩(wěn)壓電源，有線性穩(wěn)壓電源，開關電源，還有穩(wěn)壓集成電路和比較實用的電容降壓

15、式穩(wěn)壓電源，它們各自的有缺點比較如下比較：（1）線性直流穩(wěn)壓電源是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過電壓反饋調(diào)整輸出電壓，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小。但是它的缺點是需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當大，而且電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調(diào)整管的功耗太大，轉(zhuǎn)換效率低，還要安裝很大的散熱片。（2）開關穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定效率高的特點，但是它的成本過高，比較嬌氣，易損壞，功率做不大，而且有很大的干擾與噪音。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其

16、噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作。（3）電容降壓的工作原理利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因為如果電容是一個理想電容，則流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。穩(wěn)壓集成電路，由于成本過高，所以綜合考慮到應用簡便，成本和穩(wěn)定性，效率等要求，選擇電容降壓的方式。并且可以選擇太陽能作為輔助能源供應。3.3 無線模塊方案智能照明的無線控制既要體現(xiàn)控制方便，穩(wěn)定，又要有成本優(yōu)勢和維護方便的特點，下邊就幾種常見無線方式進

17、行說明。紅外的優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度低，距離近，方向性差。選擇射頻，控制范圍廣，控制角度范圍大，可以穿過阻隔物體控制，控制精度高而且抗干擾能力強；單片機模擬軟解碼，成本可以很低，但編程較復雜，抗干擾能力弱，并且不是很穩(wěn)定，響應速度慢等缺點。所以，綜合各因素，本設計選用性能穩(wěn)定的射頻無線控制。3.4 主控模塊方案pic系列單片機：pic單片機采用精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。pic系列8位cmos單片機具有獨特的risc結(jié)構，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（harvard）結(jié)構，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用cisc結(jié)構的8位單片機相

18、比，可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍。pic有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。pic以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復熔絲。目前，pic采用熔絲深埋工藝，恢復熔絲的可能性極小。自帶看門狗定時器，可以用來提高程序運行的可靠性。avr系列單片機：是一種新型的單片機。運行速度快，一個時鐘周期執(zhí)行一條指令。硬件應用哈佛(harvard)結(jié)構，具有預取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時，預先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。avr單片機是多累加器型，數(shù)據(jù)處理速度快。超功能精簡指令，具有32個通用工作寄存器，相當于有32條立交橋，可以快速通行。avr單片機系列中有

19、128b4kb的sram靜態(tài)隨機數(shù)據(jù)存儲器，可靈活使用指令運算、存放數(shù)據(jù)，中斷響應速度快。avr像8051一樣，有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應中斷。高級c語言編程效率高。有的器件最低1.8 v即可工作?？啥啻螣龑懙膄lash，且具有多重密碼保護鎖死(lock)功能。i/o口功能強、驅(qū)動能力大，具有輸入/輸出、三態(tài)高阻輸入，也可設定內(nèi)部拉高電阻作輸入端的功能，以便于應用到各種所需的場合(多功能i/o口)。51系列單片機：51系列是指是兼容intel公司51指令集的單片機系列的統(tǒng)名稱。這種單片機所包括的硬件資源有：（1）一個8位的微處理器；（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器ram，用以存放可以讀/寫的數(shù)

20、據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果顯示的數(shù)據(jù)等；（3）片內(nèi)程序存儲器rom，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；（4）四個8位并行i/o接口p0p3，每個口可用作輸入，也可用作輸出；（5）兩個定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制；（6）五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；（7）一個全雙工（通用異步接收發(fā)送器）的串行i/o，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；（8）片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容須要外接?？梢钥闯?1系列單片機也是一款功能強大的單片機1。從以上幾種型號單片機的比較

21、中可以看出，pic單片機、avr單片機雖然在很多方面都有其特點，如在運行速度上，內(nèi)部資源的配置等。但因其價格高，開發(fā)工具不及使用51系列單片機齊全，再考慮本系統(tǒng)對cpu的要求并不是很高，綜合考慮還是選用已經(jīng)普及的51內(nèi)核的單片機。這里采用at89s51單片機，驅(qū)動部分由uln2003集成電路組成，開關信號和段選碼信號都由單片機提供。3.5 系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)由六大模塊組成：主控制單元，無線收發(fā)控制單元，模塊電源模塊，太陽能模塊，燈具模塊。其中無線收發(fā)模塊負責數(shù)據(jù)傳送，單片機負責整個控制信號的處理和響應，燈具模塊主要是不同造型和功能的負載燈具，電源模塊主要包含整個智能照明系統(tǒng)中各種電源的供應和協(xié)調(diào)

22、管理。智能照明系統(tǒng)的整體框圖如下無線發(fā)射模塊燈具模塊單片機控制電源管理模塊太陽能輔助模塊無線接收模塊圖5 整體方框圖4 系統(tǒng)硬件設計本設計的硬件系統(tǒng)包括穩(wěn)壓電源設計，燈具造型模句，無線控制模塊，單片機主控模塊，太陽能輔助供電模塊，以及相關硬件的設計。4.1 燈型設計主要列出了設計精美，造型漂亮的主客廳照明燈的不同造型，還有臥室照明和走道照明的相關原理圖，分別如下（1） 主客廳燈具主客廳主要實現(xiàn)燈具造型美觀，調(diào)光方便，并伴有彩色光線的調(diào)節(jié)。于是，主要采用led燈具造型，整體電壓幾十伏，電流300ma，采用四個燈管一串為一組，六組為一節(jié)，完成一個基本燈型單位。圖6一個燈代表一組串四個然后六組再并的

23、24個led的電路形式，一個led點亮，所需電壓為3v，電流為20ma，這樣就可以算出整個負載的電壓和電流，計算如下u=3v12=36vi=20ma63=360ma這樣就可以根據(jù)為下一步電源設計提供了的技術參數(shù)要求。圖6 一路led原理圖7 三路led造型原理圖蝴蝶造型和三葉草造型，他們分別能實現(xiàn)的功能是整體兩環(huán)和三環(huán)調(diào)節(jié)造型，內(nèi)圈基本照明，是類圓錐狀，可以提高照明的角度，從而彌補led光角度小的問題；中圈可提高亮度，并且放射狀照明，形狀美觀漂亮；外圈采用多組彩燈組合，美觀，可以制造很多娛樂氛圍。分別設計兩款美麗的貼近大自然的造型，如下圖 圖8 蝴蝶燈型 圖9 蝴蝶燈造型走線路圖 圖10 三葉

24、草燈型 圖11 三葉草造型走線圖（2） 臥室燈設計臥室照明主要燈具的調(diào)光功能和柔和色調(diào)的加載等功能，為此，我采用白熾燈和彩色led的搭配設計。圖12 白熾燈調(diào)光原理圖（3） 走道燈設計應用光線和聲音控制路燈，使之在白天不亮，晚上能借助腳步聲的到來和消失而啟閉，是走道照明節(jié)省電能的一種有效途徑。目前常用的聲光控制照明電路雖然形式多樣，但大都較為復雜。本設計為一種簡單實用的照明聲光控制電路。如圖所示聲、光控樓梯走道延遲照明開關采用壓電陶瓷片作為聲-電換能器，該電路：增加了光控靈敏度調(diào)節(jié)電阻r9，增減r9阻值可調(diào)節(jié)電路光控的起控點；在r9兩端并聯(lián)一電容c5，可提高光控電路的抗干擾性能； vt2與vt

25、4采用電阻直接耦合，以提高信號傳輸效率。該電路延遲時間主要由vt1基極回路里的電阻r2與電容c2數(shù)值決定。如圖所示是一個經(jīng)改良的采用壓電陶瓷片作聲電換能器的聲、光控樓梯走道延遲照明開關，電路結(jié)構顯得比較簡潔。該電路的延遲時間受較多因素的影響，圖示數(shù)據(jù)延遲時間約50s，如不符合要求，可以增減c2容量進行調(diào)整。調(diào)節(jié)r9阻值可以調(diào)整電路的光控起控點2。圖13 聲光控延時路燈原理分析：vt4為聲控放大電路，vt3、vt2組成單穩(wěn)電路，vt1為驅(qū)動器。白天vt3飽和導通，使聲音脈沖被導通到地，聲控不起作用。同時， vt1飽和導通，可控硅不能被觸發(fā)，即燈滅。晚上光敏電阻阻值增大，vt3被截止，而vt2處于

26、待觸發(fā)狀態(tài)。當有聲音時，vt2翻轉(zhuǎn)導通，上左負右正的電壓迫使vt1截止，可控硅被觸發(fā)導通，即燈亮。燈一旦點亮之后，經(jīng)、2、放電，vt1的極電位逐漸由反偏變?yōu)檎?，vt1導通，電燈滅，電路又處于等待狀態(tài)。4.2 電源設計電源電路的種類繁多，如變壓器降壓；橋式整流全波整流；lc、rc濾波；三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓等。具體采用什么電路合適，則根據(jù)主體電路及執(zhí)行機構不同和可靠、價廉、有效益等要求進行選用。根據(jù)本設計要求，電源必須穩(wěn)定，既限流，保證燈管電流不能過大，又可以穩(wěn)壓，使電路正常工作和截止。電源的設計流程如下：降壓整流濾波穩(wěn)壓圖14 電源設計框圖降壓穩(wěn)流部分由r1、c1、全橋整流和濾波電容c1組成，dw穩(wěn)

27、壓后得到+36v的電壓，為電燈控制電路提供合適的工作電壓3。4.2.1 負載燈具電源設計主要實現(xiàn)燈具的負載穩(wěn)壓控制，要求既能夠限制電流，又能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)壓控制，還要體積小，重量輕。故如圖，ac220 v經(jīng)保險絲，電容降壓后，再經(jīng)整流濾波，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后就能夠得到穩(wěn)定的直流電壓36v。其中元件選擇上，電容大小6f，電阻為1m，原理圖如下圖15 負載燈具電源原理4.2.2 主控芯片供電電源設計 主控電源主要給單片機和無線模塊等集成塊供電，要求穩(wěn)壓效果要好，并且紋波要小，體積小，重量親，如圖交流220v經(jīng)過保險管后，再電容降壓限流，整流濾波，最后經(jīng)電阻限流保護后輸出兩組穩(wěn)定的電壓，分別共集成塊和繼電器使用

28、。電路圖如下，其中c1為2f，r1為1m。圖16 主控芯片電源原理4.3 射頻收發(fā)設計 采用pt2262發(fā)射芯片，對應的pt2272接收芯片，設計統(tǒng)一的地址，和頻率，加上相應的發(fā)射電路和接收電路既可以實現(xiàn)無線收發(fā)了。4.3.1 發(fā)射模塊發(fā)射機內(nèi)部采用聲表諧振器穩(wěn)頻，頻率一致性非常好，穩(wěn)定度極高，工作頻率315mhz頻率穩(wěn)定度較高，使用中無需調(diào)整頻點，特別適合無線電遙控系統(tǒng)使用，而目前市場上的一些低價位無線電遙控模塊一般仍采用lc振蕩器，穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品質(zhì)微調(diào)電容，當溫度變化或者震動后也很難保證已調(diào)試好的頻點不會發(fā)生偏移，造成發(fā)射距離縮短。圖17 發(fā)射模塊原理4.3.2 接收模塊

29、接收模塊從工作方式分，可以分成超外差接收和超再生接收。超外差接收成本相對較高，超再生式接收機具有電路簡單、性能適中、成本低廉的優(yōu)點所以在實際應用中廣泛采用，所以，設計中使用超再生接收方式。如圖所示，輸出接至pt2272的14管腳即可。圖18 超再生式接收原理圖4.4 單片機控制電路設計 這部分主要包括單片機系統(tǒng)，輸入接口，輸出接口，驅(qū)動電路和調(diào)光電路組成，當單片機接收到pt2272管腳傳來的控制請求信號是，單片機會調(diào)用不同的控制子程序來通過輸出口控制驅(qū)動芯片uln2003，從而完成對負載的控制。下面是單片機主控制電路4。圖19 單片機控制模塊系統(tǒng)調(diào)光電路采用單向可控硅，利用它的“過零自動關閉”

30、特性，at89s51只需在每個脈動電壓周期內(nèi)控制可控硅打開的平均時間或者說是脈寬調(diào)制，由于整流過后的脈動電壓過零點時可控硅自動關斷，即間接控制了燈光的亮度。電路原理圖如下圖20 白熾燈調(diào)光電路4.5 太陽能方案設計隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將大幅度提高，綠色節(jié)能照明的研究應用，將越來越受到重視。太陽能照明燈具作為冷光源產(chǎn)品，具有性價比較高、綠色環(huán)保、安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長、安裝維護簡便等特點，可廣泛應用于綠地照明、公路照明、廣告燈箱照明、城市造型景觀照明及家居照明。它既可以提供在線能源利用，又可以在電能不能供應的情況下作為備用能源使用。4.5.1 太陽能供電系統(tǒng)框圖太陽能供電的電源設

31、計系統(tǒng)設計方框圖如圖21所示。主要由太陽能電池板，阻塞二極管，自動充放電電路，蓄電池，穩(wěn)壓電路和負載電路組成5。太陽能電池板自動充放電路負載電路阻塞二極管穩(wěn)壓電路蓄電池圖21 系統(tǒng)設計方框圖太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽能電池方陣一般由多塊太陽能電池組件串并聯(lián)而成，每個支路通過阻塞二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池充電。太陽能電池方陣分為若干個子陣列，每個陣列由一個電子開關控制。阻塞二極管作用主要是防止在蓄電池的電壓

32、在遠遠高于太陽能電池的電壓時，蓄電池通過太陽能電池板進行放電，所以必須在太陽能電池板和蓄電池之間接入一個阻塞二極管。自動充放電電路作用是防止損壞蓄電池。因為過充或過放對蓄電池的壽命都會有大的損傷，大大減少蓄電池的使用壽命。控制過充過放的元件采用一個雙電壓比較器。蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。穩(wěn)壓電路的設置是因為由于蓄電池的輸出電壓是36v，但要通過一個穩(wěn)壓電路對它進行穩(wěn)壓。太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，

33、并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。太陽能供電控制電路設計包括充電控制電路、防過充電路、防過放電路、穩(wěn)壓電路、太陽能電池板和蓄電池的選用等。4.5.2 太陽能電池板太陽能電池的發(fā)電原理是利用光入射于半導體時所引起的光伏效應。其轉(zhuǎn)換過程由以下三個階段組成：（1）光的吸收和空穴電子對的產(chǎn)生在外部不給半導體任何能量的狀態(tài)（絕對零度）下，電子充滿介電子帶，而導帶則不存在電子。在這種狀態(tài)下，半導體不顯示導電性，而是絕緣體。當具有一定能量的光入射半導體時，如果光子的能量大小比特定值eg大時，那么，這種光就被半導體吸收。如果半導體晶格吸收的光足夠大，能夠解除半導體晶格對電子的約束，就產(chǎn)生自由電子，留

34、下空穴。為使被晶格約束的電子變?yōu)樽杂呻娮樱庾拥哪芰勘仨毜扔诨虼笥谠摪雽w的禁帶寬度，即eg電子伏。若比攜帶能量 eg小的光子被半導體吸收，那么它僅能透過半導體晶格，而對光電轉(zhuǎn)換沒有作用。（2） 電子空穴對的分離當半導體中沒有電場時，光激發(fā)的電子空穴對均勻的分布在半導體中，但在外電路中并不能得到電流。只有以某種方法在半導體中形成勢壘，才能使受激發(fā)的電子空穴對分開，從而可向外電路供電。這種勢壘常用pn結(jié)實現(xiàn)。pn結(jié)產(chǎn)生的電子空穴對的分離是有限的，但如果沒有連接外部電路，則被分離的電荷不能消失，從而電荷蓄積在pn兩層，使pn結(jié)正向，即向著電位勢壘變小的方向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果分離過程停止，得到正常狀態(tài)。這時

35、，把pn結(jié)兩端產(chǎn)生的電壓叫開路電壓。若考慮使電荷短路狀態(tài)，則分離的電荷在外部回路中流動而形成短路電流。因此，短路電流與照射的光量成正比。（3）過剩載流子的移動。圖22 太陽能電池的發(fā)電原理圖吸收入射光能產(chǎn)生的電子空穴對也不一定全部分離，電子空穴對產(chǎn)生的數(shù)目與分離的數(shù)目之比叫做收集效率。半導體中產(chǎn)生的電子空穴對借助存在于半導體中的電場產(chǎn)生的偏移效應和電荷的濃度梯度產(chǎn)生的擴散而移動。過剩載流子是超過熱平衡狀態(tài)存在的載流子，所以，通常在某個時間常數(shù)下，具有返回平衡狀態(tài)的傾向。通常把這個時間常數(shù)叫做過剩載流子壽命。因此，在產(chǎn)生的電荷從產(chǎn)生的地方向pn結(jié)移動所需要的時間比過剩載流子壽命還長的情況下，電荷

36、不會因pn結(jié)而分離，對能量的產(chǎn)生沒有作用。這樣，收集效率就由過剩載流子的壽命和pn結(jié)的位置來決定。如圖22所示那樣，當具有適當能量的光子入射于半導體時，光與構成半導體的材料相互作用產(chǎn)生電子與空穴（因失去電子而帶正的電荷）。如半導體中存在pn結(jié)，那么電子向n型半導體擴散，空穴向p型半導體擴散，并分別聚集于兩個電極部分，即負電荷和正電荷聚集于兩端。這樣如用導線連接這兩個電極，就有電荷流動產(chǎn)生電能。當受光照的太陽能電池接上負載時，光生電流流經(jīng)負載，并在負載兩端建起端電壓，這時太陽能電池的工作情況可用圖23所示的等效電路來描述。在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)下的光電池，其光電流 il不隨工作狀態(tài)而變化

37、，在等效電路中，可把它看作恒流源，光電流一部分流經(jīng)負載rl，同時在負載兩端建立起端電壓v，此電壓反過來它又正向偏置于p-n結(jié)二極管，引起與光電流反向的暗電流id。但是，由于太陽板前表面和背表面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻rs來表示；同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負載的電流短路，這種作用可用一個并聯(lián)電阻rsh來等效6。圖23 pn結(jié)太陽能電池的等效電路圖4.5.3 蓄電池蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能

38、儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄電池，重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價格較高，相對來說應用沒有前一種廣泛。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，方陣除了供給負載用電外，還要給蓄電池充電；冬天日照量小，這部分儲存的電能逐步放出。在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎上還要加上小得多的日循環(huán)：白天方陣給蓄電池充電（同時方陣還要給負載供電），晚上負載用電則全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，當然還要考慮價格低廉，使用方便等因素?？紤]到蓄電

39、池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，價格低廉，使用方便等因素，選用鉛酸蓄電池比較合適。4.5.4 太陽能供電控制電路由于太陽能輸出的功率隨著光照而改變，需要對太陽能電池板輸出的電壓進行穩(wěn)壓，減少電壓的波動，圖24所示為供電控制電路，t1、t2構成的蓄電池自動充電電路，它在電池充滿后自動停止充電，其中d2亮為正在充電，d1為工作指示。由r4、r5、t2構成電壓檢測電路，蓄電池電壓低，則t1、t2導通，實現(xiàn)對其充電；充滿后，t1，t2截止，停止充電，同時d1熄滅，電路中c4的作用是濾除干擾信號。其電路圖如圖24所示。圖24 供電控制電路5 系統(tǒng)軟件設計智能照明系統(tǒng)的軟件設計主要體現(xiàn)出，各

40、個模塊的協(xié)調(diào)工作，以及各自的工作流程。當需要照明控制時，只需要操作手中的遙控器?？刂菩盘柾ㄟ^按鍵輸入，經(jīng)發(fā)射編碼芯片pt2262編碼，然后通過信號放大，加載高頻載波，通過發(fā)射電路天線，無線發(fā)射出去。射頻接收電路通過天線，接收到控制信號，并經(jīng)放大整形后送給射頻解碼芯片pt2272，經(jīng)解碼后的信號通過pt2272相應的管腳，把信號送給51單片機，單片機會根據(jù)不同的輸入，調(diào)用或中斷處理先應的程序，并由i/o口輸出，單片機的控制信號傳給了驅(qū)動芯片uln2003，并由uln2003推動相關負載燈具或者繼電器等工作。5.1 無線控制框圖無線編碼芯片無線發(fā)射模塊無線接收模塊無線解碼芯片圖25 無線控制框圖5

41、.2 主程序控制流程開始初始化讀取接收信號調(diào)用處理程序轉(zhuǎn)換輸出控制字開關控制驅(qū)動芯片操作燈效完成燈具變化結(jié)束圖26 主程序流程圖6 系統(tǒng)測試上電，按住單片機復位鍵不放，用萬能表測單片機各io口各管腳電平，都為高電位，表明單片機上電復位正常，且程序運行正常。然后用萬用表毫伏檔測量pt2262芯片輸出端，分別按各輸入鍵，表針所測te應有左右擺動現(xiàn)像，則表明發(fā)射程序運行正常，且在發(fā)射高頻脈沖。接收電路上電時，各輸出管腳無輸出。遙控信號輸入后對應管腳為高電平。外圍電路接線正確。然后將發(fā)射板紅外線發(fā)射管對準接收電路，按壓輸入鍵，同時用萬用表測量對應腳，應有輕微擺動。射頻信號接收正常。且相應輸出位有動作，

42、燈型有變化。開關電路上電，按住開關按鈕，燈具以基本燈型點亮。說明開關電路正常。調(diào)光程序調(diào)試，按調(diào)光鍵，此時燈亮度相應變化。說明調(diào)光電路和程序正常，有待進一步測試調(diào)光效果。7 結(jié)論本文所討論的基于射頻的智能照明系統(tǒng)的設計采用了atmel的89c51單片機作為系統(tǒng)的中央控制單元，并結(jié)合軟件編程，實現(xiàn)智能照明控制，簡化了系統(tǒng)操作，豐富了系統(tǒng)功能，符合未來照明智能化的發(fā)展方向。本系統(tǒng)可以方便的實現(xiàn)功能擴展，如加上升級模塊，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程升級；也為以后的智能照明打下基礎。此外，本系統(tǒng)經(jīng)過改進后還可以應用到智能家居電器控制的領域，通過遠程通信實現(xiàn)對家用電器的遠程控制。在通信網(wǎng)絡日益完善、通信工具日趨普

43、及的今天，是一種很值得推廣的技術。該系統(tǒng)具有較高的性能價格比，由此開發(fā)出的智能照明產(chǎn)品符合未來智能照明的發(fā)展方向，很具市場發(fā)展?jié)摿?。致謝在本次畢業(yè)設計過程當中，指導老師老師以及答辯老師們都給予了很大的幫助支持，老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和務實的求知精神給我留下了很深的印象，他們鼓勵我孜孜不倦，銳意進取，特別是在困難的時候，他有意識地培養(yǎng)我獨立思考和解決問題的能力。老師的嚴格要求，令我以后的工作和生活當中受益匪淺。在此，對他們所給予的指導和幫助表示最衷心的感謝。在大學期間，我還得到了其它眾多老師和單位領導、同學們極大的幫助，在這里一并致以感謝！參考文獻1朱勇.單片機原理與應用技術m.清華大學出版社，20

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