畢業(yè)設(shè)論文太陽能交通燈設(shè)計

頁第一章緒論1.1太陽能交通燈設(shè)計的目的和意義交通燈是為了加強道路交通管理，減少交通事故的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的一種重要工具。適用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信號控制機控制，指導車輛和行人安全有序地通行。常規(guī)的交通燈是由安裝電線和鋪設(shè)電纜即用市電作為動力來源的，這樣不僅安裝繁瑣，耗時耗力，而且浪費能源，不穩(wěn)定性和可靠性都是很差的，且不能適合中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。而太陽能交通燈是一種利用太陽能作為能源的交通燈，太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，隨著世界能源危機的加劇，各國都在尋求解決能源危機的辦法，一條道路是尋求新能源和可再生能源的利用；另一條是尋求大量的節(jié)能技術(shù)，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。太陽能交通燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟不發(fā)達、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源供電的地區(qū)。太陽能交通燈系統(tǒng)由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱（內(nèi)有控制器、蓄電池）和燈桿幾部分構(gòu)成，控制箱箱體以不銹鋼為材質(zhì)，美觀耐用；控制箱內(nèi)放置免維護鉛酸蓄電池（本系統(tǒng)選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利于系統(tǒng)維護費用的降低；充放電控制器在設(shè)計上兼顧了功能齊備，具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等，與成本控制，實現(xiàn)很高的性價比。）和充放電控制器。同時，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發(fā)光效率高，一般人都認為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉，但LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是一個歷史上更偉大的改革。太陽能LED交通燈集成了太陽能與LED優(yōu)點。1.2太陽能交通燈的工作原理和過程太陽能交通燈系統(tǒng)工作原理和過程很簡單，首先就是由動力源部分即太陽能電池板，利用光生伏特效應原理，在白天由電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，同時通過控制器向交通燈提供電能以使其正常工作。當夜晚照度逐漸降低，太陽能電池板開路電壓降低到所規(guī)定的值時，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。當過了一個黑夜，到白天時充放電控制器偵測到太陽能電池板的電壓達到所規(guī)定的充電電壓時就繼續(xù)向蓄電池充電，從而完成循環(huán)。具體的太陽能交通燈工作原理和工作過程會在以下章節(jié)進行詳細介紹[1]。

第二章太陽能交通燈總體設(shè)計太陽能交通燈的設(shè)計是由用戶（主要是交通部門）來決定的，交通燈部門確定在某一區(qū)，某一路口，某一環(huán)境下安裝和使用太陽能交通燈，會根據(jù)這一地區(qū)、所選的環(huán)境和該路口的車流量的大小和時間分布確定的。因為當我們選用不同大小的交通燈（這里指交通燈的LED燈）和交通燈的轉(zhuǎn)換時間是根據(jù)這個路口的車流量來確定的，而不同大小的LED交通燈又決定了所選用太陽能電池板的大小。此外，道路車輛的監(jiān)控對暢通道路起到非常重要的作用，可以根據(jù)所監(jiān)控到的車流量的大小來調(diào)節(jié)交通燈的轉(zhuǎn)化時間，而模糊控制則可完成這項功能。強制通行幾乎是每個路口必備的，所以根據(jù)以上討論的結(jié)果我們提出了本篇論文太陽能交通燈系統(tǒng)的具體設(shè)計要求為：（1）太陽能電池板功率的計算和選用；（2）蓄電池容量，恒流充放電控制和狀態(tài)顯示；（3）放行線,綠燈亮放行30秒,黃燈亮警告5秒,然后紅燈亮禁止；（4）紅燈亮禁止30秒,綠燈亮30秒放行，放行線和禁止線交替變換；（5）系統(tǒng)的模糊控制要求；(6)遇到緊急情況，交通燈具有強制通行和全部禁止通行的功能?；谝陨系囊?，設(shè)計的系統(tǒng)必須有以下結(jié)構(gòu)模塊：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（太陽能電池組件，蓄電池，充放電控制電路），單片機控制電路，顯示電路。

第三章太陽能交通燈硬件設(shè)計3.1太陽能供電系統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要有太陽能電池組、蓄電池、太陽能控制器等部分組成。太陽能電池組件是將光轉(zhuǎn)變成電的變換裝置,白天在陽光照射下,太陽能電池組件通過光生伏打效應產(chǎn)生光生電壓和光生電流,所產(chǎn)生的直流電一方面通過控制器對畜電池充電,這時電能被轉(zhuǎn)化成化學能被儲存在蓄電池中,另一方面通過控制器給負載供電。到了夜晚,太陽能電池組件停止發(fā)電并停止向蓄電池充電,蓄電池通過控制器對光源放電。因此,本系統(tǒng)的設(shè)計包括太陽能電池功率的計算、蓄電池容量的選擇、充放電控制電路的設(shè)計，系統(tǒng)總框圖如圖3-1所示。圖3-1太陽能供電系統(tǒng)框圖3.2太陽能電池板太陽能電池構(gòu)成太陽能電池板，而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；當許多個太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染.。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。3.3蓄電池在太陽能電池供電系統(tǒng)中,太陽能電池方陣將太陽能輻射轉(zhuǎn)換為直流電能,通過蓄電池將其電能轉(zhuǎn)換為化學能儲存起來,我們通常稱蓄電池為光伏發(fā)電系統(tǒng)的貯能裝置。對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),要求它能夠隨時隨地向負載提供穩(wěn)定的電能,但是,由于太陽日夜光照的間歇性和隨機性,發(fā)供電任務(wù)全都靠太陽能電池則難以實現(xiàn),必須通過貯能裝置來對太陽能電池發(fā)出來的電能進行貯存和調(diào)節(jié),在供電系統(tǒng)正常工作時,依蓄電池正常充放電狀態(tài)的變化分為多種情況:第一種是負載關(guān)閉,太陽能電池方陣正常發(fā)電,此時全部電能是向蓄電池組充電,將這些電能全部轉(zhuǎn)換成化學能貯存起來,直到蓄電池充滿后控制器保護斷開為止;第二種情況是在太陽能電池發(fā)電的同時,負載也需要工作。這時,太陽能電池將直接向負載供電,同時將多余的電能向蓄電池組進行補充電;更多的工作情況可能是,太陽能電池不再發(fā)電,負載需要的電能全部由蓄電池組提供,此時,以化學能形式存儲在蓄電池中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?供負載使用,所以說蓄電池既能貯存電能,還能對系統(tǒng)起著調(diào)節(jié)電量、穩(wěn)定輸出的作用。蓄電池的種類很多，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中大多數(shù)采用的是鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池。但考慮到蓄電池的使用權(quán)條件和價格，大部分太陽能光伏系統(tǒng)選擇鉛酸蓄電池作貯能電源，且使用不需要加水免維護型的閥控式密封型鉛酸蓄電[4]。下面對鉛酸蓄電池進行簡單介紹：(1)鉛酸蓄電池定義：電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。英語Lead-acidbattery荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸蓄電池電極反應式充電：2PbSO4+2H2O＝PbO2+Pb+2H2SO4（電解池）陽極：PbSO4+2H2O－2e－===PbO2+4H++SO42－陰極：PbSO4+2e－===Pb+SO42－放電：PbO2+Pb+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O（原電池）負極：Pb+SO42－－2e－===PbSO4正極：PbO2+4H++SO42－+2e－===PbSO4+2H2O3.4太陽能控制器充放電控制器是具有自動防止蓄電池組過充電和被負載過放電的設(shè)備，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一?？刂破髯钪匾淖饔镁褪欠乐剐铍姵剡^度充電和過度放電。由于蓄電池的投資在系統(tǒng)成本中占了較大的比重，為了最大限度延長蓄電池使用壽命，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)能長期可靠地工作，就需要對蓄電池的充放電進行控制。雖然控制器的控制電路根據(jù)光伏系統(tǒng)的不同其復雜程度有所差異，但其基本原理是一樣的，圖3-2是一個基本的充放電控制器的工作原理圖，該系統(tǒng)由光伏組件、蓄電池、控制器電路和負載組成。開關(guān)1和開關(guān)2分別為充電開關(guān)和放電開關(guān)。開關(guān)1閉合時，由光伏組件給蓄電池充電，當蓄電池出現(xiàn)過充時，開關(guān)1能及時切斷充電回路，使光伏組件停止向蓄電池充電，開關(guān)1還能按照預先設(shè)定的保護模式自動恢復對蓄電池的充電。開關(guān)2閉合時，由蓄電池給負載供電，當蓄電出現(xiàn)過放電時，開關(guān)2能及時切斷放電回路，蓄電池停止向負載供電。當蓄電池再次充電并達到預先設(shè)定的充電電壓門檻時，開關(guān)2又能自動恢復給負載供電。開關(guān)1和開關(guān)2是廣義上的開關(guān)，它可以由各種開關(guān)元件構(gòu)成，如各種電開關(guān)、機模式開關(guān)等。圖3-2基本充放電控制器工作原理圖3.5充電方法充電是蓄電池得以可持續(xù)工作的重要手段，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)得以持續(xù)進行的必備條件。一般的的充電方法有快速充電法,恒流充電法，恒壓充電法。在開始充電的時候,控制器會先檢測蓄電池的電壓,如果過低,則會根據(jù)快速成充電的方法,將畜電池的電量快速充滿,之后采用恒壓或恒流的方法繼續(xù)給畜電池充供電。快速充電法一般是使電流以脈沖方式輸給蓄電池，并隨著充電時間的延續(xù)，蓄電池一個瞬間的大電流放電，使其電極去極化。它是光伏發(fā)電的常用充電方法之一[2]?？焖俪潆姺ǖ闹饕獌?yōu)點：充電時間大大縮短，采用常規(guī)充電法時，蓄電池正常充電時間一般需要12～15小時。采用快速充電法時，正常的充電時間一般是在1小時左右。由于充電時間大大縮短，充電維護工作量就大大減少。節(jié)約大量電能，蓄電池的壽命顯著提高。采用快速充電法時，有效避免了因劇烈出氣而造成的活性物質(zhì)脫落，蓄電池的容量顯著增加。采用常規(guī)充電法時，充電電流較小，極板深處的活性物質(zhì)不能進行充分的化學反應，所以新蓄電池在初充電后的容量很難達到額定容量。采用快速充電法時，充電電流很大，極板上的活性物質(zhì)可以進行充分的電化學反應，因而蓄電池的容量顯著增加。此外，采用快速充電法時，蓄電池經(jīng)初充電后，不必放電。這樣既能節(jié)約電能，又縮短充電時間，還可增加蓄電池的容量。另外，采用快速充電法可以有效的消除極板硫化，從而提高蓄電池的容量。有些因硫化而準備報廢的蓄電池，采用快速充電法后，容量也可以大大提高，這樣就相應地延長了蓄電池的使用壽命。從上述可以得出，采用快速充電法比較合適，適合作為太陽能電池板的儲能裝置。恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法?？刂品椒ê唵?，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使析氣過甚。恒壓充電法主要針對每只單體蓄電池以某一恒定電壓進行充電。此方法比較簡單，充電過程中不需要調(diào)整電流。充電時間短，能耗低，充電效率可達80%。如果充電電壓選擇得當，可在數(shù)小時內(nèi)完成充電。其缺點是：在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅會危及充電器的安全，蓄電池也可能因為過流而受到損傷；另一方面，如果充電電壓選擇過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不宜串聯(lián)數(shù)量多的蓄電池組充電；同時，蓄電池的端電壓很難補償，充電過程中對低電壓蓄電池的完全充電也難以完成。恒電壓充電一般應用在蓄電池組電壓較低的場合[3]。3.6信號狀態(tài)控制的設(shè)計設(shè)在十字路口，分為東西向和南北向，在任一時刻只有一個方向通行，另一方向禁行，持續(xù)一定時間，經(jīng)過短暫的過渡時間，將通行禁行方向?qū)Q。其具體狀態(tài)如下圖3-3所示。說明：黑色表示亮，白色表示滅。即如圖3-7所示：◆東西方向紅燈滅，同時綠燈亮，南北方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時30秒。此狀態(tài)下，東西向禁止通行，南北向允許通行?！魱|西方向綠燈滅，同時黃燈亮，南北方向紅燈亮，倒計時5秒。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換?！裟媳狈较蚣t燈滅，同時綠燈亮，東西方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時30秒。此狀態(tài)下，東西向允許通行，南北向禁止通行?！裟媳狈较蚓G燈滅，同時黃燈亮，東西方向紅燈亮，倒計時5秒。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。圖3-3交通狀態(tài)本設(shè)計中的信號燈均由紅、綠、黃三種顏色的高亮度LED圓形點陣組成，電路上采取串并聯(lián)相結(jié)合。且每只發(fā)光二極管的正向工作電流IF為15mA，正向工作電壓為2V。每個燈由50只發(fā)光二極管組成圓形顯示,其中每5個串聯(lián)在一起，然后這10個串聯(lián)支路并聯(lián)起來，這樣可以避免工作電流過大而損害發(fā)光二極管。每個燈的工作電流為0.15A（15mA×10＝0.15A），而四個路口同一時間最多亮四個燈，即四個燈的最大工作電流為0.15A×4＝0.6A，倒計時間顯示部分有兩位數(shù)字顯示,每一位數(shù)字仍由發(fā)光二極管組成,數(shù)字的每一段由5只發(fā)光二極管串聯(lián),每一段上通過的電流為15毫安,兩位數(shù)字共有14段,共需電流210mA,四個方向時間顯示最大工作電流是0.21A×4=0.84A。因為倒計時并不是數(shù)字的每一段都會顯示,因此，時間顯示部分所需電流取其2/3即可，即0.56A,則系統(tǒng)一天的用電量為(0.6+0.56)×24=27.84Ah,一天的功耗為10×27.84=334.08Wh。3.7蓄電池容量計算蓄電池的容量計算是根據(jù)系統(tǒng)的日用電量、自給天數(shù)及蓄電池的放電深度來確定的。這里自給天數(shù)是指在系統(tǒng)中沒有任何外來能源的情況下仍能正常工作的天數(shù)。蓄電池的放電深度應根據(jù)不同的的蓄電池類型來確定，一般來說，鉛酸畜電池的放電深度選擇80%左右。這里所做實物中蓄電池容量選5V,且能連續(xù)工作6個陰雨天。蓄電池容量的大小，主要考慮負載的耗電情況，此外還要考慮現(xiàn)場的氣候條件和環(huán)境溫度等。蓄電池容量的計算化公式為（Ah）:式中：P為負載的平均功率，h為負載每天工作的時間，N為連續(xù)無日照的天數(shù)，U為蓄電池的額定電壓，為富余系數(shù)，取1.43，T0為溫度修正系數(shù)，（一般0度以上取1，0度以下取1.1或1.2）。本系統(tǒng)蓄電池容量選擇：考慮到現(xiàn)場氣候和環(huán)境溫度，可選擇容量為250Ah/12V的免維護鉛酸蓄電池，其容量設(shè)計在連續(xù)6個陰雨天也能正常工作[5]。3.8太陽能電池功率的計算太陽能電池功率的計算工式為：式中：t為每天平均光照小時數(shù)，M為太陽能電池板給蓄電池充滿需要的天數(shù)。按平均每天日照7個小時，3天給蓄電池充滿，則太陽能電池板的功率為：

第四章太陽能交通燈軟件設(shè)計所編寫的軟件應該實現(xiàn)太陽能交通燈的設(shè)計要求，換句話說就是要根據(jù)設(shè)計要求來確定軟件的設(shè)計思路。在本次設(shè)計中我們主要要實現(xiàn)的是模糊控制，通過模糊控制來變更交通燈所亮的時間。當然了實現(xiàn)交通燈的基本功能肯定是必要的?；谝陨闲枨?，該系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要有主程序，中斷子程序，模糊控制子程序和延時子程序。主程序主要任務(wù)是調(diào)用子程序從而實現(xiàn)紅綠燈的輪流顯示及秒倒計時顯示，中斷服務(wù)程序的主要功能是進行計時操作，其中顯示子程序可以反復調(diào)用[6]。下圖4-1為主程序流程圖：圖4-1主程序流程圖下圖4-2為中斷程序流程圖：圖4-2中斷程序流程圖

結(jié)論交通燈控制在交通運輸領(lǐng)域里有著非常重要廣泛的作用。本文完成了以太陽能為動力來源，采用MSC一51系列單片機AT89S52為中心器件，來設(shè)計交通燈控制器的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與模擬。系統(tǒng)設(shè)計簡便、實用性強、操作簡單。同時，系統(tǒng)采用太陽能電池進行供電，不僅環(huán)保節(jié)能，還省去了鋪設(shè)電纜的麻煩。系統(tǒng)不足之處暫時還不能控制車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，如果需要亦可以擴充原系統(tǒng)。硬件控制電路簡單，可降低生產(chǎn)成本，采用單片機可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)的體積，調(diào)試和維護方便，并可根據(jù)具體情況修改程序中的參數(shù)。對靈活有效地利用交通燈控制行車安全，車輛分流有一定的實際意義,而且解決了緊急車的通行問題。在論文完成過程中，主要做的工作有：（1）確定交通系統(tǒng)具體的通行方案，規(guī)定東西向和南北向車輛的行止狀態(tài)和時間分配，以及要求其他多功能的實現(xiàn)。（2）以ATMEL公司的AT89S52單片機為核心進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，輸入量包括：車流量，按鍵狀態(tài)和模糊控制傳感信號；輸出控制交通信號燈亮滅狀態(tài)及時間，以及LED數(shù)碼管倒計時顯示。（3）在車流量檢測系統(tǒng)中采用模糊控制方法，這需要知道被控對象的數(shù)學模型，進行清晰化，具體化。因此，必須實施調(diào)查確定車流量少，中，多所要