光控太阳能装饰灯的设计与实现

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摘 要

太阳能光伏能够提供较为稳定的直流电源，是目前最受欢迎的绿色能源之一；而LED（发光二极管）则是直流电控制光源，两者的结合已有诸多研究。本文设计了一款单片机控制和光自动控制相结合的太阳能装饰灯，集美观、实用、节能等理念于一体。

【关键词】太阳能 LED 光控

随着近几年的能源危机、环境污染等问题日益严重，新型能源、绿色能源的开发及利用显得尤为重要。太阳能光伏技术的发展和进步，在日常生活方面的使用已非常普遍。随着大功率LED（发光二极管）光源生产技术的突破，太阳能LED灯具产品由于环保节能的双重优势，太阳能庭院灯和太阳能草坪灯，太阳能装饰灯等方面的应用已经逐渐形成规模。太阳能与LED 发光源相结合之后展现出来的优势在日常生活中无处不在。例如，它可以在一定程度上降低功率消耗、降低太阳能灯的工具成本，另一方面，不但提高了灯的照明度，而且提高了其自身的性价比，在照明与环保两个方面都起着重要作用。

目前普遍认为太阳能LED照明产品具有如下优势：长寿命、节能、可控性好、绿色环保、工作电压低、体积小、发热少、易于调光、色彩多样等。太阳能LED照明产业已进入商业化阶段，主要产品涉及路灯照明、交通指示、海事信号、庭院装饰、夜景照明等，充分发挥了太阳能LED照明系统的零能（源）耗、无污染的特性。本文的研究正是基于太阳能电池与LED 的结合优势，设计了一款基于单片机和光自动控制的装饰灯，包括了外观设计、系统电路设计等，设计成果集实用性、观赏性于一体。

1 系统设计

本设计采用了两组光源，一是白光LED灯组，一是彩光LED灯组。白光由光敏电阻控制，彩光LED由单片机实现流水效果。白天太阳能电池板对蓄电池进行充电；夜间则根据需要（设计中有自锁开关），可以产生照明或者流水灯的效果，起到很好的观赏或照明效果。

2 系统外观设计

本设计采用屋子为造型设计装饰灯外观，灵感来源于德国提出的“屋顶计划”、“零能耗建筑”等。其中，流水灯分布于屋檐下和底座栏杆，共计采用16个LED彩灯；白光灯组则集中在屋子内部，并于屋子的三面设置窗户以增加光透射出房子的效果。蓄电池、电路板等安置于房子内部。（见图2）

3 系统电路设计

如图3是本设计中的系统电路原理图。

3.1 电源模块

本模块主要由太阳能电池板、蓄电池和稳压芯片LM7805构成。太阳能电池板转换得到的电能被送往蓄电池中存储起来，目前一般的设计都会配上充放电控制器，其中最为普遍的是以MPPT算法生产的控制器，比如ATMEGA128L主控制芯片等。最终由蓄电池的输出作为整个系统的电源。单片机所用的恒定5V电压主要由6V的蓄电池经过滤波电容的滤波在经过LM7805稳压芯片的稳压供给。LM7805稳压芯片LM7805带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

3.2 LED灯组控制模块

单片机流水灯照明灯组的阳极接的是高电平，阴极分别接在单片机P0和P1口上。我们只要利用程序顺序控制其每个端口上相应的引脚的电平值，即可控制LED灯的亮灭，实现流水灯的效果。本设计采用共阳接法，将LED灯的阳极接VCC，当单片机端口输出为低电平时LED灯亮；为高电平时，则LED灯灭。

白光的控制由光敏电阻实现，其工作原理是以光敏电阻对于外界光线强弱的感应能力为基础进行的装饰灯自动化控制系统设计；当光线强度，强到一定程度的时候，装饰灯就会自动灭掉；当光线弱到一定程度的时候，装饰灯就会自动开启，光控电路模块如图4。

本设计中光敏控制电路用到的NPN、PNP三极管主要的作用就是开关作用。

本路电路中当光敏电阻受到外界光线照射时阻值减小（2-10KΩ）；9013NPN三极管BE两端的电压小于导通电压，发射区基本上没有电子注入基区，对应的集电极电流也接近于0，三极管工作于截止状态；此时相当于NPN管的集电极为VCC，因此，9012PNP三极管UE=UB，发射结零偏，PNP三极管也工作于截止状态，LED灯则不亮。而在光敏电阻没有受到光照时，它的阻值增大（约0.2MΩ），9012NPN三极管发射结的电压UBE高于导通电压，发射结正偏，且因为UC>UB，集电结也为正偏，NPN三极管工作于饱和状态，UC=UE=0V，即9013PNP管的基极电压为0V；因此PNP三极管的UE>UB，发射结正偏，而因为UCB=0，三极管工作于饱和状态，也就相当于开关接通，LED灯亮起。

4 太阳能电源系统参数设计

4.1 负载功率计算

（1）单个LED功耗：

P=LED工作电压×LED工作电流=3V×20mA=0.06W。

（2）流水灯（16只LED灯）功耗：

16×0.06W=0.96W。

（3）白光LED灯功耗：0.5W。

（4）以每天工作8小时计算负载日耗电量：

Q=Pt/U=（0.96+0.5） ×8/6=1.95Ah。

式中U=6V为系统蓄电池标称电压。

4.2 蓄电池选择

根据负载的功率计算，并考虑蓄电池不能完全放电，考虑电池的放电效率约85%，则

Q’=1.95/0.85=2.29Ah

本设计采用6V，2.5Ah的蓄电池。

4.3 太阳能电池板的选择

按10小时充电计算，满足负载日用电的太阳能组件的充电电流为：

I=Q’/10=2. 5Ah /10h=0.25A

计算中，加上15%的余量，则要求太阳能电池提供的输出功率为：

P=U’×I（1+0.15）=9×0.25×1.15=2.59W

式中P为太阳能电池提供的输出功率，U’=9V为太阳能电池板工作电压；因此设计采用1块9V，3W的太阳能电池板供电。

5 结束语

本设计是光伏发电和LED装饰灯的结合体，也是对楼宇智能夜景工程装饰的缩小版；产品的设计理念围绕着我们现在生活中所大力提倡的环保，绿色，节能所展开。设计不仅考虑装饰灯的实用性和美观性，更具有非常好的环保时尚性跟环境氛围点缀性，是各种领域装饰的首选，例如道路两旁，各种展馆，学校草坪，小公园广场，家庭……设计的装饰灯也已制作完成，并正在推广。

参考文献

[1]郭凤仪，赫广杰，刘丹等.基于单片机的光伏路灯照明系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2013.

[2]周婷婷.太阳能LED照明系统的研究与设计[D].东华大学，2011.

[3]赵争鸣，刘建政等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005（10）.

[4]郭凤仪，周坤，姜丽丽等.太阳能LED照明控制系统的设计与实现[J].电工电能新技术，2012.

[5]杜树春.单片机应用系统开发实例详解[M].北京：机械工业出版社，2008（01）.

作者简介

李志阳（1981-），男，福建省厦门市人。硕士研究生学历。现为厦门华厦职业学院讲师。研究方向为职业教育、光电应用技术。

蔡淑宽（1982-），女，福建省漳州市人。硕士研究生学历。现为厦门一中教师（中教一级）。研究方向为理论物理。

作者单位

1.厦门华厦职业学院 福建省厦门市 361024

2.厦门一中 福建省厦门市 361003