一、項目概述
1.1 引言
太陽能作為一種新興能源，現廣泛應用於太陽能發電、太陽能光伏發電、太陽能水泵、太陽熱水器、太陽能建築、太陽能幹燥、太陽灶、太陽能製冷空調，還有可以用來淡化海水，利用太陽光催化治理化境，培養能源植物，，在通訊、運輸、農業、防災、陰極保護、消費、電子產品等諸多方面。
然而，各國謀求發展帶來全球性能源危機，世界普遍開始重視可再生能源的開發與利用。太陽能作為一種新興清潔無汙染的綠色能源，以其永不枯竭、無汙染等優點，正得到迅速的推廣應用。目前太陽能路燈應用廣泛，但是絕大多數存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間、隨季節不斷變化等問題，一方面，傳統太陽能電池板都採用固定安裝，即電池板固定在某個位置，不隨地球自轉的變化而變化，這樣嚴重影響光電轉換效率，據測算：如果發電系統與太陽光線角度有25度偏差，就會因垂直入射的輻射能下降10%左右；另一方面，傳統太陽能路燈後期維護大多數處在「無人問津」狀態，有可能造成維修費用更高，更有可能使新能源環保理念在人們心目中形象大打折扣。
為此，要實現創新與環保，必須更好的利用光能，做到兩方面，第一，電池板東西能自動追光，以克服每日太陽光的不垂直入射；第二，電池板南北能自動追光，以克服季節的更替；資料顯示，單軸太陽能跟蹤系統比固定式系統能增加25%的功率輸出，而雙軸太陽能跟蹤系統能增加41%左右；
還有，想到如果把每盞路燈都連成網，有利於更好的控制；
最後，如果在路燈旁加上廣告牌設計，例如提醒居民小心路滑、路段名稱、安全駕駛等等，如果是安置在校園當中，提醒同學保護環境、愛惜花草、注意衛生等等，這就使得方案設計更加人性化；
示意圖如下圖:
1.2 項目背景
我們地球所接受到的太陽能，只佔太陽表面發出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當於全球所需總能量的3-4萬倍，真可謂「取之不盡，用之不竭」。
國外背景：據了解，1974年至1997年，美日等發達國家矽半導體光電池發電成本降低了一個數量級；最近俄羅斯在太陽能研究方面取得進展，利用熱泵和熱管技術將太陽能和地熱、居室廢熱綜合利用起來，是太陽能發電的成本大大降低；
國內背景：我國比較成熟太陽能產品有太陽能光伏發電系統和太陽能熱水系統；使用光伏產品發電的經濟性相對不足，因此長期以來我國光伏產品主要用於解決偏遠無電地區的電氣化問題，以及偏遠地區電信基站的供電問題，值得一提的是，在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達2333 KWh/㎡ （日輻射量6.4KWh/㎡ ），居世界第二位，僅次於撒哈拉大沙漠。
綜上所述，基於自動跟蹤、路燈控制、無線通信、電子廣告牌設計等特點，本次比賽定項目為基於zigbee太陽能自動追光燈與電子廣告牌的設計。
二、需求分析
太陽能跟蹤系統能顯著增加光伏模塊接收的太陽能,提高日用功率和年輸出功率,但比固定式系統成本高且更複雜。在商業領域,太陽能跟蹤系統有單軸系統、雙軸機械跟蹤定位系統及準雙軸系統。單軸系統只能自東向西跟蹤太陽；雙軸系統能在自東向西跟蹤太陽的同時,太陽能板傾斜角度也隨太陽高度變化而變化，從而準確跟蹤太陽位置；而準雙軸跟蹤系統選取單軸的低價優勢、雙軸的精確優勢，集中體現低價高效等特點，但適用範圍較雙軸跟蹤窄。太陽跟蹤系統存在產品系統可靠性不能滿足要求、跟蹤誤差大、成本過高等問題，如何選擇性價比及發電增益高的太陽跟蹤系統，既提高發電量，又降低投資成本成為投資光伏發電市場的關鍵問題。
光伏產業目前在新能源中發電成本最高，但潛力巨大，多種技術路線加速進展，呈現百花齊放的特點，同時投資規模的擴大，成本有較大下降空間，產業將在2012年開始形成高速增長的拐點。2012年以後光伏市場增長幅度會加快，年複合增長率將超過60%，預計2014年市場需求量將達到37GW。其中德國、西班牙、美國、義大利和日本的合計份額仍將保持在85%以上，仍是主要需求地區。我國是能源生產和消費大國，隨著經濟持續快速發展和工業化進程的加快，我國的電力需求也快速增長。到2020年，我國光伏累計裝機容量將達到1.8GW。光伏產業的發展將帶動太陽能跟蹤系統的高速發展。因此，本方案可以盡最大可能的實現上述目標，將能源最大化的利用。
2.1 功能要求
太陽能電池板：
利用太陽能電池板將光能最大效率轉化成電能；
太陽能電池板模塊實現對收集的的太陽能進行轉換，由光能轉化為電能並存儲在蓄電池中，在夜間作為電源為路燈提供能量。本模塊採用太陽能多晶矽發電板：
蓄電池：在白天，對公園或者居民小區中的路燈的蓄電池進行充電，除了對AVR單片機、步進電機供電外，其它的儘量保持低耗能；在夜間蓄電池對無線通信模塊、AVR單片機、LED燈提供電力照明，無需採用傳統的交流電的供電方式進行對路燈的供電；
太陽能控制器:控制器完成功率調節，反接，短路，過流，電氣保護，線損補償，以及散熱功能；
Zigbee模塊：實現當某人在街道上行走（車輛行駛）時，利用控制紅外線自動檢測後的信號來實時控制路燈（當然離不開AVR單片機），實現路燈的控制全自動化和能源利用最優化，為做好融入物聯網而做好「有行」的接口；
AVR單片機：
AVR單片機控制系統是整個電路的控制核心部分，接收來自光敏傳感器模塊和光控開關的信號，通過相關的編程計算，確定何時開啟和關閉路燈，實時的調整自動跟蹤步進電機模塊，實現太陽能電池板以最佳方位面向太陽，實現對系統的總體控制。
光控開關模塊：
本模塊功能在於在何種情況下啟動路燈照明，當在白天光強較強的時候，切斷蓄電池對路燈的供電路徑，從而使得路燈熄滅；當在夜晚來臨時，光強逐漸變弱，此時光控模塊自動接通路燈的電源，從而實現路燈照明。同時本模塊實現在白天時切斷對通信模塊和紅外檢測模塊的供電路徑，實現能源的節約。
光敏傳感器模塊：
本模塊實現對太陽光的自動採集功能，並確定具體哪一個的方向和方位光強最強，並將採集到的信號發送到AVR單片機，從而由單片機決定自動跟蹤模塊如何進行調節。
紅外線檢測模塊：
紅外線檢測模塊實現對所經過的物體或者人進行實時監測，當有人來到時，自動點亮行人所在街道上的路燈，然後在固定的時間比如5分鐘後自動熄滅。當光照低於5lux時，路燈的使能端有效，每一段道路兩頭的路燈設置兩個紅外線檢測器，此時紅外線檢測到行人汽車則持續亮5分鐘，然後自動熄滅（在此過程中如果又檢測到行人，重新持續亮5分鐘）；同時等待下一位行人。本模塊的啟動和關閉由光控開關控制。
步進電機控制模塊：
自動跟蹤步進電機控制模塊實現對太陽能方位的定位，包含兩個步進電機和一個光敏檢測裝置，一個步進電機用於調整太陽能電池板的角度，另一個用於調整電池板對太陽的方位；利用步進電機實現太陽能電池板的東西、南北轉動，以實現光電轉換的最大化。
Zigbee模塊：
本模塊包含街道兩頭的無線發射模塊和若干接收模塊，在夜晚當檢測到行人到來時，發射模塊發射相應的啟動信號，接收模塊接收到相應的信號後，啟動路燈（本模塊的啟動和關閉由光控開關控制）；當有模塊不正常工作時，無線模塊向控制中心（例如小區控制中心）匯報異常情況；另外，AVR單片機應留有Zigbee模塊接口；
LED點陣屏：
實現對廣告語的動態顯示；白天不工作，晚上一直工作。
2.2 性能要求
1．太陽能電池板模塊：
（1）基本參數
最大功率
尺寸
重量
峰值電流
短路電流
峰值電壓
開路電壓
10wp
292×322×35mm
1.5Kg
0.83A
0.87A
12.05V
14.6V
（2）使用條件：
標準測試條件：（AM1.5）輻照度＝1000W／m2，電池溫度＝25℃
絕緣電壓：≥1000V
邊框接地電阻：≤10hm
迎風壓強：2400Pa
填充因子：73％
短路電流溫度係數：＋0.4mA／℃
開路電壓溫度係數：-60mV／℃
工作溫度：-40℃～＋90℃
2．蓄電池模塊：
基本參數
額定容量
外形尺寸
最大重量
極柱
100Ah
138×61×266（mm）
4.3Kg
M16
常溫性能
放電電流（A）
終止電壓（V）
放電時間
0.2C5
1.0
≥5h
1C5
0.9
≥60min
5C5
0.8
≥8min
10C5
0.8
≥2min
（3）低溫性能（－18℃）
放電條件
放電電流 A
0.2C5
1C5
2C5
終止電壓 V
1.0
0.9
0.9
放電時間
3h45min
40min
12min
（3）荷電保持能力： 常溫下全充電電池，開路擱置28d，然後以0.2C5A電流放至終止電壓1.0V，放電時間不少於3.5h。
（4） 機械性能： 常溫下全充電電池，經頻率50～100次/min，加速度39.2m/S2(4g)衝擊10000次，然後在頻率940次/min，振幅2.5mm下振動1h，不應有機械損傷，同時以1C5A電流放電至終止電壓0.9V，放電時間不少於54min。
（5）循環壽命： 蓄電池在20℃±5℃下充放電循環次數不少於550次，壽命實驗期間，任一個第50次循環，蓄電池放電時間不少於3h30min。
（6）保存期： 蓄電池在環境溫度20℃±10℃，溼度45%～75%條件下保存3年，經恢復容量後，性能應符合6.1規定。
3．AVR單片機控制模塊：
Flash/K
16
Vcc/V
2.7～5.5
RTC
Yes
在線編程ISP
Yes
EEPROM/K
0.5
16位定時器
1個
SPI
1
10位ADC
8
I/O 數
32個
8位定時器
2個
UART
1
模擬比較器
Yes
系統時鐘 MHz
16
PWM
4
TWI
Yes
掉電檢測BOD
Yes
看門狗
Yes
片內震蕩器
Yes
中斷
20
硬體乘法
Yes
外部中斷
3
自編程SPM
Yes
SRAM (B)快速寄存器
1024
4．光控開關模塊：
輸入電壓
5～18V
功耗電流
3mA
產品規格
49×27×17mm
5．光傳感器模塊：
類型
HC-SR501 普通型
電平輸出
高3.3V，低0V
工作電壓
5V～20V
感應範圍
小於120度錐角，7米以內
靜態功耗
65 mW
工作溫度
-15度～+70度
6．紅外線線檢測模塊：
紅外線傳感器
價格
20元
工作電流(5V時)
典型電流6mA
類型
熱釋電紅外傳感器
電壓範圍
3.8V～5.5V
7．Zigbee模塊：
工作頻率
2.4GHz～2.5GHz ISM 微波段
識別距離
有效識別距離可達1500m
識別速度
最高識別速度可達200公裡/小時
識別能力
同時識別 200 張標籤
識別方式
全方向識別、定向識別
環境溫度
在-40℃～85℃
使用壽命
30年
抗幹擾性
抗幹擾性
安全性能
防水、防雷、防衝擊，滿足工業環境要求
通信接口
RS232/RS485/RJ45
電 源
9V/12V～3A DC電源
數據速率
最高10M bit/s
外形尺寸
15.5cm×14cm×5.5cm
8.LED點陣屏
類型
共陽
顏色
紅綠雙色
點陣數
2*8*8
尺寸
22mm*22mm
厚度
1.9mm
9．步進電機機控制模塊
型號
17PU-H501-P1
引線數
4根
步距角
1.8度
電流
0.5mA
機身長
38cm
相電阻
6.8Ω
靜力距
0.21N×M
重量
0.24Kg
10．LED燈：
產品品牌
西普萊特
功 率
3W
產品型號
MR16-12V-303
LED數量
3PCS
工作電壓
12V（燈杯內置恆流驅動電源）
產品重量
0.25Kg
產品材質
精工車鋁外殼，精工車鋁散熱型材
三、方案設計
3.1 系統功能實現原理（除圖片外需有文字介紹）
太陽能路燈由以下幾部分組成：太陽電池、蓄電池、步進電機、Zigbee模塊、LED發光體。 太陽能路燈是一個自動控制的工作系統。
系統硬體結構框圖
3.2 硬體平臺選用及資源配置
3.3系統軟體架構
3.4 系統軟體流程
程序運行流程圖
3.5 系統預計實現結果
本設計預期實現以下功能：
在白天模式：太陽能電池板會隨著太陽光線相對的偏移而進行自動跟蹤校正，同時將轉化的電能存儲到蓄電池中；
在黑夜模式：太陽能電池板停止轉動，進入休眠模式；單片機會根據紅外線的檢測（行人等）通過無線通信模塊使整條街道路燈點亮，直至路上無行人；而電子廣告牌會一直工作，起到顯示作用；
當然，還包括，有異常情況出現時，及時通知物聯網控制中心。