1.引言
在今天高度工业化信息化的社会中，环保与节能已经是一个引起人们高度关注的话题。太阳能节能灯具有安全、节能、方便、环保等优点，必将在我们的日常生活中普及。这是因为太阳能是地球上最直接最清洁的能源，每天到达地球表面的辐射能十分巨大。但由于现在半导体技术上的一些问题，太阳能的转化效率还是不太高，大功率的太阳能电池板价格上比较贵，实现大量生产价格低廉的大功率太阳能电池板还有一定的技术问题有待解决，从而导致了太阳能节能灯在我们日常生活普及率较低。草坪灯主要用于晚上草坪矮树丛中的小径等照明装饰，其功率要求相对较低。基于草坪灯对功率要求相对较低，太阳能节能灯在草坪灯上有较好的应用和发展，另外LED具有较高的电光转化效率，其光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，节省了大量的能源。结合太阳能和LED的优点制成的太阳能草坪灯，其优点是十分突出的。太阳能草坪灯的工作原理是利用太阳能电池的能源来进行工作，当白天太阳光照射在太阳能电池上，把光能转变成电能并存贮在蓄电池中，再由蓄电池在晚间为草坪灯的LED（发光二极管）提供电源。
本文设计了一种用于草坪路灯照明的太阳能节能灯，通过光控电路使节能灯白天储存太阳能、照明LED熄灭，天黑后照明LED通过储存的太阳能供电来发光。照明LED总功率1W以下，太阳能的储存电池容量满足8小时以上照明。
2. 方案设计
图2－1 工作原理框图
太阳能节能灯的原理框图如图2－1所示。系统共分为五部份，分别为太阳能电池、充电电路、蓄电池、光控开关电路和LED照明灯。其工作原理为，白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能，经过光控电路将能量储存在蓄电池中；夜晚当照度降低至一定值后，光控电路启动蓄电池对LED供电。蓄电池放电8小时后，延时电路启动，关闭LED；当照度升至一定值后，太阳能电池对蓄电池重新充电。
3. 电路设计
3.1 LED照明灯
LED（Light Emitting Diode）[6]，即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，是负极；另一端正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位；另一端是N型半导体，在它里面电子占主导地位，。两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，空穴就会被推向N区，电子就会被推向P区，在P-N结的结区里电子跟空穴复合，产生能量，然后以光子的形式发出，这就是LED发光的原理。白光LED通常采用两种方法形成：第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。
根据设计要求，草坪灯光线必须向四周发射， 因此LED的排列一定呈圆型的；另外亮度、发散角度和控制电路提供负载决定了LED的个数。结合以上要求使用8个大功率白光的O3 LED并联，其单个LED工作电流为25mA，电压为3V。
选用LED作为光源，是因为LED寿命长，可以达到10万小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。特别是LED技术已经取得了其关键的突破，并且其特性在过去5年中有很大提高，同时性价比有了比较大的提高。另外，LED由低压直流供电，其光源控制成本较低、调节明暗、频繁开关都是可能实现的，目前市场上销售的LED发光效率能达到50 Lm/W，与三色基色高效节能灯的发光效率相当，并且不会对LED的性能产生不良影响。但是LED有它许多固有的特性，使用时不注意就会造成不良后果。
LED照明灯使用注意事项：1.LED的特性接近稳二极管，工作电压变化0.1V，工作电流可能变化10mA左右。为了安全，普通情况下使用串联限流电阻，极大的能量损失是不适合太阳能草坪灯，并且LED亮度随工作电压变化。电路中使用简单的恒流电路，实现要自动限流，否则将会损坏LED。2.一般LED的峰值电流50-100mA，反向电压6V左右，不可超过这个极限，尤其在太阳能电池反接或者蓄电池空载，电路电压过高时很可能超过这个极限，损坏LED。3. LED温度特性不好，温度上升5℃，光通量下降3%，夏季使用要注意，并且设计中注意处理散热问题等。4.静电对超高亮白光LED影响很大，在安装时要有防静电设施，要佩带防静电手腕，受静电击伤的超高亮白光LED当时可能凭眼睛看不出来，但是使用寿命将变短。
3.2 太阳能电池板
根据广州地区的天气的相关资料，近二十年年均辐射量180.7Kcal/cm2，经简单计算广东地区日照可充电时数平均约为6.424h，连续阴雨照度低于50lux的天数2天。根据设计要求，使用8个大功率白光的O3 LED并联，其单个LED工作电流为25mA，电压为3V。
根据相关电学能量公式进行简单的计算： （8个LED的功率）， （每晚工作8小时消耗的能量），所需要的太阳能电池功率： 。
因此选取两块电压为4V、短路电流为200mA的太阳能电池板并联组成太阳能电池。设计同时要考虑太阳能节能灯的防水、防潮、散热和延时等。
太阳能电池板的主要作用是把太阳能转化为电能。它的主要原理是通过使用半导体材料，将较薄的N型半导体置于较厚的P型半导体上，当光子撞击该装置的表面时，P型和N型半导体的接合面有电子扩散产生电流，可利用上下两端的金属导体将电流引出利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成电能，其利用的技术属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏特效应原理进行光电转换的因此又称太阳能光伏特技术。
本设计中使用的太阳能电池板是由薄膜光电池制成的，它具有频谱较宽、重量小，简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本，并具有较高光电转换效率（达到15％）。太阳能电池板封装形式，目前太阳能电池的封装形式主要有两种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1-2年，因此，本设计使用的太阳能电池板使用层压的封装形式，并使用密封的形式来进行防水处理。为了提高功率，设计中使用两块4V 200mA的太阳能电池板并联来提高发电功率。
3.3 蓄电池
根据上面关于日照可充电时数平均约为6.424h、连续阴雨照度低于50lux的天数2天的天气资料，每晚LED消耗能量是17280J，电池的能量容量要求为： 。所以选取3.6V 5000mAh的镍氢电池作为储存电能。根据以上计算和充电电路及光控开关电路的设计、太阳能草坪灯对连续阴雨可维持时间的要求以及对成本价格的考虑，蓄电池适宜使用大容量的镍氢电池。
镍氢电池的特性：镍氢电池是现代电子产品中使用最为广泛的绿色环保电池之一，具有单体容量大、放电特性平稳、通用性强、发热量小等优点。缺点是体积大、自身重量大。镍氢电池标称电压1.2V，在充足电的情况下可达1.35V，与普通AA类碱性电池电压相近，基本上可以通用，镍氢电池的放电特性非常好，放电曲线也非常平滑，到电力快要消耗完时，电压突然跌落，这一点接近于镍铬电池，但是瞬间放电电流不如镍铬电池。另外，镍氢电池采用无汞设计，这对于环境保护具有重大意义。
镍氢电池的结构：AA型镍氢电池与普通AA电池外形一样。镍氢电池采用化学物质的可逆反应来实现充电与放电过程。所以在充放电过程中，电池内部会产生大量气体，电池内部的压力相对较大，因此，镍氢电池都设计有排气用的排气孔，防止因内部压力过大发生爆炸。目前我们所接触到的电池，之所以看不到排气孔，是因为电池顶部安装有一个圆形的塑料片，用来防止异物堵塞排气孔和防止正极帽同负极的外壳短路。
电池的记忆效应：所谓记忆效应，是指电池在充放电过程中，由电池内部化学成分所决定的、在某一区域产生无法继续发生化学反应的现象。具个例子：当一节电池充满电后，它可以对某电器连续放电60分钟。现在我们就用这节电池对这个电器进行放电，放电到30分钟时停止，再对这节电池进行充电，充好电后继续放电30分钟，每次都不进行完全放电，经过N次重复操作，这节电池就有了记忆效应，在以后的使用过程中，当电池放电30分钟后，就不再输出电流了，也就是说，这节电池的容量减少了一半。我们现在所用的镍氢电池这种现象一般不会发生这种现象，这是因为镍氢电池的化学成分与镍铬电池不同。
因为镍氢电池价格上比锂电池，铅酸电池低，并且在大功率镍氢电池上，镍氢电池比锂电池少了过充过放保护电路，这样就有更多的能量应用到LED发光。镍氢电池安装，充电和放电都比较简单，并且电池容量较大，镍氢电池可以按电池容量的3倍连续高效率放电，在这方面锂电池和铅酸电池是无法比拟的。因此在本设计中选用3.6V 5000mAh(一般这样的符号都标注在蓄电池上，例如24V 10Ah，代表的就是一个储存能量能力的单位，也就是在24V电压的时候蓄电池放电电流在1A可以连续放电10个小时.一般充电电池的蓄能的大小在1.25V 600mAh-2300mAh.至于单位的换算可以这样表示，W=Pt=UIt，也就是电池上的标注24V 10Ah = 24V *10A*h)的镍氢电池作为储存电能的蓄电池装置。
3.4 充电电路及光控电路
充电电路及光控电路如图3－4所示，当白天照度逐渐升至20lux以上时，太阳能电池把光能转换为电能，二极管1N4007导通，对镍氢电池组进行充电。因为有光照，光敏电阻呈低阻状态；三极管Q2 NPN13001的b极为低电平而截止，LED熄灭。当夜晚照度降低至20lux以下时，光敏电阻呈高阻状态，三极管Q2 NPN13001的b极为高电平而导通，从而使三极管Q3 PNP8550导通，LED点亮，太阳能电池板也停止对镍氢电池组进行充电。调节R11可以改变照度，从而改变光控开关跳转的条件。[1]电路元器件的选取：Q2 NPN13001的β值较大，这样使电路较为灵敏特性，Q3 PNP8550β值为200，它允许通过的电流值较大，电阻选用四分之一瓦普通碳膜电阻。
图3－4充电电路及光控开关电路
电路中严格限度地使用元器件的个数，这样能确保太阳能电池发出的电量，百分之九十五以上用于LED照明中。
电路中二极管1N4007作用是防止反充电，一般就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管可防止反充电，这个二极管是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。光敏电阻又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。通常，光敏电阻都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。[2]在本设计中的光敏电阻系可见光光敏电阻，即在有光照的电阻该电路不仅可以实现光控开关作用，而且电路对LED灯组有限流作用。
3.5 延时电路
本设计的延时电路是使用单片机实现的，它不是完成某一个逻辑功能的芯片而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，可以较为准确的确定延时时间，并且可以同过修改程序，重新确定延时时间，使用起来十分方便，具有较高的时间稳定性。体积小、质量轻、价格便宜是它最大的特点。
单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。延时电路原理图如图3-5所示：
图3-5延时电路原理图
本设计中使用的单片机型号是MCS52，通过使用c语言编程编译后，再把程序写入单片机内，从而使其实现8小时以上的延时，程序如下：
#include"at89x52.h"
int count=0;
int second=0;
int mini=0;
int hour=0;
void t0(void) interrupt 1 using 0
{ count++;
//P3_6=1;
P0_0=1;
P0_1=1;
if(count==20) //1S
{count=0;
second++;
//P3_6=0;
P0_0=0;
if(second==60)//1min
{ P0=0XFF;
second=0;
mini++;
P0_1=0;
if(mini==60) //1hour
{mini=0;
hour++;
switch(hour)
{case 1: {P0_3=0;break;}
case 2: {P0_4=0;break;}
case 3: {P0_5=0;break;}
case 4: {P0_6=0;break;}
case 8: {P0_7=0;break;}
}
}
}
}
}
void main(void)
{TMOD=0x01;
4. PCB的制作
4.1 PCB的简介
PCB(Printed Circuie Board)，即印制线路板的简称，通常把在绝缘材上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。板子的基板是由绝缘、隔热、不易弯曲的材质制作成的，在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，原来铜箔是覆盖在整快板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了。[4]这些线路被称作导线（conductor pattern）或称布线，并用来提供PCB上零件的电路连接。为了将零件固定在PCB上面，我们将它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB（单面板）上，零件都集中在其中一面，导线则都集中在另一面。我们需要在板子上打洞，这样接脚才能穿过板子到另一面，所以零件的接脚是焊在另一面上的．因此，PCB的正反面分别被称为零件面（Component Side）与焊接面（Solder Side）。如果PCB上有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或装回去，那么该零件安装时会用到插座（Socket）。由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆装。
4.2 制作PCB
图4-1 原理图
图4-2 PCB图
首先使用电路设计软件Protel 99 SE把上面设计的电路画成原理图，如图4-1所示。然后根据原理图使用Protel 99 SE网络表生成器生成网络表，再根据生成的网络表绘画出PCB图，如图4-2所示。
检查图4-2元件线路无误后，调整Protel 99 SE的打印设置，在不干胶纸上打印出布线图样，然后把不干胶纸上的布线图样烫未加工的电路板铜箔上。待电路板降到常温时，把电路板放到60℃的三氯化铁溶液中进行腐蚀，腐蚀完后用酒精把布线上的油墨清洗干净。然后焊接零件，并且进行电路调试，实现电路设计的功能。
5. 性能测试与结果分析
5.1 性能测试
太阳能电池光电流测量：
测试条件：两块电压为4V、短路电流为200mA太阳能电池板并联，使用可调照度氙灯作光源，照度计等仪器，分别模拟阴天室外：照度为50—500lux；晴天室外（夏季中午太阳光下的照度：为1.0×109lux）；
阴天室外：
光通量（lux）
50
100
200
300
400
500
短路电流（mA）
0.15
0.58
2.58
6.89
10.83
20.9
晴天室外：
光通量（lux）
１.０×104
１.０×105
１.０×106
１.０×107
１.０×108
１.０×109
短路电流（mA）
100.5
207.8
347.6
389.8
400.0
400.0
光控电路调节：根据光敏电阻的阻值与照度的关系调节光控电路的滑动变阻器Ｒ１１，使Ｒ１１等于光敏电阻照度为20lux时的阻值。
延时电路的延时性能测试：
次数
1
2
3
4
起始时间
4.16 00：00：00
4.20 22：00：00
5.3 10：00：00
6.4 13：00：00
跳转时间
4.16 08：00：48
4.21 06：00：36
5.3 18：00：40
6.4 20：59：34
延时时间
8小时48秒
8小时36秒
8小时40秒
7时59分34秒
5.2 结果分析
太阳能电池受光照度的影响较大，由所得数据可知阴天与晴天的照度变化十分大，由50 lux到109 lux，光电流也由0.15mA到400mA。因此太阳能发电的能量受天气影响较大，要求对天气与照度的关系进行分析。
蓄电池（满载）可连续放电１６.７小时，与计算值相符。
单个白光ＬＥＤ的电压变化范围是２.９９Ｖ至3.34Ｖ，电流变化范围是23.6ｍＡ至25.8ｍＡ，8个白光ＬＥＤ功率变化范围是0.54Ｗ至0.69Ｗ。
根据以上测量数据，经运算延时时间为8小时±0.17％。究其原因是延时电路电容C2、C3、晶振以及外界的干扰引起单片机的计数误差，从而引起延时的误差。
6. 结论
本设计实现了当照度降低至２０lux以下，光控电路启动，蓄电池对LED放电，蓄电池放电8小时后，放电结束；当照度上升至２０lux以上，光控电路启动，太阳能电池对蓄电池充电。晚上发光照明的太阳能节能灯功率0.6Ｗ。经观察后，本设计的太阳能草坪灯与一般的草坪灯的亮度相当。蓄电池和太阳能电池都满足设计所需要的要求。以上的设计，基本上考虑了各个环节需要，太阳能电池设计与蓄电池容量的设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学。
致 谢
通过这次设计，我深入认识到一个产品的设计，选材，制作等流程，任何一种产品的推出都是经历了千百次的修改，调试的。在修改，调试的过程是十分有意义的，调试失败时要总结经验修改设计方案，调试成功的时候便是另外的一番喜悦。在成功与失败的过程中，我慢慢看到自己的成果逐步呈现出来。通过这次太阳能节能灯的设计，我更加坚定日后参加工作的决心，努力从事于光电产业。
当真的要和自己的大学四年说再见时，心中难免有些不忍。往昔的日子又渐渐清晰起来，无论是安静的自习室，还是激情澎湃的篮球场，都留下了我青春的印记。而这印记是永远都不会磨逝的，它将常存心中一角，在岁月中慢慢的沉淀。也许等到自己老了，重新体味这份回忆，会别有一番情趣。而现在，有的只是不舍与依恋。
一个人的成长离不开他人的帮助，在这里，要向所有帮助过我的人致谢。
在这里首先要感谢指导老师陈院长对我们的指导，在这次设计中陈院长不断给我指导意见和解决设计中遇到问题的方案。其次是光电实验室的周老师和曾老师。
参考文献
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