太陽(yáng)能LED路燈控制器設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第II頁(yè)太陽(yáng)能LED路燈控制器設(shè)計(jì)摘 要本文設(shè)計(jì)了一種控制、時(shí)間控制結(jié)合太陽(yáng)能燈，它是基于51單片機(jī)的光敏電阻的光電控制裝置。這類控制器的太陽(yáng)能電池輸出和電池功率等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，確定了系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使用最大功率點(diǎn)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的收集，功率儲(chǔ)備完成后，采用脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)發(fā)光二極管亮度進(jìn)一步節(jié)約能源。根據(jù)晚上光線暗時(shí)自動(dòng)開關(guān)燈的功率，夜間行人少時(shí)，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間，早上又自動(dòng)接通電源路燈，天亮后自動(dòng)關(guān)閉，整體設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能能量管理，更有利于推廣應(yīng)用太陽(yáng)能路燈。關(guān)鍵詞 蓄電池沖放電控制 LED 蓄電池 光敏電阻目 錄1 引言12 設(shè)計(jì)原理22.1太陽(yáng)能電池板

2、22.2太陽(yáng)能控制器22.3蓄電池32.4逆變器32.5 LED的工作特性33太陽(yáng)能路燈控制器總體設(shè)計(jì)框圖53.1太陽(yáng)能路燈控制器總體設(shè)計(jì)框圖53.2太陽(yáng)能路燈控制器各個(gè)模塊54太陽(yáng)能路燈控制器軟件設(shè)計(jì)方案74.1總體軟件流程圖84.2主要子程序設(shè)計(jì)思路8結(jié) 論12致 謝13參 考 文 獻(xiàn)14課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第12頁(yè)1 引言在世界能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，面對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展，從現(xiàn)有的常規(guī)能源向清潔、可再生的新能源過(guò)渡已提到政府議事臺(tái)上來(lái)了。而太陽(yáng)輻射能是取之不盡、用之不竭的,是依托高新技術(shù)的發(fā)展，可以滿足人類不斷增長(zhǎng)的能源需求，并保護(hù)地球的潔凈，清潔環(huán)保。太陽(yáng)輻射能是人類能夠自由利用

3、的能源。太陽(yáng)能作為無(wú)限可再生能源，逐步部分替代城市生產(chǎn)、生活常規(guī)能源已是大勢(shì)所趨。太陽(yáng)能照明作為太陽(yáng)能最重要的利用方式之一，也越來(lái)越受到能源行業(yè)和照明行業(yè)的關(guān)注。充分開發(fā)利用太陽(yáng)能是世界各國(guó)政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。太陽(yáng)能道路照明燈無(wú)需架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜線路，不需要專人管制，可以被安裝在廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)、校園、公園、街道和高速公路等任何地方 與傳統(tǒng)的照明工具相比，太陽(yáng)能LED照明源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環(huán)保等方面有不可比擬的優(yōu)越性，再加上太陽(yáng)能燈具的節(jié)能性和安裝簡(jiǎn)便，所以凡有工頻交流電燈具的地方，LED燈具的觸角就會(huì)到達(dá)。太陽(yáng)能發(fā)電照明

4、系統(tǒng)是根據(jù)中國(guó)國(guó)情和民情研發(fā)的，成為未來(lái)照明行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)2設(shè)計(jì)原理根據(jù)各部分電路的功能不同，整體電路可以分為以下幾個(gè)部分，太陽(yáng)能電池板組件、過(guò)充過(guò)放電控制電路、STC12C2051單片機(jī)、蓄電池、時(shí)控光控電路、照明負(fù)載和時(shí)間顯示電路。2.1太陽(yáng)能電池板太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或被送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或被用來(lái)推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽(yáng)能電池板發(fā)電主要有太陽(yáng)能熱發(fā)電和太陽(yáng)能光發(fā)電兩種基本方式。(1) 太陽(yáng)能熱發(fā)電：吸收的太陽(yáng)輻射熱能被轉(zhuǎn)換成電能的裝置，可分為兩類

5、：一類是太陽(yáng)能熱電直接轉(zhuǎn)換，如溫差發(fā)電等，目前功率都很小，有的尚處于原理試驗(yàn)階段；另一類是太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電，太陽(yáng)熱能被熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其基本構(gòu)成包括集熱裝置、儲(chǔ)能系統(tǒng)、熱機(jī)和發(fā)電機(jī)等。有些國(guó)家研制較大功率的裝置，已達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用水平。因太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)復(fù)雜，商業(yè)應(yīng)用只適合比較大的容量，故而發(fā)展不快，實(shí)際應(yīng)用不多。(2) 太陽(yáng)能光發(fā)電：這是直接將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能的方式，可分為光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電和光生物發(fā)電。目前應(yīng)用的光伏發(fā)電，是將照射到太陽(yáng)能電池上的光，產(chǎn)生光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成直流電能輸出，一般由太陽(yáng)能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點(diǎn)如下間歇性

6、。受氣候條件影響；能量密度低；初始投資高。迄今已有100多個(gè)國(guó)家參與太陽(yáng)能光電池的開發(fā)應(yīng)用。近年來(lái)，產(chǎn)量迅速增加生產(chǎn)成本開始下降。目前光伏發(fā)電主要用于三大方面：為無(wú)電場(chǎng)合提供電源；太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能燈具等；并網(wǎng)發(fā)電。2.2太陽(yáng)能控制器太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。 太陽(yáng)能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)微機(jī)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。既可快速實(shí)時(shí)采集光伏系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，隨時(shí)

7、獲得PV站的工作信息，又可詳細(xì)積累PV站的歷史數(shù)據(jù)，為評(píng)估PV系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及檢驗(yàn)系統(tǒng)部件質(zhì)量的可靠性提供了準(zhǔn)確而充分的依據(jù)。此外，太陽(yáng)能控制器還具有串行通信數(shù)據(jù)傳輸功能，可將多個(gè)光伏系統(tǒng)子站進(jìn)行集中管理和遠(yuǎn)距離控制。 太陽(yáng)能控制器通常有6個(gè)標(biāo)稱電壓等級(jí)：12V、24V、48V、110V、220V、600V 。2.3蓄電池一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。蓄電池組是用來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池方陣的裝置，它的作用是將方陣在有日照時(shí)發(fā)出的多余電能儲(chǔ)存起來(lái)，在晚間或陰雨天時(shí)被負(fù)載使用。若干蓄電池串并

8、聯(lián)而成蓄電池組。其一般容量要能在無(wú)太陽(yáng)輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時(shí)間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄電池，重要的場(chǎng)合也有用鎘鎳蓄電池，但價(jià)格較高，相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)用沒(méi)有前一種廣泛。蓄電池是一種化學(xué)電源，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。需要時(shí)化學(xué)能會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?lái)。能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是可逆的，前者被稱為蓄電池充電，后者被稱為蓄電池放電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)作用。因?yàn)楣夥到y(tǒng)的功率輸出每天都在變化，在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時(shí)，蓄電池也能夠被用來(lái)提供相對(duì)穩(wěn)定的電能。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，方陣給蓄電池充電；冬天日照量小，這部

9、分儲(chǔ)存的電能逐步放出。在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎(chǔ)上還要加上小得多的日循環(huán)：白天方陣給蓄電池充電，晚上負(fù)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(guò)充放，而且充放電效率要高，當(dāng)然還要考慮價(jià)格低廉，使用方便等因素。本電路采用鉛酸免維護(hù)蓄電池，不需專門的維護(hù)；即便傾倒電解液也不會(huì)溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。但是對(duì)蓄電池的過(guò)充電更為敏感，因此對(duì)過(guò)充保護(hù)要求高；當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)過(guò)充電后，蓄電池極板易變形。2.4逆變器在很多場(chǎng)合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。太陽(yáng)能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC，為能向220VAC的電器提供電能，太陽(yáng)能發(fā)電系

10、統(tǒng)所發(fā)出的直流電能被轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)， DC-DC逆變器也是不可或缺的，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡(jiǎn)單的降壓）。2.5 LED的工作特性LED具有對(duì)電壓敏感的特性。只要正向電壓達(dá)到3.4V以后，只要稍稍改變正向電壓就會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)倍的變化。故而LED的驅(qū)動(dòng)方式為電流驅(qū)動(dòng)。LED由于自身的特性，必須要通過(guò)技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行恒流或限流，否則無(wú)法正常使用。常見的LED燈都是通過(guò)另加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的恒流，但是這個(gè)驅(qū)動(dòng)卻占到整個(gè)燈總功率的10-20左右，比如一個(gè)理論值42W的LED燈，加上驅(qū)動(dòng)后實(shí)際功率可

11、能在46-50W左右。在計(jì)算電池板功率和蓄電池容量的時(shí)候，必須多加1020來(lái)滿足驅(qū)動(dòng)所造成的功耗。除此以外，多加了驅(qū)動(dòng)就多了一個(gè)產(chǎn)生故障的環(huán)節(jié)。工業(yè)版控制器通過(guò)軟件進(jìn)行無(wú)功耗恒流，穩(wěn)定性高，降低了整體功耗。 如表1 所示。表1 太陽(yáng)能LED燈具的主要性能指標(biāo)太陽(yáng)能電池60W ，12 VLED發(fā)光源28只LED、每只1 W工作溫度-40 +80過(guò)充保護(hù)電壓12 V(25C)過(guò)放保護(hù)電壓10 V蓄電池12 V,72Ah照明時(shí)間天黑后，光控自動(dòng)啟動(dòng)電光轉(zhuǎn)換功能，使路燈點(diǎn)亮；在深夜時(shí)控（時(shí)間點(diǎn)可調(diào)）自動(dòng)使路燈熄滅；早晨時(shí)控（時(shí)間點(diǎn)可調(diào)）自動(dòng)使路燈點(diǎn)亮；天亮后光控自動(dòng)恢復(fù)到光電轉(zhuǎn)換模式陰雨天保證時(shí)間保證

12、連續(xù)3個(gè)陰雨天正常工作3太陽(yáng)能路燈控制器總體設(shè)計(jì)框圖3.1太陽(yáng)能路燈控制器總體設(shè)計(jì)框圖太陽(yáng)能LED路燈在白天通過(guò)太陽(yáng)能電池組件采集太陽(yáng)光的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)起來(lái)，即向蓄電池充電，在晚上光線較暗時(shí)由蓄電池經(jīng)路燈控制處理器控制，點(diǎn)亮LED燈用于路燈照明。 根據(jù)各部分電路的功能不同，整體電路可以分為以下幾個(gè)部分，太陽(yáng)能電池板組件、過(guò)充過(guò)放電控制電路、STC12C2051單片機(jī)、蓄電池、時(shí)控光控電路、照明負(fù)載和時(shí)間顯示電路。如圖1所示。圖1 太陽(yáng)能路燈控制器總體設(shè)計(jì)框圖圖2 太陽(yáng)能路燈控制器總體設(shè)計(jì)框圖3.2太陽(yáng)能路燈控制器各個(gè)模塊3.2.1主控及數(shù)據(jù)采集模塊   

13、; 主控及數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)和AD0809芯片，其中單片機(jī)P1口向數(shù)碼管發(fā)送顯示數(shù)據(jù)；P0口連接AD0809芯片數(shù)據(jù)輸出端，用于接收模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；ALE(30引腳)連接AD0809的CLOCK端，用于給AD0809提供時(shí)鐘信號(hào)；P27，P26分別用于控制過(guò)充過(guò)放電路，通過(guò)這2個(gè)端的高低電平變化，對(duì)電路進(jìn)行過(guò)充過(guò)放保護(hù)以及對(duì)指示燈亮滅控制；P25連接AD0809的OE端，用于控制AD0809轉(zhuǎn)換輸出允許；P24連接AD0809的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端START，用于控制AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)；P23連接AD0809地址鎖存端ALE，用于控制地址鎖存信號(hào)；P20，P21，P22連接AD08

14、09模擬通道地址端ADDA，ADDB，ADDC，用于對(duì)模擬通道進(jìn)行選擇。主控電路功能實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)P20，P21，P22控制AD0809 ADDA，ADDB，ADDC，選擇AD0809模擬輸入IN0端作為模擬信號(hào)輸入端，AD0809通過(guò)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)一系列處理控制數(shù)碼管顯示以及充放電控制端。如圖2所示。圖2 主控及數(shù)據(jù)采集模塊3.2.2系統(tǒng)時(shí)鐘模塊本系統(tǒng)是根據(jù)季節(jié)和晝夜的變化來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載的運(yùn)行狀況。采用DS12C887作為系統(tǒng)時(shí)鐘的主要芯片，它能自動(dòng)生成年，月，日，時(shí)等時(shí)間信息。DS12C887這種型號(hào)的時(shí)鐘芯片帶有128RAM

15、。而當(dāng)中的11B就是作為時(shí)間信息的存儲(chǔ)容器，4B的空間來(lái)存儲(chǔ)控制信息，剩下的113B則是給客戶使用。3.2.3蓄電池溫度采樣模塊本系統(tǒng)使用的溫度傳感器型號(hào)為DS18B20.該型號(hào)的溫感器采用單總線協(xié)議，以數(shù)字碼方式串行輸出，大大的簡(jiǎn)化了傳感器與溫度處理器的接口。DS18B20與單片機(jī)的連接如圖3所示。圖3 DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的連接3.3.4顯示電路模塊    下圖為數(shù)碼管顯示的電路，本電路采用單片機(jī)并行口顯示，由741s373作為數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及位選電路，數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前時(shí)間，以及當(dāng)前電壓。741s373位選端LE1，LE2，LE3，LE4分別接單片機(jī)

16、P34，P35，P36，P37端口，單片機(jī)通過(guò)每次選擇741s373的一位位選，選擇當(dāng)前顯示的數(shù)碼管送入顯示編碼，然后選擇另外一位位選，送入顯示編碼，依次類推，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管靜態(tài)顯示。3.3.5光敏電阻控制模塊    利用通常情況下單片機(jī)低電平應(yīng)低于08 V的特點(diǎn)，結(jié)合光敏電阻受光照影響電阻變化靈敏的特點(diǎn)，通過(guò)光敏電阻與固定電阻串聯(lián)的方式，即通過(guò)檢測(cè)固定電阻的分壓值來(lái)檢測(cè)白天與黑夜。當(dāng)黑夜時(shí)設(shè)計(jì)固定電阻的分壓值為08 V以下，即單片機(jī)引腳低電平值范圍，此時(shí)通過(guò)單片機(jī)給P27送高電平，使放電電路工作，LED正常工作，否則LED滅。4太陽(yáng)能路燈控制器軟件設(shè)計(jì)方案4.1總體

17、軟件流程圖由控制器系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能，系統(tǒng)軟件做了如下設(shè)計(jì)思路：由系統(tǒng)時(shí)鐘芯片判斷此時(shí)的季節(jié)并裝載相關(guān)的季節(jié)參數(shù)，再對(duì)時(shí)間進(jìn)行判定，按時(shí)間來(lái)裝載相應(yīng)的時(shí)間參數(shù)。接著，進(jìn)行太陽(yáng)能電池板的電壓檢測(cè)和蓄電池端口電壓的溫度檢測(cè)和蓄電池環(huán)境的溫度檢測(cè)。對(duì)是否可以充電進(jìn)行判斷，進(jìn)入充電控制子程序。最后再次檢測(cè)蓄電池的端口電壓，進(jìn)入放電控制子程序控制蓄電池對(duì)負(fù)載的放電強(qiáng)度。如圖4所示。 圖4 總體軟件流程圖4.2主要子程序設(shè)計(jì)思路4.2.1時(shí)間判定子程序因日照時(shí)間長(zhǎng)短和季節(jié)的變化細(xì)細(xì)相關(guān)。系統(tǒng)會(huì)對(duì)時(shí)間進(jìn)行初期判斷，設(shè)定負(fù)載的相應(yīng)工作模式。若無(wú)特殊情況，白天是不開燈的，太陽(yáng)能電池給蓄電池充電；在傍晚路人比較多的情

18、況下，采用雙燈負(fù)載用作供給照明；而深夜時(shí)分，則是人數(shù)稀稀落落的時(shí)候，采用單燈負(fù)載。該負(fù)載方式既把人們的生活習(xí)慣考慮在內(nèi)，又達(dá)到了節(jié)能的目的。如圖5所示。 圖5 時(shí)間判定子程序4.2.2充電控制子程序?yàn)榱耸剐铍姵卮虻阶畲蟮某潆娦Ч?。本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的方式進(jìn)行充電。通過(guò)單片機(jī)控制固態(tài)繼電器在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通與關(guān)斷，繼而打到脈寬調(diào)制充電之目的。系統(tǒng)首先進(jìn)行太陽(yáng)能電池板，蓄電池端口電壓和環(huán)境溫度的檢測(cè)，然后根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)來(lái)確定太陽(yáng)能電池給給蓄電池進(jìn)行充電的方式。具體實(shí)現(xiàn)方案如下：檢測(cè)蓄電池端口電壓和周圍環(huán)境溫度，然后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理，當(dāng)蓄電池的剩余容量SOC80%時(shí)，采用第二種充電方式；當(dāng)蓄電池的剩余容量SOC95%時(shí)則停止充電。如圖6所示。圖6 充電控制子程序流程圖4.2.3放電控制子程序通過(guò)單片機(jī)與負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的配合繼而控制負(fù)載的工作狀態(tài)。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板電壓來(lái)判斷是否已經(jīng)天黑，然后判斷時(shí)間，裝載相應(yīng)的季節(jié)參數(shù)后對(duì)蓄電池端口電壓進(jìn)行檢測(cè)，再對(duì)其荷電狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。這種放電方式的優(yōu)越性在于不會(huì)過(guò)放電，最大限度的節(jié)約了能源。如圖7所示。圖7 放電控制子程序結(jié) 論本次完成了基于AT89C52單片機(jī)的太陽(yáng)能LED路燈設(shè)計(jì)。解決了現(xiàn)階段太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)中普遍存在的蓄