太陽能路燈控制器設計

1、 學院 畢業(yè)設計論文學院學生畢業(yè)設計（論文）報告系 別： 專 業(yè)： 班 號： 學 生 姓 名： 學 生 學 號： 設計（論文）題目： 太陽能路燈控制器設計 指 導 教 師： 設 計 地 點： 起 迄 日 期： 2013.09.162014.06.25 畢業(yè)設計（論文）任務書專業(yè) 班級 姓名 一、課題名稱： 太陽能路燈控制器設計 二、主要技術指標（或基本要求）： 1、控制器選用80C51單片機微處理器；2、路燈選用24V36W的LED燈；3、太陽能電池板的峰值電壓：17V左右；4、太陽能電池充電開始與停止時的電流值：0.24A、0.25A；5、散熱器允許電流的工作范圍：3A-10A；6、太陽能電

2、池單體工作電壓：0.45-0.50V，電池組的功率可打到幾瓦到幾百瓦；7、充放電控制器欠壓保護：10.8-14.7V，低壓保護：12-14.7V。 三、主要工作內容：1.調查分析太陽能的發(fā)展歷程和路燈控制器的發(fā)展狀況2.對所需資料進行搜集、分析、總結確定總體設計方案；3.根據課題要求確定硬件方案與設計；4.軟件設計；5.完成文獻綜述，開題報告及畢業(yè)設計說明書和設計說明書的撰寫工作；6.與老師和同學們進行交流、研究、討論，對畢業(yè)設計修改，直到達到畢業(yè)設計要求，進行答辯。 四、主要參考文獻: 1馮垛生.太陽能發(fā)電技術與應用.北京：人民郵電出版社，2009,160-166 2王君一，徐仁學.太陽能利

3、用技術.北京：金盾出版社，2008,16-35 3熊紹珍，朱美芳.太陽能電池基礎與應用.北京：科學出版社，2009 4楊恒.LED照明驅動器設計步驟詳解.北京：中國電力出版社，2010 5沙占友，王彥朋等.開關電源設計入門與實例解析.北京:中國電力出版社，2009 學 生（簽名） 年 月 日指 導 教師（簽名） 年 月 日 教研室主任（簽名） 年 月 日系 主 任（簽名） 年 月 日畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目太陽能路燈控制器設計一、選題的背景和意義： 太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部分，但在過去的太陽能控制器發(fā)展過程中，常常受到太陽能控制器性能影響從而造成：電池往往用不到一年

4、就需要更換，不僅提高了后期維護費用，而且增加了客戶的消費成本，也造成了浪費。其次是太陽能屬于不穩(wěn)定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路燈使用時間短，冬天有效光照時間短，但路燈使用時間長，大大降低了運行的可靠性，這也是受到太陽能控制器性能影響。通過研究不同的電路拓撲結構和先進的控制算法，在太陽光強度、太陽能電池溫度以及負載改變的情況下，盡可能使太陽能電池時刻保持最大輸出功率狀態(tài)，即實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)。蓄電池充電策略直接影響到蓄電池的壽命，研究智能化的充電方法，提高蓄電池的充電接受率，減少充電時間，對于整個光伏系統(tǒng)的工作狀況具有重要意義。獨立光伏系統(tǒng)的環(huán)境一般比較惡劣，如何提高系

5、統(tǒng)穩(wěn)定性也是當前所有光伏電源控制器研究者最急需解決的問題之一。二、課題研究的主要內容：1、太陽能路燈控制器的整體設計方案2、太陽能電池種類3、太陽能路燈控制器的電路圖設計4、蓄電池充放電特性研究5、過充過放電路設計三、主要研究（設計）方法論述：1、調查分析太陽能的發(fā)展歷程和路燈控制器的發(fā)展狀況；2、在以上找到資料的基礎上進行整合并學習；3、在對相關資料的學習之后大體確定一個設計框架，并著手開始進行每部分設計；4、接下來是著重對太陽能路燈照明系統(tǒng)的設計和各種性能研究進行闡述，最終完成整個系統(tǒng)設計。四、設計（論文）進度安排：時間（迄止日期）工 作 內 容2013.09.162013.09.27擬定

6、題目、完成畢業(yè)設計任務書2013.09.282013.10.08完成畢業(yè)設計開題報告2013.10.092013.10.10完成摘要和前言2013.10.112013.10.16完成第一章到第三章的內容撰寫2013.10.172013.10.23完成中期的檢查報告2013.10.142013.10.24完成第四章到第七章的內容撰寫2013.10.252013.11.05完成對于整篇論文的檢查2013.11.062013.11.17根據老師的指導對論文進行修改2014.06.132014.06.15準備畢業(yè)答辯五、指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日六、系部意見： 系主任簽名： 年 月 日

7、太陽能路燈控制器設計目錄摘 要Abstract第1章 前言11.2太陽能路燈控制器設計意義1第2章 太陽能路燈控制器的發(fā)展現(xiàn)狀和介紹22.1 太陽能路燈控制器發(fā)展現(xiàn)狀22.2 太陽能路燈控制器介紹22.3 日常生活中馬路邊安裝的太陽能路燈32.4 太陽能路燈的工作原理及特性42.5 本章小結4第3章 系統(tǒng)的整體設計53.1 控制器設計53.1.1控制器設計的理論基礎63.1.2 控制器芯片選擇63.1.3 控制器充放電電路83.1.4太陽能路燈系統(tǒng)的組成介紹103.2 太陽能路燈系統(tǒng)設計總體分析103.3 鋰蓄電池的充放電特性113.4 本章小結12第4章 系統(tǒng)的硬件設計134.1 系統(tǒng)電路框

8、圖134.2 硬件設計的原理流程圖134.3 LED驅動電路設計144.4涓流充電電路154.5 單片機外圍電路設計164.5.1復位模塊電路設計164.5.2 晶振電路174.5.3 按鍵開關電路174.6 本章小結18第5章 系統(tǒng)軟件設計195.1 設計思路195.2 系統(tǒng)主程序流程195.3 初始化子程序205.4 A/D轉換子程序215.5 顯示子程序225.6本章小結22第6章 系統(tǒng)調試236.1軟件調試236.2硬件及總體電路調試236.3系統(tǒng)改進方案23第7章 結束語24參考文獻答謝辭 摘 要隨著經濟的發(fā)展,社會的進步,人們對能源的需求與日俱增,大家開始關注能源危機,對能源的要求

9、越來越高,怎樣尋找新能源并為人類所用,已經成為一個迫切需要解決的全球問題,而太陽能則是一個取之不盡、用之不竭的能源。太陽能的利用主要包括太陽能的光熱利用、太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用。太陽能光電利用是近年來發(fā)展最快,也是最具活力的研究領域,也是最具活力的研究領域。 由于LED的工作電流是直流,且工作電壓較低。太陽能電池將光能轉化為直流電能,且太陽能電池組件可以通過串并聯(lián)方式組合得到實際需要的電壓。這些特點恰好與LED相匹配,兩者結合將獲得很高的利用率、較高的安全性能,實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的照明系統(tǒng)。太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中的重要的部件,也是與各路燈系統(tǒng)的最大的區(qū)別所在。

10、控制器的性能如何,決定了一個太陽能光伏系統(tǒng)運行情況的優(yōu)劣。所以設計功能完備,結構簡單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。 本課題是基于單片機80C51的太陽能LED路燈控制器的設計。蓄電池充放電精確控制也在此控制器中得到實現(xiàn)。設計結果表明，應用此控制器的太陽能光伏系統(tǒng)效率高、運行穩(wěn)定，蓄電池壽命也可延長。關鍵詞：太陽能；單片機；充放電電路AbstractWith the development of economy, the progress of the society, people grow with each passing day demand for energy, we begin

11、 to pay attention to the energy crisis, the increasingly high demand for energy, how to find new energy and used for the human, has become an urgent need to address global problem, and the solar energy is a huge, long endless energy. The use of solar energy mainly includes the utilization of solar e

12、nergy solar thermal utilization, solar photovoltaic and solar energy use photochemistry. The use of solar PV is the most rapid development in recent years, the research field is also the most active research fields, and also the most active. Because of the working current of LED is direct, and low o

13、perating voltage. Solar cells convert light energy into DC power, and the solar battery components can be voltage by series parallel combination to get the actual needs of the. Which just matches with the LED, the combination will get very high utilization rate, high safety performance, achieve ener

14、gy saving lighting system, environmental protection, safety, high efficiency. Solar street lamp controller is an important component of solar street lamp system, and also the biggest difference is the lighting system. How the performance of the controller, determines a solar PV system running the me

15、rits of the case. So the design of complete function,intelligent street light controller has the advantages of simple structure is very important. This topic is the design of solar LED street lamp controller based on MCU 80C51. Precise control of battery charging and discharging is achieved in the c

16、ontroller. The experimental results show that, the efficiency of solar energy photovoltaic system with this controller is high, stable running,the battery life is also extended. Keywords:Solar energy;Controller;The charging and discharging circuit 第1章 前言1.1太陽能發(fā)電背景介紹 跨入21世紀后，人類面臨著實現(xiàn)經濟和能源可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，如何

17、能在能源有限和環(huán)境保護的雙重制約下發(fā)展經濟已成為全球的熱點問題。而能源問題更為突出，不僅表現(xiàn)在常規(guī)能源的匱乏，更嚴重的是化石能源的開發(fā)利用更加劇了環(huán)境的惡化,燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數十萬噸硫等有害物質排入天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質量，甚至在局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土資源。化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時會排放大量的溫室氣體，產生溫室效應，引起全球氣候變化。太陽能作為可再生能源，很早就被人們開發(fā)和利用了。隨著科學和技術的迅速發(fā)展，世界能源危機的日益嚴重，利用常規(guī)能源已不能適應世界經濟快速增長的需要，開發(fā)和利用新能源，尤其是太陽能越來越引起各國政府

18、的重視。同時，以煤、石油等作為燃料油面臨嚴重的環(huán)境污染，再者人民生活水平的提高對能源的需求量越來越大， 這就迫使政府和社會在大力發(fā)展常規(guī)能源的同時必須加大對新能源的開發(fā)和利用。為貫徹落實科學發(fā)展觀，把節(jié)約資源作為基本國策，發(fā)展循環(huán)經濟，保護生態(tài)環(huán)境，加快 建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，促進經濟與人口、資源、環(huán)境相互協(xié)調發(fā)展的要求。因而，可再生、無污染的太陽能利用在世界各國崛起，世界光伏產業(yè)迅猛發(fā)展。根據可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護的需求，在可以預計的將來，光伏發(fā)電必將取代部分常規(guī)能源。1.2太陽能路燈控制器設計意義本文就是對太陽能路燈進行深入研究。太陽能路燈以太陽光為能源，不需要鋪設復雜的管線，

19、安全節(jié)能無污染?；趩纹瑱C的太陽能控制系統(tǒng)很好的把太陽能光伏發(fā)電技術與單片機智能控制技術結合了起來。而且具有電路結構簡單、工作穩(wěn)定可靠、實用性強等優(yōu)點?，F(xiàn)在我們就是以單片機的太陽能路燈控制器的設計為基礎，對12V和24V蓄電池可以自動識別，能實現(xiàn)對蓄電池的科學管理，能指示蓄電池過壓、欠壓等運行狀態(tài)，具有兩路負載輸出，每路負載額定電流可以達到5A，兩路負載可以隨意設置為同時點亮，分時點亮，單獨定時等工作模式，同時對負載的過流、短路具有保護功能，具有較高的自動化和智能化程度。第2章 太陽能路燈控制器的發(fā)展現(xiàn)狀和介紹2.1 太陽能路燈控制器發(fā)展現(xiàn)狀隨著新能源的全面發(fā)展，太陽能作為最普遍、最給力的主力

20、新能源，由傳統(tǒng)的光熱應用，已經更多的應用于光電領域。滲透到家庭、電力、交通、照明、監(jiān)控、通信等多種不同的行業(yè)，而作為目前最大的太陽能光電應用主要是體現(xiàn)在太陽能路燈照明系統(tǒng)種。太陽能路燈照明系統(tǒng)的主要組成部分是太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池、太陽能路燈這幾個部分組成。而其中太陽能控制器價值最低，而作用最大，也是最關鍵的一個環(huán)節(jié)。一個好的太陽能控制器能夠保障整個太陽能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，在一定程度上關系到整個工程的質量好壞。2.2 太陽能路燈控制器介紹 圖2-1 雙時段型太陽能路燈控制器 圖2-2 防潮型太陽能路燈控制器 圖2-3 市電互補型太陽能路燈控制器 圖2-4 無線調光型路燈控制器太

21、陽能路燈控制器經過幾年的發(fā)展，目前大概狀況如下：從技術角度來講主要分：PWM 和MPPT模式，開關控制的控制器早已經被淘汰。PWM是目前應用最多的，MPPT作為一種新的最大功率跟蹤技術，更有效的提高的系統(tǒng)的充電效率，在不久的將來，有可能會全面替代現(xiàn)有的PWM控制器，不過還需要很長的一段時間。從功能上分：目前的控制器主要有光控、時控、雙時段、雙路、四季定時、市電互補、防水型等類型的控制器產品。各種功能釋義如下：光控：根據光線強弱來控制路燈的啟停。或者說根據白天和黑夜來控制路燈的工作；時控：這個再控制器行業(yè)里，不是顧名思義的，不是指時鐘控制，而是指延時控制，就是在光控啟動路燈的同時可以設定路燈的工

22、作延時時間；雙時段：是指控制器路燈可以在兩個預設的時段內工作，比如說要在天黑后4小時內工作，另外還要在天亮前的兩小時內工作，中間的時間由于基本無人夜行，為了節(jié)省資源，則在中間的時間段關閉路燈；雙路： 是指該太陽能控制器能夠控制兩路路燈工作；四季定時：是指可以根據一年四季的四個季節(jié)來調整設置每個季節(jié)的路燈工作時間，包括路燈的啟停時間和工作時間；市電互補：是太陽能和市電相互輔助工作的一種模式，一般控制器行業(yè)里說市電互補都是以太陽能系統(tǒng)優(yōu)先，市電作為備用供電系統(tǒng)，稱之為市電互補，也有特殊情況，需要市電優(yōu)先，太陽能備用的，這種情況極少。防水型：顧名思義，這是一款針對沿?；蛘咛貏e潮濕地區(qū)研發(fā)的高防水性能

23、控制器。防護等級為IP67。真正做到能夠泡到水里工作。然而，現(xiàn)已研制出來的光伏電源控制器還存在許多急需解決的問題。實際上，在MPPT技術的使用和蓄電池充電策略的優(yōu)化之間存在矛盾沖突，能源利用效率較低，蓄電池充放電方式的不合理，對蓄電池的保護不夠充分，這些都是目前市場上電源控制器普遍存在的問題。為了對太陽能光伏資源進行全面的開發(fā)和利用，控制器的穩(wěn)定性和可靠性也有待進一步提高。2.3 日常生活中馬路邊安裝的太陽能路燈圖 2-5 常見路燈樣式太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中最為重要的部件，也是各種路燈系統(tǒng)最大的區(qū)別所在?？梢哉f，光伏路燈系統(tǒng)的不同，其實質就是控制器的不同。其設計的好壞，決定了一個太

24、陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行情況的優(yōu)劣。所以設計功能完備，結構簡單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。太陽能燈具中,一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命,必須對它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方,合格的控制器還應具備溫度補償功能。同時太陽能控制器應兼有路燈控制功能,具有光控、時控的功能,并應具備夜間自動切斷負載功能,便于陰雨天延長路燈工作時間控制模塊的基本思想是檢測太陽能電池板電壓，若白天到，封鎖控制電路，LED燈關閉；夜晚，太陽能電池板電壓較低，開啟控制電路，LED燈點亮。同時檢測蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對負載LED的供電方式

25、?？刂破鹘Y構電路主要由充電電路、放電電路、單片機外圍電路和LED驅動電路等幾部分組成。太陽能控制器功能： 1.電池組件防反充保護； 2.蓄電池過充保護； 3.蓄電池的過放保護； 4.電池組件、蓄電池的反接保護； 5.負載過壓保護； 6.智能充電：增加浮充功能，即恒壓控制。2.4 太陽能路燈的工作原理及特性 太陽能路燈就是以太陽能為光源，在白天天陽能電池板會給蓄電池充電，晚上，當需要照明的時候，蓄電池會開始給燈源供電使用。其在使用中無需鋪設復雜昂貴的供電線路，使得其能在任何場地任何環(huán)境安裝，它的電池采用自然光，可以循環(huán)使用，無須外界電源，來源綠色

26、環(huán)保，當太陽光不足一定程度時，太陽能路燈能夠自動調節(jié)開關，真正做到了無人守護、全天候工作。太陽能路燈的特點、材質結構和供電線路上都有很大的不同。在產品特點上，太陽能路燈在燈源上采用了太陽能。白天，它可以利用太陽能電路板給路燈里面的蓄電池充電，到了晚上，蓄電池就可以給燈具進行供電，完全可以滿足照明的需要。太陽能路燈采用的太陽能電源綠色環(huán)保，自然界處處可見，這就節(jié)省了鋪設供電線路所需要的材料，節(jié)省了大量的人力物力，提高了施工效率。此外，太陽能路燈綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、使用壽命長、產品結構穩(wěn)定，具有非常好的社會效益和經濟效益。太陽能路燈是我們國家采用太陽能這種新型能源作為路燈外在供電能源的一種交通道路

27、狀況照明燈，在城市生活中，路燈發(fā)揮著非常重要的作用，是我們出行和夜生活的眼睛。2.5 本章小結本章通過查閱資料了解到太陽能的發(fā)展歷程，從國外國內對太陽能的發(fā)展作了較為詳細的介紹，同時也對太陽能路燈控制器和太陽能路燈目前國內外的技術作了詳細的介紹，讓大家有所了解對太陽能利用之一的太陽能路燈的相關概況，以及介紹太陽能路燈的照明工作是如何實現(xiàn)的。從而發(fā)現(xiàn)基于單片機控制的太陽能路燈具有很多優(yōu)點：安全可靠，維護方便；不需要常規(guī)能源，不污染環(huán)境；安裝方便，自動控制。從而不僅節(jié)約了電能，而且避免了由于四季晝夜長短不一，需要調整電路系統(tǒng)的麻煩，使路燈更為人性化。第3章 系統(tǒng)的整體設計3.1 控制器設計控制器的

28、設計是本系統(tǒng)設計的核心，下面我們就從了解控制器設計理論基礎開始對控制器進行設計，如圖3-1所示為設計框圖?？刂破髟O計控制器理論基礎軟件設計硬件設計控制器芯片選擇電路設計充放電電路設計LED驅動電路設計系統(tǒng)主程序流程單片機外圍電路設計涓流充電電路設計復位模塊電路設計晶振電路設計顯示子程序設計A/D轉換子程序設計初始化子程序設計按鍵開關電路設計圖3-1設計框圖3.1.1控制器設計的理論基礎太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中最為重要的部件，也是各種路燈系統(tǒng)最大的區(qū)別所在?？梢哉f，光伏路燈系統(tǒng)的不同，其實質就是控制器的不同。其設計的好壞，決定了一個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行情況的優(yōu)劣。所以設計功能完備，結

29、構簡單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。太陽能燈具中,一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命,必須對它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方,合格的控制器還應具備溫度補償功能。同時太陽能控制器應兼有路燈控制功能,具有光控、時控的功能,并應具備夜間自動切斷負載功能,便于陰雨天延長路燈工作時間。控制模塊的基本思想是檢測太陽能電池板電壓，若白天到，封鎖控制電路，LED燈關閉；夜晚，太陽能電池板電壓較低，開啟控制電路，LED燈點亮。同時檢測蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對負載LED的供電方式。控制器結構電路主要由充電電路、放電電路、單片機外

30、圍電路和LED驅動電路等幾部分組成。太陽能控制器功能：1、電池組件防反充保護；2、蓄電池過充保護；3、蓄電池的過放保護；4、電池組件、蓄電池的反接保護；5、負載過壓保護；6、智能充電：增加浮充功能，即恒壓控制。3.1.2 控制器芯片選擇智能化控制芯片中，單片機憑其體積小、封裝形式簡單、易于焊接、功能齊全、功耗較小等優(yōu)點不失為最佳選擇。利用單片機完全可以實現(xiàn)路燈亮度的自動調節(jié)并能達到節(jié)省能源的目的，并且一旦開機就可以智能地持續(xù)工作，減少了工作人員的維護量。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，充電器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，能快速、平穩(wěn)高效的為蓄電池充電，同時保護蓄電池，避免過充現(xiàn)象的發(fā)生，并在

31、充電過程中減少損耗，盡量延長蓄電池的使用壽命。選擇控制器的關鍵取決于芯片的不同和電路的不同，以下從三個方面進行對比論證。首先是簡易并聯(lián)調節(jié)的控制器，其近似可以看作是恒流源對蓄電池充電。因此，當在蓄電池達到浮充電壓點時，蓄電池并沒有充滿，切斷電源后，蓄電池電壓會有很大的降落。如果將浮充電電壓點值設定得太高，欲使蓄電池盡量充滿，這樣又會導致蓄電池的過早損壞。其充放電曲線不是很好，因此只適用于小功率的用戶和要求不高的場合，特別適用于12V和24V輸入的220W以下的用戶系統(tǒng)。其次是PIC1F6716，眾所周知的PIC系列單片機具有的特點有，哈佛總線結構，精簡指令集技術，尋址方式簡單、尋址空間獨立，代

32、碼壓縮率高、程序保密性強，功耗低，驅動力強，擁有兩種串行總線端口，外接電路簡潔，開發(fā)方便，運用C語言編程，程序存儲器版本齊全等。具有性能完善，功能強大，學習容易，開發(fā)應用方便等優(yōu)點。最后，對于芯片AT80C51的單片機。AT80C51單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含4K bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)。功能強大的AT80C51單片機可為用戶提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。AT80C51的

33、芯片管腳圖如圖3-2所示。圖 3-2 AT80C51芯片管腳其主要特性為：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數據保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內部RAM·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內振蕩器和時鐘電路鑒于對AT80C51比較熟悉，而且對于應用大型功率無人看守的光伏發(fā)電系統(tǒng)，直接關系到運行、維修的

34、成本及系統(tǒng)的可靠性因此選擇此款芯片。3.1.3 控制器充放電電路充放電控制器有很多種功能，其中主要表現(xiàn)在以下方面：1、欠壓保護：蓄電池電壓低于欠壓保護值時，控制器關閉兩路負載，停止供電，如果繼續(xù)放電，易造成蓄電池因為過放而損壞，所以欠壓保護值國家強制標準為10.8V，這里規(guī)定欠壓保護 參數為10.8V-14.7V（可調）。2、安全的雷電保護：通過TVS防雷管進行防雷，保證相關組件的安全，這是目前比較先進的技術。3、負載的短路保護、負載過流保護、蓄電池極性反接保護：摒棄常用的單獨用保險絲進行保護，現(xiàn)已改成通過軟件快速感應率先保護，更好的保護了相關器件不被損毀，省略了故障時人工換保險絲的麻煩。4、

35、反向放電保護：通過兩路場管控制蓄電池對電池板反向放電，防止蓄電池容量損耗，保護更完善。這里規(guī)定放電過流保 護值為11.5A。5、控制器對蓄電池的溫度補償：蓄電池有負溫度特性，在常溫下（25），每增加1， 12V蓄電池電壓降低0.014-0.018V左右，此款控制器將給予電壓補償，既保證蓄電池在恒壓環(huán)境工作，延長其使用壽命；又保證其不會受夏日高溫環(huán)境影響而導致使用時經常欠壓斷電。6、低壓節(jié)能保護：蓄電池電壓低于12V時，表示蓄電池所存電量已不足，此時控制器將一路燈關閉，保留另一路燈的照明，確保照明時間有效延長。本控制器規(guī)定低壓保護 12.0V-14.7V可調。7、充電涓流保護：充電時，蓄電池在達

36、到峰值電壓后，如果繼續(xù)高壓充電容易造成蓄電池的失水或失控，如果停止充電蓄電池又無法飽和。此款控制器在充到峰值電壓后立即降壓1V，然后進入涓流充電狀態(tài)，保證了蓄電池可以穩(wěn)定于飽滿狀態(tài)，同時又避免了失水或失控，類似于對蓄電池進行循環(huán)充，不僅高效的保護了蓄電池，還提升了蓄電池的充電次數，使用壽命更長。這里規(guī)定充電過流保護值為15A。8、負載啟動瞬間大電流保護：低壓鈉燈、無極燈等負載啟動時瞬間電流將達到正常電流的3-5倍左右，通過相關保護設置，控制器及相關組件使用壽命更加延長。9、靈活的調功設定：可以通過調功功能對兩路LED燈或其中任意一路LED燈進行靈活的功率調節(jié)，通過降低負載的電流實現(xiàn)減少能耗。即

37、使使用無極燈、低壓鈉燈、金鹵燈，也可以采用夜間行人稀少時段定時關閉一路路燈，實現(xiàn)最大限度的節(jié)電。10、LED恒流源改造功能： LED在使用環(huán)境中如果電流不穩(wěn)或電流過大很容易造成損壞或嚴重光衰，一般通過添加恒流源驅動來恒定LED的電流，但是恒流源除了自身環(huán)節(jié)需要數十元的成本外，更重要的是恒流源環(huán)節(jié)的功耗達到了LED路燈系統(tǒng)的10%-25%左右,導致了電池板、蓄電池的成本被無形中大大增加。此款控制器可以針對12V/24V LED燈的參數，將控制器調節(jié)為恒流輸出，每個時段的電流都可以設置，不僅減少了因為恒流源環(huán)節(jié)可能產生的故障，還大大降低了電池板、蓄電池的設計成本。11、防水保護： 一般防水性能都很

38、差，但是防水的控制器的散熱性能不好。使用鋁制外殼相對來說，起到的防水作用會更好?？刂破鞒浞烹婋娐穲D如圖3-3所示。 圖 3-3 控制器充放電電路圖單片機控制充放電驅動Q1和Q2：（1）當蓄電池電壓處于正常情況下，單片機控制的充電驅動MOS管Q1（IRFZ44）為高電平截止，三極管Q3導通，PWM占空比為零，此時太陽能電板想蓄電池恒流充電；當蓄電池電壓達到13.6V時，單片機控制充電驅動Q1為高電平時，Q3導通，Q1截止，通過控制占空比，使Q1實現(xiàn)通斷控制，此時處于恒壓浮充狀態(tài)；當電流下降到某值時，進行恒流充電；但蓄電池電壓達到設定的過充點14.4V時，再進行恒壓涓流充電；涓流小到某一值，單片機

39、控制的充電驅動Q1進行短路保護；當蓄電池電壓下降到某設定值時,Q3重新導通，Q1截止，恢復為正常充電狀態(tài)。 （2）當蓄電池電壓處于正常情況下，單片機控制的放電驅動MOS管Q2（IRFZ44）為低電平，三極管Q4截止，Q2導通，此時負載輸出正常；當蓄電池電壓低于設定的過放點時，單片機控制的放電驅動Q2為高電平，Q4導通，Q2截止，此時負載無輸出；當蓄電池電壓達到12.6V時，單片機控制的放電驅動T2為低電平，Q4截止，MOS管Q2導通，此時恢復對負載供電。3.1.4太陽能路燈系統(tǒng)的組成介紹系統(tǒng)由太陽能電池組件部分(包括支架)、LED光源、控制箱(內有控制器)等幾部分構成,太陽能電池板的設計對系統(tǒng)

40、的抗風設計非常有利。蓄電池采用地埋式，蓄電池箱采用防腐材料加工而成，可有防盜、防水、易于維修等作用。如圖3-3所示。太陽能電池：吸收太陽能，將光能轉換成直流電能?？刂破鳎嚎刂菩铍姵氐某浞烹姷纳疃?，延長蓄電池壽命，控制負載運行時間及狀態(tài)。蓄電池：儲存太陽能電池板產生的電能，在夜晚為負載提供電力。圖 3-4 系統(tǒng)組成3.2 太陽能路燈系統(tǒng)設計總體分析1、方案的選擇由單片機根據采集到的控制器的充放電電壓電流參數，發(fā)出各種控制信號。實現(xiàn)充放電控制，是使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運行。更好的保護了鋰電池。延長整個太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。2、方框圖太陽能路燈充放電控制器的電路框圖如圖3-5所示。太陽能電池板

41、接收光照并把太陽能轉化為電能，通過充放電控制器為鋰蓄電池充電。鋰蓄電池放電同樣通過控制器來控制LED照明電路。圖 3-5太陽能路燈充放電控制器的電路框圖3、太陽能路燈以控制、工作方式的不同，可分為兩種系統(tǒng)：（1）光控開光控關原理：白天，太陽光照射到太陽電池組件表面時，光伏效應產生電能，并通過控制器對蓄電池進行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽電池組件產生的電壓不斷下降，當電壓值低于控制器設置的啟動電壓值時，控制器啟動負載工作。光線逐漸增強，電池組件產生的電壓增大并達到控制器設定關斷電壓值時，控制器切斷負載。（2）光控開時控關原理：白天，太陽光照射到太陽電池組件表面時，光伏效應產生電能，并通過控制器對

42、蓄電池進行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽電池組件產生的電壓不斷下降，當電壓值低于控制器設置的啟動電壓值時，控制器啟動負載工作。當負載工作時間達到控制器預先設定時間時，控制器切斷負載，負載停止工作。由于單片機程序設計十分靈活，所以可由軟件設計選擇控制方式。本系統(tǒng)的程序采用第二種方案。3.3 鋰蓄電池的充放電特性路燈蓄電池選用鋰離子電池。鋰電池具有重量輕容量大無記憶效應等優(yōu)點，因而得到普遍應用。鋰電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5-2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰電池似乎沒有記憶效應以及不含有毒物質等優(yōu)點。但是對于鋰電池的充電過程，要求是比較嚴格的。影響蓄電池壽命的因素有:

43、放電深度，過充電程度等。在光伏系統(tǒng)中蓄電池的放電深度不是恒定的，它隨天氣狀況和季節(jié)而變。在天氣晴朗的夏日，蓄電池放電深度小;在天氣陰沉的冬日，蓄電池放電深度大。過充電程度也隨季節(jié)天氣變化，在冬季，蓄電池可能從沒充滿過，在夏天，蓄電池可能經常是滿的。為了延長蓄電池的壽命，必須合理的控制蓄電池的放電與充電。當蓄電池放電到一定程度時，應停止放電，防止過放電減少蓄電池壽命；當蓄電池充電到一定程度時要停止充電和減小充電電流，防止不合理的過充電對蓄電池造成損害。鋰蓄電池的充電曲線如圖3-6所示。圖 3-6 鋰蓄電池的充電曲線鋰蓄電池的充電過程：（1）如果開始充電時，電池電量很低，那么必須用小電流（大概0.

44、24A）開始充電，即涓流充電。如果電壓高于13V就不必進行這個步驟。（2）當電池電壓大于13V可以開始大電流充電，恒流充電。隨著充電的進行，電池電壓逐漸升高。（3）當電池電壓達到或接近充滿電壓（如16.8V左右）時，則要開始轉入恒壓充電：當電流減少到大概0.25A左右，則停止充電。3.4 本章小結本章主要是介紹課題的方案選擇，在確定課題方案后，對系統(tǒng)進行整體設計，仔細分析方案，整理出系統(tǒng)基本介紹。并重點分析介紹系統(tǒng)中的每個重點模塊。其次分別對各個單元電路包括控制器設計的理論基礎、控制器芯片選擇、控制器充放電電路、鋰蓄電池的充放電特性進行更深一步的探究。第4章 系統(tǒng)的硬件設計4.1 系統(tǒng)電路框圖

45、太陽能LED路燈照明系統(tǒng)主要是由太陽能模塊，蓄電池，LED驅動電路，LED燈具和控制器這五部分組成。首先，太陽能電池板是太陽能路燈系統(tǒng)中的能量來源部分，其作用是將太陽能直接轉換成電能，供負載使用或存儲于蓄電池內備用。其次，控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和充電電壓，實現(xiàn)快捷、平穩(wěn)、高效充電，并在充電過程中減少損耗，盡量延長蓄電池的使用壽命，同時防止蓄電池過充電和過放電。再者，蓄電池將太陽能陣列發(fā)出的直流電直接儲存起來，供負載使用。LED驅動為LED燈具提供穩(wěn)定的供電條件，使得LED路燈能夠達到太陽能路燈系統(tǒng)的照明要求，理想的燈具既要高效照明，又要盡可能的降低功率損耗。電路的結構原理

46、框圖如圖4-1所示。圖4-1 系統(tǒng)電路框圖4.2 硬件設計的原理流程圖系統(tǒng)得以正常運行，基于一個合理有序的流程，本設計的流程思想如圖4-2所示。圖4-2 硬件設計流程4.3 LED驅動電路設計將多個LED連接在一起使用時，正向電壓和電流均必須匹配，這樣整個組件才能產生一致的亮度。LED的鏈接方式一般有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等。串聯(lián)形式分為簡單串聯(lián)和帶旁路串聯(lián)。簡單串聯(lián)的優(yōu)點是電路簡單，連接方便。LED的電流相同，亮度一致；缺點的是可靠性不高，驅動器輸出電壓高，不利于其設計和制造。帶旁路串聯(lián)的優(yōu)點是電路腳簡單，可靠性較高，保證LED的電流相同，發(fā)光亮度一致；缺點是元器件數量增加，體積加大，驅動器輸出電

47、壓高，設計和制造困難。并聯(lián)形式分為簡單并聯(lián)和獨立匹配并聯(lián)。前者的優(yōu)點是電路簡單，連接方便，驅動電壓低，可靠性較高；缺點是需要考慮LED的均流問題。后者的優(yōu)點是可靠性高，適應性強，驅動效果好，單個LED保護完善；缺點是電路復雜，技術求高，占用體積大，不適用于LED數量多的場合?；炻?lián)形式包括先并聯(lián)后串聯(lián)，先串聯(lián)后并聯(lián)，交叉陣列。前兩者的優(yōu)點是可靠性較高，驅動器設計制造方便，總體效率較高，適用范圍較廣；缺點是電路連接較為復雜，并聯(lián)的單個LED或LED串之間需要解決均流問題。交叉陣列的優(yōu)點是可靠性高，總體的效率較高，應用范圍較廣；缺點是驅動設計制造較復雜，每組并聯(lián)LED需要均流。綜合考慮后，本設計選擇

48、帶旁路串聯(lián)形式。每個LED都并聯(lián)一個齊納二極管的改進型串聯(lián)連接形式，如圖4-7所示。在這種連接方式中，每個齊納二極管的擊穿電壓都高于LED的工作電壓。在LED正常工作時，由于齊納二極管ZD1ZD，不導通，電流主要流過LED1LED，當LED 串中有損壞的 LED 所造成燈串開路時，由于ZD1ZD導通，除了有故障的LED外，其他LED仍有電流通過而發(fā)光。這種連接方式與簡單串聯(lián)形式相比較在可靠性方面得到很大提高。直接從單片機管腳輸出的電平難以驅動高輝度的LED路燈，因此本文采用如圖4-7所示的驅動電路。此驅動電路為恒流LED驅動電路，Q5基極接單片機PX（X=1，2，3）口。ZD1為齊納二極管，作

49、為恒壓源加在Q6的基極上，由于基極偏壓穩(wěn)定，集電極電流IC也隨著穩(wěn)定，根據 =（ -）/ 即使電壓源變化IC也不會變化，可以保證電流和亮度穩(wěn)定。圖4-3 LED驅動電路4.4涓流充電電路U1為運算放大器，通過分壓電阻R10，R11輸入同相端，反相端為7V的參考電壓，經過比較后放大4被加到Q2基極。當電池為11V時，經過U1比較放大后輸出為7.2V，Q2導通，蓄電池開始充電。當蓄電池達到13.2V時，開始自動轉入涓流充電狀態(tài)。隨著充電進行電池電壓逐漸上升，當U1輸出電壓達到17V時，使充電管維持弱導通。蓄電池電壓也緩慢上升，最后保持在14.15V不變，使電池保持在被充滿的程度。圖4-4 涓流充電

50、電流4.5 單片機外圍電路設計單片機外圍電路主要由復位電路、晶振電路以及按鍵開關相連接具有時控可調和純手控功能的電路。4.5.1復位模塊電路設計單片機的復位都是靠外部電路來實現(xiàn)的。在時鐘電路工作后 ,只要在單片機的復位 (RST)腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖 (也就是2個機器周期)以上的高電平單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復位。因此,要想保證單片機能夠可靠的復位 ,在應用系統(tǒng)的電路設計中 ,就要使RST引腳 保持10ms以上的高電平 ,使AT89C51能循環(huán)到復位狀態(tài)。在設計中采用RC高電平。復位電路如圖4-5所示。圖4-5復位電路4.5.2 晶振電路2個時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內的反

51、相放大器構成了1個振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2個時鐘引腳也可以外接獨立的晶體振蕩器。晶振電路如圖4-6所示。圖4-6 晶振電路4.5.3 按鍵開關電路整個按鍵輸入模塊集中在對時間的調節(jié)和手動開關燈上，設計圖如圖4-7所示。圖中第一個按鍵為調整時間位，可以通過改按鍵調整時、分、秒的切換；第二個按鍵為增加時間位；第三個按鍵為減少時間位；第四個按鍵為手動開關路燈位，可以關一路或兩路一起關。圖4-7 按鍵開關電路4.6 本章小結本章對于系統(tǒng)硬件設計進行分析，以系統(tǒng)電路框圖、硬件設計的原理流程圖為基礎詳細的對LED驅動電路涓流充電電路和單片機外圍電路進行設計，保證系統(tǒng)的正常工作。第5章 系統(tǒng)

52、軟件設計5.1 設計思路以單片機為核心的控制軟件具有實時性、靈活性、通用性及運行可靠性的特點，現(xiàn)在對太陽能充電控制器軟件的設計思路介紹如下：1、首先主程序要完成系統(tǒng)初始化，為了在初始化的過程中，防止中斷的意外到來，應在主程序的開始處先關閉中斷，完成初始化后，再打開中斷。2、由于本系統(tǒng)是11V14.4V自動識別，因此要在程序中必須判別。具體為，當蓄電池兩端電壓大于13.4V時，滿足14.4V的系統(tǒng)，否則為11V系統(tǒng)，判別系統(tǒng)后轉到相應的程序處繼續(xù)執(zhí)行。3、判斷太陽能極板的兩端電壓，來區(qū)分是白天還是黑天。若為白天，轉為白天的處理程序；若為黑天轉到黑天的處理程序。4、白天處理程序中，要判斷蓄電池的兩

53、端電壓，在決定是否采取充電控制，充電控制方式采用PWM控制。并有指示燈時刻現(xiàn)實蓄電池兩端電壓處于何種狀態(tài)，讓使用的人的一目了然。5、充電過程會發(fā)熱，所以要有溫度補償程序，保護蓄電池。6、黑天處理程序中，按照選擇的工作模式工作，工作模式即為負載的工作時間。7、定時處理程序主要完成系統(tǒng)程序的工作時序，定時處理能使整個程序有條不紊按照系統(tǒng)的要求完成任務。控制器軟件的設計完全按照結構化的程序設計方法來完成，將整個程序細分為若干個子程序，方便調試與檢查。5.2 系統(tǒng)主程序流程主程序流程圖如圖5-1所示。圖5-1 系統(tǒng)主程序流程圖5.3 初始化子程序在初始化程序中，主要對80C51的系統(tǒng)資源，包括定時器、中斷、串行通訊等初始化工作。5.4 A/D轉換子程序A/D轉換結果的讀入采用查詢方式。通過查詢端口的信號來判斷轉換是否結束；8位的轉換只需一次讀取，就可得到結果。對于溫度信號一般來說是緩變的，通過單片機的軟件編程，采用查表法實現(xiàn)，不同的溫度對應不同的過充點，其他點位按照電壓差值依次與過充點對應。void main(void)if adc-mux=0)adcv0=ADC&0X3FF；else adcvl