基于單片機(jī)的太陽能供電地下停車場照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文開題報(bào)告基于單片機(jī)控制的太陽能供電地下停車場照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生專業(yè)名稱電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師2012年4月12日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目名稱：基于單片機(jī)的太陽能供電地下停車場照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.課題背景1.1背景隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的逐步展開，世界對能源的急劇膨脹，而煤炭、石油和天然氣三大化石能源日漸枯竭，全球面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)。因此，全球都在積極開發(fā)利用可再生資源。自20世紀(jì)50年代太陽能電池的空間應(yīng)用到如今的太陽能光伏集成建筑，世界光伏已經(jīng)走過了近半個(gè)世紀(jì)的歷史。由于太陽能資源分布相對廣泛、蘊(yùn)藏豐富，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有簡潔、平安、壽命長以及維護(hù)量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電被默認(rèn)為將

2、是21世紀(jì)最重要、最具活力的新能源。再在世界各國尤其是美、日、德等興旺國家先后發(fā)起的大規(guī)模國家光伏開展方案和太陽屋頂方案的刺激和推動(dòng)下，光伏工業(yè)近幾年保持著平均30%以上的高速增長。其中，以光伏集成建筑為核心的光伏并網(wǎng)發(fā)電市場已經(jīng)超過離網(wǎng)應(yīng)用，近幾年的增長速度都在40%以上，成為世界光伏工業(yè)的最主要發(fā)動(dòng)機(jī)，并網(wǎng)光伏發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究與開展的最新亮點(diǎn)。1.2國外太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的現(xiàn)狀隨著科技的進(jìn)步和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，清潔的綠色能源逐漸受到了人類的重視。其中，太陽能無疑成為最受青睞的綠色能源。太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸結(jié)為太陽能熱利用和光利用兩個(gè)方面。太陽能可以轉(zhuǎn)換成多種其它形

3、式的能量，比方熱能、氫能、機(jī)械能、生物能、電能等等，由于電能是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的直接能源，因此由太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能是太陽能利用中最具有前景的方式。世界太陽能光伏發(fā)電的開展現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，由于太陽電池本錢的持續(xù)降低，太陽電池實(shí)行并網(wǎng)發(fā)電，建立太陽能電站已經(jīng)成為可，并在全世界圍逐漸開展。近年來，與住宅屋頂相結(jié)合的太陽電池并網(wǎng)發(fā)電也成為重要的應(yīng)用方向。美國、歐洲和日本先后制定了太陽能開展方案，由政府提供局部研究開發(fā)資金和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)扶持政策，眾多國家紛紛制定雄心勃勃的開展規(guī)劃，推動(dòng)光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的開展。日本通產(chǎn)省第二次新能源分委會(huì)提出，2010年光伏發(fā)電裝機(jī)到達(dá)5GW；歐盟可再生能源白皮書及相

4、伴隨的“起飛運(yùn)動(dòng)2010年的目標(biāo)是，光伏發(fā)電裝機(jī)到達(dá)3GW；美國能源部國家光伏規(guī)劃的目標(biāo)是，光伏發(fā)電裝機(jī)到達(dá)4.7GW；澳大利亞提出，2010年光伏發(fā)電裝機(jī)到達(dá)0.75GW。因此，世界光伏產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進(jìn)的開展，從1997年至2001年，年的平均年增長率達(dá)35.5%。2004年世界光伏電池組件的生產(chǎn)量到達(dá)1194MW，比2003年的744.26MW增長60.46%。到2004年底，世界光伏發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量到達(dá)4330MW。近幾年各國可再生能源法的公布、快速開展的光伏屋頂方案、各種減免稅政策和補(bǔ)貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價(jià)格，為光伏市場的開展提供了良好的根底。光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩接蛇b遠(yuǎn)地

5、區(qū)和農(nóng)村的補(bǔ)充能源向全社會(huì)的替代能源過渡。預(yù)計(jì)今后十年，太陽能光電工業(yè)將以20%30%的速度增長，成為世界上最具開展前景的工業(yè)之一。國太陽能光伏發(fā)電的開展現(xiàn)狀中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，1980年以前，應(yīng)用工程十分有限功率很小，光伏電池年銷售量不超過10KW。20世紀(jì)80年代后期，隨著幾條光伏電池生產(chǎn)線的引進(jìn)，光伏電池價(jià)格大幅度下降，產(chǎn)量大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷開辟市場大為拓展。90年代以來，改革開放的大好形勢為光伏技術(shù)的廣泛應(yīng)用和市場開拓創(chuàng)造了有利條件，光伏電池用量每年在以20%以上的速度遞增。經(jīng)過30多年的努力，已迎來了快速開展的新階段。進(jìn)入21世紀(jì)后，在“光明工程先導(dǎo)工程和“送

6、電到鄉(xiāng)工程等國家工程及世界光伏市場的有力拉動(dòng)下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛開展。2003年底，中國光伏發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量約達(dá)55MW。到2007年年底，全國光伏系統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量到達(dá)100MW，2008年太陽能電池的產(chǎn)量到達(dá)了2000MW雖然近幾年我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了巨大的進(jìn)步，但是，與興旺國家相比還存在相當(dāng)大的差距。首先，我國生產(chǎn)規(guī)模較國外比擬小、產(chǎn)業(yè)鏈不完整，自動(dòng)化水平低。其次，平衡設(shè)備薄弱落后，特別是并網(wǎng)逆變器和智能控制器差距更大。而且，專用材料的國產(chǎn)化程度不高，性能有待改良，光伏電池本錢價(jià)格尚高，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)也不夠健全。因此，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國外市場上仍面臨著非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。1.3太陽能光伏發(fā)電

7、系統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是在白天光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓到達(dá)系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進(jìn)展充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進(jìn)展供電。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)展控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過負(fù)載運(yùn)行及免遭雷擊，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的平安使用。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由蓄電池、太陽能電池方陣、控制器、逆變器、交流配電設(shè)備等組成如圖1所示。其各局部設(shè)備的作用是

8、：太陽能電池方陣：在有光照無論是太，還是其它發(fā)光體產(chǎn)生的光照情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)。在光生伏打效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件。蓄電池組：其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。充放電控制器：是能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設(shè)備。逆變器：是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可

9、少的。圖1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖2.開發(fā)設(shè)計(jì)的根本容及預(yù)期設(shè)計(jì)效果1.MPPT控制器：主要負(fù)責(zé)檢測主回路直流電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽能電池陣列的輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。如圖4所示擾動(dòng)電阻R和MOSFET串聯(lián)在一起，在輸出電壓根本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動(dòng)。同時(shí)光伏電池的輸出電流和輸出電壓亦隨之變化，通過測量擾動(dòng)前后光伏電池輸出功率和輸出電壓變化，決定下一周期的擾動(dòng)方向，當(dāng)擾動(dòng)方向正確時(shí)太陽能光電板輸出功率增加，下一周期沿同一方向擾動(dòng)，反之，當(dāng)擾動(dòng)方向正確時(shí)太陽能光電板輸出功率減少，下一周期朝反方向擾動(dòng)。通過反復(fù)進(jìn)展擾動(dòng)與

10、觀察太陽能電池板輸出達(dá)最大功率點(diǎn)。圖4 MPPT控制器2.單片機(jī)電源電路的設(shè)計(jì)由于單片機(jī)AT89S51需要+5V供電電壓，采用三端穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)電源電路，可以提供+5V的數(shù)字電路電源，而且電路簡單。圖5單片機(jī)電源電路3.單片機(jī)及外圍電路圖6單片機(jī)及外圍電路4.充放電控制電路電路由防反充二極管D1、濾波電容C1、續(xù)流二極管D2、MOSFET管Q1、濾波電容C2、MOSFET管Q1等構(gòu)成。二極管D1是為了防反充，當(dāng)陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽能電池的電壓時(shí)，D1就生效。通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間即PWM脈沖寬度調(diào)制，就可以控制輸出電壓。所使用的MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)

11、體場效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動(dòng)功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間，因而開關(guān)頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關(guān)。設(shè)計(jì)中采用IRF9540N P溝道MOSFET管，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth0，由下列圖可以實(shí)現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)光耦U5導(dǎo)通時(shí)，由于Q1的G極電壓很小，G極近似接地，Vgs0，當(dāng)S極電壓到達(dá)一定值時(shí)，Q1導(dǎo)通。Q2的原理類似。電路如圖7。圖8 充放電電路5.A/D轉(zhuǎn)換電路AT89S51單片機(jī)沒有置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此采集的電壓需要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才可接入單片機(jī)。此設(shè)計(jì)采用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片TLC549如圖7。需要采集的信號(hào)從2管

12、腳AIN輸入，1管腳的基準(zhǔn)電壓使用5V，5、6、7三管腳連單片機(jī)。圖9 A/D轉(zhuǎn)換電路6.電壓采集電路如圖4所示，電壓采集電路使用兩個(gè)串聯(lián)的電阻，大小比例為10:1，然后并聯(lián)在需要檢測的電壓兩端，從兩個(gè)電阻中間采集電壓。由分壓公式得出采集的電壓為VR1R21/11，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)電壓大概為14.5V，計(jì)算出采集到的電壓為1.3V，符合A/D轉(zhuǎn)換芯片的TLC549的輸入值。圖10電壓采集電路3.開發(fā)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)框圖如圖7，單片機(jī)作為主控制器可通過采樣電路得到的電壓進(jìn)展分析，可實(shí)現(xiàn)對采用光伏發(fā)電供電系統(tǒng)還是采用市電供電對地下停車場進(jìn)展照明。即白天由光伏電池供電，晚上由蓄電池供電，當(dāng)蓄電池電量缺乏

13、以維持供電時(shí)切換到市電供電。并且作為控制單元控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對太陽能電池的最大功率點(diǎn)的跟蹤，以便充分利用太陽能進(jìn)展光伏發(fā)電。圖9開發(fā)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖4.設(shè)計(jì)進(jìn)度安排2012年3月26日2012年4月2日確定論文題目；查閱相關(guān)資料；對課題有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)2012年4月2日2012年4月26日提出初步方案，撰寫開題報(bào)告，提交開題報(bào)告2012年4月27日2012年5月20日畫系統(tǒng)原理圖，完成調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件電路設(shè)計(jì)、完成畢業(yè)論文初稿2012年5月20日2012年5月31日修改論文初稿，并完成最終定稿2012年6月1日上交畢業(yè)設(shè)計(jì)電子檔，等待核查，準(zhǔn)備辯論5.參考文獻(xiàn)1遲榮強(qiáng):“單片機(jī)原理及接口技

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