太陽能LED露臺燈的設計說明書

/太陽能LED露臺燈的設計院〔系***專業(yè)***班級***學生姓名***指導老師***20XX12月21日課程設計任務書設計題目：太陽能LED露臺燈的設計應完成的項目：〔1查閱資料.設計環(huán)保類型的作品.確定方案?！?通過搜索資料.完成LED燈和太陽能系統(tǒng)的基本設計?！?將兩者進行可行性組合.進行調(diào)試.分析機構(gòu)的合理性和安全性?！?撰寫設計說明書.總結(jié)、心得體會等。參考資料以及說明：〔1王建華.吳季平,徐偉.太陽能應用研究進展［J］.水電能源科學.2007<4>〔2吳理博,趙爭鳴,用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學學報〔3郭廷瑋.劉鑒民等.太陽能的利用［M］.北京：北京科技文獻出版社.1987〔4華坤.李彥.太陽能LED路燈控制器的設計[J].微計算機信息,2009<2>目錄摘要1第一章緒論21.1引言2第二章太陽能電池板與蓄電池的選取32.1太陽能電池板選取32.2蓄電池的選取3第三章系統(tǒng)硬件設計43.1太陽能控制器硬件設計43.2LED的選擇設計53.3LED組合及驅(qū)動方式6第四章系統(tǒng)軟件設計74.1工作原理介紹74.2太陽能控制器74.3單片機軟件編程7總結(jié)9參考文獻10附件11摘要由于全球性能源危機.世界普遍重視可再生能源的利用與研究。太陽能作為一種新興的綠色能源.以其永不枯竭、無污染等優(yōu)點.正得到迅速的推廣應用。隨著世界能源危機的加劇.各國都在尋求解決能源危機的辦法.一條道路是尋找新能源和再生能源的利用；另一條是尋求新的節(jié)能技術.降低能源的消耗.提高能源的利用效率。太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源.太陽能作為一種大量可再生能源.每天達到地球表面的輻射能大約等于2.5億桶石油.可以說是取之不盡.用之不竭。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段.所以發(fā)光效率高.一般人都認為.節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉.但LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4.這是固體光源更偉大的改革。為積極響應國家節(jié)能減排、大力開發(fā)利用新能源的號召.以實際應用為目的.圍繞太陽能光伏發(fā)電技術和ID照明技術．設計了一套太陽能LED燈照明系統(tǒng)。介紹了太陽能電池功率的選取原則及與蓄電池容量的匹配方法.重點分析研究了基于ATmega128單片機和XLT604驅(qū)動器的太陽能照明系統(tǒng)中的太陽能控制器和LED驅(qū)動.同時就ID在芯片的功率選取、組合方式等問題上進行了分析。所設計的太陽能LED燈照明系統(tǒng)照度良好、環(huán)保節(jié)能.滿足家庭所需照明的要求。太陽能LED照明集成了太陽能與LED的優(yōu)點。關鍵詞：太陽能.LED燈.節(jié)能第一章緒論1.1引言跨入21世紀后.人類面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn).如何能在能源有限和環(huán)境保護的雙重制約下發(fā)展經(jīng)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。主要表現(xiàn)為以下幾個方面：<1>能源短缺。常規(guī)能源的有限性和分布不均勻.造成了世界上大部分國家能源供應不足.不能滿足其經(jīng)濟發(fā)展的需求。從長遠來看.全球已探明石油儲量只能用到2020年.天然氣也只能延續(xù)到2040年左右.即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此.人類遲早要面臨化石燃料枯竭的危機局面。<2>環(huán)境污染。燃燒煤、石油等化石燃料.每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)排入天空.是大氣環(huán)境遭到嚴重污染.直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量；甚至在局部地區(qū)形成酸雨.嚴重污染水土資源。<3>溫室效應。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(chǎn)生溫室效應.引起全球氣候變化近年來隨著太陽能光伏發(fā)電技術和LED照明技術的發(fā)展.太陽能LED發(fā)光燈已進入了城市照明領域。LED作為照明光源與傳統(tǒng)的照明光源相比具有直流低電壓驅(qū)動、耗電量少、抗振動、壽命長、納秒級的響應速度、設計空間大、環(huán)保、可連續(xù)開關閃斷。能輕松實現(xiàn)0—100％調(diào)光功能等優(yōu)點.被認為是新一代的綠色照明設備。太陽能LED節(jié)能燈是以太陽能作為能源。每個路燈均是獨立的.安裝方便.無需鋪設電纜電線.無需交流電能和電費.采用直流供電.光控定時控制.安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保.實用。第二章太陽能電池板與蓄電池的選取2.1太陽能電池板選取目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為15％.最高達到24％。是目前所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的.技術也最為成熟。使用壽命一般可達15A.最高可達25A。多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要降低不少.其光電轉(zhuǎn)換效率約12％.同時多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。非晶硅薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低。目前國際先進水平約為l0％.且不夠穩(wěn)定.隨著時間的延長.其轉(zhuǎn)換效率衰減.直接影響了其實際應用。所以目前多采用單晶硅太陽能電池。根據(jù)太陽能輻射原理。太陽能電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關：當?shù)氐木暥?、海拔、大氣的污染程度或透明程度、一年當中四季的變化、一天時間的變化、到達地面的太陽輻射值、散分量的比例、地表面的反射系數(shù)、太陽能電池方陣的運行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽能電池方陣表面的清潔程度等。太陽能照明系統(tǒng)充放電效率取0.75。太陽能電池組件組失修正系數(shù)取O.95.灰塵遮擋及其他損失修正系數(shù)取0.9O。經(jīng)過查詢資料和單位換算及簡化處理后?？傻玫教柲茈姵乜傆昧縋的計算公式P=-5618xAxQd<KopxHL>式中.Q為負載日功耗<WH>；鞏為水平面年平均13輻射量<KJ／<m2-d>>；Kop為斜面輻射最佳輻射系數(shù)；A為安全系數(shù).一般取1.1～1.3。2.2蓄電池的選取I21蓄電池的容量要根據(jù)太陽能電池板的功率和LED路燈的功率以及照明時間來決定．蓄電池應與太陽能電池、LED路燈相匹配?？捎靡环N簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須高出負載功率4倍以上。系統(tǒng)才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20％～30％.才能保證給蓄電池正常蓄電。因此.蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。蓄電池的容量Be的計算公式：Be=<PLxlOxD>／<Kb·V>式中．PL為日平均耗電量.D為陰雨天數(shù).6為安全系數(shù).1.1～1.4<包括了溫度修正系數(shù)：0℃上為l.一l0℃上為1.1.一1O℃下為1.2.放電深度cc=O.75>.V為工作電壓。根據(jù)上式可以估算出蓄電池的容量.同時蓄電池的充電效率的高低取決于充電的方式。根據(jù)系統(tǒng)要求和對各種指標的核定.這里選用12V/100Ah閥控密封式鉛酸蓄電池。第三章系統(tǒng)硬件設計3.1太陽能控制器硬件設計太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器．是控制太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給負載供電的自動控制設備．能自動防止蓄電池過充電和過放電。它對蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制.并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出.是整個系統(tǒng)的核心控制部分。本文設計的充電控制器用ATmega128單片機作為主控器件.檢測太陽能電池板的輸出電壓.選擇適合的DC／DC支路.檢測蓄電池的電壓值.根據(jù)蓄電池的電荷狀態(tài).選擇合適的充電方式.為蓄電池提供過充電、過放電保護。圖1為采用斬波式PWM充電原理圖.檢測蓄電池的充電端電壓.將檢測得到的蓄電池端電壓與給定點電壓比較。若蓄電池的電壓小于給定電壓．斬波器全通.迅速給蓄電池充電；若大于給定電壓.則根據(jù)比例調(diào)整功率管的占空比。充電進入慢充階段.改善充電特性.最后進入涓流充電.防止過充。下圖是PWM原理圖：圖1PWM原理圖AVR128單片機<PB4>給出充電的控制信號.即PB4=I.NPN型0805的i極管導通.此時集電極接地.使得IRF4905柵源電壓鉗位在一1OV.IRF4905管導通.太陽能電池板向蓄電池充電；反之.NPN型0805三極管截止I.a=0V.IRF4905管斷開.太陽電池板不能向蓄電池充電。ATmega128內(nèi)置1O位的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器。A／D轉(zhuǎn)換器與8通道的模擬多路復用器連接.采樣端口F的8路單端輸入電壓。蓄電池正極與單片機PF1引腳相接.當電壓低到lOV.單片機自動檢測到并作出相應處理.如圖2所示。圖2系統(tǒng)硬件電路3.2LED的選擇設計按目前市場產(chǎn)品的輸入功率對LED分類.其中輸入功率為幾十MW的.稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸人功率小于1W的.為功率LED：輸入功率等于1W或大于1W的.則為W級功率<大功率>LED。目前大功率比較常見的有1.3.5.8.10W。已批量應用的有1W和3WLED.并正朝大電流<300mA～1．4A>、高效率<60～1204in1.>、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。大功率LED節(jié)能燈采用單顆功率大于1W以上的LED。選用美國CREE公司的3WLED將多個芯片集成于印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發(fā)光源.組合成一個大功率LED單體模塊.裝入節(jié)能露臺燈燈具中.借此提高芯片面積.并增加發(fā)光量。將多個LED集中在一起設計露臺照明.除足夠的光通量和合理的光學設計保證合理的光分布外.更為重要的是散熱問題。由于露臺燈幾本都是在戶外夜間使用.散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等特點。有利于空氣自然對流散熱。所以LED燈選擇自然對流散熱方式．同時整燈采用高導熱系數(shù)鋁作為散熱主體.解決了LED的散熱問題。3.3LED組合及驅(qū)動方式常用的LED組合方式有3種：并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)。1并聯(lián)方式要求LED驅(qū)動器輸出較大電流.負載電壓較低。分配在所有LED兩端電壓相同.當LED的一致性差別較大時.通過每顆LED電流不一致.其亮度也不同。2串聯(lián)方式要求LED驅(qū)動器輸出較高的電壓。當LED的一致性差別較大時.分配在不同的LED兩端電壓不同.通過每顆LED的電流相同.LED的基本亮度一致。3混聯(lián)方式在需要使用比較多LED時.如果將所有LED串聯(lián).將需要LED驅(qū)動器輸出較高的電壓：如果將所有LED并聯(lián).則需要LED驅(qū)動器輸出較大的電流。將所有LED串聯(lián)或并聯(lián).不但限制著LED的使用量.而且并聯(lián)LED負載電流較大.驅(qū)動器的成本也會大增。混聯(lián)方式的LED數(shù)量平均分配.分配在一串LED上的電壓相同.通過同一串每顆LED上的電流也基本相同.LED亮度一致。同時通過每串LED的電流也相近。所以根據(jù)太陽能LED露臺燈設計實際需要。選擇LED混聯(lián)方式．并選用XLT604驅(qū)動器設計驅(qū)動電路來驅(qū)動LED.如圖3所示。圖3XLT604功能框圖XLT604各引腳主要功能有：LD為線性輸入調(diào)光端：ROSC為振蕩電阻接人段；CS為LED電流采樣輸入端；GND為芯片地；GATE為驅(qū)動外部MOSFET柵極；VDD為芯片電源：PWM為PWM輸入調(diào)光端.兼作使能端。第四章系統(tǒng)軟件設計4.1工作原理介紹系統(tǒng)工作原理簡單.利用光生伏特效應原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出.經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中.夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右.充放電控制器偵測到這一電壓值后動作.蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時后.充放電控制器動作.蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。4.2太陽能控制器太陽能控制器應用于太陽能光伏系統(tǒng)中.協(xié)調(diào)太陽能電池板、蓄電池、負載的工作.是光伏系統(tǒng)中非常重要的組件。使整個太陽能光伏系統(tǒng)高效.安全的運作。太陽能路燈控制器主要用于家庭、商業(yè)區(qū)、工廠、交通、牧區(qū)、通信以等太陽能供電系統(tǒng)。作為太陽能路燈控制器應該具備以下基本功能:?過載保護?短路保護?反向放電保護?極性反接保護?雷電保護?欠壓保護?過充保護?負載開機恢復設置4.3單片機軟件編程程序主流程圖主程序主要完成按鍵判斷及按鍵操作、定時器自動引發(fā)電流檢測。以及對按鍵的操作.和電流檢測過放的響應等.是程序的主體部分。用定時器定期檢測負載是否過流.自動檢測比手動按鍵更方便易行。程序中以定時器實現(xiàn)了看門狗的功能.使程序可用性、可靠性均加強。主流程圖如下：圖4程序主流程圖圖4程序主流程圖總結(jié)通過此次課程設計.它鍛煉了我的思考能力.用所學知識設計生活中常見的小小設備.加深了對單片機的了解和利用.并對一些傳感器有一個全面的認識。也認識到了可編程控制器技術對人們生活的影響.假如.社會都進入了一個全自動化的時代.繁重的人力資源將得到解放。在本次設計中.設計過程中感受到了科學的嚴謹性.三維建模的重要性。還需要大量的以前沒有學過的知識.于是圖書館和Internet成為了我思路的源泉并成為了我很好的助手。我在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了很多自身存在的不足之處.對以前上課的知識不能很好的融會貫通。證明了一切理論知識都必須與實踐相結(jié)合才能深入得理解和掌握該方面的知識。在查詢的過程中.要并不是將所查閱到的資料都一一采納的.要判斷優(yōu)劣、適當?shù)娜∩嵯嚓P知識。就這樣.在不知不覺中我查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。知識的學習是有限的.與具體項目相結(jié)合從而設計產(chǎn)品.不僅讓我懂得了怎樣把理論應用與實際.更讓我懂得了在實踐中遇到的問題是怎樣用理論去解決的。這對于即將步入社會的我.對解決在未來的工作所遇到的許許多多問題的能力打下扎實的基礎。在設計過程中.總是遇到這樣、那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候.需要做大量的工作.花大量的時間才能解決。自然而然.我的耐性便在其中建立起來了。這為我往后的工作積累了一定經(jīng)驗.增強了自信心。人的一生有許許多多、形形色色的經(jīng)歷。然而每種經(jīng)歷都會給人留下各種各樣的所思所想。你所經(jīng)歷的.你所感受的.都會為你將來的生活的前進起到了推波助瀾的作用。這次課程設計讓我感受到了在平時生活中所不能感受的許多東西.它不能用學到了什么東西來衡量.應該是留給了我什么.帶給了我什么.這是我這次課程設計后所值得思考的。參考文獻[1]李朝青〔編.單片機原理及接口電路[M]:北京航空航天大學出版社.2007.[2]黃根春.陳小橋.張望先〔編[M].電子設計教程:電子工業(yè)出版社.2007.8[3]董尚斌〔主編.電子線路[M]：清華大學出版社.2006.[4]王建華.吳季平,徐偉.太陽能應用研究進展［J］.水電能源科學.2007<4>[5]吳理博,趙爭鳴,劉建政.用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學學報〔自然科學版.2003<09>[6]郭廷瑋.劉鑒民等.太陽能的利用［M］.北京：北京科技文獻出版社.1987年版[7]華坤.李彥.太陽能LED路燈控制器的設計[J].微計算機信息,2009<2>[8]徐甦,鄭展望,沈杭軍.太陽能路燈技術的國內(nèi)外研究動態(tài)及其在XX新農(nóng)村建設中的應用[J].污染防治技術,2007<5>[9]王化祥.張淑英〔編.傳感器原理及應用：天津大學出版社.2007附件附件1附錄具體程序?qū)崿F(xiàn)1主程序：///////////////////////////////////////////////外部中斷0用于AD采集.外部中斷1用于距離設置,T0用于電路檢測/////////////////////////////////////////////#include"stdafx.h"http://變量定義float 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}}/**************************************************************輸入距離計算.響應響應操作并顯示在LCD上**************************************************************/voidon_33_down<> { uchari; if<count>{ distance=0; for<i=0;i<count;i++> { distance+=num[i]*pow<10,<count-i-1>>; } ShowDistance<>; if<distance<40> p10=0; //點亮LCD for<i=0;i<count;i++> //存儲距離數(shù)據(jù)變量清零 num[i]=0; count=0; }}2按鍵模塊#include"key.h"staticuchar xdata *pCS;/**********判斷是否有鍵按下****************/charis_key_down<>{ chara; pCS=0x8000; *pCS=0xf0; a=<<*pCS>&0x0f>; if<a^0x0f> return1; return0;}/*****************取得鍵值*****************/charget_key_code<>{ chari,a,ret=0; if<is_key_down<>> { a=<<*pCS>&0x0f>; if<a^0x0f> { for<i=0;i<4;i++> if<!<0x01&<a>>i>>>{ret|=i;break;} for<i=0;i<4;i++> { *pCS=0xf7>><3-i>; a=<*pCS>&0x0f; if<a^0x0f>{ret|=i<<4;break;} } returnret; } } return-1;}3LCD顯示程序：#include"lcd.h"#include"stdarg.h"#include"string.h"#include"stdio.h"staticchar xdata* pCS;////////////////////////////////////////////////////////////////////////LCD12864底層驅(qū)動///////////////////////////////////////////////////////////////////////**********等待狀態(tài)操作允許****************/void_wait<STATEs>{ uchara=0; pCS=CS_CMD; while<!<a&s>>a=*pCS;}/*****************LCD寫數(shù)據(jù)*****************/void_writedata<uchardat>{ _wait<STA1>; pCS=CS_DAT; *pCS=dat;}/*****************LCD讀數(shù)據(jù)*****************/uchar_readdata<>{ _wait<STA1>; pCS=CS_DAT; return*pCS;}//LCD中層驅(qū)動uchar swth_status=0x9f; //文本模式和光標及圖形模式開啟狀態(tài)uint focus_addr=0; //當前指針和光標所在#define text_addr0 //文本模式首地址#define image_addr 0x0400 //圖形模式首地址#define CGRAM_custom_addr 0x1400 //CGRAM起始地址0x