基于GSM的太阳能路灯联网监控系统设计.doc

摘要能源是现代社会存在和发展的重要基石。随着全球经济社会的不断向前发展，能源消耗也在相应的日益增长。由于长时间大量被开采，化石能源的稀缺性也愈发明显，并且能源稀缺性也逐渐在能源商品的价格上被反应出来。在全球化石能源的供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生的清洁能源，已成为未来各国在能源战略中的重要部分。研发和使用清洁的新能源越来越被各国所重视。太阳能作为一种新开发的，潜力巨大的新能源和可再生能源，早就已引起了世界各国的广泛重视。我国也对太阳能发电做了大量的科学研究。同时，我国在近几年也加大了在新能源领域的投入。太阳能作为人类取之不尽用之不竭的、清洁的可再生能源，具有充分的清洁性、安全性、广泛性、寿命长和维护方便、资源充足及潜在的经济等优点，在将来我国长远的能源战略中有着非常重要的战略地位。关键字：太阳能、GSM、联网控制ABSTRACTEnergy in modern society are the existence and development of the important foundation. With the global economy and the continuous development of society, the energy consumption is also growing in the corresponding. Due to long time large numbers of mining, the scarcity of fossil fuels will become more obvious, and energy scarcity has also gradually in energy prices is reflected. In the fossil energy supply nervous with each passing day background, large-scale development and utilization of renewable clean energy, has become the future countries in the energy strategy is the important part of. The development and use of clean new energy been attached more and more.Solar energy as a new development, the enormous potential of new energy and renewable energy, already attracted worldwide attention. China also on solar power to do a large number of scientific research. At the same time, our country in recent years has also increased the investment in new energy field. Solar energy as a human be inexhaustible inexhaustible, clean and renewable energy, with a full cleaning, safety, wide, long service life and convenient maintenance, adequate resources and potential economic advantages, in the future Chinas long-term energy strategy has a very important strategic position.Key words: solar energy; GSM;networked control第1章 太阳能发电目 录第一章 绪论1引言11.1发展太阳能的意义11.2国内外发展现状2第二章 太阳能发电系统和照明系统12.1太阳能发电系统12.1.1光热转换12.1.2光电转换22.2太阳能照明系统2第三章 系统概述13.1太阳能电池板及工作原理：13.2 GSM模块23.3单片机简介：33.4蓄电池43.4.1、蓄电池的种类43.4.2、蓄电池快速充电技术53.5、LED路灯53.6、电池充放电技术66.1蓄电池在主充、均充、浮充各阶段的自动转换66.2充电程度判断66.3停充控制7第四章 太阳能路灯联网监控系统的硬件设计。74.1光伏电池最大功率点设置84.2控制电路的硬件设计104.2.1 太阳能电池板的电压采样电路104.2.2光控电路104.2.3卸载电路124.3 通讯系统的设计124.3.1 RS-485 通信124.4 GSM模块TC35i134.4.1 TC35i的硬件设计：144.5 单片机HT46R23216第五章 太阳能路灯联网监控系统的软件设计11 系统软件设计12 GSM模块的软件设计3第六章 太阳能路灯的展望和前景1参考文献：22第一章 绪论引言能源是当今社会的重要基础。在经济全球化不断发展的今天，社会生产对能源消耗也在不断的大幅度增长。当今社会化石能源不断被没有计划的任意开采，社会各国对能源危机越来越重视，并且现在使用的主要能源产品的价格也在不断上涨。在能源的供应变得非常的紧张和不足的背景下，在新领驭开发和研究出新的可重复利用的无污染能源，开始成为全世界范围内的能源战略中的重要方向。研发和使用清洁的新能源越来越被各国所重视。1.1发展太阳能的意义太阳能是一个新兴起的、市场前景广阔的新生能源和可再生能源，太阳能被世界各国关注已久，在很多年前各国就开始了对他的研究。我国一直以来就也对太阳能发电做了大量的科学研究。同时，我国在近几年随着能源战略的调整，也加大了在新能源领域的资金投入。太阳能是人类当下发现的取之不尽用之不竭的可再生能源，太阳能的优点是：清洁、安全性、应用面广、使用寿命长和长期维护简便、应用地域广及发展前景广阔等优势，在将来很大一段时间里我国长远的能源战略中必然会占有非常显著的战略地位。 在一秒的时间里太阳照射到地面的能量约为80万千瓦，如果我们可以将0.1%的能量转化成电能，按照现在光电转化的比例5%，那么每年我们得到的电量就是5.61012万千瓦时，这样的巨大的发电量就相当于目前全世界所能源消耗的40倍左右。中国的太阳能资源非常巨大，可开发的地区非常多。现在我国统计的荒漠面积约有108万平方公里，并且大部分地区都分布在被认为是光照丰富的西北部地区。如果给每1平方公里的荒漠安装100兆瓦的光伏阵列，那么每年就可以发电大约为1.5亿度左右；如果我们国家能开发利用1的荒漠，发出的电就相当于我国在2003年全年的耗电量，这是一个多么可观的数字。据专家研究表明在我国的很多地域如北方、沿海等光照充足地方，平均日照时间在2000小时/年，海南岛更高达2400小时/年，所以我国一直被认为是太阳能资源非常丰富的国家。当前，世界各国都把太阳能及太阳能相关公司人为是阳光产业也就是很有前途的产业，这也说明各国金融界的投资者，都对太阳能发电产业未来的前景抱以乐观的态度。现在在我国太阳能发电产业依然正处在一个快速发展的阶段，在未来太阳能发电的前景是很宽广的。在世界能源供应十分紧张和严峻的今天，发展可再生能源成为了各国能源发展的一个重要的改变方向。据美国能源情报署的一份预测报告显示，2001年至 2025年期间，全球能源消费总量，将从102.4亿吨油当量，增加到162亿吨油当量，增幅达54% ，目前，化石能源(包括石油、煤炭、天然气等)是全球能源消费的主要产品，其消费总量在逐年攀升，但是，化石能源是不可再生能源，而且储存容量有限，为；未来其产量的萎缩将不可避免，根据BP世界能源统计2006的统计数据显示，全球石油已探明的石油储存容量，可供全世界生产40多年，天然气和煤炭资源，分别可以供应65年和155年，随着时间的推移，化石能源的稀缺性将越来越明显，并且这种稀缺性，也逐渐在能源商品的价格上反应出来1 周志敏，纪爱华。太阳能LED路灯设计与应用 北京，电子工业出版社，2009 。因此，发展新能源势在必行。由于世界能源市场的能源供应开始变紧张和价格的连续上涨，在能源方面的消费已经严重影响了各国的经济发展。中国作为一个每天都在大量消耗能源的国家，世界能源组织的调查显示世界能源消费总量的15%被中国消费。一些研究表明，目前我国使用的主要能源：煤炭、石油和天然气的储存和开采比例，分别为全球平均水平的50%、40%和70%左右，每一个都比全球的储存开采比高出很多，所以我国的长远能源供应问题必须从现在就开始关注。此外，现在使用的化石能源都会造成很大的污染环境和温室效应等破坏环境。1.2 国内外发展现状全世界的化石能源供应已经变得很紧张，因此，世界各国都在加大对新能源的研究可开发，其中，研究出一种可以大量使用的可再生能源，是未来世界各国在能源调整方向的重要转型。从目前向后看未来的可再生能源开展趋势必然是以下几个方向，风能、太阳能和生物能。太阳能发电产业的兴起也大大带动了其他经济产业的发展。太阳能发电产业兴起的较早的地方是在西方国家，他们对太阳能发电的研究较早，所以一些现金的科学技术都掌握在他们手里。相较于传统能源太阳能发电的成本就很高了，所以在这方面的研究和应用需要政府给予一定的政策性扶持。西方的一些高水平的科研机构是在政府的资助下，开始了对太阳能能应用的研究。所以他们的太阳能发电技术到现在已经取得了一定的成果。1.2.1 国外发展现状欧美、日本等经济比较先进的国家，都在调整能源发展战略，其中很重要的一项就发展太阳能。1997年，具有远见的美国就开始提出了发展太阳能的计划，所谓的“百万太阳能屋顶计划”，这个计划的具体内容的在2010年以前，实现100万个屋顶和建筑物安装太阳能系统，例如使用太阳能的热水系统、发电系统和空气集热系统。欧洲也在1997年计划实施同样的百万屋顶计划，德国在太阳能领域一直处于世界领先地位，它在欧洲百万屋顶的基础上在1998年10月提出了另一个长远的计划：即在未来的6年内，在全欧洲范围内安装约10万套安装在屋顶的太阳能发电系统，它们的总体装机容量大约是300-500MV，平均每个屋顶大约是3-5KW。1.2.2国内发展现状目前我国正处于经济转型的蓬勃发展时期，但能源问题仍然十分严峻，由于城市大量使用化石能源，导致环境恶化。在2000年，WHO公布的世界范围内污染最严重十大城市中，我国的城市站了八个。其中北京位居第七。因此不遗余力发展光伏发电能够很有效地遏制这一问题。我国现在太阳能发电产业是在近几年得到了非常迅速的发展。在太阳能发电的应用我国一直有非常广阔空间。第一点，我国现有的荒漠面积非常大，且多分布在日照充足适合发展太阳能的西北地区。第二点，太阳电池组不是必须单独放置，他还可作为屋面和墙面使用，国外的很多地方都这样设计。这个方法既能供电节能，又可以在很大程度上节约了建筑材料，可以达到很好的经济效果。第三点，在我国一些偏僻的边远地区，仍有较很多贫苦的居民尚未能使用上电，如果靠架设电网供电，那么不仅成本高，建设周期长，而且不经济，投资和回报不成比例。如果改为使用太阳能发电系统，就没有了架设输电线路、建设周期短等问题，这个方法可以很好的解决我国边远地区的生活用电问题。近20年来，太阳能发电产业在我国得到了很迅速的发展。特别是在2005年以后，太阳能发电产业涌现出了一批大型的优秀企业，如天威英利、无锡尚德、赛维LDK、常州天合、新光硅业、天津京瓷等大型公司。一些技术比较先进的公司，在多晶硅太阳电池的生产领域已经开始了试车，国内市场上主打的太阳能电池产品是单晶硅和多晶硅两种。非多晶硅薄膜电池产业在我国的市场上，也出现了想要高速发展的势头，很多有能力的大型国内公司也通过与国外发展太阳能的企业进行合作，已经想要在非多晶硅薄膜电池领域进行投资生产。第一章 XXXXX第二章 太阳能发电系统和照明系统2.1太阳能发电系统太阳能发电系统的普遍结构是：太阳能电池板、控制器、蓄电池（组）组成。在一些使用市网作为备用电源的系统中，还应该配置逆变器。各部分的作用分别为：（一）太阳能电池板：太阳能发电系统中最核心是东西就啊太阳能电池板，它也是这类系统中最昂贵的部件。它的功能是太阳发出的太阳能转化成为人们需要是电能，把电能通过转换电路和电路传输给蓄电池存储，也能直接给负载提供电力。电池板的价格的上升会直接影响到系统的总体成本。（二）太阳能控制器：太阳能发电系统的工作是通过系统内的控制器来控制的，控制器还有保护蓄电池的作用，控制器内设防止过充和过放电路起保护作用。一些地方的较大温差，为了保护系统需要做温度补偿，一般在控制器内实现这功能。一些附加功能如：本文的控制电路中就使用了光控开关。（三）蓄电池：常用的电池是铅酸型的。一些不是很大对电量要求不大的系统中，其他如镍氢电池、镍镉电池或锂电池也可以考虑使用。蓄电池的主要作用还是储存和提供电能，在白天光照强烈时把发出的电能存起来，等到需要用电的时候再通过供电电路给设备提供电能。（四）逆变器：逆变器的等级一般有220V、110V。12V、24V、48V是太阳能电池板的电压等级。想要给220V的交流用电器供能，就需要把低压的直流电通过逆变转换的方法转成相对较高的交流电。所以，在一些系统中都涉及了DC-AC逆变器。在接入单片机或控制芯片的电压很低，所以需涉及到DC-DC逆变器，单片机一般是将24V变为5V或者更低的3V。那么我们应该如何利用太阳能呢？现行的利用方式有两种：光热转换和光电转换。其中，光电转换(也称光伏发电)是这些年发展最迅速的一项技术，而且也是现在普遍认为的最有潜力的研究领域。其中光伏发电系统中太阳能电池板是最关键的核心部分，它的总体分类可分为硅系太阳电池(包括单晶硅和多晶硅电池)和非硅系列太阳能电池等，应用相对比较广泛在太阳能电池中硅系的。多晶硅薄膜电池以为节省了硅材料不出现效率衰退和衬底材料廉价等优点，所以它的成本较低效益相对较好。2.1.1光热转换光热转换是将太阳辐射到地球的能量转换成热能，再经过热电转换技术把热能转换为电能。太阳能集热发电则是大量使用了反射镜，将太阳的直射光线进行聚焦然后采集，通过对水加热或者是其他工作介质，将太阳能转化成热能，然后通过与热力循环系统转化，产生是水蒸气具有很大的能量可以推动电机发电，通过这样的方法将热能转化成为电能。集热发电的形式：目前，一些采用的常用分类方式，是不同方式对太阳能的采集来分的，太阳能集热发电主要可分为槽式、塔式和斯特林（碟式）、菲涅尔式发电系统。槽式的设备主要是：抛物面（parablic）、吸热管、长槽型(trugh)的聚光器、储热器、汽轮发电机、热转换设备、变电设备等。对菲涅尔系统进行一些简化就形成了槽式系统。这个系统是用一组抛物面取代了菲涅尔系统中的平面镜，采用的方法同样是用曲面镜聚焦。控制上主要是通过对倾斜角度的调整来控制平面镜，把阳光反射集中至集热管中，实现对集热管的加热。为了对系统简化，一般用最常见的水或者水蒸气作为导热介质（油、熔盐等介质在技术上来说也是可以使用的）。于抛物面式使用的曲面镜相比较平面镜制造简单技术要求低，这样就降低了初期投资的成本，不过有个明显的缺点就是聚焦精度比槽式要差很多。塔式系统：主要由集热塔、定日镜、汽轮发电机、储热、变电设备等设备。2.1.2 光电转换光电转换主要是应用光学原理，通过对光的反射和折射，或者其他方式将太阳能转换成别的形式的能量进行一定距离的传输。 直接传输的距离相对比较短，通常用一下三种方法：一、是用反射镜及其它光学元件搭配，改变太阳光的传输方向，使他到达需要的地点；二、用光导纤维传输，光导纤维可以将入射到其一端口的阳光传输到另一端口，传输时光导纤维任意布置；三、采用的光导管表面被镀了一层高反射涂料，通过太阳光的反射特性使阳光到达需要的地方。间接传输可以说是适用于各种不同长短距离。它是将得到的太阳能转换成热能，再通过铺设的热力管道可将太阳能输送到室内；也可以使用将太阳能转换成化学物的内部能量通过化学载能的技术储存，再输送到相应的区域；最新研究是一项技术是是太空建立电站直接进行换成，他的能量传输是通过以微波或者是激光为载体传给地面采集电站。太阳能电池板的原理是当阳光照射到半导体上，使半导体在p-n结之间产生势垒电厂，同时p区产生空穴，n区产生电子在势垒电场的作用下电子和空穴向两级移动产生电流。2.2太阳能照明系统在进行设计太阳能灯具时，一些细节需要十分注意，需要考虑到灯具的使用要求和使用地区的一些气候环境特点。在华北地区使用的太阳能路灯，电池板实际功率与灯具的功率比例关系范围是2-4:1，涉及到的一些实际工作中的比例要根据灯具每天工作量，和在本次设计中如果遇到连续阴雨天气时道路照明怎样提供的具体情况决定。电池板安装要求：很多太阳能灯具的生产厂家都将太阳能电池板水平放置，这样的放置方式会使太阳能电池板的输出功率至少减少15%20%之间。一般不在太阳能电池上设置装饰和外罩，这样会减少5%左右的输出功率，从成本考虑本身太阳能电池板的造价就非常昂贵，在我们收集和得到的许多国外关于太阳能灯设计的资料中，通过对比发现，节能是设计的最主要思路，美观就相对次要了。我们在实际的设计中一般不使用单片的太阳能电池板，一般都是用成组的太阳能电池板。即用导线将太阳能电池板通过串联或者并联的方式将电压调整到额定值。太阳电池组是把很多单片的太阳能电池板组合在一起，把电池组的输出电压调节为需要的电压值。太阳能电池板被遮挡就会发热，被遮挡部位因发热烧坏导致整组的损坏。这就是所谓的热岛效应。防止可能发生的热岛效应的方法有把太阳能电池板倾斜放置，按放位置的选择上一般在树叶遮挡不到的地方，安装防鸟针可以有效的防止鸟类的危害。在整个系统中，一个能够很好的控制充放电的控制电路对太阳能路灯很重要。充放电的控制可以很好的延长蓄电池的寿命，有效的防止过度充电及过度放电是保护蓄电池的主要方法。另外，输入电压不稳定是太阳能发电系统的重要问题，所以对蓄电池充电过程的控制在光伏发电系统中会变得相对复杂，不能像在对待普通蓄电池那样不设任何电路直接充电。在太阳能灯具设计中，充放电控制电路的成败直接决定了本次设计的成败，充放电控制电路的决定了灯具的使用寿命，一个硬件良好的太阳能灯具必须有一个良好的充放电电路。太阳能路灯可供选择的有：12伏路灯、高/低压钠灯、无极电磁感应灯等各类光源。无论选则哪种光源，灯具的亮度与光源的功率都是有直接影响的，同时也直接影响了系统的配置和初期的投资费用。在相同的照明时间下，灯具的光源功率越小，广度越低，系统配置越小，费用越低；功率大时亮度提高而且配置变高也把费用加大了。太阳能灯可以使用现在普遍使用的灯杆和灯具不必专门设计。一些在路灯灯杆上直接装太阳能电池板的方案，需要计算太阳能电池板面积 ，加工和制作太阳能电池板的支架，同时还要考虑灯杆的强度等承重问题。灯具和灯杆在选择方面比较自由，一般满足使用要求、外形美观即可。在这些方面可以根据实际情况自行选择，没有人会做特殊要求。第三章 系统概述3.1太阳能电池板及工作原理太阳能电池板的主要材料是“硅”， “硅”是地球上储藏非常丰富的材料之一。3.1.1分类晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。3.1.2组成（1） 单晶硅太阳能电池 现在生产的单晶硅太阳能电池大约只有15%左右的光电转换效率，自实验室研究出的最高的是24。目前单晶硅太阳能电池所具有的光电转换效率在所有各类太阳能电池中还是最高的，但是其制作成本也相对的很高，所以它暂时还不能被大量的生产使用。现在是设计一般是用钢化玻璃对单晶硅进行封装或者是采用防水树脂对其封装，所以生产出的成品坚固耐用，很长的使用寿命是它的一个优点，一般的在15年左右目前测得的最高记录是25年。（2）多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池在生产技术上与单晶硅很相似，不过从光电转换效率上来讲单晶硅要比它高很多，多晶硅的普遍光电转换效率约为12左右 (日本夏普公司在2004年7月1日做的测试中多晶硅太阳能电池效率为14.8%的这是目前世界最高的效率)。 在制作成本方面来讲，多晶硅比单晶硅便宜很多，它的制造材料简便，耗电少，总体生产成本较单晶硅要低很多，因此被大量使用。不过，在寿命方面多晶硅也不如单晶硅的时间长久。总体来说在性价比上，单晶硅太阳能电池比较好。（3）非晶硅太阳能电池 在1976年被研究出的非晶硅太阳能电池也被称为新型薄膜式太阳能电池，它与以上两个太阳电池在制作方法上没有任何相同之处，它的制作工艺过程被进行了简化，它对硅和电量的需求大大降低，它的明显优势是在日照不强时也依然可以工作。但非晶硅太阳电池同时也存很重要的问题，在光电转换效率方面普遍偏低，现今世界上最先进水平也就只能使其达到10左右，并且还不是一个很稳定的数值。当时间变长时，转换效率会逐渐衰减。（4）多元化合物太阳电池 用含有多种不同元素的半导体材料通过复杂工艺制造出来的太阳电池称作多元化合物太阳电池。现在科学家研究出的品种个有不同，但大多数产品都没有实现工业化生产，现在主要有以下几种：1、 硫化镉电池；2、砷化镓电池；3、 铜铟硒电池3.2 GSM模块GSM模块是一个电子集成器件，它是把各种原件如：GSM射频芯片、基带处理芯片、功放器件、存储器等所有不同功能的器件集成在一块电路板上，而且这个电路板自带GSM射频处理、独立的操作系统、基带处理而且提供标准接口的一种功能模块。 所以，GSM模块必然会具有够语音通话功能和发送短信的功能。而且还可以进行一些基于GSM网络的GPRS数据传输功能，这些都是通信中的一些基本功能。如果把键盘、显示屏和电池接到GSM模块上就是一部具有基本功能的手机。 一般对GSM模块通信的开发需要使用ARM或者是单片机，并通过RS232串口通讯使用AT命令来控制GSM模块，实现各种不同功能的无线通信。例如：给手机短信，GPRS拨号上网，拨打电话等基本通讯功能。在成品的GSM模块基础进行的上的产品开发通常都是基于ARM平台，也就是嵌入式系统进行开发。一些GSM模块还具有“开放内置平台”的功能，可以让客户将自己编写的程序嵌入到模块内的软件平台中运行。 最早的GSM模块是供给手机厂使用，手机厂直接使用购买大的模块，给模块接上外围的器件就是一部手机。GSM模块自带一个标准的通信接口主要目的就是解决手机通讯技术中复杂的射频发送和基带处理的问题，并且提供了，手机生产厂商不用再从最基础的的芯片开始对手机的进行设计，缩短了手机的设计周期。在5年前，我国国内的手机生产厂家大部分都是从国外购买成品的GSM模块，再进行手机的二次开发和生产。近些年来，随着国内手机生产研发公司在GSM模块方面的研究和重视，手机厂家开始逐渐摆脱了对国外GSM模块的依赖，国内也有很多公司直接转为从芯片级开始进行对手机进行研发。 目前，对GSM模块应用最广泛是依然是在工业领域，我们在不同的行业都可以看到应用了GSM模块的各种产品。例如，在安防公司开发的一些车载的监控领域，它的最核心部分依然是使用GSM模块给车辆管理中心发送车辆行驶的GPS数据；在水务、电力系统中，通过GSM模块可以实现远程的数据采集，这样就可以做到随时检测用户的用电和用水量，同时也能及时的发现问题；在测绘中，为给一些偏僻的测绘点安装上GSM模块，这样就实现了对测绘点实时的监控，不需要人去收集数据；在家庭应用中安全报警系统是最常用到的，可以对家里发生意外情况或着一些盗窃行为进行及时发现，并可以自动告诉住户和监控中心；在国外应用到生活中的更多，一些家人给老人和小孩带上一个定位跟踪器，防止老人和小孩走失或者发生意外，在跟踪器里面也使用了GSM模块进行集成。目前， GSM的网络在不断的被完善，同时带动的GSM模块可以应用的范围更宽广。 GSM模块的分类有很多方法一般是通过数据传输速率进行的分类：EDGE模块和短信模块、GPRS模块。短信模块功能最简单只能有短信和语音功能。GPRS就是对GSM的延续。“2.5G”指的就是GPRS，这样的说法也说明GPRS技术是在第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间的一个技术。数据传输速率GPRS是在56K至114Kbps这个范围内，从技术上讲理论研究得出的传输速度最是170k。与GSM的9.6kbps的低传输速度相比，GPRS的数据传输速度就显得更加迅速，GPRS技术还对时间、地点都没有连接限制，它可以实现永久在线和根据流量进行计费等优点。EDGE技术对数据传输的速率做了进一步的提升，数据传输速率已经到384K-473K，所以也被称为2.75G。数据传输速率比GPRS高出了1倍。目前，在我国的GSM网络一般都具有GPRS的通讯功能，移动和联通两个公司的网络都是支持GPRS，EDGE在一部分地区实现了网络覆盖。 最早的GSM模块生产厂家主要集中在国外，这些公司有Wavcom、西门子、Sagem等；近些年随着国内GSM的技术发展，国内生产厂家如Simcom、华为、BenQ等设计的模块以其更高的性价比，逐渐取消了外国品牌在我国市场的主导地位。现在市场上使用的模块主要包括西门子的Mc39i、华为的GTM900-B、Wavecom公司的Q24等。在本次设计中我们使用的是西门子的TC35I模块.3.3单片机简介：单片机也是一种采用超大规模的集成电路技术把各种功能不同功能的器件集成在一起形成是电路芯片，它把计算机的各种功能部件如：中央处理器CPU、RAM、ROM、多种I/O口、中断系统、定时器、计时器等功能部件全部集成到一块电路板上构成一个计算机系统。可以说每一个单片机就是一个简单的计算机。单片机也就是为单片微型计算机被简称后的结果，单片机是采用的是典型的嵌入式系统，一般我们用英文字母MCU代表单片机，单片机最早被设计出来是被用在工控领域。单片机是从内只含有CPU处理器的芯片发展起来的。它的原始的设计理念是在一个芯片上集成大量外围设备和CPU，把计算机系统变的更小更简便，这样把复杂的控制集成在一起可以使各种控制更简便。出现最早的单片机是INTEL的Z80，它的出现就是依据这个设计思路设计出的一种工控处理器，在此之后，单片机和专用处理器的发展道路开始了分化，他们的发展方向变的不同。在运算方法最早出现的单片机用的是8位或4位的算法。其中INTEL的8031是在当时最成功的单片机，它简单实用，性能稳定被各行业的厂商的广泛使用。后来，随着在工业领域对控制要求的不断提高，科学家开始进一步研发出了16位的单片机。到当90年代以后，由于电子产品的大量出现单片机的应用更加广泛技术也进一步得到了发展。ARM系列单片机是在INTEL i960系列之后被开发出的，它是应用更为广泛，再后来新开发的32位单片机逐渐取代了以前的16位单片机在工控领域的统治地位，并且开始进入主流市场。现在市场上普遍使用的主频300MHz的高端32位单片机它的性能已经接近在90年代中期使用的专用处理器。在裸机的环境下对单片机系统进行开发和使用已经被淘汰了， 嵌入式操作系统的大量使用使开发变的更简单。一些高性能单片机已经可以作为掌上电脑和手机的核心处理器， 它是操作系统也可以是Windows和Linux。所以单片机的应用领域已经变的十分广泛。3.4蓄电池电池其实是一种化学电源，它的工作原理是在氧化还原的反应过程中将化学能转化为电能。所有电池均可以分为正极、电解质、负极、隔膜和容器五大部分组成。我们一般把电池分为一次电池和二次电池，其中一次电池是只能一次性放电的电池，二次电池是可以反复充放电，也称可充电电池或蓄电池。因此在本设计中使用蓄电池。3.4.1、蓄电池的种类铅酸蓄电池的优点是：它原材料简单、可靠性高、价格实惠。缺点是：不过它储存的能量很少，与其他电池相比它的质量重、体积大充电一次的行程短寿命也短，这样就导致了选用的长期成本会很高。镍氢蓄电池是一种碱性的蓄电池，镍氢蓄电池的实际使用寿命较长，并且它在使用时没有记忆效应，不过它的成本较高。初期投入虽然镍氢蓄电池的成本比其他电池高，但由于他在储存能量和实际实用寿命上有显著的优势，所以，在日常长期的现实使用中与其他电池相比它的成本并不算高。锂电池作为一种新被开发的高压、高能量密度的可充放电电池，因其独特的物理特性和电化学性能，它在民用和国防等各方面都具有广阔的使用前景。其比较明显的优点是：质量轻、储存能量大、没有环境污染、没有记忆效应、长期的使用寿命。目前科学家只开发了其理论电量的20%30%，因此还有很大的发展空间。锂电池是绿色环保电池，使用锂电池不会对造成环境污染。镍镉电池也被广泛使用，他的使用程度只比铅酸蓄电池稍差，镍镉电池也可以做到快速充放电，使用寿命也很长，镍镉电池的使用寿命是铅酸蓄电池的两倍左右。它的“记忆效应”是它在实际实用中的一个不可克服的缺陷，所以一些导不合里的使用可能致电池的容量减小。同时镉有毒的，所以回收比较麻烦而且成本较高，为了免镉对环境造成污染需要专门做好回收。钠硫电池有以下优点，一是质量轻储能高。它的比能量是100Wh/kg，这个数字大约是铅酸电池的34倍；另一个是电流大、放电功率高。钠硫电池放电的电流密度实际可达到200300mA/mm2,在瞬时的时间里它可以放出较其他电池3倍的固体能量；还有一个就是充放电的效率很高。新型的密封镍锌蓄电池是一种被科学家新研究出的蓄电池，他在储存和大电流释放的方面有很大的优势。它的优点主要是因为它的比能量高达50Wh/k以上这个数字相当可观，单位体积内储存的能量超过了镍镉电池，但小雨镍氢电池。当电池发生大电流放电时电池依然可以保持一个相对平稳的电压将而且与其他电池相比它的寿命也很长。镍锌电池在外廓上与铅酸电池、铅酸电池都具有很好的兼容性。锌氧电池是一种应用金属和空气做成的电池，所以它还被称为是锌空气电池。理论上高达1350Wh/kg的比能值是锌氧电池被大家看好的主要原因，现在实际的比能量值是230Wh/kg，所以依然有很大发展前途，这样已经相当于铅酸电池的8倍。由于它的优越性能和前景的发展非常广阔，它一直被科学家认为有很高的研究价值。3.4.2、蓄电池快速充电技术一般的充电的技术是采用小电流慢充的方式，对一个新的铅酸蓄电池第一次的充电时间需要70h以上，在平时的普通充电时间也需10h以上。蓄电池的充电时间过长，不但会使监测的时间很长、造成不必要的电能浪费，还会限制蓄电池的多次循环利用次数，在一些需要快速充放电的地方不合适，并会增加正常维护的工作量。一次采用一些快速充电的方法是必要的，这样能不仅够缩短蓄电池的充电时间，同时能够提高充电效率，在一定程度上节约了能源，并且满足了工业上一些有特殊要求的技术，具有非常重要的现实意义。图2.1 蓄电池可接受的充电电流曲线图上是蓄电池能够承受的充电电流曲线，从上图可以看出，在充电过程中如果想保证蓄电池的内部就不会大量的产生气泡就必须控制充电电流不大于蓄电池能够承受的最大电流。一般两阶段充电法方法就是在充电时起初控制电流恒定，到了后期保持电压恒定、。在充电起初，实际的充电电流要小于蓄电池可能够承受的充电电流，因次初期的充电时间会被大大延长；到了充电过程的后期，实际的充电电流又远远大于蓄电池能够接受的最大电流，因次在蓄电池内部会产生大量的气泡。这样就导致蓄电池充电时间较长而且充电的效率还不高。新型的快速充电技术的理论依据就是对整个充电过程进行实时监控分阶段控制，只要能够保证充电实际电流始终接近但不超过蓄电池的承受最大电流，那么整个过程的充电速度就会很大的被加快，同时也能保证产生很少的气泡率。3.5、LED路灯 路灯在城市照明系统中一直是最核心的部分，以前我们使用的路灯从白炽灯到高压钠灯，它们都是360度发光光源，用它们对地面照明的光损会很大这样就造成了对电能的不必要的浪费。由于以上所缺陷，科学家一直致力于从新开发一种新型的高效节能的LED路灯，LED路灯的出现对在城市照明系统中的节能具有非常重要的意义。由于LED路灯的发光特性是定向的，所以他的功率消耗低，驱动和响应速度快而且很抗震，在使用寿命上也要比传统的路灯长很多，而且他还绿色环保没有环境污染，所以LED路灯逐渐代替传统的高压钠灯，成为新一代的节能路灯。LED属于是固体冷光源，他质量轻，体积小，结构坚固，而且需要的工作电压低，在实际使用中寿命很长。从光效角度来说LED确实不能算是个高光效的光源，不过可见效率达到80%90%的LED确实很适合做光源。相比之下白炽灯只有10%-20%。通过对单个LED的集成，它们就足够满足使用要求了。LED路灯有以下特点： 1、LED路灯发出的光是单向传播的，不会发生漫射，这样就使光照效率很高。2、现在的LED光源的光率可以达达110-130lm/W，而且这并不是极限，它在理论上可以达250lm/W。相比于高压钠灯的发光效率LED光源有了很大的增长，因此，在总体光效方面LED路灯就要比高压钠灯有很大的优势。3、在光显色性方面LED路灯与高压钠灯相比也有很大的优势，高压钠灯是23而LED路灯是75，科学研究表明，当人的心里上感觉到相同亮度时，采用LED路灯需要的光照强度可以降低20%以上，（英国研究出的标准）。 4、LED路灯的光衰减很低，大约是每年3%左右，在10年以后依然符合照度要求，相对的高压钠灯就很大，大概每年是30%左右，所以自长期使用上LED路灯就比高压钠灯要更合适。 5、LED属于是低压器件，他的驱动电压很低因此在安全用电上很符合要求，每一个LED灯的功率大约为1瓦，所以他使用的电源也是安全电源，非常适合应用于公共场所。 6、每单元LED体积都很小，所以非常适合集成在一起做成小器件，而且他的使用寿命很长，大概是5万小时以上，这是传统路灯所无法相比的。7、结构坚固：LED路灯的结构比传统路灯要坚固，在运输安装过程中更方便，也不需要埋电缆加镇流器。实在节省了很多的费用。 3.6、电池充放电技术3.6.1蓄电池在主充、均充、浮充各阶段的自动转换目前，主充、均充、浮充三个阶段法是目前在我国范围内的大多数充电电池正在使用的快速充电法。在各阶段的自动切换上一般采用的是：设定充电电流当达到这个电压自动转换或者是蓄电池两端的转换电压值，当采样得到的电流或电压值达到设定值时，系统自动转换。3.6.2充电程度判断为了更好的控制充电电流我们的设计需要对蓄电池的充电程度进行检测做好实时控制。目前流行的对于充电程度的判断方法通常采用：检测蓄电池在极化后的两端电压变化的方法。充电伊始蓄电池端电压变化率不大；当过程进行到了中间阶段，就会出现变化率很大的端电压；当过程进行到了充电的末期，两端的电压的变化率又变的极小。为了对判断蓄电池的充电阶段，需要设计一个电路对蓄电池的端电压变化率进行实时的检测。3.6.3停充控制蓄电池充电时当电压达到一定数值时，必须及时的迅速切断电流停止充电，不然蓄电池会因为过分充电产生大量气泡，并且发生失水和温升等不良反应，这些过分充电的反应会导致蓄电池的寿命降低。因此，需要对蓄电池的充电情况进行实时监控，使电池充满电又没发生过充现象。主要的控制方法是通过对电池两端的电压监测来决定何时停止充电。一般情况下，蓄电池两端的电压都有一个极化电压，当这个电压值出现时电池充电刚好完成，一般这个数值是在50mV100mV之间，使用一些方法来测量单个单格电池极化时的电压，在通过计算算出电池组的极化电压。一些科学家的研究表明，每个电池因为在结构、化学成分及电学性质等技术上存在微小的差别，但这不会影响整体的控制。因此采用相同的电池组成电池组进行控制更方便。这样的测试方法有以下优点：1）不需再增加温度补偿；2）电池不会出现连续浮充，实际应用中对电池连接使用的电线的腐蚀降低；3）相同型号在相同情况下使用，构成电池组可以减少计算；4）可以任意增加电池扩大容量；5）每个电池都被充分利用，而且不会降低使用寿命。第四章 太阳能路灯联网监控系统的硬件设计。本文是通过单片机HT46R232来控制蓄电池的充放电，当白天日照强度很高时，太阳能电池板能够将光能转化为电能，经过系统电路的转换、调节储存到蓄电池中。当夜晚没有阳光时，蓄电池放电，为LED路灯照明提供电能。路灯的通断是通过光照强度影响光敏电阻来控制的。系统通过感光探测器探测室外的光强，白天时光照强度大系统自动关闭路灯，夜晚是光照强度低，系统自动启动路灯。系统自动检测蓄电池的电量，当由于长时间的阴雨天气或蓄电池长期使用导致电量不足时，系统检测到的电压值低于蓄电池设定值，系统给工作人员发短信，对照明系统进行人工控制。目前，独立光伏控制系统在太阳能路灯控制系统的设计中被广泛使用。其主要由六个部分组成：发电用的太阳能电池板、储存和供电用的蓄电池、照明用的LED 路灯、控制用的控制器、内部的充电电路、充放电/驱动负载的电路。系统结构图如图1所示。太阳能电池板输出经CUK 电路调节后直接与蓄电池连接，系统主控芯片采用盛群单片机。图4.1太阳能路灯的系统结构4.1光伏电池最大功率点设置很多的因素都会影响到太阳电池的输出,尤为突出的是光照强度和电池板周围的温度。 在周围环境条件不同时, 通过检测得到的太阳电池输出曲线各不相同, 那么得到的最大功率点也就会不同。光照变强, 太阳电池能电池实际能够输出的功率也就越大；而太阳电池本身是温度越低,太阳电池实际能够输出的功率越大。其特性曲线见下图:图4.2 太阳能电池的功率从图中的曲线可以看出, 太阳电池是输出特性是非线性, 他的最大功率点是变化的，随着日照情况和温度情况上下变动。每条曲线中得到的最大功率点都对应一个电池输出电压，也是唯一一个电压值。 所以, 为了充分的不浪费的利用太阳能, 及时的调节太阳电池的输出电压，使电压值一直在最大功率点的位置这就是最大功率点的跟踪的初始思路。最大功率点的跟踪:本文的设计是使用对DC-DC 变换器的输出端电压测量的方法来对实现最大功率点的跟踪，DC-DC 转换电路是直接对直流电源进行调压，得到的还直流电压, 这个电路是通过对电压是控制将不可控的直流电源变为可以控制的直流输出的变换电路。本系统中采用的模式是升压的方法，电路将太阳能电池板发出的不稳定直流低压，转化稳定的直流电压，然后用于给蓄电池充电。图4.3 DC-DC 转换电路原理图由于太阳电池的输出电压变化范围较大, 采用的升降压式DC-DC 转换电路。蓄电池的电压采集电路：图4.4 蓄电池的电压采集电路在最大功率点进行实时的跟踪控制时, 需要对太阳电池板和直流转直流的转换电路输出端的电压和电流进行不断的测量, 再使用单片机的带A/D 转换器的端口将模拟信号转为数字信号输入到单片机，使用设定的程序进行分析运算后，给DC-DC 转换电路中的开关管输出PWM 控制脉冲进行控制。对输出电压的测量需要用到差动放大器一般选择性能比较高是。 在对直流转直流的转换电路输出端的电流进行检测时, 本设计采用的是测量电阻两端电压取样的方法, 运放使用是可编程的高电压增益差动放大器。单片机使用胜群的HT46R232单片机。4.2控制电路的硬件设计控制电路的主控芯片采用盛群单片机，主要控制功能包括：太阳能板电压采集；光控电路；蓄电池电压采集；卸荷电路控制；LED 灯头控制；RS485 通信；GSM模块发送短信控制；路灯开关控制；工作模式控制等。4.2.1 太阳能电池板的电压采样电路图4.5 太阳能电池板电压采样电路如图所示，太阳能板电压采样电路采用电阻分压采样的方法进行采样，电容C为电源滤波。通过选择并联太阳能电池板来调节输出端电压，从而给单片机以合适的输入电压。其中D为防反充二极管。D作用是在电池板因为阴雨天气和在夜晚不发电时蓄电池对它放电，也能起到电池板的短路故障发生时被蓄电池反涌放电。二极管串联在设计的电路中可以起正向导通反向截止的作用。由于需要能承受很大的电流，但又要求正向电压降要很小，反向饱和电流也不能很大。所以最理想是选择整流二极管。4.2.2光控电路图4.6 光控电路 光控电路的功能是根据室外的光照强度来控制路灯的通断。在这个电路中采用了两个光敏电阻，通过光敏电阻的特性变化来影响电路的输出，达到更准确的控制的目的。同时也可以防止路灯在白天的误动作。如图所示，电路中加在三极管Q5,Q6基极的电压，是由光敏电阻L11和L21分压而得到的。没有阳光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变得很大，电阻接近1M欧姆。此时，光敏电阻上的压降会很大，加到三极管上的电压也会很大，三极管导通，输入给单片机的是低电平。相反，当阳光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变的很小，约为15K欧姆。此时，光敏电阻上的压降会变小，三极管就截止，输进单片机高电平。这里采用了两个光敏电阻同时工作。编程的时候使用逻辑与，只有两路都是低电平的时候才判断为是黑夜4.2.3卸载电路图4.7卸载电路这个电路主要是在蓄电池充电电压达到一定值时，将多余的电压导出，起到保护蓄电池的作用。当PWM给出的信号是高电平时，Q1变成导通，Q2、Q3依然不导通。电路不工作。当PWM给出的是低电平时，Q1因为得到的低电压不导通Q2、Q3由于高电压导通蓄电池对地放电，这样就起到卸荷的效果保护了蓄电池。4.3 通讯系统的设计图4.7 通讯系统图总系统图如图所示，单片机采用HT46R232单片机，GSM模块选用TC35i。HT46R232单片机具有双串口，单片机的一路串口与从机进行RS-485 通信，另一个串口接GSM模块，用于与TC35i的通讯连接，在接到相应的信号后，控制TC35i