光伏发电LED控制系统设计与分析_毕业论文.doc

shandong 毕业设计说明书 光伏发电 led 控制系统设计与分析 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013 年 6 月 摘要 i 摘 要 在传统的太阳能 led 控制系统中，往往由于太阳能输入电压浮动范围大， 导致充电电压和充电电流不稳定，甚至由此引起电池损耗过大、寿命变短等问 题，而且驱动输出部分由于负载变化，导致系统不能提供稳定的电压和电流， 从而使系统不能正常工作。 光伏发电 led 控制系统主要阐述了整个控制系统的各个模块。模块包括太 阳能电源电路、充电控制，功率管驱动电路、保护电路及光伏发电控制系统。 其中太阳能电源电路采用 buck 电路和闭环 pid 控制电路实现电压变换，相对于 在传统的 dc-dc 电路，电路中加入反馈控制，大大提高了输入电压的范围，并 且具有电压输入范围宽、模块电路结构简单、电压转换效率高的特点；采用蓄 电池专用充电芯片 uc3906dw 搭建硬件电路，实现蓄电池的充电控制和保护功能， 蓄电池为精密贵重器件，由 uc3906dw 控制蓄电池充放电，极大地提高了蓄电池 的使用寿命，弥补了由传统充电器电压电流不稳定而引起蓄电池损坏的不足； 功率自适应驱动电路部分，从分析 led 特性出发，利用高密度电源芯片 sa7527a，结合输出光强和 led 温度的检测，实现 led 的恒流驱动、过压保护和 光衰补偿的功能；整个系统采用 pic16c71-16/p 单片机控制，pic16c71-16/p 自带了定时器、a/d 转换、pwm 模块，为整个系统提供 pwm 控制信号、模块片选 信号和其他工作状态指示信号，并且将外部采集的光强信息运算处理，实现系 统工作状态的智能控制。 光伏发电 led 控制系统具有硬件结构简单、稳定性高、价格低廉等特点， 可广泛应用于光伏发电控制系统、电源管理、智能控制等领域。 关键词关键词：led 控制系统，uc3906dw 充电管理，功率自适应驱动 abstract - ii - abstract in conventional solar led control system, often due to the floating solar input voltage range, the charging voltage and charging current instability, and even the resulting cell loss is too large, shorter life expectancy and other issues, but also due in part to drive the output load change, can cause the system to provide stable voltage and current, so that the system does not work. pv led control system mainly on the various modules of the control system. modules include solar power circuit, the charge control, power tube drive circuit, protection circuit and photovoltaic power generation control system. wherein the solar power supply circuit buck circuit and closed-loop pid control circuit for voltage conversion, compared to the conventional dc-dc circuit, the feedback control circuit is added, greatly improves the input voltage range, and has a wide input voltage range, the module circuit structure simple voltage conversion efficiency characteristics; using dedicated battery charging chip uc3906dw build the hardware circuit, the battery charge control and protection functions, battery for precision precious device from uc3906dw control the battery charge and discharge, greatly improved battery life, up by the conventional charger voltage current instability caused by the lack of damage to the battery; power adaptive drive circuit portion, starting from the analysis of led characteristics, the use of high-density power chip sa7527a, with output light intensity and led temperature detection, to achieve the led constant current driver, overvoltage protection and optical attenuation compensation function; entire system using pic16c71-16 / p mcu control, pic16c71-16 / p comes with a timer, a / d converter, pwm module, for the entire system pwm control signal , module chip select signals and other working status indication signal, and the external light intensity collected information calculation processing, intelligent control system working state. pv led control system has a simple hardware structure, high stability, low price and can be widely used in photovoltaic power generation control system, power management, intelligent control and other fields. keywords: led control system, uc3906dw charge management, power adaptive drive 目 录 - iii - 目 录 摘摘 要要 i abstract.ii 目目 录录.ii 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 课题的背景和意义1 1.2 国内外光伏发电研究现状1 1.3 本论文的研究内容和研究方法2 第二章第二章 整体方案设计整体方案设计3 2.1 方案选择与论证3 2.1.1 方案选择.3 2.1.2 方案论证.3 2.2 整机系统框图4 2.3 预期目标与系统指标4 2.3.1 设计预期目标.4 2.3.2 系统设计指标.4 第三章第三章 电源电路的研究与设计电源电路的研究与设计5 3.1 主电路的设计5 3.1.1 电路参数计算.5 3.1.2 电路设计.5 3.2 反馈电路的设计6 3.2.1 电路参数计算.7 3.2.2 电路设计.8 3.3 电源电路的设计8 第四章第四章 充电电路的设计充电电路的设计10 4.1 充电电路原理概述10 4.1.1 uc3906dw 介绍.10 4.1.2 6-gfm-200 特性分析.10 4.1.3 充电原理.11 4.2 充电电路设计12 第五章第五章 驱动电路的研究与设计驱动电路的研究与设计14 5.1 sa7527a 功率校正芯片介绍14 5.2 原理概述与电路设计14 5.2.1 原理概述.14 5.2.2 电路设计.15 第六章第六章 控制系统的设计控制系统的设计18 目 录 - iv - 6.1 pic16c71-16/p 介绍18 6.2 控制部分软硬件设计18 6.2.1 控制系统硬件框图.19 6.2.2.1 光强检测部分19 6.2.2.2 mcu 模块设计.20 6.2.2.3 状态显示电路设计20 6.2.2.4 供电电路设计21 6.2.2 控制系统软件设计.22 第七章第七章 结论与展望结论与展望25 7.1 误差分析与结论25 7.1.1 误差分析25 7.1.2 结论.26 7.2 有待进一步研究的问题27 参考文献参考文献28 致致 谢谢31 附录附录 a 程序主要部分源代码程序主要部分源代码32 附录附录 b 程序使用说明书程序使用说明书40 附录附录 c 整机电路图整机电路图41 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题的背景和意义 21 世纪资源与环境是关乎人类自身生存的热点话题，随着石油、煤矿等化 石资源的不断枯竭，迫切要求人们加快对太阳能，风能，潮汐能等新能源的研 究。相对于风能和潮汐能来说，太阳能具有绿色环保、可再生、规律性易于掌 握等特点，并且太阳能光伏发电装置具有简单的设计结构，降低其成本和提高 发电的可靠性是业界关注的重要技术问题。可靠的控制系统对太阳能光伏发电 系统的影响巨大，因此，太阳能控制系统一直是业界关注的研究领域。 随着“节能增效”活动的开展，光伏发电的研究得到了越来越多的社会各 界的广泛关注，虽然国内市场上出现了很多的太阳能产品，但是总体来说国内 企业开发技术和经验较为欠缺，研究能力相对薄弱，加上国家对光伏发电科研 经费投入的不足等因素，导致了光伏产品可靠性差和质量低等问题。 光伏发电关键技术无法突破，造成很多计划无法进行，不仅造成国内相关 项目的终止，而且，由于国内技术瓶颈等问题的存在，很多企业开始从国外购 买技术，更甚至直接购买成品的控制电路，这对本国名族工业的冲击巨大，对 国内自主创新造成了严重的威胁，加之国外相关控制产品的质量也不是非常可 靠，这就迫切要求在广发发电控制领域做出突破。因此，自主通过研究设计出 新一代光伏发电控制电路迫在眉睫，同时， led 控制系统涉及电压变换电路的 设计、蓄电池充电特性研究、功率驱动研究、控制电路设计等方面的内容，因 此对于光伏发电系统的并网也具有一定参考价值。 1.2 国内外光伏发电研究现状 当前阶段国际上光伏发电技术成熟的国家包括日本、欧盟和美国等国，截 止 2004 年，全球光伏发电的装机总容量为 965.5 兆瓦，预计 2005 年，更是 4963.52 兆瓦，欧美国家的光伏发电总量约占全世界光伏发电总量的 80%，其不 仅占据了过半的全球发电量，而且在其国家，光伏发电技术研究都比较成熟， 应用领域广泛，并且实现了并网发电。 我国的光伏发电起步较晚，起源于上世纪 70 年代。截止到 2003 年底，我 国安装的光伏电池约为 5 兆瓦，并且应用领域主要是边远地区、交通控制以及 第一章 绪论 - 2 - 远程通信中继等领域，应用范围面比较窄，而且主要是集中在了偏远地区，主 要是由于设备技术价格昂贵，无法大面积进行推广。到 2004 年我国累计装机容 量为 35 兆瓦，随着对光伏发电的进一步研究，太阳能发电成本越来越低，太阳 能发电市场将发生彻底的改变。据统计 2005 到 2010 年，我国的光伏发电成本 约为每千瓦时 1.2 元，随着技术的不断成熟，预计到 2020 年，我国光伏发电将 会彻底由独立发电转换到并网发电，成本也会降到每千瓦时 0.6 元，我国光伏 技术水平也有望进入世界领先行列。 1.3 本论文的研究内容和研究方法 （1）研究内容 本论文研究直流电压变换电路，蓄电池充电控制及其保护电路；分析研究 led 驱动电路及保护电路，使用 pic16c71-16/p 单片机设计光伏发电控制系统。 （2）研究方法 本设计主要研究方法包括理论论证和实验仿真。其中直流电压变换电路、 pic16c71-16/p 单片机控制电路采用理论论证结合实验仿真的方法，充电电路 和 led 驱动电路采用理论计算和设计的方法。 电源电路使用 psim9.0 软件对基于 pid 控制器设计的 dc-dc 电路进行仿真， 并作数据分析。控制部分首先在 mplab_ide_v8.85 上开发出 pic16c71-16/p 的 控制程序，然后在 proteus7.0 平台上做测试。 第二章 整体方案设计 - 3 - 第二章 整体方案设计 2.1 方案选择与论证 光伏发电 led 控制系统主要包括直流电压变换电路、电池充电控制部分、 功率驱动部分和系统控制部分。 2.1.1 方案选择 本设计采用模块化设计思想，将系统的各个部分设计成相应的模块，首先 实现模块应有的功能，最后在将各个模块连接起来组成整机系统。 采用模块设计，首先可以保证各个模块的耦合度，提高模块的独立性，同 时也提升了各个模块以及系统工作的稳定性。 太阳能电池板输出额定直流电压，通过 buck(降压)电路将太阳能电池输入 电压转换为适合蓄电池充电的电压，其中单片机 pic16c71-16/p 提供 pwm 控制。 充电控制和保护电路采用铅蓄电池充电专用芯片 uc3906dw 控制，后级 led 驱动 电路采用使用 sa7527a 设计的驱动电路。 2.1.2 方案论证 （1）光伏电池：可将太阳能转换为电能，存贮到蓄电池或供负载直接使 用。考虑到项目采用的是 cnpv-180m 光伏组件，其峰值工作电压时 37.2v，因 此本设计考虑使用 25-37v 可变电压输入。 （2）buck 电压变换：效率对光伏系统的应用是非常重要的，单从 dc 变 换器的效率方面来看，各种电路中，单拓扑式电路效率是最高的，如 buck 和 boost；buck-boost 结构次之，桥式整流再次。因此此次设计使用 buck 结构电 路。 （3）充电控制和保护电路：采用 uc3906dw 实现充电控制和保护。由于课 题项目采用 6-gfm-200 蓄电池，额定电压为 12v，充电特性为:充电是 14.5014.90v/10 则认为是干扰信号，忽略此次采样值。|y-y| /* 名称：控制系统程序 */ /* 制作时间：2013-05-26 */ /* 制作人：xxx */ #define wai_int rb0 /外部中断 #define power_state rb1 /电源电路工作状态 #define gonglv_state rb2 /功率驱动电路工作状态 #define charge_state rb3 /充电状态显示 #define test rb4 / #define out_cs rb5/功率驱动片选线 #define charge_cs rb6 /充电控制片选 #define power_cs rb7 /电源电路片选线 /pwm 管脚定义 #define pwm_signal ra4 bit readadflag; static unsigned char light20;/ 寄存 10 分钟内的光照强度 static unsigned char tmp;/定义临时变量 static unsigned int num,light_dist; unsigned char z,t;/临时变量 void delayus2x(unsigned char t); void delayms(unsigned char t); unsigned char tol_light();/数组取均值 void init_timer0(void);/定时器初始化 unsigned char init_ligntarry();/光强数组初始化，初始值为 25 unsigned char readadc(unsigned char chx); void init(void);/系统初始化 void proc_child(unsigned char num); void process(unsigned char nu); 附录 a 程序主要部分源代码 - 35 - void main(void) unsigned char num=0,temp=0; init(); delayms(20); while(1) temp+; if（(readadc(2)*5*10/256)=600|temp=20|tmp=1000|light_dist0) if(t-z)10) lighttmp=lighttmp; /以 4 路 ad 的均值存储数据,数 据有误则不存储 else lighttmp=z;/以 2 路 ad 的均值存储数据，存储新数据 if(z-t)0) if(z-t)10) lighttmp=lighttmp; /以 4 路 ad 的均值存储数据,数 据有误则不存储 else lighttmp=z;/以 4 路 ad 的均值存储数据，存储新数据 tmp+; if(tmr2if)/定时器 2 中断入口 pwm 信号输出 tmr2if=0; 附录 a 程序主要部分源代码 - 39 - pwm_signal=!pwm_signal; unsigned char init_ligntarry() /光强数组初始化，初始值为 25 unsigned char x; for(x=0;x10) /光强较弱（已去除干扰信号） ，电源电路片选线关闭 else power_cs=1; /电源电路片选线打开 void process(unsigned char num)/ad 转换结果处理 if(num-tol_light()0) proc_child(num); if(num-tol_light()0) proc_child(num); /*main_end*/ /*ad 处理函数*/ unsigned char readadc(unsigned char chx) unsigned char val; switch(chx)/ad 初始化 case 0:adcon0=0xc0;break; /0 通道 case 1:adcon0=0xd0;break; /1 通道 case 2:adcon0=0xe0;break; /2 通道 附录 a 程序主要部分源代码 - 41 - case 3:adcon0=0xf0;break; /3 通道 default:break; adcon1=0x00; adon=0; godone=1;/启动转换 while(godone); val=adres;/转换结果 return(val); /*ad 处理函数_end*/ 附录 b 程序使用说明书 - 42 - 附录 b 程序使用说明书 附录 a 中程序是 pic16c71-16/p 的控制程序。 程序开发使用软件： mplab_ide_v8.85； hi-tech c compiler for pic10-12-16 mcus v9.80； proteus7.0 professional。 程序主要包括：主函数、初始化函数、定时器处理函数、演示函数、ad 转换函数、光强数据存储函数。主要函数功能和变量已经在附录 a 中做了相应 注释。程序可直接在环境下编译，并且可通过 proteus7.0 搭建硬件平台做仿真。 也可通过编译生成 hex 文件直接下载到系统中运行。 附录 c 整机电路图 - 43 - 附录 c 整机电路图 vdd 5 out 6 vss 7 idet 8 inv 1 e-o 2 mul 3 cs 4 sa7527 u4 t1 q12 1k r57 10 d18 100k r43 750k r50 150k r56102 c15 rt=1 27k r55 d17 2a/100v 350uh l2 d1 10k r48 84k r54 105 1k r47 27k r51 port port 4.7uf c22 3k r63 q10q11 ds2 1.4k r4519k r42 3k r52 rt1 1k rw1 rw 50k 470uf c20 470uf c21 1k