太阳能路灯控制器设计课程内容精选.doc

本 科 毕 业 设 计 第 34 页 共 34 页1 引言由于现在社会上的工业企业大量燃烧矿物能源,造成了目前全球性的环境污染和生态破坏,对人类的生存和发展构成严重的威胁在这样的背景情况下,在巴西召开的世界环境与发展大会,把目前的环境与发展纳入了统一的框架,确立了可持续发展的模式在这次会议之后,世界各国都加强了清洁性能源技术的开发,将利用太阳能与环境保护紧密的结合在了一起,使太阳能得到了大家的充分的认可世界环境发展大会之后,我国政府对目前的环境与发展十分重视,提出了相应的对策和措施,制定了中国21世纪议程章程,进一步明确了太阳能为国家的重点发展项目这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发利用太阳能的坚定决心,要求全球人们共同行动 ,广泛利用太阳能资源太阳能利用与世界的可持续发展和环境保护紧密的结合在一起,要求全球共同采取行动,为实现全世界的太阳能发展战略而努力;由于人们对太阳能的利用和发展历程的认识远远不同于煤石油和核能,这就说明了太阳能的开发和利用难度系数大,在很短的时间内很难实现大规模化得开发和利用;从另一方面也说明了太阳能的发展道路很艰难曲折尽管如此,从目前的总体上来看,太阳能对于我们来说还是得到了一定的开发与利用【1】太阳能路灯是近些年来新开发的项目之一,由于路灯系统不受供电的影响,不用大量铺设电线,不用消耗常规电厂所发的电能,只要有太阳光照的地方就可以安装和使用,它具有不污染环境,因而人们称其为绿色环保产品太阳能路灯既从目前来看可以被大量用于道路公园草坪等设施的照明,又可用于人口数量少,经济不发达常规燃料缺乏,但是太阳能资源丰富的地区,来解决这些地区人们的日常照明用电所需路灯系统是城市道路交通不可缺少的照明设施,对于目前生活在城市的人们来说,设计一种新型的智能化路灯控制系统,意义非常重大目前路灯应用市场已经全面启动,随着效率的进一步提高和技术水平的日趋完善,相信将有很快的发展,市场前景更为可观面对难得的发展机遇和目前的市场需要,LED路灯虽然还存在很多不足之处,但是由于节能环保的特点,LED路灯的发展已经形成一种趋势相信在不久的将来,太阳能的发展一定会有飞跃性的进步,并会在全球范围内开始使用【2】1.1 太阳能路灯系统的组成及工作原理太阳能路灯控制器是路灯系统最主要的一部分,整个系统主要由六大部分组成:太阳能电池板蓄电池路灯控制器充电驱动电路放电驱动电路和负载路灯控制器的工作原理如下:首先通过传感器将采集的信号转变为模拟电压信号,然后将模拟电压信号通过放大器进行放大,当信号达到单片机可处理的范围时,送入单片机中进行处理在单片机中对信号进行连续采样,然后单片机将检测到的信息与单片机本身的设定值进行比较,如果达到相符的范围之内,则触发控制器将路灯打开,进行照明整个系统的基本结构图如图1.1所示太阳能电池电池路灯蓄电池放电驱动电路充电驱动电路传感器控制器图1.1 太阳能路灯太阳能LED路灯按照以下方式进行工作:在晴朗的白天,通过路灯控制器的控制,太阳能电池组件为蓄电池进行充电;当夜间的时候,路灯控制器就控制蓄电池给负载供电,使路灯点亮,进行照明然而太阳能电池容易受环境的温度湿度光照条件等因素的影响,所以这就有可能使路灯的供电电路部分不稳定,在这里蓄电池完全可以满足以上的要求,这是因为蓄电池可以提供恒定的电流和电压,使整个系统处于稳定的状态1.2 课题研究内容及意义本课题设计的是新型太阳能路灯控制器,它是基于单片机来设计实现的,在当前的社会需求中,具有深远的意义,此设计更符合当今可持续发展的要求(1)课题从以下几个方面进行研究:针对目前市场上销售的太阳能路灯控制器的一些不足之处,在本课题的设计中提出了改进型的控制方案;改进后的方案中,我们通过控制蓄电池的剩余荷电容量(SOC),来实现LED路灯控制器的独立运行,这就是太阳能路灯系统的总体设计方案在本课题的设计中,我们把软件和硬件结合在一起,经过有效的组装和仿真,最终实现了智能化控制(2)对于本课题的设计研究意义归纳如下:本设计能够实现智能化控制,增强了控制系统的稳定性和可靠性设计独立运行的太阳能LED路灯控制器的技术,我们可以根据此技术,进行多方面的研究,设计不同的控制器,应用于不同的领域太阳能的开发和利用为我国乃至全人类的能源消耗模式的转变和升级做出了初步的探究,为由传统的能源开发到新能源(太阳能)的利用的过渡,提供了相应的理论支持和实践探索,具有深远的意义【3】2.蓄电池剩余容量(SOC)控制法2.1 概述蓄电池剩余容量(SOC)控制法是通过检测蓄电池的剩余容量而实现的,在本课题的设计中,系统将根据蓄电池的剩余容量(SOC),分别采取不同的方法进行不同的处理,蓄电池的剩余容量(SOC)的状态将跟随着负载的大小变化而变化,这样一来,完全可以满足课题的要求,此控制方法既能对蓄电池进行有效的充电,同时又能够防止蓄电池过多的放电在本系统的设计中的一个难题就是怎样完成检测铅酸蓄电池的剩余容量(SOC)是本控制法的最核心的技术问题,所以我们必须要在蓄电池的使用过程中,来确定铅酸蓄电池的剩余容量(SOC);只有这样,才能有效地使用蓄电池剩余容量(SOC)的控制法进行有效地控制在本章中,首先建立了铅酸蓄电池剩余容量(SOC)的基本数学模型,基于这个基本的数学模型,就可以得知当前蓄电池的容量(SOC)此数学模型经过我们进行测试证明,能够较准确地表达出蓄电池在充电和放电的过程中的电压和剩余容量之间的关系,并能够很好地反映出各个参数对电池的影响有了这样的结论,我们就可以根据铅酸蓄电池剩余容量(SOC)的基本数学模型,检测出蓄电池的剩余容量(SOC)2.2 蓄电池剩余容量(SOC)的数学模型此数学模型的建立十分复杂,它要求考虑各个方面的情况,比如说温度湿度光照条件等外部因素的同时还得需要考虑铅酸蓄电池本身的情况,例如内阻的大小,蓄电池在充电和放电情况下的密度,所以我们要根据铅酸蓄电池的热力学和动力学公式给出以下结论2) SOC充放电数学模型的推导公式如下: (2.1)其中 :实测的蓄电池充电过程中的端电压;:蓄电池充电初始(或放电终了)的静态电压;:蓄电池充电过程的阴极和阳极极化电位之和;:蓄电池的充电率;IR:蓄电池的内阻通过以上的公式,我们通过蓄电池的特性,经过计算,又可推导得出如下的公式: (2.2)其中 :实测的蓄电池放电过程中的端电压;:蓄电池放电初始(或充电终了)的静态电压;:蓄电池放电过程的阴极和阳极极化电位之和;:蓄电池的放电率;IR:蓄电池的内阻由上面的分析,从公式2.1和2.2式子中,推导得出蓄电池剩余容量(SOC)在充电和放电过程的基本数学模型,此模型的数学公式如下【4,5,6】: (2.3)a:由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数,0.1-0.2;b:电化学极化项常数,0.1-0.15;c:内阻极化项常数,0.08-0.15 (2.4)d:由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数,0.1-0.2;e:电化学极化项常数,0.2-0.25;f:内阻极化项常数,0.15-0.25;2.3 太阳能LED路灯的发展过程随着LED照明灯具的逐步发展,在亮化工程辅助照明等公共场合下,LED渐渐替代了一些传统光源产品LED初期是由单色光为主,虽然功率小,价格高,但其可靠性高,控制性强,体积小,所以最先兴起的市场是电子器件指示灯随着LED照明灯具的逐步发展,在亮化工程辅助照明等公共场合,LED照明灯具渐渐替代了一些传统光源产品 2009年 ,LED灯具开始在发达国家进入主照明普及市场对LED 灯具产品有了一定的认可和接受LED灯具因其环保,体积小,可靠性高等其他特性逐渐凸显出来,在电费较高,使用时间较长的商业应用场所,LED灯具迅速成为市场的新宠,作为LED照明灯具的用途,LED市场发展分以下几个阶段阶段一:LED灯具实用新型在上一阶段的基础上,市场对LED灯具产品有了一定的认可和接受LED灯具因其环保,体积小,高可靠性等其他特性逐渐凸显出来由此而开发的一系列完全有别于传统光源应用的产品会大行其道照明行业会出现更大更广的一个发展空间光源不再是仅仅起到照明作用,它的多变使得更贴切人们工作生活中的点点滴滴各厂商拼的是设计应用优势阶段二:LED灯具智能控制随着物联网等新技术的发展,LED作为半导体产业,也将搭上这趟高速列车,发挥出其高可控性特点从家庭到办公楼,从道路到隧道,从汽车到步行,从辅助照明到主照明,具备智能控制的LED照明灯具系统将给人类带来更高等级的服务LED灯具产业也将由做产品,到设计产品,到提供整体解决方案的历程阶段三:LED灯具替代这一阶段指的是LED灯具在发展初期,主要体现出其光效高(能耗小),寿命长的特点因为售价高,所以在这一阶段主要为商照市场客户有一个接受的过程,首先是使用习惯和外观上的过渡与接受在与传统光源一致的使用情况下,LED灯具体现出的节电,长寿等特点使得市场容易接受它的相对高价尤其是在商用场合各厂商拼的是质量价格优势【7】 3 新型太阳能路灯控制器的总体设计方案 3.1 太阳能电池组件众所周知,太阳能电池组件和太阳能电池板不是同一种东西,太阳能电池组件经过串并联,经过封装形成太阳能电池板电池板再按照实际的需要连接,加上必备的整流器,反向换流器之类的部件,最后形成光伏发电系统我们用36片电池进行组装,组成一个太阳能电池组件,经过这样的改装,我们就能得到大约17V的电压,然而我们要为12V的蓄电池进行充电,完全可以满足以上的要求3.2 路灯系统的智能控制器类似于人的大脑的控制器,是整个控制系统的最关键的部分,它控制着整个系统的电路,所以铅酸蓄电池组的过充过放能够有效的得到保障蓄电池组过充和过放电量后将会严重地影响蓄电池的性能和使用寿命,所以充电放电的控制器是该系统中的必须要有的组成部分本设计中的充放电路灯控制器,按照我们所需要的控制方式可分为PWM脉宽调制控制型和开关控制型,然而脉宽调制(PWM)型的控制器,我们只能采用MOS晶体管在本课题的设计中,我们采用蓄电池剩余容量(SOC)的控制法,设计出了一个高性能的路灯控制器,此控制器可以保证蓄电池永远不会发生过充过放电及短路的现象,此控制器采用了先进的PWM进行充电控制,另外还加入了相关的温度补偿功能,这样就能使路灯处在自适应的状态所以,根据以上的结论,本课题设计的太阳能路灯控制器具有双重的目的【8】3.3 光伏电源的设计在本文的介绍中,太阳能光伏电源板块的安装采用的是太阳光的追踪方式,因此不需要计算光电池板的安装倾角,因为应用此系统,太阳一直能直射到光电池板上的首先,光伏电源的设计步骤如下:(1)负载日功耗QL的计算公式: (3.1) (2) 计算太阳能电池组件总用量时的计算光伏系统充放电效率取0.75,灰尘遮挡部分及其它外部损失修正的系数取0.90,太阳能电池组件的组合损失的修正系数取0.95这样就可以得到: (3.2)(3) 串联组件数Ns它由经验公式确定: (3.3)(4)太阳能电池方阵的输出功率为:(3.4)在上式中,P0为组件的标称功率,P0=VmIm;Im是组件的工作电流,所以由此求出Np(5)蓄电池用量的计算:蓄电池放电容量主要考虑电流,跟电压没有太大的关系,负载的电流越大,放电的时间就越短(6)路灯系统的LEO参数的确定方法:小功率LED效率高,在某种情况下相当于单只IW大功率的LED光的通量,所以无需再用15只小功率LED,这里只需要7至8只即可满足本设计的要求因此成本要比以前低很多,稳定性和可维护性都将比以前强很多路灯在空间上可进行自由的组合,不受外界条件的限制,因此排列将更加的灵活7) 功率及照度的确定办法:每支LED灯的工作电压为3V到3.2V之间,由于我们采用的是12V的蓄电池,所以我们把负载的连接方式定为3个LED串联定为一个小组,所以一共用28组进行并联然后再把干路电路串接限流电阻用来控制每一路路灯的电流,这样流过每只LED的电流为16mA,每盏路灯上消耗的电功率为5.4W,所以在12V蓄电池的直流电源电压下,总的电流大小为450mA其次,本文中要求我们设计12V/20A新型的太阳能路灯控制器,具体的步骤如下:1) 负载日耗量的确定方法:从太阳能庭院路灯的照度标准手册(81lx)入手,设计照明121勒克斯;选择流过每只LED路灯的电流为16mA,所以每盏路灯的电功率为5.4W;按照一天张灯10小时计算,则负载日耗电的功率为:QL=5.4W10h=54Wh2) 太阳能电池总用量的计算方法:太阳能电池方阵面上的总辐射量为154000卡/厘米2,因此在水平面上年平均日辐射量(以北京为例),其计算公式如下所示 (3.5) 所以我们选用太12V的铅酸蓄电池为路灯供电3) 蓄电池剩余容量(SOC)的计算方法依据本课题的设计,按照单个LED路灯功率大小为5.4W计算,每天平均开灯的时间为10小时,所以每个LED负载每天消耗的电能功率为5.4 X 10=54W,在这个设计中,我们设计的路灯系统的电压为12V,所以负荷消耗用电量日均大小基本为:54Wh12v0.88=5.12Ah然而,系统中可能会有一些不可避免的因素发生,当蓄电池深度放电DOD=1/2时,此时蓄电池的容量(SOC)必须达到以下的要求,经式3.6计算可得:5.12Ah/天5天0.5=51.2Ah (3.6)所以必须选择用12V/60Ah的铅酸蓄电池组进行此路灯控制器系统的设计4 新型太阳能路控制器的硬件实现4.1 12V/20A太阳能路灯控制器的参数太阳能电池组件:一组路灯控制器充电限制电流:设计要求I20A铅酸蓄电池:要求电压U=12V铅酸蓄电池过充限制电压:设计要求DC14.1至14.6VPWM启动控制电压:DC13.5V铅酸蓄电池过放限制电压:设计要求DC10.50.5V铅酸蓄电池过放恢复电压:设计要求DC13.7V铅酸蓄电池输出电压的有效范围:设计要求DC10.6至14.6V输出电流的有效范围:10A充放电回路控制方式:PWM脉宽调制容量控制放电电压范围:蓄电池剩余容量(SOC):10%-90%电压:11.0-12.784.2 控制器总体设计方案图4.1 系统总框图电源模块晶振复位电路看门狗路微 控 制 器89C52时钟芯片太阳能电池电压测量蓄电池电压检测温度测量充电PWM发生器放电开关LED路灯驱动与亮度调节信号发生器分压电阻充电驱动电路放电驱动电路LED驱动电路太阳能LED路灯控制器系统的组成:(1) CPU电源复位电路及看门狗电路在本课题的设计中,我们的CPU选用AT89C52单片机,此单片机为51系列的一个型号,与MCS-51单片机兼容,它的片内有8K字节的可以重复擦写的只读存储器和256字节的随机存储器,此单片机采用特殊的存储技术,AT89C52有40个引脚,32个外部双向I/O端口,同时内含2个外中断口,它的通信口有4种工作方式,每当串行口发送或者接收1B完毕时,均可发出中断请求,所以此串行口可以多级相连,构成多级系统它还有4个并行的接口:即P0口,P1口,P2口,P3口电源采用+5V的直流电源供电,这样驱动所有的元器件都进行工作设计看门狗定时器电路的目的为了进行复位,防止程序的不正常运行,从而保证整个系统的可靠看门狗电路的工作原理为,在系统运行的同时启动看门狗的计数器,然后看门狗电路就开始自动计数,如果到了某一定的时间没有清除看门狗,那么看门狗计数器就会溢出,进而将引起看门狗电路的中断,从而使系统进入复位阶段所以我们在使用有看门狗的芯片电路时,要随时注意清看门狗在本设计系统中,我们采用硬件看门狗电路,此电路利用了一个定时器,来监控主程序的运行情况;换句话来说,在主程序的运行过程中,我们要在系统的定时时间到达之前对定时器进行复位,如果系统在这个期间出现了死循环,或者说PC指针不能正常的回到以前的情况,那么定时器的定时时间到后就会自动使单片机复位,从而保证系统的可靠性(2) I/O接口(传感器采样与驱动部分)输入和输出设备合称为I/O接口,由于现在的外部设备种类很多,而设计了这样的接口;在本课题的设计中,它是为了连接外部的传感器或者其他一些设备而设计进行使用的;它通过与外围设备相连,进而实现单片机与外部通信【9】4.3 电源模块的设计根据本课题的设计要求,我们设计的路灯控制器需要把蓄电池提供的12V的电压转换成系统各个部分所需要的不同电压,在我们设计的这个系统中,我们需要的电压有两种即5V和10V,所以我们设计了以下的方案来实现获得所需要的电压在这个系统中,电源芯片LM317能为我们提供 1.5A的恒定电流,但是它的输出电压是可以调节的,而且其调节范围很大,大致为1V至35V之间,这部分的电路还具有过载保护和短路保护的双重特性所以由LM317构成的电路原理如图4.2所示图4.2 LM317的电路图根据上图我们推导出下列公式:,其中电阻R1的大小为220欧姆,电阻R2的大小为1.6K欧姆,所以该部分的电路输出电压的大小为10V电阻R1R2为可变电阻,调整这两个电阻的大小,就可以改变电路的输出电压的的大小,然而在这个电源的电压在一定的范围之内,系统的输出电压与输入电压没有直接的关系,然而输入输出电压的差值总是在大于2V的范围内在这个系统的设计中,我们还设计采用了LM7805,这个芯片的主要作用是一个三端稳压源,在这个电路中,它需要+10V的输入电压为其输入,然后在+5V处把电压稳定输出,LM7805的应用电路图如图4.3所示图4.3 LM7805的应用电路在图4.3中电容C16的作用是用于抵消输入线上的电感效应,其目的是为了防止电路中产生的自激振荡;选用的C16其容量较小,一般小于1F上图中电容C17的作用是消除输出电压中的高频噪声,也取小于1F的电容,用来输出较大的脉冲电流,若C17较大,当我们把输入端断开时,Co将从稳压输出端先进行放电,则容易使稳压器遭到破坏因此可在稳压器的输出端和输入端跨接一个二极管,起保护作用综合图4.2图4.3,我们可以通过LM317和LM7805得电流,通过这两个电路,我们分别可以得到两种形式的电压,即+10V和+5V,+10V的电压用来为驱动电路提供电压, +5V的电压则主要为为系统中的大部分芯片供电,从而使系统处于工作的状态【10】4.4设计系统的晶振电路在正常工作的单片机系统中,只有保证每一个功能部件的运行,都以一定的时钟频率为基准,才能使系统有条不紊地进行工作在本课题的设计方案中,我们采用内部时钟的方式,其晶振电路如图4.4所示图4.4晶振电路图在本课题的设计方案中,我们需要的晶振频率为12MHZ,将图中两端引脚接到单片机的2021引脚处;在此电路中,电容C1C2的大小均为22PF,所以此晶体可以给单片机提供12MHZ的时钟信号【11】4.5 复位电路的设计复位电路是把产生的复位信号给单片机,也就是在本课题的设计方案中的看门狗,我们通常采用芯片MAX810复位电路来实现电路的复位MAX809/MAX810是我们常用的微处理器复位芯片的其中一种,它被广泛用于监控控制器或者某些系统的电源电压该电路可以在掉电节电和上电的情况下把复位信号传递给主控制器即单片机,当系统的电源提供的电压低于我们预设的电压时,本器件就会提供复位信号,并且传递给单片机,直到系统的电源电压又恢复到正常值为止MAX809芯片只有在低电平时才能有效的进行工作,而MAX810则在高电平才能有效的复位输出,其典型值是当流过的电流为17A时, MAX809/MAX810能理想地等价于便携式电池供电设备芯片MAX810与单片机的连接示意图如图4.5所示VccVccMAX810 ResetGNDVcc单片机ResetGND图4.5 MAX810与单片机的连接4.6 I/O控制部分软件和硬件设计4.6.1 设计系统的电压采样模块根据本章开头提到的太阳能路灯控制器的总体功能框图,我们分别设计了该系统的电压采集模块,在这里我们分别对太阳能电池和铅酸蓄电池的电压进行采样,并且把电压基准的零点选在太阳能电池的负极侧,这样测出来的电压就非常准确在这部分中,我们不仅可以利用测得的太阳能电池端电压来判断否到到路灯打开的时候,而且还可以通过判断铅酸蓄电池侧的电压来判断是否天黑,这样就可以一举两得,只要知道任何一方面的情况,就可做出判断对铅酸蓄电池而言,我们通过其电压的变化,就可以判断蓄电池的剩余荷电容量(SOC),并依次为依据来控制铅酸蓄电池的放电为LED路灯的充电情况,避免电池放电过多,要尽量提高蓄电池的正常使用寿命,这样既节约资源又节省能源12V蓄电池放电过程中容量-电压对应值如表4.1所示表4.1 容量-电压的对应值(12V蓄电池的放电过程)12V恒压恒流密封电池电压V12.8512.6812.5612.2612.1411.93容量%938882736052电压V13.11313.2613.3913.7114.34容量%4030201060us15us15us60ust0t11ust60us15us15us60ust0t11us读时序:主机总线在t0时刻时,即电平从低电位到高电位变化时,产生“读”时间隙;读时间隙在t1t2时刻之间有效,t2t0的时间间隔为15us,读时序的电路图如图4.13所示.图4.13 读时序t0t115us60ust31ust23) DS18B20温度转换的实现与接口编程单片机控制温度传感器DS18B20进行工作时,主要完成以下两个方面的过程即温度采样与转换,首先需要启动DS18B20开始进行数据转换,然后再读出温度值,其编写的程序见附录根据上述的程序,每当DS18B20读取一个温度值时,首先得进行复位操作;4.6.5 时钟电路的设计在本课题路灯控制器的设计中,我们选用的是DS1307作为时钟电路1) DS1307硬件接口电路的设计DS1307与单片机的连接如图4.14所示图中的电阻R1为680K欧作用是给晶振加一偏置电压,以保证了DS1307的起振作用 图4.14 DS1307与单片机的连接在时钟电路芯片DS1307中,它存在两种类型的操作模式:DS1307数据写入模式,即数据接收;第二种模式为DS1307数据读出模式,即数据发送数据接收和数据发射模式下的结构图如图4.15和4.16所示 要写入的数据DS1307地址数据写入地址 S11010000AAAAP数据传送方向（写） 图4.15 DS1307数据写入模式 要读出的数据DS1307地址S11010001AAAAP数据传送方向（读）图4.16 DS1307数据读出模式DS1307的寄存器结构DS1307是一款低功耗的寄存器,它是一个具有56字节RAM的全BCD码时钟日历的时钟芯片,数据和地址将通过两线双向的串行总线传输芯片可提供年,月,日,天,小时,分,秒等信息,而且每一个月的天数能根据具体情况自动调节并且具有闰年补偿的功能AM/PM 标志位能决定时钟工作在24小时或者是12小时的模式,并由时间控制器中的相应位来进行控制芯片里面有一个内置的电源感应电路,具有电池切换和掉电检测的基本功能4.6.6 充电控制模块1) 蓄电池的充电控制电路正确的使用电池才能够适当延长电池的寿命,因为正确的给电池充电是很重要的,怎么才是正确的充电方法呢,其实有很多种,恒流,恒压,最大功率跟踪充电都是可行的充电方法,电池使用的地方不同,我们选择的充电方式也不同,我们要选择与之相匹配的充电方式在这个太阳能路灯控制系统中,该蓄电池其实是作为储备的,蓄电池在该路灯控制系统中是用来储存能量的,白天,蓄电池进行充电,储备能源,夜晚,蓄电池放电,为路灯提供光能,这里有一个充放电的过程,所以不能用恒流充电在该路灯控制系统中,蓄电池的特性与光的强度负载的情况电池表面的温度都有着直接的关系,并且和蓄电池的特性都是非线性的所以蓄电池的电压必须是不断变化的,这些变化都与外部特性有关 在电池的两侧的电压低于短路电压时,蓄电池就会自动的充电这种充电方法与其它方法相比较,还是比较可靠的但是一般状态下会出现下列情况:蓄电池和太阳能电池应该相对应,二者的电压不能是随意的例如使用功率是16.5V的太阳能电池,就会只能对12伏特的蓄电池充电;如果是对6伏特的蓄电池充电的话,则会因为太阳能电池离最好工作点较远,尽管它充电时的电流会有一定的变强,但充电时还会损失很大的功率如果把充电时的太阳能电池的输出功率比作是矩形的面积的话;那么当蓄电池的端电压小于12V时,这时候的功率我们仍然用一个矩形来表示,我们可以看出,第二个的面积比前者要小,也就是说明,太阳能电池不能输出最大功率,而且也不能依照它本身的特性来冲放电,这样慢慢的就会对蓄电池造成伤害,而且效率会变得越来越低经过以上分析,我们改进了原来的充放电控制方案,设计出了斩波式的PWM充放电控制器,此控制器最大的优点就是能够防止过充和过放,保证蓄电池的安全,具有很高的可靠性其原理图如图4.17所示:图4.17 斩波式PWM原理图2) 温度补偿方法温度对蓄电池的容量有很大的影响,众所周知,当环境温度升高时,蓄电池的过充点电压就会随着温度的升高而降低所以我们要及时采取措施,对蓄电池进行有效地温度补偿,在本课题路灯控制器的设计中,由如下例证:如果对于12V系统的铅酸蓄电池的过充点电压为14.6V,基准温度定为25摄氏度,如果现在环境的温度为28摄氏度,我们通过计算得出如下公式,经过补偿后的过充点电压大小为:14.6-(28-25)*0.003*4=14.564V3) 充电电路的设计与实现在本环节的设计中,为了实现对铅酸蓄电池的充电控制和对电路的有效保护,我们选用的是MOFFET IRF4905MOFFET IRF4905具有小的导通电阻RON=20mv,其中它的最大通态电流ID=74A,在标准环境温度为25摄氏度,VGS=-10V的情况下,开关的动作速度快,开关性能此时为最佳的动作状态,这样我们在本课题的设计中,对太阳能电池电路和蓄电池电路的采样就得定位在一个基准点的电压上,提高了系统的安全性和可靠性充电控制电路设计如图4.18所示图4.18 路灯的充电控制电路在上图的充电控制电路的原理图中,肖特基二极管在正向导通时的压降大小为0.3V,正向导通的最大导通电流为20A,在这里完全能满足路灯控制器系统的要求,这个二极管的还有另外一个作用,主要用于防反充控制,换句话说就是当铅酸蓄电池电压高于太阳能电池组件的的电压时,肖特基二极管截止,能够有效的防止在夜间蓄电池向太阳能电池的反向充电,从而保护了这两个电池组件在上图中,D52是一个防反接的二极管,它的主要作用是即当蓄电池被反接时,二极管正向导通,电流会无限增大立即烧毁熔断丝,使电路处于断开状态,从而保护了控制器和蓄电池的安全,大大提高系统的可靠性和安全性4.6.7 放电控制模块的设计根据本课题的要求,设计了放电模块,其能够实现如下的功能:1) 放电控制的开关管,选用IRF3205,此放电控制的开关管IRF3205是N沟道的MOSFET管,它的最小导通电阻RON=8m,最大导通的电流Imax=110A,此时要求环境温度为25度,所以VDD=55V,在这种情况下,开关速度快,开关性能达到最佳的状态2) TLP250作为放电控制的驱动电路TLP250为光耦驱动芯片,它通过向MOSFET提供栅荷来保证器件的开关性能,所以说具有很强的抗干扰能力,当我们采用TLP250作为放电控制的驱动电路时,可大大提高系统的安全性能 3) 经过以上分析可得到具体的电路实现,我们得到如下放点控制电路图放电控制电路如图4.19所示图4.19 放电控制原理图当放电控制端提供高电平有效时,上图中的三极管导通,此时TLP250输出高电平有效,当到达这个时候时,MOSTET被导通,此时蓄电池就给负载提供电能;反之当放电控制端提供低电平有效时,三极管就截止,相当于把开关打开,蓄电池在这个时候就不能给负载提供电能4.6.8 LED路灯驱动与亮度调节电路此部分设计驱动电路,然而驱动电路与充电电路的原理内容大致相同,只是为其充电的电源是铅酸蓄电池提供的电能,我们的负载选用LED发光板,并把防反接的二极管部分去除了;由 PWM信号宽度并根据蓄电池的剩余荷电容量(SOC)的计算出路灯的开关量度,在此基础上还能够计算出为其温度补偿的LED灯得温度,防止过热烧毁器件或者使蓄电池的性能发生变化14电路实现如下图4.20所示图4.20 LED路灯驱动与亮度调节电路示意图4.6.9 单片机实现脉宽调制信号(PWM)输出的软硬件设计在通常的调节情况下,脉宽调制信号有两种调节方法,分别是:模拟电路调解法,脉冲计数法这两种方法都普遍适用在开发仿真上,深受人们喜欢在本课题的设计中,我们采用了模拟电路调节的方法,把正弦波与三角波都调节变为PWM波,并输出供系统使用如图4.21为PWM调变电路所示,图4.22为 PWM调变示意图所示图4.21 PWM调变电路图4.22 PWM调变示意图通过单片机也可以产生PWM信号,具体有两种方法实现,这两种方法分别为:应用延时函数来产生PWM波和采用专用的计数芯片来产生PWM波形并输出,在本课题的设计中,我们可以把PWM的输出端接于PWM充电控制电路中,用来实现输出PWM波形在本章的设计中,我们采用的是可编程定时/计数芯片8254,其目的就是用来实现PWM信号波形,此方法的优点是产生的PWM波形更加精确,而且还更容易控制;在控制器处理中断程序时时候,系统仍然能够自主的控制其他部分的运行,而不会干扰到产生的PWM的控制精度1) PWM产生波形的电路设计8254芯片具有三个独立的计数器,他比其他芯片的先进之处就是只需一片8254就可以同时输出3路PWM波形信号;在本课题的设计中,我们把AT89C52单片机8254及与8254与单片机的接口电路相连接构成一个产生PWM波形的电路,用来产生PWM波形信号;图4.23为单片机的电路的原理图,图4.24为计数芯片8254电路原理图,以及8254与单片机的接口连接在其中15图4.23 PWM信号产生电路单片机部分的原理图图4.24 PWM信号产生电路计数芯片8254部分原理图2) 系统固件程序设计系统在运行的过程中,程序先通过定时器1产生中断,来实现得到20ms的周期,然后通过计数来实现不同的占空比,产生PWM波以下为8254控制的代码示例(中断方式控制,定时器1中断):1)TR0=1; /关闭T0TH0=-(20000/256); /置20ms计数初值COMWORD=0x30; /发送第1路PWM信号COUNT0=0xE8;COUNT0=0x03; /计数1000次,实现1ms高电平COMWORD=0x70; /发送第2路PWM信号COUNT0=0xD0;COUNT0=0x07; /计数2000次,实现2ms高电平COMWORD=0xB0; /发送第3路PWM信号COUNT0=0xB8;COUNT0=0x0B; /计数3000次,实现3ms高电平TR0=1; /启动T02)主程序控制代码EA=1; /开CPU中断ET1=1; /开定时器1中断TMOD=1x01; /定时器1方式1TH0=-(20000/256); /20ms定时器的计数初值TL0=-(20000%256);COMWORD=1x30; / 8254控制字寄存器选择计数器1,并对其赋初值0COUNT0=0; /先赋低位字节COUNT0=0; /再赋高位字节COMWORD=1x70; / 8254控制字寄存器选择计数器1,并对其赋初值0COUNT0=0; /先赋低位字节COUNT0=0; /再赋高位字节TR0=1; /启动定时器T04.7 独立运行太阳能LED路灯控制器固件程序总流程太阳能电运行初始化程序代码延时处理清狗充电/放电N是否可充电？Y计算对应PWM值90SOC？延时程序YN快充？Y80SOC90？N慢充？YNNYN计算控制快充PWM信号对应的键值Y70SOC80？计算控制慢充PWM信号对应的键NNY60SOC70？计算控制浮充PWM信号对应的键NY50SOC60？NY40SOC50？输出对应键值到PWM输出信号控制器的锁存器上输出PWM信号对电池控制充电N输出到调亮PWM信号发生器锁存器输出LED路灯驱动亮度调节信号SOC在40%以下即做特深处理图4.29 独立运行太阳能LED路灯控制器固件程序总流程图结 论本次毕业设计的题目是设计一个太阳能路灯控制器,在参考了大量资料的基础上,已经成功的完成了这次设计任务系统主要有以下几大部分组成:太阳能电池,蓄电池,控制器,充电电路,放电电路,负载驱动电路等本次太阳能路灯控制器的主要原理:首先通过传感器将采集的信号转变为模拟电压信号,然后将模拟电压信号通过放大器进行放大,当信号达到单片机可处理的范围时,送入单片机中进行处理在单片机中对信号进行连续采样,然后单片机将检测到的信息与单片机本身的设定值进行比较,如果达到相符的范围之内,则触发控制器将路灯打开,进行照明在本课题的设计中,我们采用蓄电池剩余容量(SOC)控制法,设计了高性能的路灯控制器,它能够及时调整负载的大小,极大地保护了铅酸蓄电池,这个设计具有十分重要的意义,能够改进以前路灯控制器中的一些不足的地方在路灯控制中,如果这个问题能够得到解决的话,那么整个路灯控制系统的可靠性也就会得到提高,经过这样的改进后太阳能路