（控制理论与控制工程专业论文）网络化智能型太阳能路灯控制器的研发.pdfVIP

原创性声明 l u ll lll l lll lll li lllll y 17 9 0 218 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：俨新虢蚺 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 课题背景l 1 1 2 课题研究意义。2 1 2 国内外研究情况4 1 3 本课题的主要工作5 第二章太阳能路灯系统组成7 2 1 系统结构设计原则7 2 2 系统组成结构8 2 2 1 系统结构图8 2 2 2 太阳能电池9 2 2 3 蓄电池 1 2 2 2 4 太阳能路灯控制器1 3 2 2 5l e d 灯具应用l5 2 3 系统实现功能1 7 2 3 1 系统基本功能1 7 2 3 2 创新功能1 8 第三章太阳能路灯系统充放电算法研究1 9 3 1 太阳能电池最大功率跟踪1 9 3 1 1 太阳能电池光伏特性。1 9 3 1 2 太阳能电池的主要影响因素。2 0 3 1 3 最大功率跟踪( m p p t ) 的必要性2 2 3 1 4 最大功率跟踪的原理2 3 3 1 5 本文采用的m p p t 改进型算法2 6 3 2 蓄电池的充放电特性3 4 3 2 1 蓄电池的充放电原理3 4 山东大学硕士学位论文 3 2 2 蓄电池的快速充电控制策略研究3 6 3 2 3 本系统采取的充电算法3 9 3 2 4 蓄电池过放保护策略研究4 0 3 3 本课题所用综合充放电算法4 3 第四章太阳能路灯系统的实现4 5 4 1 概述4 5 4 2 系统硬件设计一4 7 4 2 1 路灯控制器硬件设计4 8 4 2 2 路灯控制器网络模块功能硬件设计5 4 4 3 系统软件设计5 6 4 3 1 路灯控制器程序设计5 6 4 3 2 上位机监控软件设计6 1 4 4 系统调试实验6 5 4 4 1 实验环境记录6 5 4 4 2 充电算法验证波形6 5 4 4 3 各软件运行界面6 8 第五章太阳能路灯网络7 1 5 1 概j 丕7 1 5 2 路灯网络拓扑特点7 1 5 3 路灯流式拓扑结构7 2 5 4 路灯网络系统实现7 3 第六章总结与展望7 7 6 1 论文总结7 7 6 2 课题展望7 8 参考文献8 1 致谢8 7 i i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 2r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 2 1 2r e s e a r c hs t a t u so f t h es u b j e c t 4 1 3m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 5 c h a p t e r2s y s t e mc o m p o n e n to fs o l a rs t r e e tl i g h t 。7 2 1d e s i g np r i n c i p l e 7 2 2s y s t e mc o n s t i t u t i o na n ds t r u c t u r e 8 2 2 1t h es y s t e mc o n s t r u c t i o n 8 2 2 2s o l a rc e l l 9 2 2 3l e a d a c i db a t t e r y 1 2 2 2 4c h a r g ec o n t r o l l e r 1 3 2 2 5l e d l a m p s 1 5 2 3s y s t e mf u n c t i o n 17 2 3 1t 1 1 eb a s i cf u n c t i o no f t h ec o n t r o l l e r 1 7 2 3 2i n n o v a t i o nr e s e a r c h 1 8 c h a p t e r3c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc o n t r o la l g o r i t h mr e s e a r c h 1 9 3 1m p p t 19 3 1 1t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f s o l a rc e l la r r a y 1 9 3 1 2a n a l y s i so f i n f l u e n c i n go u t p u tf a c t o r e so f p v 2 0 3 1 3t h en e c e s s i t yo fm p p t 2 2 3 1 4t h em p p tt h e o r y 2 3 3 1 5t h ei m p r o v e dm p p tt h e o r yi nt h i st h e s i s 2 6 3 2e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f b a t t e r y 3 4 3 2 1t h ea l g o r i t h md e s i g no fb a t t e r yc h a r g i n g 3 4 3 2 2t h ea l g o r i t h mr e s e a r c hf o rb a t t e r yf a s tc h a r g i n g 3 6 3 2 3b a t t e r yc h a r g i n ga l g o r i t h mi nt h i st h e s i s 3 9 3 2 4b a t t e r yp r o t e c t i o nm e t h o d s 4 0 3 3s y n t h e s i sa l g o r i t h mi nt h i st h e s i s 4 3 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r4h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n 4 5 4 1s u m m a r y 。4 5 4 2h a r d w a r ed e s i g n 4 7 4 2 1d r i v ec i r c u i td e s i g nf o rb a s i cf u n c t i o n 4 8 4 2 2d r i v ed e s i g nf o re t h e r n e tf u n c t i o n 。5 4 4 3s o f t w a r ed e s i g n 5 6 4 3 1s o f t w a r ed e s i g nf o rc o n t r o l l e r 5 6 4 3 2s o f t w a r ed e s i g nf o rs u p e r v i s o r yc o n t r o lc o m p m e r 6 1 4 4d e b u g g i n ge x p e r i m e n t 6 5 4 4 1e x p e r i m e n te n v i r o n m e n tr e c o r d 6 5 4 4 2e x p e r i m e n tw a v e f o r mo f t h ed e b u g g i n g 6 5 4 4 3s o f t w a r ei n t e r f a c e 6 8 c h a p t e r5s t r e e tl i g h t i n gn e t w o r k 7 1 5 1s u m m a r y 。7 1 5 2c h a r a c t e r i s t i c so fs t r e e tl a m pn e t w o r k 7 1 5 3s t r e a m i n gn e t w o r kr e l a t i o n s h i p 7 2 5 4n e t w o r kc o n s t r u c t i o ni nt h i st h e s i s 7 3 c h a p t e r6s u m m a r ya n dp r o s p e c t s 7 7 6 1s u m m a r yo f t h i st h e s i s 。7 7 6 2p r o s p e c t so f t h i sp r o j e c t 7 8 r e f e r e n c e s 81 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 7 i i 山东大学硕士学位论文 摘要 随着全球能源形势的紧张，太阳能光伏发电已经渐渐得到了普及，并 在路灯照明领域开始得到广泛应用。随着新型节能灯具l e d 灯具的出现， 太阳能路灯与新型l e d 灯具的结合，使智能型太阳能路灯的开发更具实际 节能价值。 开发高性能太阳能路灯关键是设计高性能的太阳能路灯控制器。本课 题设计目标是基于a t m e g a l 2 8 单片机开发一款智能型太阳能路灯控制器， 使其不仅具备太阳能路灯系统自身的智能管理功能，同时还具备近端远程 可监控管理功能。系统设计过程主要分为：系统算法设计、单片机系统软 硬设计、近端远程上位机监控软件设计、路灯智能监控网络组建。 算法设计主要包括三个部分：太阳能电池最大功率跟踪算法设计。 通过对太阳能电池输出特性的深入研究，结合模糊控制理论，设计出一种 跟踪快速、实现简单的最大功率算法。蓄电池充电算法设计。结合太阳 能电池输出最大功率跟踪算法及蓄电池充放电特性，设计出了“三段式” 充电算法，同时兼有温度补偿功能。此算法既能保证充电效率，又能实现 对蓄电池进行必要的保护。蓄电池余量检测模型，主要目的是估算蓄电 池的剩余电量。当蓄电池处于放电状态时实时测量蓄电池端电压，并结合 相应蓄电池余量的检测算法，及时调整蓄电池的放电模式。 控制器设计主要实现最大功率跟踪、各种自我保护功能、蓄电池充放 电保护及各类通信功能设计。 其中，通信设计包括实现近端上位机监控和远程上位机监控功能的上 位机程序开发。近端上位机监控主要指上位机通过串口与单片机控制系统 进行通信；远程上位机监控主要是通过控制器的以太网通信模块实现监控。 智能监控网络主要利用控制器硬件集成的太网设计模块和无线通信模 块，根据流式层次拓扑结构模型设计。网络采用分层管理模式，网络结构 主要分为远程控制层、目标局域网控制层、终端执行层。通过网络分层设 置很好的保证了远程控制控制信息流的通畅。 山东大学硕士学位论文 关键词：太阳能路灯；最大功率跟踪技术；充放电控制算法；铅酸蓄电池； 智能网络 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e n s es i t u a t i o no ft h ew o r l de n e r g yr e s o u r c e ，t h ep h o t o v o l t a i c t e c h n o l o g yh a sb e e np o p u l a r i z e dg r a d u a l l ya n de x t e n s i v e l yu s e di nt h ef i e l do f r o a dl a m pl i g h t i n g w i t ht h ea p p e a r a n c eo ft h en e we n e r g yc o n s e r v a t i o nl e d l a m p ，t h ec o m b i n a t i o no fs o l a rs t r e e tl i g h ta n dn e we n e r g yc o n s e r v a t i o nl e d m a k et h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ts o l a rs t r e e tl i g h th a v em o r ea c t u a le n e r g y c o n s e r v a t i o nv a l u e t h i sr e s e a r c ht a s k sd e s i g nt a r g e ti st od e s i g na ni n t e l l i g e n t s o l a rs t r e e tl i g h tc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do nt h em e g a l 2 8s i n g l ec h i pa n dc a n n o to n l yr e a l i z et h et a r g e to fi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tb u ta l s op r o c e s s e st h e f u n c t i o no fn e a r - e n da n df a rd i s t a n c em o n i t o r i n g t h ed e s i g np r o c e d u r e c o n c l u d e s ：t h ea l g o r i t h md e s i g no fs y s t e m ，t h ep r o g r a m m i n ga n dc i r c u i td e s i g n o fs i n g l ec h i ps y s t e m ，t h ed e s i g no fn e a r e n da n df a rd i s t a n c em o n i t o r i n g s o f t w a r e ，t h en e t w o r k i n go fs t r e e tl i g h tm o n i t o r i n g t h es y s t e m sa l g o r i t h md e s i g ni n c l u d e st h r e ea s p e c t s ：t h ea l g o r i t h m d e s i g no ft h e s o l a rb a t t e r y sm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g t h er e s e a r c h s u c c e e d st od e s i g naf a s ta n de a s i l ya v a i l a b l em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g a l g o r i t h mt h r o u g ht h el u c u b r a t er e s e a r c ho fs o l a rb a t t e r y so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ec o m b i n a t i o no ft h ef u z z yc o n t r o lt h e o r y t h ea l g o r i t h md e s i g no f b a t t e r yc h a r g i n g c o m b i n i n gw i t ht h es o l a rb a t t e r y sm a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n ga l g o r i t h ma n dt h es t o r a g eb a t t e r y so u t p u ta n di n p u tc h a r a c t e r i s t i c ，t h e r e s e a r c hd e s i g n sat h r e es t o p sc h a r g i n ga l g o r i t h mw h i c hh a st h ef u n c t i o no f t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t h ed e t e c t i n gm o d e lo fs t o r a g eb a t t e r y sd u m p e n e r g y t h em o d e l sm a i nt a r g e ti s t oe s t i m a t et h ed u m pe n e r g yo fs t o r i n g b a t t e r y w h e nt h es t o r a g eb a t t e r yi sd i s c h a r g i n g ，d e t e c t i n gt h et e r m i n a lv o l t a g e o fs t o r a g eb a t t e r yi n s t a n t l ya n dc o m b i n i n gt h ea l g o r i t h mo f d e t e c t i n gs t o r a g e b a t t e r y sd u m pe n e r g y t oa d j u s tt h e s t o r a g eb a t t e r y sd i s c h a r g i n g m o d e l i n s t a n t l y 山东大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fc o n t r o l l e rm a i n l yr e a l i z et h ef u n c t i o no fm a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ，i n t e l l i g e n td e f e n s i v ei na n ys i t u a t i o n ，t h ed e f e n s i v eo fs t o r a g e b a t t e r y sc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n ga n dt h ed e s i g no fn e a r - e n da n df a rd i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n t h er e s e a r c hc o n c l u d e s ：t h em o n i t o ro fn e a r - e n d u p p e r c o m p u t e ra n dt h ep r o g r a m m i n gd e s i g no fu p p e rc o m p u t e r t h em o n i t o ro f n e a r - e n d u p p e rc o m p u t e r i s m a i n l yt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n u p p e r c o m p u t e ra n ds i n g l ec h i ps y s t e mt h r o u g ht h es e r i a lp o r t f a rd i s t a n c em o n i t o ro f u p p e rc o m p u t e ri sm a i n l ym o n i t o r i n gt h ec i r c u i td e s i g ni n c l u d i n ga ne t h e r n e t c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei nt h es a m et i m e t h ef a rd i s t a n c ec o n t r o lo fu p p e r c o m p u t e rc a nc o m m u n i c a t ew i t hs i n g l e c h i ps y s t e mc o n v e n i e n t l ya n ds u p p l y h a r d w a r ef o u n d a t i o nf o rn e t w o r k i n g t h ei n t e l l i g e n tn e t w o r km a i n l yt a k e sa d v a n t a g eo fc o n t r o l l e rh a r d w a r e s c o m p e t i t i v e e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n di sd e s i g n e da c c o r d i n go nt h el a r g es t r e a m i n gg r a d a t i o nt o p o l o g i c a l s t r u c t u r em o d e l ，t h en e t w o r kc a nb ed i v i d e di n t of a rd i s t a n c ec o n t r o ll a y e r , t a r g e t l a nc o n t r o ll a y e r ，t e r m i n a le x e c u t i o nl a y e rt or e a l i z ed e c e n t r a l i z e d m a n a g e m e n t t h en e t w o r kc a ne n s u r et h eu n o b s t r u c t e dc o m m u n i c a t i o no ff a r d i s t a n c ec o n t r o lt h r o u g ht h ed e s i g no fn e t w o r kl a y e r i n g k e y w o r d - s o l a rs t r e e tl i g h t ；m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ；a l g o r i t h mo f c h a r g i n g ；d e t e c t i n go fs t o r a g eb a t t e r y sd u m pe n e r g y ；i n t e l l i g e n tn e t w o r k i i 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 近几年来，人类面临全球可持续发展的重大挑战，资源和环境保护两 方面的矛盾关系所引发的问题成为了世界性的问题，已经变为制约世界大 部分国家经济发展的首要问题。 从可持续发展的思路来看，全球己探明的石油储量仅能满足未来1 0 年 左右的需求量，天然气也只能延续到2 0 4 0 年左右，即使是煤炭这种储量最 丰富的能源也只能维持3 0 0 年左右的时间【l 】。同时，由于化石燃料的燃烧， 每年大气污染非常严重，数万吨的有害气体排放到大气中，直接影响到人 们的身体健康和生活质量。局部地区形成酸雨等灾害，又再次的污染人们 赖以生存的水土。化石能源的使用会有大量的c 0 2 、h f c s 、全氟化物、氮 的各种氧化物等温室气体排放，从而导致更严重的温室效应，引起全球气 候变化，极地冰川融化，海平面上升等问题直接全球人类的生存【2 】。这一问 题已经得到了全球广泛性认可，有关国际组织已经多次召开会议，限制各 国c a 排放量，营造低碳性生产发展模式。 新能源技术已经成为2 l 世纪的热点研究问题。即使在世界范围的经济 危机打击下，各国都依然花费大量的人力财力研究新能源技术。尤其是美 国将新能源技术列为其优先发展的产业技术。在新能源技术中，太阳能光 伏技术相关产业在我国及世界发达国家发展迅速，产业规模也迅速增长。 其中太阳能照明技术发展速度最快，并得到了很好的产业化推广。 我国是太阳能资源非常丰富的大国，如果充分利用其得天独厚的太阳 能资源优势，采用太阳能发电技术解决人民生活生产的能源问题，无疑对 经济发展有极大的促进作用。 对于我国依托太阳能资源丰富的优势，解决能源匮乏的现状是现实可 山东大学硕士学位论文 行的。特别是在国家近几年快速的城市化进程中，充分利用太阳能资源可 以部分缓解能源紧张的局面，同时还减轻了环境污染的程度。随着我国经 济的快速发展、城镇建设规模的扩大以及太阳能发电技术的迅速发展，发 电成本成本进一步降低，太阳能路灯市场潜力巨大【3 】。 我国很多地方都在大力发展太阳能路灯产业，其中在国内的应用首先 从沿海发达地区开始。从2 0 0 5 年开始，上海市大力发展太阳能照明工程， 在崇明岛等地建成了许多风光互补道路照明工程【3 j 。深圳市也从2 0 0 7 年起， 分别在福田区下沙大道等地两旁安装了大量的太阳能路灯，太阳能路灯采 用独立并网双向系统【3 】。北京市奥组委提出“绿色奥运”口号，在北京奥 运会场地及其相关场所9 0 使用太阳能照明。2 0 0 6 年北京市北村照明工程 全部使用太阳能照明。2 0 0 6 年1 1 月，青岛市政府在青岛市宾川路进行太阳 能路灯示范性试点安装等m j 。此类太阳能路灯工程实施在国内已越来越多。 通过在全国各地大面积的成功应用太阳能路灯，各个厂家积累了大量 的经验，为太阳能路灯新产品的开发提供了大量的实际参考依据，为进一 步探究提供了优化设计的可行性论证。实践证明太阳能路灯技术可靠、性 能稳定，是一种非常绿色的照明解决方案，尤其是在电力缺乏的地区，更 是一种非常实用的照明形式。同时伴随着全球能源危机的加重，人民对环 境保护的意识增强，太阳能路灯这种绿色无污染、节能的照明方式将势必 代替常规路灯照明方式。 1 1 2 课题研究意义 太阳能被认为是取之不尽用之不竭的绿色能源，一直都得到广大能源 探索领域专家们的厚爱。美国一项研究结果表明，太阳能产业将在本世纪 初进入快速发展的阶段，并在2 0 5 0 年达到3 0 的比例，次于核能居第二位， 本世纪末太阳能将取代核能居第一位。我国年日照时数在2 2 0 0 小时以上地 区约占国土面积的2 3 以上，太阳能理论储量达l7 0 0 0 亿吨标煤年，蕴藏 着丰富的太阳能资源 5 - 7 】。 太阳能路灯的环保效益是非常明显的。例如一套额定功率为l5 0 w 太阳 能路灯的照明效果相当于一套负载功率为4 0 0 w 的常规路灯，通过比较分 2 山东大学硕士学位论文 析，一套常规路灯一天耗电3 2 度，一年耗电116 8 度，1 度电消耗标准煤 3 5 0 9 ，一套常规路灯在一年中消耗标煤o 4 1 ，【。若用l5 0 太阳能路灯替换 4 0 0 w 的常规路灯，一年可间接节电11 6 8 度，节约标煤0 4 1 t 。若以安装太 阳能路灯1 0 0 0 台计算，一年可间接节电1 16 8 万度，节约标煤4 l0 f 。等于 减排粉尘6 0 9 t 、s o x7 1 5 t 、n o x5 2 7 t 、c o2 8 7 8 8 8 t ( 1 t 煤排放粉尘0 0 1 4 8 5 f 、s o xo 0 1 7 4 4 t 、n o xo 0 1 2 8 6 t 、c o2 2 1 4 3 6 t ) ，同时节约了相应的环保费 用【l 】。太阳能的开发和利用对解决能源危机和环境污染问题具有特别重要的 意义。 在我国和世界发达国家的太阳能开发利用方面，刚开始仅仅是在低级 的庭院照明使用，其功率要求很低。随着太阳能照明技术的迅速发展，最 近几年太阳能路灯行业规模不断扩大，特别是随着新型l e d 灯具的出现， 太阳能路灯以其节能方面的优势推广势头更加迅猛。太阳能灯具已经开始 向干道路灯发展，其照明功率要求也相对有很大提高。相比传统的路灯照 明，太阳能路灯的具有如下特点： 1 太阳能路灯使用太阳能电池提供电能，工作在独立运行状态下，是 一种自给自足式的独立的照明单元。 2 太阳能路灯的安装方便，同时因为不需要电网建设，仅仅需要必要 的基座固定即可，因此可以节省大量的基础建设费用。 3 太阳能路灯的运行维护成本低廉。当太阳能路灯投入使用后。系统 在控制器的自动调节下工作，不需要人工干预。无需后续的运行成 本。 4 太阳能灯具可与新型l e d 照明相结合，实现低电压直流电供电，运 行安全可靠。 目前我国在太阳能电池、l e d 光源技术等方面在世界上已经占有一席 之地，产业规模不断扩大，但对作为太阳能路灯核心部件之一的太阳能路 灯控制器的研究急待深入【5 。】。业内采用的控制器多是简易的非智能控制器， 严重制约着太阳能路灯的技术升级和推广应用。特别是目前太阳能路灯控 制器可靠性不高、缺乏智能的充放电能量管理、缺乏网络优化与管理技术 支持，使得太阳能路灯的可靠性、成本、智能化以及使用效率不很理想， 山东大学硕士学位论文 从而限制了太阳能路灯的推广。提高太阳能控制器的稳定性、智能性是目 前太阳能灯具行业的当务之急。 由于太阳能路灯是一个新兴产业，尚没有统一、完善的行业标准，各 个厂家的产品质量参差不齐。目前国内的太阳能路灯控制器产品大多属于 简易型产品，仅具有基本的充放电控制和光源驱动功能，而国外的进口产 品具有一定的智能充放电控制、电气保护、多工作模式等功能，但大多没 有以太网功能支持，价格昂贵，使得太阳能路灯的推广应用收到一定的价 格限制。 本项目研发成功后，可以填补国内网络化智能型太阳能路灯控制器的 空白。所开发产品的功能、性能达到或超过国外发达国家高端产品，而价 格仅为国外高端产品的3 0 4 0 ，具有很强的性价比和市场竞争力。其以 太网技术的支持将便于我国城镇规模化推广太阳能路灯，提高照明系统的 效率和管理水平。我国是光伏产品( 光伏电池) 的第一出口大国，相信本课题 所开发的产品将与其他光伏产品一起走出国门。同时可以提高我国太阳能 照明控制器的性能，进而提升太阳能照明行业的技术水平和产品竞争力， 对太阳能绿色照明产业的发展具有重要意义。 1 2 国内外研究情况 太阳能路灯推广应用的历史不长，只是近年来随着能源危机的不断恶 化和世界各国对绿色能源新技术的重视，太阳能路灯才得以逐步的推广。 国内外企业和研究机构看好这一朝阳产业的发展前景，纷纷推出自己的太 阳能路灯和路灯控制器产品。 以德国p h o c o s 公司为代表的国外高端产品，利用先进的i t 技术，能根 据环境光线的变化，控制由太阳能电池、蓄电池和光源组成的太阳能照明 系统的充放电过程，具有一定的智能性。同时产品还具有浪涌、短路、反 接、过载等安全保护功能，使产品具有较高的实用价值。 而国内研究机构和相关企业产品由于研发起步较晚，控制器产品仍只 具有基本的充放电控制与管理功能，不能满足太阳能路灯行业快速发展的 需求，具体表现在： 4 山东大学硕士学位论文 1 功能单一。仅具有基本的充放电控制功能和基本的安全保护功能， 不能满足行业发展要求。 2 照明系统的能量管理与控制智能化程度较低，系统效率不高。 3 多数控制器针对单个光源设计，不支持多组光源，因而不具有多种 智能工作模式，降低了系统效率和寿命。 4 不具有远程网络监控功能，不能进行区域多路灯的集中优化智能管 理与监控，不利于提高区域照明系统的整体效率和照明质量，不利 于道路或区域照明系统的实时自动巡检。 5 控制器可靠性有待提高。 1 3 本课题的主要工作 1 算法设计 太阳能控制器设计的核心是蓄电池的智能充电算法和太阳能电池最大 功率跟踪算法的研究。只有高效、快速、准确的充电算法作为保证，安全 的蓄电池余量检测和放电算法为基础，才能使控制器具各稳定、准确、快 速的工作特性。 2 控制设计 基于单片机系统的硬件实现主要包括以下几点： 1 ) 单片机选取及最小系统运行设计。 2 ) 电源设计。 3 ) 充放电模块的软硬件实现。 4 ) 保护电路设计：防反接、防雷击等。 5 ) 串口通信设计。 6 ) 以太网通信通信模块设计。 7 ) 无线射频通信模块设计。 3 远程监控网络构建 通过路灯智能化控制算法的优化使中央控制计算机可以根据季节的变 化和天气的变化设定路灯的控制策略，并监控路灯的运行，根据路灯的故 障情况，可以实时调整路灯的运行策略，以满足照明要求。操作者可以方 山东大学硕士学位论文 便的对目标网络实施照明策略的调整。 6 山东大学硕士学位论文 第二章太阳能路灯系统组成 太阳能路灯系统主要由以下几部分组成：太阳能电池、蓄电池、太阳能 路灯控制器、灯具及灯杆等几个部分【3 1 。其中太阳能控制器是本系统最关键 的部分，大部分功能指标都是控制器实现的。 2 1 系统结构设计原则 本课题的太阳能路灯系统设计分为照明系统设计和系统监控设计两部 分。其中照明系统设计主要实现太阳能路灯控制器基本功能，例如充放电 控制、最大功率跟踪、近端上位机通信及各种保护功能等；远程监控设计 主要目标是实现对太阳能路灯系统的远程监控，综合各种控制策略实现对 太阳能路灯线路的综合监控，从而提高太阳能路灯照明网络经济型和合理 性。 本课题的设计原则有以下几点： 1 经济性：根据系统设计的实际应用要求，必须考虑经济指标。在满 足系统性能的前提下，应尽可能采取简单的设计方案，以节省产品 成本和工程开支。 2 可靠性：保证系统长时间稳定运行，并能应对一定程度的外界干扰， 尤其是无线通信设计方面对此要求更为突出。同时，在系统各个部 分的设计中，必须考虑其冗余设计，以保证系统长时间可靠工作。 3 可维护性和可扩充性：系统设计采用集成化、模块化结构。系统可 在基本功能上任意选择其他扩展功能模块。例如，r s 2 3 2 通信模块， l c d 显示模块、无线通信模块、以太网通信模块等都为可选择使用 模块，实际使用时可以任意选择配套使用。因此系统具有非常好的 可扩展性。 4 实现太阳能路灯的基本功能和扩展功能。 7 山东大学硕士学位论文 2 2 系统组成结构 太阳能路灯系统必须是一个根据外界条件变化而自动调整工作状态的 系统。太阳能路灯会根据预设的工作模式自动运行。在此过程中太阳能路 灯控制器的主要任务是：太阳能电池最大功率跟踪；蓄电池充电和放 电过程的保护；其他高级功能。 2 2 1 系统结构图 8 太阳能路灯系统由组成如下图所示8 】： 图2 1 结构示意图 太阳能电池：把太阳能转换成电能的装置。 太阳能路灯控制器：完成太阳能电池输出功率控制、蓄电池的充放 电控制装置及其他功能的装置。 蓄电池：电能储藏装置、为负载供电。一般采用铅酸蓄电池。 负载：各种路灯灯头。l e d 灯头可以直接接控制，普通灯头需要接 逆变器。 现对各个部分进行详细介绍。 图2 2 太阳能电池发电的原理图 根据文献【8 】介绍，太阳能电池发电的原理是利用了半导体光伏效应将 太阳辐射直接转