（计算机应用技术专业论文）基于太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用.pdf

j一 。，_ n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe m b e d d e d s t r e e t l i g h tc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns o l o a r e n e r g y a t h e s i si n c o m p u t e ra p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y b y l i uc h u n a d v i s e db y p r o l e s s o rm aw e i h u a s u b m i t t e di np a a i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 m 43哪852舢8iiiiiy - 矿 _ ， 容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，可以将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。 器盏 日期： 丝 q ：主：明 、 ， 南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 随着地球资源的日益贫乏，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、洁净的新能 源，正在被更广泛地利用。本文为了开发出一套太阳能发电控制系统，使太阳能电池板自动 跟着太阳走，白天利用太阳能电池板存储电能，晚上释放电能为路灯供电照明。 基于以上要求，本文设计出太阳能自动跟踪器，使光伏电池始终跟踪太阳的方向走；利 用步进式扰动观察算法，设计出太阳能电池m p p t 功率适配器；为输出恒定的电压，满足 负载的要求，设计出d c d c 电压变换器，对输出电压进行控制；为提高太阳能电力的使用 效率，系统采用蓄电池作为辅助电源，并设计出能自动对一组蓄电池进行充放电的切换装置。 整个系统由从机系统和主机系统组成。从机系统是以8 位单片机s t c l 2 c 2 0 5 2 a d 为核心 对d c d c 、m p p t 、蓄电池充放电进行控制的一套软硬件控制系统：主机系统以l m 3 s 8 9 6 2 为主机，对多个从机( s t c l 2 c 2 0 5 2 a d ) 通过r s 4 8 5 通信协议实现分组控制的通信。系统还 实现了嵌入式e t h e m e t 至s j r s - 4 8 5 协议转换的功能，使得p c 机能够通过以太网接口与系统进行 通信，实现配置系统参数等功能。 实践证明，该系统精确地跟踪了各种情况下的太阳光变化情况，能够根据光线条件自动 控制路灯及切换蓄电池组，并将光伏电池的实际转换率提高到2 0 以上。该系统既可以应用 在城市道路建设中，也可应用在沙漠、山区、边防哨卡、海岛、灯塔等照明供电困难的地区。 关键词：太阳能路灯，嵌入式系统，自动跟踪，m p p t ，d c d c ，l a c o s - i i ，r s - 4 8 5 总线，嵌 入式t c p i p 基于太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用 a b s t r a c t s o l a re n e r g yi sw i d e l yu s e d 舔a ni d e a le n e r g ys o u r c ew i t ht h ea d v a n t a g e ss u c h 舔s a f e t y , c l e a n n e s sa n di n e x h a u s t i b i l i t yu n d e rt h es i t u a t i o no fr a p i dc o n s u m p t i o no ff o s s i le n e r g y t h i s p a p e ra i m sa td e v e l o p i n gas o l a re n e r g ye l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，w h i c he n a b l e st h e s o l a rb a t t e r yg oa l o n gw i t ht h es u n t h es y s t e ma l s os a v e se l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nb ys o l a rb a t t e r yi n t h ed a yt i m ea n dc o n s u m e si ti nt h en i g h tf o rs t r e e t l i g h t t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ed e s i g no fa u t o m a t i ct r a c k i n gs y s t e mt om a k es o l a rb a t t e r yt r a c kt h e d i r e c t i o no fs u na l lt h et i m e ，i ta l s ou s e st h em e t h o do fs t e ph a r a s s i n go b s e r v a t i o nt od e s i g nm p p t p o w e re q u a lm a c h i n eo fs o l a rb a t t e r y f o ro u t p u t t i n gs t e a d yv o l t a g et os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f l o a d ，t h ep a p e rd e s i g n sd c d ct r a n s f o r m e rt oc o n t r o lt h ed e f e r e n tv o l t a g e t h es y s t e ma d o p t s s t o r a g eb a t t e r ya sa s s i s t a n tb a t t e r ya n dd e s i g n sac h a r g e - d i s c h a r g es w i t c he q u i p m e n tf o ras e to f s t o r a g eb a t t e r i e sa u t o m a t i c a l l y t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do fs l a v e s y s t e ma n dh o s t - s y s t e m s l a v e - s y s t e mi sas e to f s o f t w a r e - h a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mu s i n g8 b i ts i n g l ec h i ps t c12 c 2 0 5 2 a da l st h ec o r et oc o n t r o l d c d c ，m p p ta n ds t o r a g eb a t t e r yc h a r g e d i s c h a r g e h o s t - s y s t e ma d o p t sl m 3 s 8 9 6 2t oc o n t r o l s l a v e - c o m p u t e r sb yr s - 4 8 5c o m m u n i c a t ep r o t o c o l ，w h i c hc o u l dc o n t r o lt oc o m m u n i c a t eb yg r o u p t h ep a p e ra l s oc o n v e r t se m b e d d e de t h e m e ta n dr s - 4 8 5p r o t o c o lt om a k ep cc o u l dc o m m u n i c a t e w i t ht h es y s t e mb ye t h e r n e t ，w h i c hc o u l db eu s e dt oc o n f i g u r es y s t e mp a r a m e t e re t c c e r t i f i e d ，t h i ss y s t e mc a nt r a c kt h em o v e m e n to fs u ni na n yc o n d i t i o n ，a n di tc o u l da l s ow o r k a u t o m a t i c a l l yt oc o n t r o lt h es t r e e t l i g h ta n ds w i t c hs t o r a g eb a t t e r i e s b e s i d e s ，t h es y s t e ma c t u a l l y i m p r o v e dt h ec o n v e r te f f i c i e n c yo fs o l a rb a t t e r yt o2 0 t h i ss y s t e mc a nn o to n l yb eu s e di nt h e c o n s t r u c to fc i t yr o a d s b u ta l s oi nd i f f i c u l ta r e a sw i t hp o w e r - s u p p l yl i g h t i n gs u c h 豁d e s e r t , m o u n t a i n o u sr e g i o n ，f r o n t i e rs e n t r y , i s l a n da n dl i g h t h o u s e k e yw o r d s ：s o l a rs t r e e t l i g h t ，e m b e d d e ds y s t e m ，a u t o m a t i ct r a c k i n g ，m p p t , d c d c ，l a c o s - i i ， r s 一4 8 5b u s ，e m b e d d e dt c p i p 南京航空航天人学硕十学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 发展光伏发电产业的紧迫性l 1 2 太阳能路灯的介绍及实现1 1 2 1 太阳能路灯的介绍l 1 2 2 太阳能路灯的实现2 1 3 本课题的主要工作及创新点4 l - 3 1 课题的主要工作4 l3 2 课题创新点4 1 4 课题内容安排5 第二章需求分析与整体设计6 2 1 系统需求分析6 2 1 1 功能需求6 2 1 2 太阳能跟踪器技术要点6 2 2 嵌入式处理器选型7 2 2 1 嵌入式处理器分类7 2 2 2 单片机s t c l 2 c 2 0 5 2 a d 8 2 2 - 3 嵌入式微控制器l m 3 s 8 9 6 2 。8 2 3 嵌入式操作系统选型9 2 3 1 几种常用的嵌入式操作系统。1 0 2 3 20 c o s 1 i 操作系统简介l o 2 4 以太网技术一l l 2 4 1 以太网技术特点及工作原理。l l 2 4 2 嵌入式t c p i p 协议1 2 2 5r s 4 8 5 通信协议13 2 6 系统整体设计1 4 2 6 1 系统设计方法1 4 2 6 2 系统硬件设计。1 5 2 6 3 系统软件设计。1 7 第三章太阳能自动跟踪控制模块1 9 3 1 太阳能跟踪器的现状及分析1 9 3 1 1 太阳能跟踪器的现状1 9 基于太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用 3 1 2 太阳能跟踪器存在的问题2 0 3 1 3 本课题所采用的太阳能跟踪器2 0 3 2 传感器模块的设计2 0 3 2 1 传感器的设置结构。2 0 3 2 2 传感器的控制原理2 1 3 2 3 传感器精度对比2l 3 2 4 传感器电路设计2 2 3 3 跟踪器模块的设计2 3 3 3 1 跟踪器模块的整体设计。2 3 3 3 2 步进电机介绍。2 4 3 3 3 立柱转动式跟踪器。2 6 3 3 4 步进电机驱动器2 6 第四章太阳能充放电控制模块。3 0 4 1 太阳能电池输出特性3 0 4 1 1 温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响3 0 4 1 2 标准测试条件下太阳能电池的输出特性3l 4 1 3 功率峰值跟踪3 2 4 2 太阳能最大功率点追踪3 2 4 2 1 太阳能最大功率点追踪控制算法3 2 4 2 2 扰动观察法的改进算法和m p p t 的实现3 4 4 - 3d c d c 电压变换器及其特点3 6 4 3 1b u c k 电路3 6 4 3 2b o o s t 电路3 7 4 - 3 3b u c k b o o s t 电路。3 7 4 3 4c u k 电路3 8 4 4 本系统的d c d c 及m p p t 的实现3 8 4 5 蓄电池组充放电控制电路4 l 第五章系统通信接口及协议转换一4 2 5 1 以太网接口模块一4 2 5 1 1 概述4 2 5 1 2 功能描述4 2 5 1 3 外围接口电路4 4 5 2r s 4 8 5 接口模块4 4 5 3e t h e m e t 与r s 4 8 5 协议转换。4 5 ， 南京航空航天大学硕十学位论文 5 3 1p c o s i i 操作系统在协议转换上的实现4 5 5 3 2t c p i p 协议栈的裁减与实现4 6 5 3 3 系统任务划分与实现4 8 5 4 本系统整体通信的实现5 0 第六章系统调试与问题解决5 2 6 1 硬件测试环境一5 2 6 2 软件测试环境5 3 6 3 调试结果分析5 4 6 4 调试问题总结5 6 第七章总结与展望一5 7 7 1 工作总结5 7 7 2 系统扩展与未来展望5 7 参考文献5 8 致谢6 1 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 2 基于太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用 图清单 图1 1 太阳能路灯原理图2 图1 2 从机系统结构框图3 图1 3 系统整体网络拓扑图。3 图2 1g c o s i i 的体系结构图1 1 图2 2 嵌入式系统接入e t h e m e t 的直接接入模型1 3 ，1 图2 3 嵌入式系统接入e t h e m e t 的间接接入模型1 3 图2 4 嵌入式软硬件协同设计过程1 5 。 图2 5 系统整体结构图1 5 图2 6 主机系统硬件框架图1 6 图2 7 从机系统硬件框架图1 6 图2 8 系统程序模块组成图17 图2 9 充放电控制模块主程序及后台程序流程图1 7 图3 1 传感器结构示意图2 l 图3 2 圆筒长度与太阳光偏离角的关系2 2 图3 3 光敏电阻采集电路2 2 图3 4 自动跟踪器硬件结构图2 3 图3 5 跟踪器模块软件流程图2 3 图3 6 步进电机引线结构2 5 图3 7 四相步进电机步进示意图2 5 图3 8 步进电机工作时序波形图2 6 图3 9 立柱转动式跟踪器示意图2 6 图3 1 0 步进电机驱动器接线图2 7 。 图3 1l 步进电机驱动电路2 8 图4 1 温度一定时，日照强度对输出特性的影响3 0 图4 2 日照强度一定时，电池温度对输出特性的影响3 l 图4 3 太阳能电池组件标准条件下的输出特性曲线3 l 图4 4m p p t 电压扰动原理3 4 图4 5m p p t 控制流程图3 4 图4 6m p p t 控制实现示意图3 5 图4 7m p p t 软件流程图3 5 图4 8d c d c 主要拓扑图。3 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 9 太阳能电池的b u c k 电路拓扑图。3 6 图4 1 0 太阳能电池的b o o s t 电路拓扑图。3 7 图4 1 l 太阳能电池的b u c k b o o s t 电路拓扑图。3 8 图4 1 2 太阳能电池的c u k 电路拓扑图3 8 图4 1 3d c d c 及m p p t 电路图。3 9 图4 1 4d c d c 及m p p t 软件流程图。4 0 图4 1 5 蓄电池充放电控制电路。4 l 图5 1 以太网控制器框图4 2 图5 2 以太网控制器功能模块图4 3 图5 3 以太网帧4 3 图5 4 以太网电路原理图4 4 图5 5r s - 4 8 5 模块电路原理图4 4 图5 6g c o s i l 的任务状态转换图4 6 图5 7 嵌入式t c p i p 协议栈的框架图4 7 图5 8 嵌入式t c p i p 协议栈的流程4 8 图5 9 系统任务关系图4 9 图5 1 0r s _ 4 8 5 数据在t c p i p 报文中的封装4 9 图5 1 lt c p & u d p 软件示意图5 0 图6 1 采集板和太阳能电池板5 2 图6 2 太阳光采集板5 2 图6 3 步进电机驱动机械装置5 3 图6 4 系统电源箱5 3 图6 5s k y m a p 的南京地区配置一5 4 图6 6s l ( ) r m a p 的测量时间配置5 4 图6 7 太阳方位角跟踪测试图5 5 图6 8 太阳高度角跟踪测试图5 6 基丁太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用 表清单 表2 1r s - 4 8 5 请求帧格式1 4 表2 2r s - 4 8 5 回应帧格式1 4 表3 18 6 h 系列步进电机型号数据2 4 表3 2q 2 - b y g 8 0 4 a 驱动器功能描述。2 8 表6 1 本文测量太阳方位角和高度角与s k y m a p 比较5 5 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 ， 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 发展光伏发电产业的紧迫性 近年来由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重，清洁的可再生的太阳能越来越 受到人们的重视，同时太阳能的光电转换技术也不断发展至可大规模应用的水平。全世界一 年所用的各种能量之和只有到达地球表面的太阳能的数万分之一。利用太阳能的潜力是十分 大的。太阳辐射能与煤炭，石油，核能相比较，有如下的优点：1 普遍性；2 无害性；3 长 久性：4 巨大性【1 - 2 1 。 另一方面，经过几十年的发展，单晶硅光伏电池效率己达2 3 7 ，多晶硅电池效率突破 1 9 8 ，光伏电池成本的大大降低，为其大规模生产应用并最终取代化石能源提供了可能性。 新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能作为一种清 洁、高效和永不衰竭的新能源，在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续 发展战略的重要内容【3 一钉。 化石能源资源的有限性和环境保护压力的增加，使得世界上许多国家加强了对绿色能源 和可再生能源技术发展的大力支持。当今世界各国，特别是发达国家对于太阳能光伏发电十 分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。2 0 世纪8 0 年代以来，即便是在世界经济从 总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以1 0 1 5 的递增速度在发 展。9 0 年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。目前，太阳 能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的8 0 。 今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。据资料 预测显示，到2 0 1 0 年，全世界光伏产业将累计达至j j l 4 1 5 g w 。预计到2 0 5 0 年，太阳能光伏发 电在发电总量中将占1 3 1 5 ，到2 1 0 0 年将约占6 4 ，这表明世界光伏产业发展有着巨大 的发展空间。从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力 市场5 1 0 1 。 1 2 太阳能路灯的介绍及实现 1 2 1 太阳能路灯的介绍 路灯能给我们夜晚的生活带来光明。现在美观的路灯把城市的夜晚装点得多姿多彩。但 路灯是一个耗电大户，据建设部统计数字显示，目前我国城市照明( 包括道路照明和景观照 明) 的年用电量约占全国总发电量的4 5 ，这已超过三峡水电站发电量。随着我国相关 法规和政策的出台，太阳能产品开始进入了我们的生活，如太阳能交通指示牌，太阳能热水 器，照明行业中的各种太阳能道路灯、庭院灯、草坪灯、景观灯、工艺灯等。太阳能道路照 基于太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用 明灯不用专人管理和控制，可方便地安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道 和高速公路等任何地方，它不消耗常规电力能源，节能又环保【1 1 d3 1 。 太阳能路灯系统由太阳能电池组件、蓄电池组、智能控制器、高效节能直流灯、灯架、 安装材料等组成。系统的大致工作原理是：在智能控制器的控制下，白天太阳电池组件为蓄 电池组充电，晚上蓄电池组提供电能给直流灯负载。直流控制器能够在任何条件下( 阳光充 足或长期阴雨天) 确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏，同时可以具备光控、时控、声控、 温度补偿及防雷、反极性保护等功能。 控制器一般采用先进的无触点控制技术，先进的光控功能可以实现晚上自动点亮，白天 自动关灯，也可以实现光控开灯、定时关灯，而且具有夜间自动切换负载的功能。其组成原 理如图1 1 所示。 图1 1 太阳能路灯原理图 由于国内路灯大都由市电供电，且无法普及到边地区，比如高速公路，沙漠荒原等地区， 因此，采用自动控制的太阳能路灯系统显得尤为重要。特别是对我国广大南方地区，光照条 件充分，太阳能路灯将会有广阔的发展前景。 1 2 2 太阳能路灯的实现 本文为了实现基于太阳能的嵌入式路灯系统，采用l m 3 s 8 9 6 2 作为主机控制器，单片机 s t c l 2 c 2 0 5 2 a d 作为从机控制器，设计驱动电路控制步进电机自动跟踪太阳光直射方向来提 高光伏电池的效率，并采用使用了数字p i d 算法和步进式的扰动量观察算法来寻找太阳电池 阵列的最大功率点，使系统在任何温度和日照条件下都能获得太阳电池的最大功率。在此基 础上，主机控制器拟采用r s 4 8 5 总线控制从机控制器，来实现路灯的分组控制，以及单个 路灯的发光二极管的控制。因此能够实现根据天气条件的不同控制部分的路灯在夜间( 或能 见度低的天气) 发光，并可精确控制到每个路灯发光的明暗程度。 系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位，它主要对主回路进行控制，保证m p p t 算法有效实现，使d c d c 变换保持恒压输出，且与l c d 的人机接口通信。它还在对蓄电池 充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪，使得蓄电池的充电 可以得到最大功率的恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费。其次，单片机控制的恒压 电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。从机系统结构框图如图1 2 所示。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 i a 仍 s t c l 2 c 2 0 5 2 a d i上i 上 l 太阳能步进电机d c ，d c蓄电池充放电 l 采光器驱动电路m p p t托! 镥电g , i - l t上上37 上 i 光伏电池 步步 蓄 蓄路 i 进进 l 乜 i 乜 电 电 池 池灯 秽l耄l 1 n 12 图1 2 从机系统结构框图 系统整体网络拓扑如图1 3 所示。整个系统以l m 3 s 8 9 6 2 处理器作为主机控制器，以单片 机s t c l 2 c 2 0 5 2 a d 作为从机控制器对d c d c 、m p p t 、蓄电池组充放电进行控制，采用最大 功率点的跟踪，使光伏电池工作在最佳状态，实际转换率由1 0 提高到2 0 。系统通过自动 跟踪测试，达到预期的性能指标，控制精度高。它的制作简单、成本低、实用性强，这对于 我国广阔的太阳能资源丰富地区，有着非常广阔的应用前景。 从村l l从射l 2扶机3, a 和l 4从机5 。 图1 3 系统整体网络拓扑图 为了更好利用自然资源，本系统采用蓄电池组自动充放电的切换装置，能够实现根据光 照和风能的不同，日照条件好为更多蓄电池充电，日照条件差为少些蓄电池充电，晚上蓄电 池为路灯供电，这些判断条件可由采集的电压电流而计算出的功率得出，并可扩充无限通信、 以太网等多功能协议的执行来扩展通信模块，从而真正地实现太阳能路灯的智能跟踪太阳， 最人功率点的搜索，蓄电池组充放电控制，远程网络控制，无线通信等功能。 3 基于太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用 1 3 本课题的主要工作及创新点 1 3 1 课题的主要工作 本文为了设计出一套太阳能电池自动跟踪控制系统，首先需要设计传感器和转动机械装 置，根据所采集的太阳光的变化条件使光伏电池始终跟踪太阳光的方向；其次为了使得光伏 电池的输出电压与机械装置的工作电压能够匹配，以及为蓄电池组进行充电，设计出d c d c 电压恒压变换器；为了得到太阳能电池的最大输出功率点，更好利用太阳能，利用步进式扰 动观察算法，设计出太阳能电池的m p p t 功率适配器；为了满足不同气候条件下充分吸收太 阳能，以及在连续阴雨条件下有充足的蓄电池电能为路灯供电，系统采用蓄电池作为辅助电 源，并设计出自动对蓄电池组进行充放电的切换装置；为了满足通信接口以及参数修正等功 能，整个系统以l m 3 s 8 9 6 2 为主机，对多个从机( s t c l 2 c 2 0 5 2 a d ) 通过4 8 5 总线进行分组控 制的通信：为了满足能够与p c 机通信的要求，系统移植了嵌入式t c p d p 协议，并实现了 e t h e m e t 4 8 5 协议转换，使得p c 机通过以太网控制主机和从机。 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 设计太阳能跟踪传感器电路，达到实时、精确、稳定地获得太阳光线的变化的效果； 2 应用m a t l a b 建立系统仿真模型，选择适应数字式步进电机驱动控制器设计要求的 控制方法，进行控制律的设计； 3 建立基本的控制算法，利用先进数字p i d 控制技术提高系统的精确性，并实现m p p t 寻找最大功率点； 4 设计蓄电池充放电控制电路，完成光线暗的时候( 夜晚) 让路灯发光，光线强的时 候( 白天) 让蓄电池充电的功能： 5 进行基于s t c l 2 c 2 0 5 2 a d 的数字式步进电机驱动控制器总体设计； 6 实现基于e t h e m 硼r s 4 8 5 总线的嵌入式协议转换； 1 3 2 课题创新点 本课题的主要创新点如下所述。 1 设计利用光敏电阻构成传感电路采集光敏信号；设计基于单片机控制双轴步进电机 的驱动器控制太阳能电池板始终垂直正对太阳，跟着太阳走，达到实时精确。 2 设计d c d c 升降压电路，并通过软硬件实现m p p t 算法，得到太阳能电池工作的最大 功率点；设计蓄电池组充放电控制器，来自动切换各个蓄电池的充放电工作状态。 3 实现基于e t h e m e t 和r s 4 8 5 总线的嵌入式协议转换。通过l m 3 s 8 9 6 2 作为主机，通过 4 8 5 总线控制各个单片机从机：同时，上位机通过以太网控制多个l m 3 s 8 9 6 2 主机。 4 嵌入式开发方法软硬件协同设计方法的应用。嵌入式系统受功能和具体应用环 境的约束，其开发方法不同于一般的通用计算机系统。软硬件协同设计方法可以将软件设计 和硬件设计紧密结合、相互协调。首先将系统分为若干功能部件，分别开发设计，软件硬件 4 ， 南京航空航天人学硕士学位论文 一起调试，在完成各个模块的初步调试后，将模块组合为整个系统，再进行整体功能调试。 改变传统的软硬件分离开发，开发难度大等缺点，最终取得较好的设计效果。 1 4 课题内容安排 本课题具体研究内容和章节安排如下所述。 第一章首先概括了发展光伏发电产业的紧迫性，以及国内外光伏发电产业的现状及其发 展，接着阐述了太阳能路灯的特点与优势，进一步提出了本课题的工作重点是实现太阳能跟 踪控制技术、太阳能充放电控制技术以及基于e t h e r n e t 和r s - 4 8 5 总线的嵌入式协议转换。 第二章分析整个系统的需求，在此基础上进行平台选型，包括嵌入式处理器l m 3 s 8 9 6 2 和嵌入式操作系统i t c o s i i 的选择，并详细介绍了系统中所用到的以太网、r s 4 8 5 技术特点 以及它们的通信协议。并给出了系统的整体设计，硬件设计包括系统硬件架构图，主、从机 系统硬件架构图，软件设计包括系统软件架构图以及系统软件流程图。 第三章提出了太阳能自动跟踪控制技术。首先对目前国内外的太阳能跟踪器进行了介 绍，接着提出了基于光敏电阻传感器设计结构及原理，并设计了基于单片机控制双轴步进电 机的驱动电路。本章重点介绍了步进电机的原理及控制律的设计，同时介绍了大功率步进电 机驱动器，最后给出了自动跟踪模块的实现以及原理示意图。 第四章详细描述了太阳能充放电控制技术。采用内置a d 转换接口、m o s f e t 场效应管、 p w m 脉冲调制技术，设计出d c d c 升降压电路。并采用了改进的步进式扰动观察算法来寻 找太阳电池阵列的最大功率点( m p p t ) ，使系统在任何温度和日照条件下都能获得太阳电 池的最大功率。接着设计了蓄电池组充放电控制电路，使得各个蓄电池在充放电之间合理切 换。 第五章实现了系统通信接口及协议转换。l m 3 s 8 9 6 2 主机通过r s - 4 8 5 通信协议控制从 机，实现了基于e t h e m e t 和r s - 4 8 5 总线的嵌入式协议转换，完成了基于i _ t c o s i i 操作系统的 任务划分，裁减了嵌入式t c p i p 协议栈，完成以太网接口的硬件设计和软件初始化函数、数 据收发函数等。 第六章系统调试与问题解决，主要测试了自动跟踪控制核心模块的的角度误差率、充放 电控制模块的功率提高率，测试结果很好的证明了本系统的稳定性和可靠性。 第七章对全文做了总结，并对未来需进一步研究的工作做了展望。 5 基丁太阳能的嵌入式路灯控制系统的研究与应用 第二章需求分析与整体设计 2 1 系统需求分析 2 1 1 功能需求 系统是由主机通过r s 4 8 5 总线实时控制从机，主要来实现对所有路灯的分组控制功能， 使得不同的光线条件控制哪些路灯发光，发多大程度的光。从机系统主要负责实时跟踪太阳， 并采集太阳能转换为电能，并对蓄电池充放电的一系列功能。下面提出分别提出从机、主机 的功能需求。 从机部分，设计基于单片机、驱动芯片和步进电机组成的驱动系统，自动跟踪太阳光直 射方向来提高光伏电池的效率，将跟踪精度精确到l 度以内；采用改进的步进式扰动观察算 法来寻找太阳电池阵列的最大功率点( m p p t ) ，使系统在任何温度和日照条件下都能获得 太阳电池的最大功率，将太阳能电池的利用效率提高到2 0 。 主机部分，设计利用a r m 体系结构的嵌入式控制器，通过r s 4 8 5 总线控制多个从机单 片机，以此来实现对各个路灯的分组控制和对单个路灯实现精确的发光二极管控制。上位机 通过以太网控制各个主机，来精确控制所有从机，使得上位机发出的控制路灯、系统参数配 置等命令能够被正确执行。 2 1 2 太阳能跟踪器技术要点 1 发电组件规格( m m ) 1 0 0 0 x 1 0 0 0 x 1 0 。 2 发电组件重量( k g ) 1 2 。 3 跟踪范围：方位角0 度( 东) _ 2 2 0 度( 西) ， 俯仰角0 度( 俯) 一l o o 度( 仰) 。 6 4 跟踪精度：士o - 3 度一1 0 度。 5 使用寿命： 2 0 年。 6 工作电压：直流1 2 v - 2 4 v 7 自耗功率：小于7 w ( 含执行机构的功率消耗) 。 8 最大驱动功率：在2 4 伏供电时小于5 0 w 。 9 驱动方式：支持驱动步进电机，直流有刷电机、交流电机。 l o 有效日照时间内全程自动跟踪控制。 1 1 适用于各种天气情况，自动识别天气状况，具有大风放平自动保护。 1 2 具有抗干扰能力( 如闪电、信号弹和不确定信号干扰) 。 1 3 自动复位初始设定位置。 南京航空航大大学硕士学位论文 1 4 自动监控跟踪运行状态，具有自行学习和记忆功能。 1 5 输出具有过流保护功能，并有自锁。 1 6 具有通信接口，可与计算机连接。 1 7 具有修正参数功能，根据需要能修改设定的参数。 2 2 嵌入式处理器选型 2 2 1 嵌入式处理器分类 嵌入式处理器主要有4 类1 1 4 。16 1 ，具体如下所述。 l - 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o c o m p u t e ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用处理器。由于嵌入式系统通常应用于比较恶劣的环境 中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处 理器高。但是，嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌 入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主 板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。嵌入式微处理器目前主要有a t m e l 8 6 8 8 、 3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、a r m