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智能太阳能路灯控制器毕业论文目录摘要IVAbstractV前言1一、太阳能路灯控制器的介绍21.1 太阳能路灯的发展趋势21.2 太阳能路灯控制器的发展现状21.3 太阳能路灯控制器的发展趋势3二、太阳能路灯的设计42.1 太阳能路灯硬件设计42.2 太阳能路灯位置跟踪装置的设计42.3 太阳能路灯行人检测装置的设计52.4 太阳能路灯控制器电路的设计5三、太阳能路灯硬件的设计63.1 太阳能路灯的硬件组成63.2 LED工作原理与电路设计63.3 太阳能电池与蓄电池的选择73.4 单片机的选择83.5 A/D转换器的选择105.5.2 ADC0808简介10四、太阳能路灯的电路设计134.1 蓄电池充电电路134.2 单片机电源电路154.3 蓄电池过放保护电路164.4 LED阵列驱动电路164.5 步进电动机驱动电源电路17五、太阳位置追踪装置的设计205.1太阳运行规律215.2 太阳运行轨迹跟踪方式225.2.1 视日运动轨迹跟踪225.2.2 光电跟踪235.2.3 视日轨迹跟踪与光电跟踪结合255.3 太阳位置检测传感器265.3.1 方位检测传感器的选择275.3.2 太阳方位检测电路295.4 太阳光光强检测模块305.4.1 硅光电池的选择305.4.2 光电检测电路325.5 数据采集335.6 机械追踪部分的设计与选择335.6.1 蜗轮蜗杆的选择与计算345.6.2 联轴器的选择与计算365.6.3步进电动机的选择38六、行人检测装置的设计406.1 热释电效应及热释电传感器406.2 菲涅尔透镜的选择426.3 热释电传感器的输出信号特性426.4热释电传感器的噪声分析436.5 LM324的介绍436.6热释电传感器放大电路的设计与分析43七、控制器程序设计467.1 Keil C51软件的介绍467.2 程序流程的设计467.3 子程序的编写487.3.1 定时器定时（中断）程序487.3.2 外部中断程序497.3.3 步进电机驱动程序507.3.4 延时程序53八、总结与期望55参 考 文 献57致 谢58附录59附录73附录74附录75附录76附录77智能太阳能路灯控制器设计一、太阳能路灯控制器的介绍太阳能控制器应用于太阳能光伏系统中，它全称太阳能充放电控制器，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统中非常重要的组件。它能够起到保障整个太阳能光伏系统高效，安全的运作的作用。而太阳能路灯控制器则是应用与太阳能路灯的一类太阳能控制器，协调太阳能电池板、蓄电池以及LED的工作。1.1 太阳能路灯的发展趋势太阳能路灯是以太阳光为能源，白天太阳电池板给蓄电池充电，夜晚，蓄电池驱动LED照明。太阳能路灯现阶段的造价要比传统的路灯造价高上20%以上，但是太阳能路灯的日后的总费用可以和传统路灯的费用拉平，太阳能路灯之所以不能够普及还存在以下两点困难：一、蓄电池需要定期更换；二、太阳能路灯的结构与传统的太阳能路灯不同，一般的电工不会修理，维修困难。但是相对于传统路灯来说，太阳能路灯无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费。就是因为太阳能路灯有上述的优点，目前也得到了一定范围内的推广，目前已经初步应用于校园、家庭等。但是也因为太阳光的密度比较分散，所以太阳能路灯在原有的基础上，添加风能组成新型的路灯，利用风能与太阳光能互补，这样就可以减小蓄电池的容量，并且可以在一定程度上可以解决连续阴雨天气对太阳能路灯的影响。还有一种方式就是，太阳能路灯采用双模供电（市电蓄电池）的方式进行供电，若是采取这样的解决方式，太阳能路灯的铺设费用就急剧增加。但是，这样可以做为一种改进传统路灯的方法，利用原有的管线设备，增加太阳能路灯的基础器件进行改进，以降低路灯损耗。太阳能路灯发展到现在，太阳能的利用并不高，所以太阳能路灯争先开始研制太阳能路灯控制器，以达到节省能源等作用。1.2 太阳能路灯控制器的发展现状目前的太阳能路灯一般都具有以下功能：过载保护、短路保护、雷电保护、欠压保护（过放保护）、负载开机复位设置等。由于LED自身的特性，要求太阳能路灯控制器可以保障电路的恒流输出，常用的方法是外接一个恒流电流源，但是这恒流电流源带来了额外的功率损耗。因为太阳能路灯，电池板与负载的工作时段的问题，所以要求太阳能路灯控制器需要有一定控制时段输出的功能。一般情况下，路上行人的数量与时间有很大的关系，所以对控制器要求具有一定的功率调节功能，即行人多的时段开启大功率模式，而行人少的时间段开启节能模式。这样即节省了能源的消耗，在一定程度也提高了蓄电池的寿命。1.3 太阳能路灯控制器的发展趋势目前，传统的太阳能路灯控制器在一定程度上是提高太阳能路灯组件的使用寿命与能源的使用效率。在提高太阳能路灯组件寿命上，蓄电池的使用寿命有限，并且相对较贵，所以需要采用更加有效的方式对蓄电池进行保护，在充电电路与放电路上就需要更多的处理研究。如何更加合理且有效的节省能源也是目前的一个重要的发展趋势，因为太阳光的分布密度较小，且太阳光的光强且受环境的因素的影响比较大，所以转换的能源需要更加合理的分配与利用。在目前节省能源方面上，在程序定时调节功率的方法，但是此类方法虽然可靠，也节约了很大部分的能源，但是其灵活程度比较差。今后，这一问题必将使用传感器与微型处理系统代替，以适应多样变化的工作环境。由于太阳能电池板受现阶段技术的限制，其转换效率无法得到很大程度的提高，所以，太阳能控制器的另一个大的发展方向必定为如何提高太阳能的转换效率方面。现阶段的大型的太阳能发电装置采用了一种太阳能跟踪装置以提高太阳能转换效率，而太阳能路灯上却没有应用这一技术，很大程度上受限与太阳能电池板的转换效率，跟踪装置的能量损耗无法由所提高的转换效率带来能量所抵消。这样也就是说太阳能路灯控制的发展也受制与太阳能电池板的技术发展，但是这一切并不能够限制它的发展趋势，太阳能路灯控制器的发展也将在一定程度上促进太阳能电池技术的发展。二、太阳能路灯的设计太阳能路灯主要是由太阳能路灯主体、控制器、太阳位置跟踪装置组成。细致划分分为太阳能路灯硬件、太阳能路灯太阳位置跟踪装置、太阳能路灯行人检测、太阳能路灯控制器电路四个部分。图2.1为太阳能路灯系统的框图，以下简单简述其设计及其功能。市电行人检测装置太阳光检测装置太阳能光伏阵列AC-DC转换电路蓄电池充电装置AT89C522蓄电池驱动装置电机驱动装置LED阵列图2.1 太阳能路灯系统框图2.1 太阳能路灯硬件设计此次设计是基于单片机的程序可控的太阳能路灯，本次采用AT89C52单片机为控制元，单片机接受经过A/D转换之后光电传感器的信号，将此时的太阳光强与系统设计最小跟踪阈值比较，当小于该阈值时，追日装置保持原位，当太阳光强度高于这一阈值时，单片机开始处理四象限光电探头的信号，判断太阳位置，整个追日系统开始运作，调整太阳能电池板的位置。在夜间的时候。太阳光的光照度在低于一定阈值时，光电传感器的输出信号微弱，甚至没有，这时候，判断是否在路灯的工作时间，热释电红外传感器开始运作，检测行人控制点亮LED点数。2.2 太阳能路灯位置跟踪装置的设计太阳能位置跟踪装置采用视日跟踪与光电跟踪结合的方式，系统通过控制单元处理通过AD转换之后光电传感器检测的太阳光光强度信号，同处理器的设定阈值比较，判断此刻天气情况是否适合追踪太阳，如果光照度适合，则A/D转换器与处理器转换与处理四象限光电传感器的信号，发出控制信号，控制步进电机运转，调整太阳能电池板的主光轴，使其同太阳光线平行即太阳能电池板所在平面垂直于太阳光线。2.3 太阳能路灯行人检测装置的设计该设计采用基于热释电效应的热释电红外传感器作为探测元件，但因热释电红外传感器的探测距离较短，需配套菲涅尔头透镜使用以增加其探测距离。菲涅尔透镜将其安装在路灯灯柱沿路方向布置，菲涅尔透镜采用单区多端垂直感应式布置，只能探测到路灯一侧，故采用两组热释电红外传感器和菲涅尔透镜组合以检测来自路灯两侧的行人。太阳能路灯行人检测装置共用太阳能位置跟踪装置中的光电传感器，判断光强是否接通整个放大电路与传感器供电电路的电源。放大电路采用低噪声、高增益、内部频率补偿的运算放大器LM324组成的带通滤波两级放大双限比较电路。2.4 太阳能路灯控制器电路的设计整个太阳能控制器的电路部分主要由以下几部分构成：蓄电池充电电路（防过充）、蓄电池放电电路（防止过放）、单片机电源电路、热释电红外传感器放大电路、单片机基本电路、A/D转换器基本电路、四象限光电传感器放大电路、光电池光电传感器放大电路、步进电动机驱动电路、整流电路组成。单片机电源电路调整蓄电池电压以达到单片机的工作电压，并且提供各个放大电路运作、A/D转换器与热释电红外传感器工作；充电电路与放电电路主要提高蓄电池的使用寿命，当蓄电池的电压低于所标定的最低电压时，蓄电池放电电路断开，转入市电电路。三、太阳能路灯硬件的设计3.1 太阳能路灯的硬件组成太阳能路灯系统只要由电池组件、LED灯具、灯杆、太阳位置跟踪装置和控制箱（内有充电器、控制器、行人检测装置、）五部分组成。本文为基于大功率LED路灯（功率大于30W）选择整体路灯的功率大约为35W。整个系统采用的是双模电源供电。整个系统由蓄电池充电电路（防过充）、蓄电池放电电路（放过放）、太阳位置检测电路、行人检测电路、AC-DC转换电路、LED驱动电路、步进电动机驱动电路组成。3.2 LED工作原理与电路设计LED为半导体发光器件，是在电场的作用下，高能电子与空穴相复合，并且释放一定的能量，即致激发载流子由低能级跃迁到高能级，而高能级的电子不稳定，总要回到稳定的低能级，这样当电子由高能级向低能级跃迁时放出光子，致使半导体发光。本设计选用的是晶科电子公司制造的30颗型号ESG-D8N8的白光LED（自然白4000K）。从图3.1中可以得知当正向电压超过2.75V之后，稍微改变顺向电压，通过LED的电流就有很大的改变。为了得到预期的亮度，并且避免正向电流超过LED的最高额定电流，因此采用电流驱动方式为LED的驱动方式。图3.1 LED电压与电流的关系LED阵列采用5行六列的形式，如图3.2所示。三十个LED均采用同一公司同一批次的产品，所以可以认为每一颗LED的特性是一致的流过每一个LED的电流均为350mA（该LED的典型工作电流）。系统照明功率为35W左右，光通量在2400Lm至2700Lm。图3.2 LED阵列3.3 太阳能电池与蓄电池的选择本设计的太阳能路灯是根据行人距离路灯的远近，调整LED点数，在无行人的情况时仅点亮中间的两列LED，在有行人进入红外线热释传感器的探测范围时，点亮探测方向外围的两列LED，并且经过一定的时间延时关闭外围LED，从而达到节省能源的目的。假设每天LED阵列的消耗为15颗LED以350mA的工作电流工作9个小时，路灯功耗约为31.5W。考虑连续阴雨天气，初步设计蓄电池充满电保证LED阵列工作三天。LED发光阵列的工作电压为15V，总功率为31.5W，因此LED发光阵列日耗电量为31.5/15*9=18.9AH。全国峰值日照时数在2.8至5.5，普遍分布与3至4，本次选取峰值日照时数为3.5，假设两个连续阴雨天气间隔不小于16天。所需太阳能组件总充电电流为1.05*18.9*（16+3）/16/（3.8*0.85）=7.296A。其中1.05为太阳能组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。太阳能电池的最小功率为7.296*15=109.44W，综合选用120W的SN-S120W的太阳能电池板。参数如图3.3图3.3 SN-S120W参数对于蓄电池采用最常用的12V蓄电池，综上可以31.5/12*9=23.625（AH），在蓄电池满电的情况下保证工作连续三个阴雨天，因而蓄电池的容量为23.628*（3+12）=94.5（AH）。初步选用赛特12V100AH蓄电池，基本参数如图3.4图3.4 赛特12V100AH蓄电池参数3.4 单片机的选择本设计是基于单片机控制的控制器设计，初步计算输入端子，输出端子，由于本次采用外接A/D转化器及LM324也可以用作比较器所以选择简单的80系列的单片机，采用ATMEL公司的AT89C52单片机。AT8952 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。AT89C52单片机主要性能如下：1、与MCS-51单片机产品兼容；2、8K字节在系统可编程Flash存储器；3、1000次擦写周期；4、全静态操作：0Hz-33MHz；5、三级加密程序存储器；6、32个可编程I/O口线；7、三个16位定时器/计数器；8、六个中断源；9、全双工UART串行通道；10、低功耗空闲和掉电模式；11、掉电后中断可唤醒；12、看门狗定时器；13、双数据指针；14、掉电标识符 。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。本次采用的是DIP封装的AT89C52单片机，图3.4为DIP封装的AT89C52单片机外观图3.5。图3.5 AT89C52单片机管脚示意图管脚序号逆时针布置依次为P1（18）口；复位端口RST（9）；P3（1017）口；XTAL2（18）振荡器反相放大器的输出端；XTAL1（19）振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端；GND（20）电源地；P2(2128)口；PSEN（29）程序储存允许，输出是外部程序存储器的读选通信号；ALE/PROG（30）当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，PROG为编程脉冲；EA/VPP（31）外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）；P0（3239）口；VCC（40）电源+5V。3.5 A/D转换器的选择本次课题对于传感器数据的实时转换与处理要求不高，仅用的数据处理为比较处理，并且传感器的输出微弱信号经过放大之后的电压值为0-5V，由表3.1可知8位，满度值为5V的AD转换器的LSB为19.5mV，本次初步选用的AD转换器为ADC0808，其最大误差为12 LSB，即1219.5mV。综合ADC0808的性能，完全符合于本系统的要求。表3.1 AD转换器的分辨率（满度值为5V）位数级数1LSB（满度值的百分数）1LSB（5V满度）82560.195%19.5mV1240960.0122%1.22 mV16655360.00075%0.075 mV2010485760.0000475%7.75V24167772160.0000030%0.30V5.5.2 ADC0808简介ADC0808为COMS器件，它拥有一个8位的逐次逼近型的ADC部分，并且可以提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换。如图3.6所示，则为ADC0808内部结构框图，可以很直观的看出ADC0808内部包括一个多通路选择开关，一个地址锁存器和译码器，逐渐逼近寄存器和八位锁存和三态门数字输出。1）IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。2）D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位3）：ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表3.2所示。图3.6 ADC0808内部结构框图4）：VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。图3.7 ADC0808管脚图（ADC0808与ADC0809一致）5）：ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。表3.2 通道选择地址码对应的输入通道23（ADD A）24（ADD B）25（ADD C）000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN76）：STARTA/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。7）：EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。8）：）OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。四、太阳能路灯的电路设计太阳能路灯的电路主要由蓄电池充电电路、蓄电池放电电路、单片机及传感器电源电路、热释电红外传感器放大电路、光电传感器放大电路、LED驱动电路、双轴跟踪系统驱动电路。热释电红外传感器放大电路与光电传感器放大电路由后续章节分析。4.1 蓄电池充电电路蓄电池的充电电路在一定程度上可以决定蓄电池的使用寿命，正确的充电方式与适当的过冲保护可以减小充电过程中对蓄电池的伤害。由上文所选择的太阳能电池板的最大工作电压为18V，蓄电池的额定电压为12V，初步选择以UC3906集成开关元件的充电电路。图4.1即为UC3906的引脚封装图。图4.1 UC3906的引脚封装图下面对各个管脚的功能简单介绍：C/S OUT（1）：充电电流控制环路的充电电流检测放大器的输出端；C/S -（2）：充电电流检测放大器的充电电流检测反相信号输入端；C/S+（3）：充电电流检测放大器的充电电流检测同相信号输入端； C/L（4）：充电电流限流放大器的反相检测信号输入端；+Vin（5）：UC3906的供电输入端；GROUND（6）：UC3906的接地端；POWER/INDICATE（7）：充电器电路的电源指示端；OVER-CHARGE/TERMINATE（8）：电池过充电终止控制信号输入端；OVER-CHARGE/INDICATE（9）：电池过充电指示控制信号输出端；STATE LEVEL CONTROL（10）：电池充电状态电平控制信号输出；TRICKLE BIAS（11）：充电使能比较器的输出涓流充电偏置控制信号输出端；CHARGE ENABLE（12）：充电使能比较器的控制信号输入端；VOLTACE SENSE（13）：充电电压控制环路的充电电压检测放大器的控制信号输入；COMPESATION（14）：补偿元件接入端；DRIVER SOURAC（15）：驱动放大器的发射极输出端；DRIVER SINK（16）：驱动放大器的集电极输出端。UC3906是美国TI公司专门针对铅酸蓄电池充电设计的，它能提供电池的三种充电逻辑状态（大电流充电、可控过充电和浮充电）控制，能够使充电电路的电压随电池温度电压系数变化而变化，从而使蓄电池在很宽的温度范围内都可以处于最佳工作状态，可以分别对充电电流、充电电压进行控制，电路静态功耗低，能提供实现密封其实蓄电池最佳充电所需的控制和检测功能。以UC3906为基础的太阳能电池板蓄电池充电电路如图4.2。图4.2 太阳能电池板蓄电池充电电路充电电路输入电压VIN=18V；浮充电压VF=13.8V；过充电压VOC=15V；充电电流IMAX=500mA；过充电流IOCT=50mA；选择分流电流ID=100uA。RS=0.5；R1=68.1K；R2=22.6K；R3=47K；R4=348K；RD=1.2K；RR=40。图中的二极管是采用二极管的单向导通的特性，防止当蓄电池充满之后电流回流，以破坏充电电路 。当输入电压18V输入电路时，Q1导通，开始恒流充电，充电电流为500mA，电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压VOC的95（即14.25V）时，电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流（IOCT）时，UC3906的脚10输出高电平，蓄电池自动转入浮充状态。IOCT=IMAX/10RS=0.25V/IMAX4.2 单片机电源电路由上文可知，单片机及各个传感器需要+5V的驱动电压，所以需要对蓄电池的电压进行调整，以达到适合单片机的使用要求。所以选用7805型三端稳压集成块，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。7805构成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。78xx系类稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电高34V。还要考虑输出与输入电压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。如果7V的电压要想输出5V，则需要使用低压差的稳压集成块。7805的TO-220封装如图4.3。图4.3 7805的TO-220封装图如图4.4，即以7805构成的稳压电源，图中C1与C2为滤波电容，RL为负载电阻。图4.4 单片机电源电路4.3 蓄电池过放保护电路蓄电池的过放保护是但蓄电池持续放电，当蓄电池的电压低于10.4V时，单片机控制自动切断蓄电池负载电路，以达到保护蓄电池，延长使用寿命的目的。采用LM324（行人检测装置详细介绍）作为比较器，同向输入端采用2.5V的基准电压作为输入，反向输入端是利用电阻的分压特性，当蓄电池的电压小于10.4V时，反向输入端的电压值即小于2.5V，比较器LM324输出信号，单片机发出切断蓄电池负载电路并转入市电电路。如图4.5所示，R2与RV1构成的分压电路为比较器的反向输入信号。图4.5 过放保护电路4.4 LED阵列驱动电路上文介绍到，LED的电压与电流的关系曲线，当电压超过3V的时候，通过LED的电流极具增加，所以对于LED阵列的驱动方式采用恒流驱动的方式，本次采用MC7105作为驱动元件，是专门为LED装置而设计的驱动IC。在低电压应用中只需要五颗外部元件就可以正常工作输入电压从4V变化到40V，LED串的总正向电压（在理想电流下）比供应电压最小的情况下还小1.6V。本次采用三块AMC7105驱动三路LED，每一路的参数可以认为是一致的。C1、C2与C3是滤波电容；C4、C5与C6是定时电容，决定AMC7105的开关管工作频率；D1、D2与D3是快速开关二极管，采用的是肖特级二极管DF，这是因为高的反向电流将会导致电压通过R下降高达300mV，这样将导致开关在刚刚导管就迅速的截止；L1、L2与L3为电容，其作用是稳定输出电流；R1、R2与R3是限流电阻，其大小取决于输出每路的平均电流Im与纹波电流Iw的大小。LED阵列驱动电路图如图4.6所示，各个参数的计算如下：R=330mV/(Im+0.5Iw)每路的平均电流Im=700mA；纹波电流Iw不大于100Ma,则R=0.44。图4.6 LED阵列驱动电路4.5 步进电动机驱动电源电路为了降低蓄电池的损耗，提高蓄电池的使用寿命，对于追日装置的步进驱动部分选用市电驱动。因为步进电动机的驱动电压为直流30V，这就需要对交流电进行处理，具体过程如图4.7所示。将交流电变为可供直流负载使用的直流电需要以下四个过程：整流变压、整流电路、滤波器、稳压环节。由图可以看的出，正弦波形的电压经过整流变压器调幅，调整为需要的电压幅值。调整过的交流电通过整流电路，变为单向的脉动电压，在通过滤波器，进一步改善电压的脉动情况，最后通过稳压环节，将其变为真的直流电源。图4.7 直流电源的原理方框图对于整流电路，选用常见的单相桥式整流电路，以提高电源的使用效率并且降低整流电压的脉动。由于本次采用了稳压二极管的稳压电路，所以交流负载经整流滤波后的电压U1=90V。变压器二次电压的有效值为U=U1/0.9=100V考虑到变压器二次绕组及管子上的电压降，变压器的二次电压大约要高出10%，即100X1.1=110V，所以变压器的变比K则为220/110=2。而URM=2110V=156V因此可以选用 2CZ52D二极管，其最大整流电流为100mA，方向工作峰值电压为200V。整流电路虽然可以把交流电转换为直流电，但是所得到的输出电压是单向的脉动电压。在某些设备（例如电镀、蓄电池充电设备）中，这种电压的脉动是允许的。但是在绝大部分电子设备中，整流电路都需要添加滤波器，以改善输出电压的脉动程度，本次选用电容滤波器，利用电容的充、放电，以改善输出电压U0的脉动程度。由于选用的电压为市电，所电压频率f=50Hz，交流负载经整流滤波后的电压U1=90V，负载电阻大约为RL=4.5 K，根据RLC=5T2，所以RLC=51/502=0.05s已知RL=4.5 K，所以C=0.05/RL=0.05/4500=11uF则选用C=20 uF，耐压为90V的极性电容。由于交流电源电压的波动和负载电流的变化，引起了电压的不稳定，为了消除电压不稳定对系统的影响，所以需要采取稳压处理。本次采用稳压二极管的稳压电路，对于选择稳压二极管时，一般取UZ=U0IZM=(1.53)IOMU1=(23)U0式中，UZ为稳压二极管的压降；U0为整个稳压电路的开路电压；IZM为稳压二极管的最大稳压电流；IOM为最大负载电流；U1为交流负载经整流滤波后的电压。由于工作电压要求为30V，则UZ= U0=30V，所以初步选用的稳压二极管为IN4751A，其稳定电压UZ为30V，稳定电流为8.5mA，最大稳定电流IZM为30mA，所以IOM=(1020)mA，则负载电阻RL=(1.53)K=2 K，则IOM=15mA。由于U1=(23)U0，则选择U1=90V。由此可以初步估算出负载电阻R=2.5 K。则直流电源的电路图如图4.8所示。图4.8 直流电源的电路图五、太阳位置追踪装置的设计太阳能是一种低密度、间歇性且空间不断变化的能源，这些特性就对如何更好的利用太阳能提出了更多的要求。目前的太阳能装置都在追求如何最大限度的提高太阳能利用率，并且这一问题仍是国内外学着研究的热点。普遍解决这一问题从一下两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转化率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于对能量转换装置材料及工艺的研究，这一问题还有待研究，但是后者可以利用现有的技术实现。太阳跟踪系统在一定程度上为解决这一问题提供了可能。图5.1则为硅光电池的光电特性曲线，由图可以看出，硅光电池的开路电压在光照度小于2000lm/m2时，开路电压增幅相当大，并且之后的曲线的斜率仍然大于零，而短路电流与光照度成正比。根据光学的余弦定理（任意表面上的光照度随该法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化，即布给定律），当被光照的表面是理想的漫反射表面时（朗伯辐射表面），则由该表面辐射的光强也服从余弦定律，即朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化I=I0cos图5.1 硅光电池的光电特性曲线式中，I0是理想漫反射表面法线上的光强；I是与法线方向夹角为方向的辐射光强。所以硅光电池平面与太阳光的夹角可以影响硅光电池的接收效率。目前，太阳能跟踪系统中实现跟踪太阳的方法有很多，但无外乎采用以下两种方式，一是光电跟踪方式吗，另外一种是根据太阳的轨迹跟踪（程序追踪），前者为闭环系统，后者是开环程序系统。或是二者的结合。5.1太阳运行规律由于地球的自转和围绕太阳的公转，导致了太阳位置相对与地面静止的物体运动。这种变化是周期性的并且可预测，所以利用周期性这一特性根据可预测预设程序，周期的调用，就可以达到跟踪太阳的目的，下面简要介绍几种标定太阳轨迹的方法：地球极轴与黄道天球极轴存在一个2327的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化，冬至时这个角度为-2327，然后逐渐增大，到春分的时候变为0并且继续增大，到了夏至时，赤纬角达到最大的2327，并且开始逐渐减小，到秋分时，赤纬角又变为0，并且持续减小，直至冬至，这就是太阳的变化周期。赤纬角可以由以下公式近似求的：=23.45sin360284+n365式中，为赤纬角；n为一年中的第几天。在一天之中，赤纬角的变化很小，太阳的位置变化主要原来还是来自地球的自转，一天之中随时间变化而引起的太阳位置的变化可由太阳时角表示，太阳在正午为0，每小时变化15，上午为正，下午为负。因此即：=（12-T）150式中，T代表当地时间。图5.2 极轴坐标与地平坐标跟踪系统图跟踪太阳位置的变化可以使用多种坐标方式，最为常用的为极轴坐标和地平坐标，如图5.2所示。极轴坐标是将太阳能能量转换设备的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故成为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时太阳能设备的能量转换设备所在的平面绕极轴运转，其转动的速度设定与地球自转速度大小和方向相反以跟踪太阳方位角；围绕赤纬轴做俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整，具体赤纬角上文以介绍。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上有一个反射镜，它的质心不能通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。地平坐标系双轴跟踪又称为高度角方位角式太阳跟踪方法，太阳能设备的能量转换部分的方位垂直于地面，另一轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴做俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面，支承结构比较容易。并且根据天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系，以方便程序设定，换算公式如下：太阳高度角H：sinH=sinsin+coscoscos太阳方位角A：sinA=coscos/cosH式中，为观测点的地理纬度；为赤纬角上文可知；为太阳时角上文可知。5.2 太阳运行轨迹跟踪方式目前国内外的太阳运行轨迹跟踪方式有很多，但只要有视日轨迹跟踪和光电跟踪两种方式，下面对上述两种追踪方式进行比较分析，并且提出可行的，能够满足太阳能路灯的跟踪方式。5.2.1 视日运动轨迹跟踪由上文讲述，太阳的运行轨迹周期的并且可以预测，通过计算就可以得到任何地点，任何时间的太阳位置，将其位置参数转换为调整太阳能装置的能量转换装置所在平面的需要运动的参数，就可以实时对日跟踪。虽然这类方式可以适应大部分环境并且能够稳定的跟踪，但是对于控制器要求比较高，需要很高的处理能力和较大的存储空间，算法也比较复杂。根据跟踪装置的轴数，视日运动轨迹跟踪装置可分为单轴和双轴两种。目前大多采用双轴跟踪。单轴跟踪装置一般采用三种方式：倾斜布置东西跟踪、焦线南北水平布置，东西跟踪与焦线东西水平布置，南北跟踪。双轴跟踪方式就可以同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能，双轴跟踪的方式通常有一下两种：极轴式全跟踪和高度角方位角式全跟踪。两者主要是依据上文所讲述的太阳位置标定的两种坐标原理，上文以讲述。5.2.2 光电跟踪光电式跟踪装置一般是使用光敏传感器来测定入射太阳光线和能量转换装置主光轴的偏差。当偏差超过一个设定值时，太阳能能量转换装置的执行机构开始调整其位置，直至使太阳光线与能量转换装置的主光轴重新平行，实现对太阳高度角与方位角的跟踪。光电跟踪具有一定的反馈系统，可以消除系统及环境误差，控制精度准确。在电路方面，其电路比较容易实现。图5.3即为光电跟踪的一般框图，主要有由传感器转换出的模拟信号经过两级放大处理（降噪等）由A/D转换器将，模拟信号转换为数字信号交由处理单元进行处理计算，得出执行机构的控制脉冲等控制信号，经过功率放大等驱动电路带动执行机构运转，调整能量转换装置的主光轴位置，主光轴的位置由位置传感器将信号放大处理交由处理单元处理，进一步反馈，发出反馈脉冲，进一步微调太阳能能量转换装置，提高整个跟踪系统的精确度，这一反馈也使得光电跟踪的跟踪精度叫太阳轨迹跟踪要精确，但是其在机械结构上要求相对与太阳轨迹跟踪要高一些。太阳实际位置光敏传感器执行机构能量转换装置位置检测图5.3 光电跟踪方框图下面介绍一种运用光敏电阻比较式的光电追踪系统，在使用光敏电阻的同时增加了一个一定长度的短筒以增加整个系统的精度，图5.4为比较式光电追踪系统的探测部件外观图，整个探测部分比较简单，设置了一个长度一定的圆筒，圆筒外侧布置了四个光敏电阻P1、P2、P3、P4。其中P1与P3为东西方向布置，用于粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角；另一对光敏电阻P2与P4则是难别方向布置，用于粗略的检测太阳的视高度即高度角。同样，圆筒内部设置了四个光敏电阻P5、P6、P7、P8，其中P5和P7为东西方向布置，用于精确检测太阳由东往西运动的偏转角度；而P6与P8为南北方向布置，精确检测太阳的视高度。图5.4 比较式光电追踪系统探测部件外观图这种跟踪装置对太阳的高度角和方位角同时进行双轴跟踪，内部两组光敏电阻（东西和南北）相互比较，外部的两组光电阻相互比较。假设太阳的高度角不变，即假设圆筒始终在高度方向对准太阳，当太阳光线与探测部件所在平面垂直照射在探测部件上，内外两组光电阻接受的光照强度想通，比较电路输出值即为零。当太阳稍微偏转的时候，圆筒外部的一对光电阻可能会因为太阳光的漫反射无法反映出太阳光线的变化，但是圆筒内部的一组光电阻因为在圆筒的屏蔽下，这一对光电阻接受到的光照度会有所偏差，这就是偏离信号，信号经过放大之后，传递给控制单元，控制单元处理控制自动跟踪器调整太阳光接受装置的角度，使太阳能接受装置的主光轴同光线的平行。然而当太阳偏离了一个很大的角度之后，圆筒内的两对光电阻可能接收不到太阳光，而圆筒外的光电阻就可以分辨出太阳光线的偏差，产生偏差信号，信号经过放大送入控制单元，控制单元控制跟踪装置工作，在圆筒内的光电阻接收到太阳光的时候，系统就可以对太阳光接收装置的方位角进一步微调，提高其精确度。高度角的跟踪方式基本与方位角的跟踪方式基本相同。为了提高整个探测部件的精度，首要的是选择比较出合适的光敏电阻，当光敏电阻的阻值比较小的时候，光电阻在太阳照射下，可能很快就会达到达到饱和状态，此时采集的信号就失真，不能正确反应太阳光线的变化情况，会影响到跟踪效果，跟踪精度因此降低。但提高光敏电阻的阻值，使得相应的供电电源的电压要变大才能驱动跟踪器，提高了能耗及其成本。还有就是适当的增高圆筒的高度，理论上是圆筒的长度越长，其准确度也就越高。但是随着圆筒的增长，内部两对光电阻在同时接受太阳光光照的太阳光偏离角度也就越小，这也就意味着在一定程度上整个跟踪系统要频繁的启动关闭，对于能量的损耗比较大。假设圆筒内的一对光电阻在同时接受光照的条件下，长筒的光照偏离范围为A，如图5.3a所示，即当太阳光线偏离角度在A范围内时，长筒内部的一对光敏电阻不会出现光照偏差，即探测元件不会产生偏离信号；短筒所允许的光照偏离范围为B，如图5.3b所示，当光线偏离在范围B之内时，短筒内部的一对光敏电阻不会出现光照偏差，探测元件亦不会产生偏离信号；假设当太阳光线偏差在范围A到范围B之间的时候，如图5.3c所示，因为太阳光线偏离范围超出了长筒所允许的范围，所以筒内的光电阻会感应出光照度偏差，产生偏差信号，经处理后调整太阳光接受装置的位置。但是如果此时使用短筒，则不会进行跟踪，也就是说，此时系统的精度高于使用短筒时的精度。上述说过长筒又不能够在光线偏离很大的角度工作，所以圆筒的长度选择需要适当。图5.5 不同长度圆筒太阳光偏离范围5.2.3 视日轨迹跟踪与光电跟踪结合视日轨迹跟踪与光电跟踪都有一定的缺陷，比如视日轨迹跟踪，在开始工作之前需要精确的定位，太阳角度在计算的时候不容易计算，容易出现误差，并且不能自动调节，因此需要认为的定期调节。而光电跟踪，对于环境的适应能力比较差，由于天气原因，会出现不跟踪或是跟踪错误的情况，尤其是在阴雨或光线不足的天气情况下，可能会出现电机反复转动而浪费能源的情况。本设计将采用一种视日轨迹跟踪与光电跟踪结合的跟踪方式，即对于视日轨迹跟踪中太阳轨迹的粗略计算，只需达到光电传感器能够捕捉到太阳光线即可，这样的好处是简化了视日轨迹跟踪中太阳轨迹的复杂计算，减少了程序的数据量，从而降低了系统对于处理器的要求，一定程度上降低了成本。因为系统中采用了光电传感器，就解决了视日轨迹跟踪方法的误差积累，能够自我修正自我调节。由于传感器能够带来高精度，所以本次的跟踪系统将以光电跟踪为主，视日轨迹跟踪为辅，视日轨迹跟踪主要是辅助光电跟踪，使光电跟踪系统能够精确的在工作范围之内，这样大大的提高了整个系统的精度，在一定程度上也克服了天气状况对跟踪装置的影响。5.3 太阳位置检测传感器通常，在检测太阳位置的时候，常常采用一组同样规格的光电器件（光敏电阻、光电池、光电二极管等）按照一定的位置布置，输出其信号通过运算放大之后系统进行比较处理，跟踪。这些方式都是基于在同等光强度的情况下，光电流的大小与光照面积成正比。在一定程度上可以追踪太阳，但是在实际运用中，受限于光电器件彼此之间的差异，彼此对于太阳光的转换效率不同，造成系统的系统误差，使得整个跟踪系统往往达不到预期的精度。为了提高跟踪系统的精确度与稳定度，选用一种在激光准直、光电跟踪与激光制导等方面具有广发应用的光电集成元件，四象限光电探测器作为跟踪检测系统的探测元件。四象限光电探测器是一种灵敏度很高的光电探测器件，是将四个个性能高度一致的探测器按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，而这些探测器一般为光电二极管，根据光电二极管的不同，又有四象限PIN光电二极管、四象限雪崩光电二极管等。四象限光电探测器是象限探测起的一种，当太阳光照射在探测器上并成像与在四象限光电探测器光敏表面并形成一个光斑，如图5.6所示。当太阳光垂直照射与光电传感器时，光斑的中心与探测器光敏表面的中心重合，也就是说每个象限上的光斑面积大小相同则位置偏差EX=EY=0；当太阳光光线方向与探测器的光轴有夹角的时候，太阳光光斑就会移位，光斑的中心与探测器光敏表面的中心不再重合，在同一轴向的光斑面积不在相等，根据各象限能量偏差就可以算出位置偏差EX与EY，计算出太阳的位置。用于计算四象限光电探测器的上位置偏差的方法中，常用的是为四象限加减法，计算公式如下：EX=SB+SC-SA-SDEY=SA+SB-SC-SD其中SA、SB、SC、SD表示四象限光电探测器光敏表面上光斑的面积，由上文可以只光斑的面积与输出信号成正比；EX、EY为光斑在X轴与Y轴的偏移量，为了进一步减小环境对运算结果的影响，将计算公式变型如下：EX=SB+SC-SA-SDSA+SB+SC+SDEY=SA+SB-SC-SDSA+SB+SC+SD图5.6 光斑偏移对于本系统来说，图5.6中的X轴方向与Y轴方向分别代表了太阳的方位角方向与高度角方向。当EX0时，这时代表太阳在方位角方向上向西偏移，反之向东；当EY0是、这时代表太阳在高度角方面向南偏移，反之向北。计算机通过AD转换器接受光电探测器每个输出端的信号进行运算处理，就可以根据EX与EY的正负，判断太阳位置的偏移，从而控制步进电机的正转与反转，跟踪太阳位置。5.3.1 方位检测传感器的选择本次采用Pacific Silicon Sensor的雪崩二极管封装的四象限光电探测器QP50-6-18U-TO8进行方位检测，其实物图如图5.7所示。采用TO8封装，工作区域的直径为14mm，工作面积为4X12.3mm2，外形直径为15.3mm。工作波长为633nm，光电流为10 uA，响应率为0.4 A/W，工作温度为-40-+100C，暗电流的峰值为5nA，暗电流为2nA，方向电压为50V，上升时间为40ns。QP50-6-18U-TO8有六个管脚如5.8所示，1、3、4、6分别对应A、B、C、D四个光电二极管，2号管脚悬空，5号管脚为四个光电二极管的共阴极。图5.7 QP50-6-18U-TO8实物图图5.8 QP50-6-18U-TO8外观参数及管脚图上述介绍的参数体现了QP50-6-18U-TO8的优越性能，就是因为它的象限间隙小、响应快速、低暗电流、高分流电阻、高精度等特点，使其应用于各类高端领域，它的探测领域也比较广，其光谱相应曲线如图5.9所示。可以见得其在可见光范围内有很高的响应率，在波长为900-930nm时，其响应率达到峰值，由此可以得出其非常适合在可见光范围内工作。（横轴代表的是光的波长，单位为nm；竖轴代表的是光电探测器的响应率）图5.9 QP50-6-18U-TO8 光谱响应曲线5.3