太阳能与电能的智能型路灯控制系统的设计

-PAGEII--PAGEII-摘要随着全球范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，利用绿色环保的新能源成为科研工作者关心的课题，光伏能源就是在这一背景下得以迅速发展，照明系统正是光伏能源的一个重要应用。传统的光伏照明系统存在很多不足，如何应用新技术进行革新是本论文所要解决的问题。在传统的光伏照明充电系统中，通常简单的将太阳能电池板与蓄电池直接相连，这将导致太阳能电池板的工作点偏离最大功率点，不能有效利用太阳能电池板的可输出功率；蓄电池因缺乏容量管理而出现过充电或者过放电，造成寿命缩减；传统系统往往欠缺电路主要节点工作状态的远程智能检测、对照明时间和LED亮度等参数的实时调节等功能。为了解决传统太阳能照明充电系统效率不高、蓄电池寿命短和智能化程度低等问题，本课题设计了一种新型的基于AVR单片机的太阳能照明控制系统，采用UC3906实现蓄电池充电电路，独立的BOOST电路分别驱动两组LED。试验证明，该系统能够实现按照预定参数在三个阶段以不同方式对蓄电池充电，能够准确控制路灯的开启。关键词太阳能电池蓄电池LEDAVRAbstractAstheenergycrisisandenvironmentpollutionhasbeenaworldwideproblem,howtomakeuseofthenewgreenenergyresourcesisataskcaredbyscientists.Photovoltaicenergyhasbeengreatlydevelopedundersuchabackground,andlightingsystemisoneofitsmostimportantapplications.Therearemanyshortcomingsintraditionalphotovoltaiclightingsystems,sothispaperpresentssomepointsabouthowtoreformthetraditionalsystem.Intraditionalsystems,thephotovoltaicbatteryisconnectedtothelead-acidbatterydirectly.Thissimpleconnectionwillresultinawasteinthephotovoltaicenergyastheoperatingpointisoftennotaccuratelythemaximumpowerpoint.Thelead-acidbatteryisusuallynotmanagedaccordingtoitscapacitystatusintraditionalsystems,sothisresultsinshortbatterylife.Lackofthefunctionofremotemonitoringofthemainnodes,adjustingtheLEDworkingtimeandparametersisanotherproblem.Tosolvetheproblemoflow-efficiency,shortbatterylifeandlowextentofintellectualization,thispaperdesignsanewphotovoltaiclightingsystembasedontheAVRmicro-controller.AdoptingUC3906tochargethelead-acidbattery,andBOOSTtopologyfor2groupLEDchannels.TheexperimentresultsshowthatthenewsystemrealizesMaximumPowerPointTracking,chargesthebatteryinthethreestagesaccordingtothegivenparameters,switchesonandofftheLEDaccurately.Keywordsphotovoltaicbatterylead-acidbatteryLEDAVRPAGEIV---PAGE1-毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1设计目的和意义 11.2国内外相关技术发展概况 21.3本文的设计指标 31.4设计方案 3第2章太阳能LED路灯的光伏系统 52.1太阳能路灯 52.2太阳能电池原理及构造 72.3太阳能电池组件设计 9第3章蓄电池充电与LED路灯控制技术 113.1蓄电池主要参数 113.2蓄电池的充电 123.2.1蓄电池的充电方式 123.2.2蓄电池的充电拓扑结构 133.2.3基于UC3906的蓄电池充电器 143.3蓄电池组容量设计 193.4辅助电源设计 203.5基于AVR的太阳能LED路灯控制器的设计 253.5.1太阳能LED路灯控制器的功能 253.5.2基于AVR单片机的智能控制器 253.5.3太阳能路灯系统的软件设计 35第4章LED固态光源与驱动技术 394.1LED光源的特点 394.2LED的光学特性 414.3白光LED驱动技术 414.3.1白光LED驱动电源的分类及连接方式 414.3.2白光LED恒流驱动电路 434.4LED照明设计 52第5章结论 53致谢 54参考文献 55附录一 57附录二 58PAGE72绪论设计目的和意义随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有限，不合理地使用传统能源，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生能源危机，还会造成全球的环境问题。大量使用化石能源已经开始造成全球变暖，燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。人类在开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭而被新的能源所取代。人类必须及早寻求新的替代能源。研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能源丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。近年来太阳能的利用得到了世界各国的广泛关注，美国、日本、德国相继提出了“阳光计划”、“节能计划”等大力发展太阳能光伏发电技术[1]。LED(LightEmittingDiode，发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件，不依靠灯丝发热来发光，而是依靠材料中的正负电荷复合来发光，能量转化效率非常高。具有高效、节能、寿命长、免维护、环保等优点。传统的光源功耗比较大，而且大多在高压下工作，使用升压逆变环节又降低了能源利用率，而LED采用低压直流供电，安全而且光源控制成本低。LED的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒，使频繁开关，调节明暗成为可能。而且LED作为全固态发光体，耐震、耐冲击不易破碎、发热量低、无热辐射、是冷光源、不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收、没有污染。综上，太阳能发电的优点是：能量随处可得，可循环使用；无污染，无噪音，属于清洁能源；建设周期短，维护简单，使用寿命长。LED的优点是：体积小，能耗低，电压低，发热少，控制简单，寿命长，冷光源。太阳能光伏电池和LED同为半导体材料构成，又同为直流电、电压低并能相互匹配。借助蓄电池，太阳能LED照明项目的优势在于：将太阳能、LED光源按照实际需求进行结合使用，因地制宜，优势互补，发挥最大的能效。国内外相关技术发展概况在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，已经初步形成在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场要规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长[2]。在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能装置市场仍然持续增长。虽然太阳能公司的数量在减少，但保留下来的公司都趋向于更具规模、更能抵御市场的波动。在某些国家实行的电力公司私有化，可能提高他们将太阳能装置推向市场的兴趣。在奥地利等国，自己动手建造集热器的活动，促进了太阳能装置的主动发展。挪威已安装70000多套小型光伏装置，每年安装约5000套，大多数装置是为偏远小镇、山区和沿海地带度假旅社供电。芬兰人每年也购买几千套小型(40～100W)光伏装置，用于消夏小屋。国家石油公司Neste对进一步开发太阳能发电有着强烈的兴趣，重点为建筑物薄膜光伏组件、蓄电池和成套装置。此外，有些国家在高性能太阳能发电窗、太阳能热水器、储能装置、透明隔热材料、日光照明和与建筑物结合的光伏装置等产品的商业化方面进行努力。法国的太阳能设计师们，正在用“绿色设计”原则代替“太阳能”设计原则，就是要统筹考虑能源性能、安全材料的应用、日光照明、居住的舒适度和健康等因素。这种新设计方法，将应用于Angers的法国环境保护和能源管理署的办公大楼。本文的设计指标设计目标：(1)完成电池电压、直流总电压、温度、电源状态等相关信息的采集功能，采用PWM技术实现充电控制；(2)掌握单片机的原理和使用方法，扩展电路的实现，编程方法，设计控制电路，保证电源稳定输出电压，电流、电压等保护功能，并有好的人机界面，设置、显示相关参数，抗干扰设计使系统稳定可靠；(3)给出相关的程序流程图和程序。设计指标：路灯功率为18W和9W，在不同时段可以选择不同的功率输出，不同时点亮，电池为一节24V电池，在太阳能不足时采用市电供电，以LED发光管为光源，变换器效率不低于85%，切换可以人工也可以自动，成本低于市面相关产品价格。设计方案太阳能路灯系统由太阳电池组件、蓄电池组件组、市电旁路、智能控制器、高效节能直流灯、灯架、安装材料等组成。蓄电池在白天的时候会接受充电，而晚上则会提供能量给LED灯。LED灯的工作是通过控制器进行的，控制器在保证LED灯恒流工作的同时，也会监测LED灯的状态以及控制工作时间长短。连续阴雨天以及蓄电池电能不足的情况下，为了防止蓄电池过放电，控制器会发出控制信号切断LED灯的供电回路。控制器系统原理方框图如图1-1所示。太阳能电池组件的输入经过一个开关MOS管KCHG连接到DC/DC变换器(蓄电池充电电路)，此变换器的输出连接到蓄电池两端(实际电路里会先通过一个保险丝再连到蓄电池上)。加上KCHG有两个作用:一是防止太阳能电池输出较低时由蓄电池过来的反充电流；二是当太阳能电池组极性反接时起到保护电路的作用。DC/DC变换器采用降压拓扑结构，拓扑结构的选择不仅考虑到太阳能电池组件最大功率点电压和蓄电池最大电压，还同时得兼顾效率和成本。因LED需要恒流控制，考虑到蓄电池电压的波动范围以及LED的工作电压范围，在蓄电池和LED之间设置一个DC/DC变换器（LED驱动电路），设计电路中采用反激式拓扑结构来保证恒流输出。反激式拓扑的效率一般没有升压或者降压电路高，如果要提升系统的效率，可以通过优化蓄电池电压与LED电压的关系，采用升压或降压电路，以提升效率并可能进一步减低成本。整个控制器的控制是通过一个MCU来实现。图1-1太阳能与电能的智能型路灯控制系统原理太阳能LED路灯的光伏系统太阳能路灯1.太阳能路灯构成及光源太阳能路灯利用太阳能电池的光生伏打效应原理，白天太阳能电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电，设定的时间到后控制器切断光源电源。太阳能路灯由以下几个部分构成：太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池、太阳能路灯光源、灯杆及灯具外壳、线缆和连接紧固辅件。在传统的太阳能照明充电系统中，通常用防电流倒灌二极管将太阳能电池板与蓄电池直接相连，这将导致太阳能电池板的工作点偏移，而未有效利用太阳能板的可输出功率；蓄电池因缺乏能量智能管理而出现过充电或者深度放电，造成寿命缩减；传统的系统往往欠缺电路主要节点工作状态的智能检测、对照明时间和LED亮度等参数的实时调节等功能。为了解决传统太阳能照明充电系统效率不高、蓄电池寿命短和智能化程度低等问题，要设计一种新型的基于控制器的太阳能照明控制系统，以满足太阳能照明系统的高效率充电，蓄电池的安全运行，以及实现集中化的对区域内路灯故障的准确诊断和调试。系统不同工作状态的控制转换和蓄电池能量管理需要由以单片机为核心的控制电路实现。状态控制电路通过状态互锁避免误动作，保证照明系统工作的稳定性。通过监测系统工作状态和统计蓄电池电量选择系统的工作方式，防止对蓄电池过充电和深度放电，同时尽可能满足照明需求。太阳能照明系统工作在充电状态时，一方面希望能保持太阳能电池输出功率最大，一方面又要考虑到蓄电池不同容量时的充电电流承受能力。因此，根据蓄电池的不同状态，充电电路应采取不同策略进行充电控制。整个系统包括：控制器、太阳能电池、蓄电池组和LED。系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。与照明负载配合，考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。在白天光照条件下，路灯熄灭，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池不再供电，充电器停止工作，转而进入蓄电池放电阶段，点亮路灯。蓄电池作为太阳能照明系统的储能环节，白天将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到照明负载。全天中控制器的电源一直由蓄电池供给。控制系统以单片机为核心，实现蓄电池容量检测和蓄电池充电精确控制以及集中化的对区域内路灯故障的准确诊断和调试。从而实现太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求提高太阳能照明系统效率，延长蓄电池的寿命。太阳能LED路灯系统包括太阳能电池、充电控制器、蓄电池以及LED驱动各个模块。只有详细了解了系统各部分的特性才可能对系统进行必要的控制和管理。2.太阳能路灯的优势太阳能路灯采用高效单晶（多晶）硅太阳能电池供电，采用VRLA蓄电池存储电能，用高效节能灯照明，并采用先进的充放电和照明控制电路，具有性能可靠、发光效率高、亮度大、安装方便、无须铺设电缆电线、无须交流电能和电费、采用直流供电、光敏控制、安装可靠、节能、经济、环保、实用（根据配置和型号不同，充电一天可供3～7个阴雨天使用），是未来户外照明的发展方向。太阳能灯具利用太阳能电池组件发电，蓄电池储电，控制器控制蓄电池的充放电来工作。控制器分为光控+时控两种。白天，当阳光照射到太阳能电池组件表面时，太阳能电池的光伏效应产生电能通过控制器对蓄电池进行充电；夜晚，光线逐渐减弱，太阳能电池的工作电压、工作电流不断下降，当工作电压小于控制器设定电压时，控制器启动负载，此时太阳能灯点亮，当设定的时间到达或环境光线过强时控制器自动关闭负载，太阳能电池充电开始，由此不断循环。太阳能电池原理及构造1.太阳能电池原理(1)太阳能电池光伏效应太阳能不像煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离，基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。太阳能电池主要由半导体硅制成。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，在半导体上照射光后，由于其吸收光能会激发出电子和空穴(正电荷)，从而半导体中有电流流过，这可称为“光发电效应”或简称“光伏效应”。下面就硅晶体做成的半导体加以说明。众所周知，掺有磷杂质的硅含有多余电子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅含有多余正电荷，称为P型半导体。若将两者结合，称为PN结，这就是半导体器件的最基本结构。太阳能电池同样是利用了PN结的光伏效应。在PN结中，P型半导体的电子受到拉力，N型半导体的正电荷受到拉力，在结合处形成正负抵消的区域，形成阻挡层。此时，如有光照射，则激发电子自由运动流向N型半导体；正电荷则集结于P型半导体，从而产生了电位势。如果外接灯泡(负荷)，就有电流流动[3]。(2)硅太阳能电池工作原理及结构硅原子有14个电子，分布在三个电子层上，里面的两个电子层均已填满，只有最外层缺少四个电子为半满。为了达到满电子层稳定结构，每个硅原子只能和它相邻的四个原子结合成共用电子对，平面看起来就像所有的原子都是手挽手，交错连接形成它特有的晶体结构，把每个电子都固定在特定的位置上，不能像铜等良导体中的自由电子那样自由移动，因此，也就决定了硅不是电的良导体。实际用于太阳能电池的硅是经过特殊处理的，也就是采取了掺杂工艺。N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是PN结。当掺杂的硅晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后，如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结（如梳状电极），以增加入射光的面积[4]。2.晶体硅太阳能电池发展及方阵(1)晶体硅太阳能电池发展1839年，法国Becqueral第一次在化学电池中观察到光伏效应。在太阳能能电池的整个发展历程中，先后出现过各种不同结构的电池，其中同质PN结电池结构自始自终占主导地位，其他结构对太阳能电池的发展也有重要影响。由于科技的进步，晶圆厚度、切割技术、晶圆尺寸，以及晶圆价格，均有了长足的改善。(2)晶体硅太阳能电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元，太阳能电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串、并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池再经过串、并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率，如图2-1所示。单体组件方阵图2-1太阳能电池单体、组件和方阵常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连续处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以减少太阳能的反射损失[5]。(3)太阳能电池组件太阳能电池组件的作用是将太阳的光能转化成电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池组件是太阳能光伏系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。太阳能电池组件由以下材料组成[6]：电池片、钢化玻璃、EVA、TPT、镀锡铜带、密封胶、接线盒、边框。太阳能电池组件设计根据设计指标要求，为满足功率18W的LED每天工作十小时，保证连续3～5个阴雨天持续工作，太阳能电池板每天接收6小时1000W/m2强度太阳光，电池板吸收太阳能量到LED的功率损耗为20%。太阳能电池组件的电气参数设定如下：LED按5天每天工作十小时计算，消耗能量：P1=18×50×3600=3240000J太阳能电池板所需功率：P2=P1/0.8=4050000JW=P2/6/3600=187.5W组件选用180W，可提供30V充电电压的排布方式[7]。蓄电池充电与LED路灯控制技术蓄电池主要参数了解蓄电池主要参数的物理意义是光伏照明系统中有效使用蓄电池的前提之一，其具体参数如下：1．蓄电池体内电动势电动势为蓄电池在理论上输出能量多少的亮度。一般来说，在相同的条件下，电动势愈高的蓄电池，输出的能量愈大，使用价值愈高。理论上，蓄电池的电动势等于组成蓄电池的两个电极的平衡电动势之差。2．开路电压与工作电压蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压。其值等于蓄电池的电动势。蓄电池接通负荷后在放电过程中显示出来的电压，亦称负载电压或放电电压。在蓄电池放电初始时的工作电压称为初始工作电压。3．蓄电池的容量蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为蓄电池的容量，该容量是蓄电池能放出电量的总和。常用单位为安培小时，简称安时(Ah)。4．蓄电池内阻电流通过蓄电池内部时受到各种阻力，使蓄电池的电压降低，该阻力总和称为蓄电池的内阻。蓄电池内阻是一个综合参数，是活性物质、电介质、隔膜、电极接头等所有蓄电池内部电阻之和。蓄电池内阻不是参数，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变，所以蓄电池内阻在放电过程中随时间也在不断变化。5．蓄电池的能量蓄电池的能量是指在一定放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时表示，它也表示蓄电池放电的能力。6．蓄电池功率与比功率蓄电池的功率是指在一定放电制度下，单位时间内所给出能量的大小，单位为W(瓦)或KW(千瓦)。单位质量蓄电池所能给出的功率称为比功率，单位为W/g或KW/g。蓄电池比功率越大，表示可以承受的放电电流越大。7．蓄电池的输出效率蓄电池的输出效率也称为充电效率。光伏照明系统所选择的蓄电池应为可逆的蓄电池，实际的蓄电池都不能作为理想的储能器，在工作过程中必有一定的能量消耗，通常用容量输出效率和能量输出效率来表示。蓄电池的充电蓄电池的充电方式充电是蓄电池得以可持续工作的重要手段，也是光伏照明系统得以持续工作的必备条件。充电设备和充电技术是做好充电工作的重要技术基础。传统的充电方式可分为恒流充电、恒压充电及其它类型[8][9]。1．恒流充电恒流充电方式是一直以恒定不变的电流进行充电，该电流采用控制充电器的方法来达到。这种通过控制充放电器维持电流的方法操作简单、方便，易于做到。该充电方法特别适合于由多个蓄电池串联的蓄电池组。要使蓄电池放电慢，且其容量易于恢复，最好采用这种小电流长时间的充电模式。恒流充电方式的不足是：开始充电阶段恒流值比可充值小，在充电后期恒流值又比可充值大；整个充电时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过65％。一般免维护的蓄电池不宜于使用此方法。分段恒流充电是恒流充电的一种变型。该方法是在充电后期，把电流减小，以避免充电后期电流过大。通常按照光伏照明系统的要求以及蓄电池的特性来确定充电电流的大小、时间、转换电流的时刻以及充电终止的判断依据等。2．恒压充电该方法主要针对每只单体蓄电池以某一恒定电压进行充电。充电初期电流非常大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过。此方法比较简单，充电过程中不需要调整电流。充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80％。如充电电压选择得当，可在数小时内完成充电。其缺点是：在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电器的安全，蓄电池也可能因过流而受到损伤；另一方面，如果充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适宜串联数量多的蓄。电池组充电；同时，蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对低电压蓄电池的完全充电也很难完成。恒压充电一般应用在蓄电池组电压较低的场合。3．恒压限流采用恒压限流的方法主要为弥补恒压充电的缺点。在光伏照明系统的充放电器与蓄电池之间串联一个电阻。当电流大时，其上的电压降也大，从而减小了充电电压；当电流小时，由于电阻上的电压降也很小，充电器输出电压降损失就小。这样就自动调整了充电电流，使之不超过某个限度，充电初期的电流得到控制。该方法的缺点是串联电阻将消耗部分电能。4．快速充电快速充电一般使电流以脉冲方式输给蓄电池，并随着充电时间的延续，蓄电池有一个瞬时间的大电流放电，使其电极去极化。它能在短时间内将蓄电池充足电，既不用恒流大电流，也不用较高的恒定电压，后两者都会使蓄电池很快升温，损伤电极和浪费电能。快速充电由专用的充电器提供脉冲电流，它能保证充电时既不产生大量气体又不发热，从而达到缩短充电时间的目的。快速充电是光伏照明系统中充电的主要模式之一。5．智能充电智能充电是动态地自动跟踪蓄电池可接受的充电电流，使充电电流与蓄电池内部极化电流相一致，也称为最小损耗充电模式。在常规的充电技术中，不能动态跟踪蓄电池的实际状态和接受充电电流大小。智能充电系统由充电器与被充电蓄电池组成二元闭环电路，充电器根据蓄电池的状态确定充电参数，充电电流自始至终处在可接受的充电电流曲线附近，使蓄电池几乎在无气体析出条件下充电，做到既节约用电又对蓄电池无损伤。该充电方式的实施需要知道蓄电池接受充电电流曲线，智能充电是光伏照明系统中充电技术的发展方向。蓄电池的充电拓扑结构直流斩波电路，即DC/DC变换器的功能是通过控制主回路中的电子开关的通断，将直流电变为另一固定电压或可调的直流电。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本的斩波电路：降压斩波电路(BuckChopper)、升压斩波电路(BoostChopper)、升压降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。一方面这两种电路应用最为广泛，另一方面理解这两种电路可为理解其他电路打下基础[10]。基于UC3906的蓄电池充电器UC3906作为VRLA蓄电池充电专用芯片，它具有实现VRLA蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。更重要的是它能使充电器各种转换电压随VRLA蓄电池电压温度系数变化而变化，从而使VRLA蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳充电状态。UC3906内部框图如图3-1所示。该芯片内含有独立的电压控制回路和限流放大器，它可以控制芯片内的驱动器。该驱动器的输出电流可达25mA，可直接驱动外部串联调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。电压和电流取样比较器用来检测蓄电池的充电状态，并且控制充电状态逻辑电路的输入信号。当电池电压或温度过低时，充电起动比较器控制充电器进入涓流充电状态。另外，当芯片内的驱动器无输出时，该比较器还能输出25mA涓流充电电流。这样，当电池短路或反接时，充电器开始只能输出很小的充电电流，可以避免因充电电流过大而损坏电池。UC3906的一个非常重要的特性是：基准电压随环境温度而变，并且变化规律与铅酸电池电压的温度特性完全一致。因此，在很宽的温度范围(0~70℃)内，都能精确地检测环境温度，保证电池既充足电又不会严重过充电。UC3906的电源电流只有1.7mA，芯片的功耗很小。该芯片中，还有欠压检测电路。当电源接通后，欠压检测电路还能使逻辑电路输出信号。指示输入电源已经接通。在过充电终止输入端加入控制信号，可以终止过充电状态，在过充电指示输出端加入外接元件，可以监控电他的过充电状态。图3-1UC3906内部结构表3-1和3-2分别介绍了UC3906的管脚功能和电气参数[11]。表3-1UC3906管脚功能管脚名称功能描述1脚C/SOUT电流取样放大器输出端2脚C/S-电流放大器反相输入端3脚C/S+电流放大器同相输入端4脚C/L限流比较器反相输入端5脚+Vin输入电源正极6脚GROUND接地端7脚POWERINDICATE电源指示8脚OVER-CHARGETERMINATE过充电终止9脚OVER-CHARGEINDICATE过充电指示10脚STATELEVELCONTROL状态电平控制11脚TRICKLEBIAS涓流输出12脚CHARGEENABLE起动比较器反相输入端13脚VOLTAGESENSE电压取样14脚COMPENSATION补偿15脚DRIVERSOURCE驱动电流输出16脚DRIVERSINK驱动电流输表3-2UC3906的电气参数输入电压40v集电极开路输出电压40v放大器和比较器输入电压-0.3v～40v过充电终止端输入电压-0.3v～40v电流取样放大器输出电流40mA涓流输出端输出电流40mA驱动级最大产生电流40mATa=251000mA工作结温-55～150焊接温度3001.充电参数的确定使用UC3906构成的充电器只需很少的外部元器件就可以实现对VRLA蓄电池的快速精确充电。图3-2所示是一个充电器基本电路。由Ra、Rb、Rc组成电阻分压网络，用来检测蓄电池的充电电压，通过与精确的参考电压（Vref）相比较来确定充电电压、过充电压和浮充电的阈值电压。图3–2充电器基本电路VRLA铅酸蓄电池的一个充电周期按时间可分为三种状态，即大电流快速充电状态、可控过充电状态和浮充电状态。其充电的技术参数主要有浮充电压VF、过充电电压VOC，最大充电电流Imax、过充电终止电流IOCT等。它们与Ra、Rb、Rc、Rs之间的关系可以从下面的公式反映出来： (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)其中，VF、VOC和Vref成正比。Vref的温度系数为-3.9mV/℃，Imax、IOCT、VOC、VF可以独立设置。在输入电源允许或功率管可以承受的条件下，Imax的值可以尽可能地大。虽然某些充电器有过充电保护电路，充电率可以达到甚至超过2C，但是铅酸蓄电池厂商推荐的充电率范围是C/20~C/3。IOCT的选择应尽可能地使VRLA蓄电池接近100％的充电。根据式(3-3)和式(3-4)可知，Imax和IOCT分别由电流限制放大器和电流检测比较器的偏置电压和检测电流的电阻Rs决定，从式（3-1）、（3-2）可知，VF、VOC的值由内部参考电压Vref和外部电阻Ra、Rb、Rc组成的分压网络所决定[12]。2.实际应用电路采用专用蓄电池充电管理芯片UC3906设计太阳能充电控制器，控制器由太阳能组件与市电切换电路（如图3-3所示）、充电电路(如图3-4所示)、放电电路三部分组成。切换电路：太阳能电池接在常闭触点，继电器线圈受三级管Q4控制，当太阳能电池受光照时，Q4导通而Q3截止，使得继电器线圈绝大部分时间不耗电。在蓄电池容量不足，太阳能电池不受光照射时，Q4截止而Q3导通，交流电经常开触点送出[13]。图3-3太阳能与市电切换电路充电电器：用LM2903接成迟滞电压比较器，可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。组成过放电压检测比较控制电路。电位器起设定过放电压的作用[14]。可调三端稳压器LM317给LM2903提供稳定的8V工作电压。图3-424V80Ah铅酸蓄电池开关型智能充电器电路图蓄电池组容量设计太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多[15]。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。1.蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大，所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。2.蓄电池组容量的计算在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此，蓄电池的容量BC计算公式为：BC=A×QL×NL×TO／CC(Ah)式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。[15]以此套太阳能路灯的方案为例，应用地点温度存在低于-10℃BC=A×QL×NL×TO／CC(Ah)=1.2×(18／24)×10×5×1.2／0.75=72Ah选用24V，80Ah的铅酸免维护蓄电池可满足需求。辅助电源设计采用UC3842单端脉宽调制器制作的小功率开关电源，在单端反激式开关电源中，高频变压器的设计计算式核心工作，设计时，要保证电源的调整率和对线圈的漏感要求，还要对高频变压器的外形尺寸及整个成本进行综合考虑。UC3842内部结构图如图3-5所示。图3-5UC3842内部结构图采用集成电路脉冲宽度调制器设计制作开关稳压电源（如图3-6所示）具有效率高、省时、省力、成本低、速度快的特点。其设计的主要过程就是根据使用目的、要求设计开关电源的整体方案，选择变换器电路的结构。然后，选择集成电路，设计输入部分电路、高频变压器和输出整流滤波电路，而最中心的工作就是设计计算高频变压器。设定工作频率为68KHz，启动电阻R63为6.8K，启动电容C28为100μF。设计功率输出20W，+15V输出0.8A，-15V输出0.8A，+5V输出1A。采用单端反激设计，利用Tl431对5V进行反馈，实现稳压功能。本文给出高频变压器计算。图3-6小功率开关电源电路图第1步：计算初级电感峰值电流假设在最高输入电压DC30V时，最大占空比为=0.75，由于最低输入电压为DC19.2V，所以， （3-5）其中2V为输出电压纹波和整流器压降。所以，根据变压器初级电流的峰值公式计算峰值电流为 （3-6）这个初级电感的峰值电流也为我们确定功率开关晶体管的最大集电极电流提供了依据。 第2步：确定最小占空比 最大输入直流电压经直直变换后的电压为： （3-7） （3-8） 根据公式计算： （3-9）所以，当输入直流电压在19.2V<Vin<30V范围内，变换器将工作在占空比的范围是： 0.063<δ<0.75之间 第3步：计算变压器初级电感量由公式可得： （3-10）所以，初级电感量为68µH（式中是根据公式及图中给出的数值计算出来的）。 第4步：选择磁芯及确定骨架尺寸 在这里，我们可以参照下述经验公式进行计算，一般磁芯输出功率和磁芯截面积的经验关系式为： 设Pt=20W则Ae=0.671（cm2）Ae为变压器磁芯的有效截面积；Pt为高频变压器的输入输出功率的平均值。 选择TDKE128型磁芯、其Ae=1.21>0.671（cm2），可以满足设计要求。 第5步：计算空气隙Lg 通过查TDKE128型磁材的饱和系统密度Bsat=4000×10-4T，100℃时，为了使变压器工作在低磁损状态，选工作最大磁通密度Bmax=1100×10-4 由公式可得： （3-11） 第6步：计算变压器初级线圈匝数N1 由公式可得： （3-12）第7步：利用公式计算各次级线圈绕组计算自馈绕组N2（3-13）计算5V直流输出绕组N3 （3-14）计算15V直流输出绕组N4（3-15）-15V选择与此相同匝数。此方案由光电耦合器送给控制芯片，进行脉冲宽度调整，并使输出电压稳定，由于采用了光电隔离器件，使输出部分与输入部分线路完全实现了隔离。基于AVR的太阳能LED路灯控制器的设计太阳能LED路灯控制器的功能太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充放电控制器对蓄电池充电，同时供给负载用电。充放电控制器的功能主要有两个：一个是对蓄电池的充放电过程进行保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是储能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电；另一个是提供稳定的直流电压源给直流负载使用。太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最重要的部件，也是与各种路灯系统最大的区别所在。控制器设计的性能如何，决定了一个太阳能光伏系统运行情况的优劣。所以设计功能完备，结构简单的智能光伏路灯控制器是非常重要的[16]。控制器需要实现的功能有：天黑时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并要具有短路保护，反接保护等。控制器不仅担负对整个系统的状态控制，还得确保系统的安全运行。控制器的合理设计，既是完美充电过程的保证，也是系统寿命的保障，同时还为系统提供保护功能。太阳能LED路灯控制器的主要功能包括两个方面：蓄电池充电以及蓄电池给LED供电[17]。基于AVR单片机的智能控制器1.AVR单片机的优势51单片机是ATMEL公司推出的经典产品，在控制领域被广泛的使用，是大家广泛熟悉的机型，89S52就是其代表产品。本系统采用的ATMEGA16是AVR的8位单片机家族中的一款，将它的性能与广为人知的89S52作如下对比：（1）架构方面：89S52是CISC（复杂指令集）架构，ATMEGA16是AVR系列单片机产品的一款高档机，RISC(精简指令集)架构能实现更优化的代码。（2）存储器资源方面：89S52具有8KB的ROM（程序存储器）和256B的RAM（片内数据存储器），具备外部总线可以方便的扩展外部ROM和外部RAM；ATMEGA16具有16KB的ROM和1KB的RAM，不具备外部总线使得扩展ROM和RAM受到很大的限制，但是以本系统的规模，片内存储器资源已经足够，不需要扩展。（3）片载功能单元方面：89S52不具备片上AD和PWM（脉冲宽度调制）单元；ATMEGA16具备最高10位的片上AD和灵活的PWM单元，另外，ATMEGA16具备的SPI接口方便了大容量存储器SD卡的直接扩展，为本系统的本地数据存储提供了方便。ATMEGA16使用内建PWM模块直接生成PWM波，在8MHz内部RC振荡器下，ATMEGA16的内建PWM模块能够工作在7位精度下产生最高约64KHz的PWM波，精度和速度能满足系统要求。（4）稳定性方面：89S52不具备片上WatchDog（看门狗），需要外部晶振；ATMEGA16具备片上WatchDog（看门狗），一旦发生死机能有效重启，而且ATMEGA16不需要外部晶振就可以工作，不使用外部晶振就杜绝了外部干扰对单片机核心系统的影响，这很大程度上提高了系统的稳定性，适合本系统这种控制器与开关电源单元在同一电路板上共存的应用。（5）运行速度方面：与89S52不同，ATMEGA16不对系统时钟进行12分频，也就意味着ATMEGA16可以取得更高的运行速度。（6）代码可维护性方面：89S52支持ISP（在系统可编程）下载程序，而ATMEGA16不仅支持ISP，还支持BOOTLOADER方式装载程序，可以配合无线网络实现对单片机程序的远程更新，方便了设备的维护。总体来讲，ATMEGA16性价比高，更适合在强干扰环境下作为开关电源控制器应用。图3-7是ATMEGA16的引脚图。图3-7ATMEGA16的引脚图2.电流电压采集TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省单片机I/O资源。其特点有：（1）12位分辨率A/D转换器；（2）在工作温度范围内10μs转换时间；（3）11个模拟输入通道；（4）3路内置自测试方式；（5）采样率为66kb/s；（6）线性误差+1LSB（max）；（7）有转换结束（EOC）输出；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的MSB或LSB前导；（10）可编程的输出数据长度。TLC2543的引脚排列如图3-8所示。图中AIN0~AIN10为模拟输入端；为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三台串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。图3-8TLC2543引脚图采用TLC2543进型模数转换，A/D转换需要基准电压，本文采用TL431进行设计，TL431三端稳压，基准电压电路如图3-9所示。图3-9基准电压电路电路前端通过低通滤波通道接入芯片2管脚采集电压[18]，3管脚采集电流。采集电流采用霍尔传感器小阻值的高精度电阻取样，电阻分压（如图3-10所示）。图3-10电流电压采集电路电流传感器LA58-P（如图3-11所示）原边和副边之间是绝缘的，可用于测量直流、交流和脉冲电流。性能：应用霍尔原理的闭环（补偿），检测电流。优势：出色的精度、良好的线性度、低温漂、最佳的反应时间、宽频带、无插入损失、抗干扰能力强、电流过载能力强。副边端子（如图3-12所示）：+端：电源电压+12..15V-端：电源电压-12..15VM端：测量说明：在IP按箭头指向流动时IS是正向的，原边导体温度不应超过90℃图3-11电流传感器图3-12电流传感器连接图3.光控单元本控制单元主要完成通过光线对路灯开关的控制模式。光敏二极管在没有光照时，代表晚间，Q7导通，Q8截止，继电器吸合，电池放电；有光照时，代表白天，Q7截止，Q8导通，继电器断开，电池不放电。如图3-13所示[19]。图3-13光控单元4.时控单元DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路。提供秒、分、时、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：1-RES复位，2-I/O数据线，3-SCLK串行时钟。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。结构如图3-14所示。图3-14时控单元5.太阳能电池组件及负载LED开关控制单片机检测蓄电池电压，防止过放。低于最低限值时，单片机发出断开电池开关信号。当BAT-switch1为高电位时，经过非门变为低电位，光耦工作，右侧电阻输入信号为高电位，Q9工作，输出高电位，Mosfet开通。反之，当BAT-switch1为低电位时，经过非门变为高电位，光耦不工作，右侧电阻输入信号为低电位，Q11工作，输出低电位，Mosfet管关断[20]，如图3-15所示。图3-15蓄电池过放控制单片机检测LED负载电压，LED分为两组，每组可提供9W功率，一起工作可提供18W功率。根据时段不同，有选择的开启1组或2组以此满足功率需求，且在一定时段可节省能源。通过切断一组LED可控制负载输出为18w还是9w。原理同上[21]。电气原理图如图3-16所示。图3-16负载LED开关控制6.数码管显示模块HD7279是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能[22]。HD7279内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码并同时具有多种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。实物如图3-17所示，连接方式如图3-18所示。图3-17HD7279实物图图3-18数码管显示7.JTAGICE仿真器AVR高档单片机ATmega系列的ATmega16具有JTAG仿真接口，如图3-19所示，可以实现在线实时仿真。这在8位单片机中属于领先技术。JTAG仿真，对不同封装器件可以先焊接，然后进行实时仿真、编程。与传统的芯片仿真头相比，可大大降低仿真器的价格[23]。JTAGICE与AVR的连线如图3-20所示。图3–19JTAGICE图3-20JTAGICE与AVR连接8.键盘设计本太阳能路灯控制系统通过键盘设定。设计为8个按键，键盘结构如图3-21所示。可根据实时需求选择LED太阳能路灯是处于何种工作模式，若选择时控模式，可通过SET按键，选择UP、DOWN、LIFT、RIGHT设定路灯系统运行的时、分，按ENTER确认，以保存设定的信息。图3-21键盘设计键盘电路设计如图3-22所示，为了便于设定且有直观的人机操作界面，按键相对偏多，应用了74HC148进行编码，74HC148是8-3译码器，普通编码器每次只能输入一个信号，而优先编码器可以同时输入几个信号，每按下一个键产生一个3位编码，8个按键对应000~111，这样不但节省了单片机管脚而且操作更加灵活了。图3-22键盘电路9.串口通信max232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v+10v，max232就是用来进行电平转换的，该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路[24]。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。电路连接图如图3-23所示。图3-23串口通信太阳能路灯系统的软件设计与本设计硬件电路设计相关的软件程序模块包括：主程序、A/D子程序、显示子程序、串行通信等[25]。程序主流程图如图3-24：图3-24主程序流程图通过按键选择时控或者光控模式，若选择时控模式，则通过SET设定键通过选择按下UP、DOWN进行定时设定，按ENTER确认选择，保存设定[26]。按键子程序流程图如图3-25所示：图3-25按键子程序流程图A/D子程序：A/D转换器（ADC）的作用就是把模拟量转成数字量，以便于计算机进行处理（如图3-26所示）[27]。图3-26A/D子程序流程图LED固态光源与驱动技术LED光源的特点LED是由超导发光晶体产生超高强度的光，它发出的热量很少，不像白炽灯浪费太多热量，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，也不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏，LED已被全球公认为新一代的环保高科技光源[28][29]。LED具有高光效能，比传统霓虹灯节省电能80%以上，工作安全可靠。LED改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80%～90%。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯做比较，其结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000h，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000h，T5荧光灯的光效为96lm/W，寿命大约为10000h，而直径为5mm的白光LED光效为20～28lm/W。自爱迪生发明白炽灯以来的100多年中，电光源照明经历了三个重要的发展阶段，这三个阶段中的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为LED将可望发展成第四代光源，即半导体照明。LED是半导体器件通过PN结实现电光转换。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，今后将进入以LED为代表的新型照明光源时代。白光LED的出现，是LED从标志功能向照明功能跨出的实质性一步。目前，白光LED已开始进入一些应用领域域，如应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。但是，由于价格十分昂贵，故而难以普及。白光LED普及的前提是价格下降，而价格下降必须在白光LED形成一定市场规模才有可能，毫无疑问，两者的融合最终有赖于技术进步。表4-1是通常情况下LED光源和常见光源的性能比较[30]。表4-1LED光源和常见光源的性能比较名称耗电量（w）工作电压（V）协调控制发热量可靠性使用寿命（h）金属卤素灯100220不易极高低3000霓虹灯500较高高高宜室内3000美氖灯16W/m220较好较高较好6000日光灯4～200220不易较高低5000～8000冷阴极15W/m需逆变较好较低较好10000钨丝灯15～200220不宜高低3000节能灯3～150220不宜调光低低5000LED灯极低直流12～36V多种形式极低极高10万依据目前市场上的价格，将几种照明光源的性价比列在表4-2中。表4-2几种光源的性价比功率（w）光通（lm）光效（lm/w）寿命（h）市售价（每支）价格（每lm）白炽灯4048012<20001.5元0.0031元普通荧光灯36200055>50003.5～4.0元0.0016～0.002元T5三基色荧光灯28268096100007～8元带镇流器40～60元0.0030元0.0149～0.0224元H型荧光灯9500～54055～60<80004元，带镇流器10～12元0.020～0.022元螺旋节能灯26154060<8000带镇流器25元0.0162元Φ5mm白光LED0.0651.3～1.820～28>100002.5～5.5元1.9230～3.0556元大功率白光LED11818>1000065元，含光学系统和电路108元3.6111～6.0000元日本白炽灯6072012<20000.50美元0.0007美元荧光灯36350097>1000010美元0.0029美元LED的光学特性LED是利用化合物材料制成P-N结的光电器件。它具备P-N结结型器件的光学特性光谱响应特性、发光光强指向特性、时闻特性。发光二极管有红外(非可见)与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。(1)发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装。由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。(2)发光强度的角分布，是描述发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺。包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否。白炽灯、荧光灯和充气灯，其光强分布范固几乎接近4空间；但是LED接近2空间的配光曲线都是很少的，因为LED的方向性很强。配光曲线一般都采用极坐标来表示，对于LED，只要0～180的极坐标就够了。只需传统电光源使用坐标纸的一半。白光LED驱动技术白光LED驱动电源的分类及连接方式白光LED工作的正向电压为3.4V，标准白光LED典型的正向电流为20mA，大功率白光LED典型的正向电流为350mA。较高的白光LED正向电流（Flash模式，500～700mA）导致较高的正向电压，较低的正向电流（Torch或Uideo模式，100～350mA）则产生较低的正向电压。白光LED的正向电压将依据工作状况而变化，其正向电压也会随着温度的上升产生数百毫安伏的漂移。因此，有效的供电是保证白光LED正常工作的前提，因为白光LED的正向电压将依据电源的工作状况而变化，白光LED电流与正向电压关系见表4-3。表4-3白光LED电流与正向电压关系电流（mA）最小电压VMIN（V）典型电压（V）最高电压VMAX（V）2002.783.273.773502.793.423.997003.053.764.4710003.163.954.88目前LED均采用直流驱动，因此LED需要一个电源适配器，即LED驱动电源。在设计中应根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，选择和设计LED驱动电源。1．白光LED对驱动器的要求[31][32][33][34][35]驱动器可以看作是向白光LED供电的特殊电源，可以驱动正向电压降3.0V～4.3V的白光LED，并根据要求驱动串联、并联或多个白光LED，满足驱动电流的要求，对驱动器的主要要求如下：(1)为满足便携式产品的低压供电，驱动器应该具有升降压功能，以满足1～3节充电电池或1节锂电池供电的要求，并要求能工作到电池终止放电电压为止。(2)驱动器应有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的时间间隔。目前高的功率转换效率可达80％～90％，一般可达60％～80％。(3)在多个白光LED并联使用时，要求各白光LED的电流相匹配，使亮度均匀。(4)功耗低，静态电流小，并且有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应小于1mA。(5)白光LED的最大电流ILED可设定，使用过程中可调节白光LED的亮度（亮度调节）。(6)有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或保护。(7)小尺寸封装，并要求外围组件少而小，使所占印制板面积小。(8)对其它电路的干扰影响小。(9)使用方便，价位低。2．LED驱动电源的分类从供电电压的高低可以将驱动器分成3类：升压式DC/DC变换器或升压式(或升降压式)电荷泵变换器；降压式或升降压式DC/DC变换器；降压式DC/DC变换器。可用作白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致可分为：恒流源、电荷泵、开关电源三种。3．LED的连接方式在大多数应用中，白光LED驱动器通过并联或串联方式连接在一起，但在个别情况也可采用混合的串、并联配置方式。对LED进行连接时采用串联、并联或混联的方式取决于应用的需要，每种配置方案都有本身的优点和不足之处。4．LED驱动方法用原始电源给LED供电有4种情况：低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动、市电驱动。不同的情况在电源变换技术实现上有不同的方案。5．白光LED驱动电源应具有的要素直流控制；高可靠性；高效率；长寿命；过压保护；负载断开；简便易用；小尺寸。白光LED恒流驱动电路1.LED驱动电路功能LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，给LED供电的电源必须注意以下事项：(1)LED是单向导电器件，因此需要用直流电流或单向脉冲电流给LED供电。(2)LED是一个具有PN结结构的半导体器件，具有势垒电势，这就形成了导通门限电压，加在LED上的电压超过这个门限电压时LED才会充分导通。LED的门限电压一般在2.5V以上，正常工作时的管压降为3~4V。(3)LED的I-V特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻（电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和）。因此，流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。(4)LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，所以LED不能直接用电压源供电，必须采用限流措施，否则随着LED工作时温度的升高，电流会越来越大，以至损坏LED。(5)流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流的增加而增加，但不成正比，越到后来光通量增加得越少。因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。因此，LED驱动电路应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小尺寸以及简便易用等特点。(1)直流控制LED是电流驱动器件，其亮度与正向电流呈正比关系。有以下两种方法可以控制LED正向电流：一种方法是采用电压源驱动LED。这种驱动方式最大不足就是LED正向电压很小的变化都会导致LED很大的变化。另外，在输入电压一定的情况下，镇流电阻的压降和功耗都会影响整体的效率。另一种方法是采用恒流源驱动LED，这是首选的LED驱动方式。采用恒流源驱动可以保证无论正向电压如何变化，都可产生恒定的LED亮度。(2)高效率当今社会强调节能环保，电源的高效率已成为一个重要的研究方面，同