太阳能LED路灯控制器设计

1、课程设计说明书 第II页太阳能LED路灯控制器设计摘 要本文设计了一种控制、时间控制结合太阳能灯，它是基于51单片机的光敏电阻的光电控制装置。这类控制器的太阳能电池输出和电池功率等参数进行检测，确定了系统的工作状态，使用最大功率点跟踪算法实现最大功率跟踪的收集，功率储备完成后，采用脉宽调制调节发光二极管亮度进一步节约能源。根据晚上光线暗时自动开关灯的功率，夜间行人少时，根据设定的时间，早上又自动接通电源路灯，天亮后自动关闭，整体设计，从而实现自动控制系统的智能能量管理，更有利于推广应用太阳能路灯。关键词 蓄电池冲放电控制 LED 蓄电池 光敏电阻目 录1 引言12 设计原理22.1太阳能电池板

2、22.2太阳能控制器22.3蓄电池32.4逆变器32.5 LED的工作特性33太阳能路灯控制器总体设计框图53.1太阳能路灯控制器总体设计框图53.2太阳能路灯控制器各个模块54太阳能路灯控制器软件设计方案74.1总体软件流程图84.2主要子程序设计思路8结 论12致 谢13参 考 文 献14课程设计说明书 第12页1 引言在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，面对人类的可持续发展，从现有的常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到政府议事台上来了。而太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是依托高新技术的发展，可以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净，清洁环保。太阳辐射能是人类能够自由利用

3、的能源。太阳能作为无限可再生能源，逐步部分替代城市生产、生活常规能源已是大势所趋。太阳能照明作为太阳能最重要的利用方式之一，也越来越受到能源行业和照明行业的关注。充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能道路照明灯无需架设输电线路或挖沟铺设电缆线路，不需要专人管制，可以被安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方 与传统的照明工具相比，太阳能LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。太阳能发电照明

4、系统是根据中国国情和民情研发的，成为未来照明行业发展趋势2设计原理根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。2.1太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或被送往蓄电池中存储起来，或被用来推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池板发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。(1) 太阳能热发电：吸收的太阳辐射热能被转换成电能的装置，可分为两类

5、：一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，太阳热能被热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。有些国家研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。因太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，故而发展不快，实际应用不多。(2) 太阳能光发电：这是直接将太阳的光能转换成电能的方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点如下间歇性

6、。受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。迄今已有100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。近年来，产量迅速增加生产成本开始下降。目前光伏发电主要用于三大方面：为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。2.2太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时

7、获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。 太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、600V 。2.3蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。蓄电池组是用来储存太阳能电池方阵的装置，它的作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时被负载使用。若干蓄电池串并

8、联而成蓄电池组。其一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时化学能会被转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者被称为蓄电池充电，后者被称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。因为光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时，蓄电池也能够被用来提供相对稳定的电能。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部

9、分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。2.4逆变器在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC，为能向220VAC的电器提供电能，太阳能发电系

10、统所发出的直流电能被转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时， DC-DC逆变器也是不可或缺的，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。2.5 LED的工作特性LED具有对电压敏感的特性。只要正向电压达到3.4V以后，只要稍稍改变正向电压就会呈现指数倍的变化。故而LED的驱动方式为电流驱动。LED由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流或限流，否则无法正常使用。常见的LED灯都是通过另加一个驱动电源来实现对LED灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯总功率的10-20左右，比如一个理论值42W的LED灯，加上驱动后实际功率可

11、能在46-50W左右。在计算电池板功率和蓄电池容量的时候，必须多加1020来满足驱动所造成的功耗。除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了整体功耗。 如表1 所示。表1 太阳能LED灯具的主要性能指标太阳能电池60W ，12 VLED发光源28只LED、每只1 W工作温度-40 +80过充保护电压12 V(25C)过放保护电压10 V蓄电池12 V,72Ah照明时间天黑后，光控自动启动电光转换功能，使路灯点亮；在深夜时控（时间点可调）自动使路灯熄灭；早晨时控（时间点可调）自动使路灯点亮；天亮后光控自动恢复到光电转换模式阴雨天保证时间保证

12、连续3个阴雨天正常工作3太阳能路灯控制器总体设计框图3.1太阳能路灯控制器总体设计框图太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。 根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。如图1所示。图1 太阳能路灯控制器总体设计框图图2 太阳能路灯控制器总体设计框图3.2太阳能路灯控制器各个模块3.2.1主控及数据采集模块   

13、; 主控及数据采集电路如图2所示，包括单片机最小系统和AD0809芯片，其中单片机P1口向数码管发送显示数据；P0口连接AD0809芯片数据输出端，用于接收模数转换的数据；ALE(30引脚)连接AD0809的CLOCK端，用于给AD0809提供时钟信号；P27，P26分别用于控制过充过放电路，通过这2个端的高低电平变化，对电路进行过充过放保护以及对指示灯亮灭控制；P25连接AD0809的OE端，用于控制AD0809转换输出允许；P24连接AD0809的转换启动端START，用于控制AD转换启动信号；P23连接AD0809地址锁存端ALE，用于控制地址锁存信号；P20，P21，P22连接AD08

14、09模拟通道地址端ADDA，ADDB，ADDC，用于对模拟通道进行选择。主控电路功能实现：单片机通过P20，P21，P22控制AD0809 ADDA，ADDB，ADDC，选择AD0809模拟输入IN0端作为模拟信号输入端，AD0809通过内部AD转换，将模拟电压信号转换成数字信号，并通过数据口传送给单片机，单片机通过一系列处理控制数码管显示以及充放电控制端。如图2所示。图2 主控及数据采集模块3.2.2系统时钟模块本系统是根据季节和昼夜的变化来调节负载的运行状况。采用DS12C887作为系统时钟的主要芯片，它能自动生成年，月，日，时等时间信息。DS12C887这种型号的时钟芯片带有128RAM

15、。而当中的11B就是作为时间信息的存储容器，4B的空间来存储控制信息，剩下的113B则是给客户使用。3.2.3蓄电池温度采样模块本系统使用的温度传感器型号为DS18B20.该型号的温感器采用单总线协议，以数字码方式串行输出，大大的简化了传感器与温度处理器的接口。DS18B20与单片机的连接如图3所示。图3 DS18B20温度传感器与单片机的连接3.3.4显示电路模块    下图为数码管显示的电路，本电路采用单片机并行口显示，由741s373作为数码管驱动及位选电路，数码管用于显示当前时间，以及当前电压。741s373位选端LE1，LE2，LE3，LE4分别接单片机

16、P34，P35，P36，P37端口，单片机通过每次选择741s373的一位位选，选择当前显示的数码管送入显示编码，然后选择另外一位位选，送入显示编码，依次类推，实现数码管静态显示。3.3.5光敏电阻控制模块    利用通常情况下单片机低电平应低于08 V的特点，结合光敏电阻受光照影响电阻变化灵敏的特点，通过光敏电阻与固定电阻串联的方式，即通过检测固定电阻的分压值来检测白天与黑夜。当黑夜时设计固定电阻的分压值为08 V以下，即单片机引脚低电平值范围，此时通过单片机给P27送高电平，使放电电路工作，LED正常工作，否则LED灭。4太阳能路灯控制器软件设计方案4.1总体

17、软件流程图由控制器系统所实现功能，系统软件做了如下设计思路：由系统时钟芯片判断此时的季节并装载相关的季节参数，再对时间进行判定，按时间来装载相应的时间参数。接着，进行太阳能电池板的电压检测和蓄电池端口电压的温度检测和蓄电池环境的温度检测。对是否可以充电进行判断，进入充电控制子程序。最后再次检测蓄电池的端口电压，进入放电控制子程序控制蓄电池对负载的放电强度。如图4所示。 图4 总体软件流程图4.2主要子程序设计思路4.2.1时间判定子程序因日照时间长短和季节的变化细细相关。系统会对时间进行初期判断，设定负载的相应工作模式。若无特殊情况，白天是不开灯的，太阳能电池给蓄电池充电；在傍晚路人比较多的情

18、况下，采用双灯负载用作供给照明；而深夜时分，则是人数稀稀落落的时候，采用单灯负载。该负载方式既把人们的生活习惯考虑在内，又达到了节能的目的。如图5所示。 图5 时间判定子程序4.2.2充电控制子程序为了使蓄电池打到最大的充电效果。本系统采用脉宽调制的方式进行充电。通过单片机控制固态继电器在一个周期内导通与关断，继而打到脉宽调制充电之目的。系统首先进行太阳能电池板，蓄电池端口电压和环境温度的检测，然后根据蓄电池的荷电状态来确定太阳能电池给给蓄电池进行充电的方式。具体实现方案如下：检测蓄电池端口电压和周围环境温度，然后进行相应的计算处理，当蓄电池的剩余容量SOC80%时，采用第二种充电方式；当蓄电池的剩余容量SOC95%时则停止充电。如图6所示。图6 充电控制子程序流程图4.2.3放电控制子程序通过单片机与负载驱动电路的配合继而控制负载的工作状态。系统通过检测太阳能电池板电压来判断是否已经天黑，然后判断时间，装载相应的季节参数后对蓄电池端口电压进行检测，再对其荷电状态进行仔细的计算，根据负载状态进入相应的工作模式。这种放电方式的优越性在于不会过放电，最大限度的节约了能源。如图7所示。图7 放电控制子程序结 论本次完成了基于AT89C52单片机的太阳能LED路灯设计。解决了现阶段太阳能路灯照明系统中普遍存在的蓄