论文-太阳能LED路灯智能控制系统研究

1、长春工程学院毕业设计（论文）PAGE 摘 要太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术。充分利用太阳能不仅可以节约日益减少的不可再生能源，又可以减少对环境的污染，这使太阳能成为现在社会的一种重要能源。太阳能LED路灯，是太阳能应用在现实生活中的实例，近几年受到普遍的关注与研究。本论文设计了一种智能太阳能LED路灯系统，以AT89S51单片机为核心，通过对光强的检测和蓄电池电量的检测，再由单片机实现设定功能。本文内容包括国内外太阳能发电现状及工作原理，方案选择，元器件选择，系统的硬件，软件设计及系统的改进方向。其中系统的硬件设计主要包括单片机最小系统、蓄电池充放电控制电路、主副电路的

2、电压变换电路、A/D转换电路、主副电路切换电路、光强检测电路、电量检测电路、系统与上位机通信电路和温度检测等设计。关键词太阳能 LED路灯 光强检测 电量检测Abstract：Solar photovoltaic power generation is a kind of dont need fuel, pollution-free electricity for high and new technology. Make full use of solar light can not only save increasingly reduce non-renewable energy sou

3、rces, and can reduce the pollution to the environment, which makes solar energy society be an important energy. Solar LED street light is a solar energy application examples in real life, so it is widely attention and research in recent years.This paper designs a kind of intelligent solar LED street

4、 light system. It is based on AT89S51 as the core, through the optical detection and battery power, to set function by microcomputer. In this paper, the concrete content includes solar power at home and abroad present situation and the working principle, scheme selection, component selection, system

5、 hardware, software design and the improvement direction of the system. The systems hardware design mainly includes the SCM smallest system, storage battery charging and discharging control circuit, main circuit and assistant circuit voltage conversion circuit, A/D conversion circuit, main circuit a

6、nd assistant circuit of switching circuit, light intensity detection circuit, power circuit, communication circuit of system and the upper machine, temperature detection.Keywords: Solar energy LED street light Light intensity detection Capacity check PAGE II目 录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc359315

7、254 1 绪论 PAGEREF _Toc359315254 h 1 HYPERLINK l _Toc359315255 1.1 前言 PAGEREF _Toc359315255 h 1 HYPERLINK l _Toc359315256 1.2 国内外发展现状 PAGEREF _Toc359315256 h 2 HYPERLINK l _Toc359315257 1.3 研究的内容 PAGEREF _Toc359315257 h 5 HYPERLINK l _Toc359315258 2 方案论证 PAGEREF _Toc359315258 h 7 HYPERLINK l _Toc35931

8、5259 2.1 控制方式的选择 PAGEREF _Toc359315259 h 7 HYPERLINK l _Toc359315260 2.2 蓄电池充电方式的选择 PAGEREF _Toc359315260 h 7 HYPERLINK l _Toc359315261 2.3 电网电压的转换电路的选择 PAGEREF _Toc359315261 h 9 HYPERLINK l _Toc359315262 2.4 电池电量检测方式的选择 PAGEREF _Toc359315262 h 11 HYPERLINK l _Toc359315263 3 元器件选择 PAGEREF _Toc359315

9、263 h 13 HYPERLINK l _Toc359315264 3.1 太阳能电池的选择 PAGEREF _Toc359315264 h 13 HYPERLINK l _Toc359315265 3.2 控制器的选择 PAGEREF _Toc359315265 h 14 HYPERLINK l _Toc359315266 3.3 蓄电池的选择 PAGEREF _Toc359315266 h 16 HYPERLINK l _Toc359315267 3.4 光强检测的选择 PAGEREF _Toc359315267 h 17 HYPERLINK l _Toc359315268 3.5 LE

10、D的选择 PAGEREF _Toc359315268 h 19 HYPERLINK l _Toc359315269 3.6 以长春地区为例的设计举例 PAGEREF _Toc359315269 h 20 HYPERLINK l _Toc359315270 4 硬件电路设计 PAGEREF _Toc359315270 h 21 HYPERLINK l _Toc359315271 4.1 单片机简介 PAGEREF _Toc359315271 h 21 HYPERLINK l _Toc359315272 4.2 时钟电路 PAGEREF _Toc359315272 h 26 HYPERLINK l

11、 _Toc359315273 4.3 复位电路 PAGEREF _Toc359315273 h 27 HYPERLINK l _Toc359315274 4.4 过充过放控制电路 PAGEREF _Toc359315274 h 27 HYPERLINK l _Toc359315275 4.5 副电源电压变换电路 PAGEREF _Toc359315275 h 28 HYPERLINK l _Toc359315276 4.6 报警电路 PAGEREF _Toc359315276 h 29 HYPERLINK l _Toc359315277 4.7 蓄电池电压变换电路 PAGEREF _Toc35

12、9315277 h 29 HYPERLINK l _Toc359315278 4.8 A/D转换电路 PAGEREF _Toc359315278 h 30 HYPERLINK l _Toc359315279 4.9 光强检测及传感电路 PAGEREF _Toc359315279 h 31 HYPERLINK l _Toc359315280 4.10 主副电源电路切换电路 PAGEREF _Toc359315280 h 32 HYPERLINK l _Toc359315281 4.11 电量检测电路 PAGEREF _Toc359315281 h 32 HYPERLINK l _Toc35931

13、5282 4.12 系统与上位机通信电路 PAGEREF _Toc359315282 h 33 HYPERLINK l _Toc359315283 4.13 温度检测电路 PAGEREF _Toc359315283 h 33 HYPERLINK l _Toc359315284 5 系统软件设计 PAGEREF _Toc359315284 h 34 HYPERLINK l _Toc359315285 5.1 路灯开关程序框图 PAGEREF _Toc359315285 h 35 HYPERLINK l _Toc359315286 5.2 蓄电池充电程序框图 PAGEREF _Toc3593152

14、86 h 35 HYPERLINK l _Toc359315287 5.3 主副电路切换程序框图 PAGEREF _Toc359315287 h 36 HYPERLINK l _Toc359315288 6 系统设计展望 PAGEREF _Toc359315288 h 37 HYPERLINK l _Toc359315289 7 总结 PAGEREF _Toc359315289 h 38 HYPERLINK l _Toc359315290 参考文献 PAGEREF _Toc359315290 h 39 HYPERLINK l _Toc359315291 致 谢 PAGEREF _Toc3593

15、15291 h 40 HYPERLINK l _Toc359315292 附录 PAGEREF _Toc359315292 h 41 HYPERLINK l _Toc359315293 附录一 主程序 PAGEREF _Toc359315293 h 41 HYPERLINK l _Toc359315294 附录二 原理图 PAGEREF _Toc359315294 h 46长春工程学院毕业设计（论文） PAGE 1061 绪论1.1 前言能源是当今世界存在和保持发展的核心动力，随着社会生产的扩大、人口的增长、科技的发展等，对能源的需求也在不断增长，当今世界已经面临着能源需求量成倍增长的挑战，随

16、之而来的是全球范围内的能源危机。在传统的能源消费结构中，以石油、天然气和煤炭为主的化石能源占有重要比例。随着人类近百年的消费，这些化石能源的消耗非常快，据专家预计地球上25亿年累积的化石能源，人类只要400年就可以消耗殆尽，因此能源危机在当代显得更加危机。不仅如此，化石能源的大量使用还造成了全球的环境恶化，引起气候异常、臭氧层空洞扩大、酸雨频发等恶果，由化石能源的消耗所产生的二氧化碳是导致地球温室效应的最主要原因，目前全世界每天产生的温室效应气体以亿吨计，如果不加以控制，气温持续走高，会造成两极冰山融化、海平面上升，连人类生活的空间都将面临极大威胁。太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能

17、的新技术，具有安全可靠、无噪声、能量随处可得、不受地域限制、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便的与建筑物相结合等优点。因此，在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具潜力的研究领域。在光伏太阳能应用领域，太阳能照明占有重要的地位和份额，而LED太阳能路灯是一个具体而实际的应用。有资料显示，每年用于照明的电力在3000亿度以上，若采用LED照明，每年就可以节约1/3的照明用电，基本上相当于总投资规模超过2000亿元的三峡工程的全年发电量。由于太阳能电池板输出的是直流电能，而LED也是直流驱动光源，

18、两者的结合更是提高整个系统的效率，降低了市政成本，所以LED太阳能路灯越来越受到人们的重视。我国太阳能资源丰富，全国2/3以上地区年日照时间大于2000h，其中西部较多地区日照时间超过3000h。但是我国实际开发利用的太阳能资源还不到可开发利用的1/1000，因此太阳能的发展潜力巨大。为了按照各地不同条件更好地利用太阳能，按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区，如下表1-11所示。吉林地区属于太阳能辐射量的三类地区，为中国太阳能资源的中等类型区，全年日照时数为 22003000h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为50165852MJ，相当于170200kg标准煤燃烧所发出的

19、热量。所以，如果把本地区的太阳能有效地利用起来，对于节约能源和环境保护都有着可预见的收益。表1-1 我国太阳能资源分布情况地区类型年日照时数/(h/a)年辐射总量/MJ/(m2a)等量热量所需标准燃煤/kg包括的主要地区备注一类3200330066808400225285宁夏北部，甘肃北部，新疆东南部，青海西部，西藏西部太阳能资源最丰富地区二类3000320058526680200225河北西北部，山西北部，内蒙古南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部较丰富地区三类2200300050165852170200山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北

20、部，甘肃东南部，广东南部，福建南部，江苏北部，安徽北部，台湾西南部中等地区四类1400220041805016140170湖南，广西，江西，浙江，湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，江苏南部，安徽南部，黑龙江，四川西部，台湾东北部较差地区五类1000140033444180115140四川东部，贵州，重庆最差地区1.2 国内外发展现状1.2.1 太阳能发电的国内外发展现状 太阳能发电主要利用光照的“光伏效应”。1839年，法国科学家A.E.贝克雷尔发现光照能够使由两片金属侵入电解液结构的伏打电池产生额外的电位势，这种现象被称为“光生伏打效应”，简称 “光伏效应”。在所有能产生光伏效应的器件中，

21、半导体PN结是迄今光电转换效率最高的器件，因此太阳能电池主要采用此结构。早期的太阳能电池光电转换效率低，生产成本高，阻碍了太阳能电池的使用。科学家们一直致力于太阳能电池的研究，以提高光电转换效率和降低生产成本。1954年，美国贝尔实验室首次制成了单晶硅太阳能电池，其光电转换效率达到6%，至此产生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。经过科学家的不断研究，太阳能电池的性能得到不断的提高，生产成本不断降低。近年来世界各国，特别是发达国家对光伏发电技术十分重视，世界太阳能电池年产量迅速增加，特别是在1996年到2004年期间，连续8年增速在30%左右，在2004年，达到1200MW，在日常生活中得到

22、普遍使用。图1-1所示为19882004年世界太阳电池的产量柱状图，具体数值见表1-2。图1-1 世界太阳电池的产量表1-2 世界太阳电池产量具体数值198819901992199419961998200020022004其他国家34.74.65.69.7518.723.4255135美国11.114.818.125.6438.8553.774.97120135欧洲6.710.216.421.718.833.560.66135320日本12.816.818.816.521.249128.6251610合计33.646.557.969.4488.6154.9287.75611200我国光伏产业在

23、2004年之后飞速发展，年平均增长率超过40%，如表1-3所示，尤其是在20072009年，太阳电池产量占居世界第一。通过自主创新和集成创新相结合，我国光伏产业形成了具有自主知识产权的核心技术体系。目前我国千吨级多晶硅规模化技术已取得突破，2010年基本实现自给，不再依赖进口；晶体硅太阳能电池已经占有技术和成本的绝对优势，2009年产量已达世界产量的40%。表1-3 20042012年累计安装容量项目2003200420052006200720082009201020112012年度增加/MWP1027385275105138180320累计安装/MWP55659213018225736250

24、06801000注：平均年增长率41%。随着我国光伏生产设备的国产化率的不断提高，太阳能电池的成本会有很大的下降，将为太阳能在我国普及应用创造条件。太阳能未来在中国将有更大的发展空间，20132020年规划安装容量如表1-4所示，其年平均增长率将超过50%。表1-4 20132020年规划安装容量项目201220132014201520162017201820192020年度增加/GMP0.48.0751.171.822.844.426.8710.65累计安装/GMP1.001.482.233.405.228.0612.4819.3530.00注：平均年增长率为56%。就长春地区来说，已有很多

25、地方在使用太阳能路灯，下图1-2为位于长春高新区的长春北湖国家湿地公园的路灯。它充分利用自然资源，综合了风能发电和太阳能发电，具有巨大的实际使用价值。图1-2 长春市太阳能路灯实例尽管太阳能光伏技术在最近几十年得到了很大的进步，但目前仍有一些问题需要克服，以更好地推动太阳能光伏的推广应用，主要问题有：太阳电池的效率还不够高，太阳电池成本下降不够，光伏发电受气候环境的影响较大，晶硅材料的能源消耗大。随着科技发展，未来光伏发电成本会继续降低。各种相关技术如晶体硅、薄膜及其他的太阳电池将逐步提高性能，模块的转换效率将进一步提高。若光伏模块的能源转换率达到30%50%，可以使太阳辐射能高效地使用，安装

26、设计的成本会进一步降低，有利于太阳能的普及使用。尽管未来几十年，传统能源仍将是主要的能源，但可再生能源的使用比例会不断增加，发挥重要作用，这其中太阳能将成为首选。1.2.2 太阳能LED路灯控制器的国内外发展现状在太阳能LED路灯控制系统中，控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设备的充电和对负载的放电控制任务。目前日本、德国、美国等发达国家对于独立光伏系统电源控制器的研究主要侧重在以下三个方面：提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池充电策略和提高系统稳定性。通过研究不同的电路拓扑结构和先进控制算法，在太阳光强度、太阳能电池温度以及负载改变的情况下，尽可能使太阳能电池时刻保持最大输出功率状态

27、。即实现最大功率点跟踪。蓄电池充电策略直接影响到蓄电池的寿命，研究智能化的充电方法，提高蓄电池的充电接受率，减少充电时间，对于整个光伏系统的工作状态具有重要意义。独立光伏系统的应用环境一般比较恶劣，如何提高系统稳定性也是当前所有光伏电源控制器研究者最急需解决的问题之一。第三代控制器是具有两路调节功率的控制器，现已被广泛推广，在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明，节约用电，还可以针对LED灯进行功率调节，并具有对蓄电池等组件的保护功能。 1.3 研究的内容由于对光强使用较少，查找资料知，不同环境亮暗程度与光强对应关系如下表1-5所示。所以，把路灯由开到关的光强设定在40lux，把路灯由关

28、到开的光强设定在70lux。表1-5（1） 不同环境对应光强所处环境黑夜月夜阴天室内阴天室外晴天室内光强/lux0.0010.020.020.3550505001001000表1-5（2） 不同环境对应光强所处环境阅读书刊时所需照度家用摄像机标准照度夏季中午太阳光下光强/lux50601400约为109本次设计研究的系统如下：系统需要同时进行3个过程。一方面，通过光强监测电路实时检测当前的光强l，路灯的开关与此时光强和此时路灯的亮灭有关，详见下表1-6所示。其次，蓄电池的充电过程，当太阳能电量大于蓄电池电量且蓄电池电量在可充电范围内时，太阳能将给蓄电池充电。当太阳能电池的电量不足时，阻止蓄电池

29、倒充到太阳能电池中。最后，要判断蓄电池的电量是否足够给路灯供电，在蓄电池电量不足时，要实现与电网电路的自动切换，并在蓄电池重新储存电量之后，再切换回蓄电池供电，实现资源的最大利用化。由于蓄电池在使用过程中对温度的要求比较高，太高或太低都会对蓄电池的容量产生不可恢复的影响，所以在整个过程中还要实现对蓄电池周围的温度实现实时监控。表1-6 路灯开关判断此时路灯状态光强l/lux路灯要实现的变化灭l40保持当前状态亮l70亮灭亮l70保持当前状态具体实现功能：（1）蓄电池储存电量足够连续三天阴雨天路灯照明；（2）当蓄电池电量不足时，电网自动接入，保证路灯的正常工作；（3）通过光线的亮暗实现路灯自动熄

30、灭和自动点亮；（4）单片机始终处于工作状态。为了实现这些过程，具体实现步骤如下：（1）分析太阳能光伏发电技术和LED技术；（2）根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法；（3）设计LED和单片机供电电路；（4）设计电源控制电路；（5）根据系统方案设计控制器外围电路；（6）编写单片机执行程序。2 方案论证2.1 控制方式的选择太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本相同，都是为了完成晚上亮灯，早上熄灯的作用。国内外常用的控制器有单独的光控型、时钟控器型、经纬型等，由于其工作原理不同，各有优缺点。方式一：光控型单独的光控型一般采用感光探头，当早上光线较强时，自动关闭路灯，晚上

31、光线弱时，自动开启路灯，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，采用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，在使用时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作2。方式二：时钟控器型采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的

32、天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。近几年还出现将电子钟、LED、液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于路灯控制中。方式三：经纬型经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰

33、的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。通过以上对比，为了更好地实时准确的控制LED路灯的开关，我选择控制方式一，光控型。因为在不同的季节，光线亮度有很大的区别，光控型避免了人工调节的麻烦，可以更好地实现全自动化的运作。2.2 蓄电池充电方式的选择蓄电池的使用寿命除了它本身内在因素的影响外，还受到温度、放电深度DOD、过充过放程度等的影响，因此，为了延长蓄电池的使用寿命，节约系统的成本，在光伏系统中，应使蓄电池在浅放电、不过充过放电以及适合的温度下工作。这其中，充电方式占据着重要的

34、地位。现有的充电方式主要有以下几种3：方式一：恒流充电法在充电过程中使充电电流始终保持不变的方法，叫做恒定电流充电法，简称恒流充电法或等流充电法。在充电过程中由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程必须逐渐升高 HYPERLINK /product/searchfile/2937.html t _blank 电源电压，以维持充电电流始终不变，这对充电设备的自动化程度要求较高，一般简陋的充电设备是不能满足恒流充电要求的。对于恒流充电法，在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就越短。若从时间上考虑，采用此法是有利的。但在充电后

35、期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用于 HYPERLINK /product/searchfile/272.html t _blank 电解水上，电解液出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且容易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废。鉴于此，这种充电方法很少采用。方式二: 恒压充电法恒定电压充电法在充电过程中，充电电压始终保持不变，简称恒压充电法或等压充电法。由于恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在充电开始时充电电流会相当大，大大超过正常充电电流值。但随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。当蓄电池端电压和充电电压相等时，充

36、电电流减至最小甚至为零。由此可见，采用恒压充电法可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。但其缺点是，在充电开始时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。而在充电后期充电电流又过小，使极板深处的活性物质得不到充电反应，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命。所以这种充电方法一般只适用于无配电设备或充电设备较简陋的特殊场合，如汽车上蓄电池的充电、1号至5号干电池式的小蓄电池的充电均采用等压充电法。采用等压充电法给蓄电池充电时，所需电源电压：酸性蓄电池每个单体电池为2.42.8V左右，碱性蓄电池每个单体电池为1.62.0V左右。方式三

37、：恒压限流充电为补救恒定电压充电的缺点而采用的一种方法，即在充电电源与电池之间串联一电阻，这样充电初期的电流可以调整。但有时最大充电电流受到限制，因此随充电过程的进行，蓄电池电压逐渐上升，电流却几乎直线衰减。有时使用两个电阻值，约在2.4V时，从低电阻转换到高电阻，以减少出气。由于串联电阻将消耗掉有限的电能，这种采用串电阻限流的方式对于光伏系统来说，是不实用的。方式四：二阶段充电法二阶段法采用恒流充电法和恒压充电法相结合的快速充电方法，首先以恒流充电至预定的电压值，然后改为恒压充电完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压值就是第二阶段的恒电压值。方式五：三阶段充电法三阶段充电法是二阶段充电法和

38、恒流充电法相结合的方式。充电开始和结束时采用恒流充电法，中间阶段为恒压充电法。蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改为恒定电压充电，当电流衰减到预定值时，由第二阶段转到第三阶段。采用三阶段充电法的优点是：避免了恒压充电法开始充电电流过大，而后期电流又过小的情况，比二阶段充电法在中间阶段更接近充电电流接受率曲线。这种充电法减少了充电出气量，充电又彻底，延长了蓄电池使用寿命。下图2-1为三阶段法充电电流充电电压曲线。图2-1 三阶段法充电电流充电电压曲线综合比较，选择三阶段充电法来实现太阳能电池对蓄电池的充电过程，此法在蓄电池保护、充电时间、电路稳定性等方面都具有一定的优势。2.3 电网电压

39、的转换电路的选择 由于在本设计中选用电网来作为备用电源，所以需要进行AC220VDC24V/5V的交直流转换，下有两个方案可以选择：方案一：整流法整流电路是把交流电转换为直流电的电路它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。在本设计中电网取电经整流后给单片机供电，其电路图如下图2-2所示。7805芯片电压输出电压为标准的

40、5V，应此选7805作为电源稳压芯片，78*系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。取LM7805的输入端电压为10V，变压器二次侧电压的有效值考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降，变压器的二次侧电压大约要高10%，即所以变压器变比。图2-2 电网转换电路方案二：电源模块直接转换法电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为数字信号处理器、专用集成电路、存储器、微处理器、现场可编程门阵列及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说，这类模块称为负载点电源供应系统或使用点电源供应系

41、统。由于模块式结构的优点甚多，因此 HYPERLINK /view/1485179.htm t _blank 模块电源广泛用于移动通讯、交换设备、接入设备、 HYPERLINK /view/838066.htm t _blank 微波通讯以及光传输、 HYPERLINK /view/1360.htm t _blank 路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式 HYPERLINK /view/1983760.htm t _blank 供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超出了一次电源。模块电源具有隔离作用，抗干扰能力强，自带保护功能，便于集成。随着半导体

42、工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。本设计采用SM900型号的电源模块，它可以实现24.5V/5.1V双路隔离，具体功能如下：（1）输入电压：220VAC（+15%，-10%），50Hz2Hz；（2）输出电压：24.5VDC/5.1VDC；（3）额定功率：48W/35W； （4）支持热插播；（5）支持1+1冗余均流功能；（6）具备输出保护功能；（7）具备输出状态指示和输出状态查询功能；（8）输入输出隔离，双路输出分别隔离。SM900电源模块采用220VAC输入，经过EMI抑制和整流滤波电路后，分为相互隔离的两路输出，其工作电路也相

43、互独立，并且分别具有均流冗余功能。SM900电源模块的交流输入电路负责完成开关电源的输入整流和滤波功能，并且抑制电网上传来的电磁干扰，同时抑制电源本身产生的电磁干扰，以保证交流输入不受电磁污染。整流滤波之后，分别输出24.5VDC和5.1VDC，并且通过指示报警电路，显示SM900电源模块的工作状态。两路输出直接提供到底板，为底板上各个模块及现场设备供电。综合比较而言，我选择SM900型电源模块实现电网对路灯和单片机的供电，因为对于路灯和单片机的供电来说，电路的稳定性非常重要，直接影响整个系统的工作状况，而这种方式相对比较稳定，是最佳选择。2.4 电池电量检测方式的选择蓄电池的电量是本设计中一

44、个重要的量，它关系着太阳能电池是否向蓄电池充电以及是否需要启动副电源，所以实现蓄电池电量的实时检测非常重要。设计使用SOC估计的方法来进行电量检测。剩余能量状态称为荷电状态（State of Charge，SOC），这个概念被广泛应用在二次能源存储装置中。对于可循环使用的二次能源电池来说，SOC是一个表征电池剩余能量多少的重要参数。目前对SOC比较统一的定义为：电池在一定放电倍率下, 剩余电量与相同条件下额定容量的比值。通常定义电池在一定温度下充电到不能吸收更多的能量时，SOC为1；放电到能量不能再放出时，SOC为0。剩余电量SOC的数学定义如下4：或者其中，QC是二次电池使用后的剩余容量，单

45、位为安时（Ah），CI是二次电池充满电的情况下以恒定电流I放电的总电量，Q是已经放出的电量。研究与应用较多的SOC估算途径有：放电试验、实时安时计量、开路电压测量、卡尔曼滤波方法、阻抗谱法、负载电压法、神经网络法等，具体介绍如下。方案一：放电试验法放电试验一般是在实验室条件下对电池进行测试，可以得到电池在不同电流、温度等工况下的放电曲线，通过测试可以掌握大量关于电池工作特性的数据。但是，这种方法用来估算SOC存在两个缺点：（1）放电试验的时间一般较长，对于实时估算SOC并不合适；（2）通过放电试验估算SOC对电池能量是一种浪费。方案二：实时安时计量法该方法依据电池SOC的原始定义，对电池工作中

46、的电流值进行采集并积分。实现较简单，是目前应用较多的方法。由于安时计量法的计算完全依据电流值，因此它要求很高的电流采集精度，另外，在电池组中加入均衡电路后，电流除了主回路还要考虑均衡电流的存在，为了检测每节电池上的均衡电流成本提高许多。方案三：电压测量方法测SOC与开路电压或负载电压存在一定的规律性，这样就可以简单的通过测量电压值进行SOC估算。开路电压法的缺点是需要电池移除负载，等待一段自恢复的时间，这样就大大降低了效率；负载电压法的缺点是工作电流对电压的影响较大，一般只能使用在恒定电流情况下。综合而言，选择电压测量方法来测剩余电量，这种方法虽然在精确度不够，但是电路简单，价格相对比较便宜，

47、是目前来说最符合设计要求的电路。3 元器件选择3.1 太阳能电池的选择太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成 HYPERLINK /view/48797.htm t _blank 电能的装置。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏5。3.1.1 类型选择（1）单晶硅太阳能电池单晶硅是最重要的光伏电池材料，其生产工业也最为成熟，通过不断提高晶体质量，电池转换效率不断提高。现阶段单晶硅电池的转换效率一般为14%17%，实验室里最高的转换效

48、率为24.7%，规模生产时的效率为15%。单晶硅材料虽然光电转换率比较高，但价格昂贵，大幅度降低其成本很困难。（2）多晶硅太阳能电池多晶硅是单质硅的一种形式。多晶硅生产工艺的出现主要是为了降低晶体硅太阳能电池的成本。多晶硅太阳电池产量基本上与单晶硅电池相同，甚至更大，是光伏电池市场主要产品之一，与单晶硅电池相比，多晶硅电池价格较低，商品多晶硅电池组件转换效率一般为12%14%，实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。多晶硅太阳能电池将有望成为太阳能电池的主导产品。（3）非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池重量轻、造价低廉，转换效率较高，易形成大规模生产，目前非晶硅太阳能电池已

49、发展成为最实用、最廉价的太阳电池品种之一，但由于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了实际应用。目前非晶硅太阳能电池的研究主要着重于改善非晶硅膜本身的性质，以求得高效率和高稳定性。综合太阳能电池的转换效率、造价、稳定性等因素考虑，选择多晶硅太阳能电池作为本系统的太阳能电池类型。3.1.2 工作电压太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。如给6V蓄电池充电需要用89V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用1518V太阳能电池，给24V蓄电池充电需用3336V太阳能电池。3.1.3 输出功率Wp太阳能电池输出功率Wp即是标准太阳光照条件下，欧洲委员会定义

50、的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25条件下，太阳能电池的输出功功率。不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。所谓标准条件，接近平时晴天中午前后的太阳光照条件。太阳能电池的单位面积输出功率约127Wp/m2。太阳能电池一般由多个太阳能单元电池串联组成，其容量取决于照明光源、线路传输部件所消耗的总功率以及当地太阳能辐射能量。太阳能电池组输出功率宜为光源功率的35倍以上,光照丰富、开灯时短地区为34倍以上，反之为45倍以上。3.1.4 太阳能池组选择和安装路灯杆一般在5m以上，重心较高，大部分太阳电池板都是悬挂式，为增强整套设备的抗风力，一般

51、选择多块太阳电池板组成所需要的组件功率。如下表3-1为我国主要城市年平均日照时间及最佳安装倾角，可以看到长春市地区年平均日照时间为4.8h，长春市所在纬度43.9，最佳倾角是1。表3-1 我国主要城市年平均日照时间及最佳安装倾角城市纬度最佳倾角（）年平均日照时间（h）城市纬度最佳倾角（）年平均日照时间（h）哈尔滨45.68+34.4杭州30.23+33.42长春43.90+14.8南昌28.67+23.81沈阳41.77+14.6福州26.08+43.46北京39.8+45济南36.68+64.44天津39.10+54.65郑州34.72+74.04呼和浩特40.78+35.6武汉30.63+

52、73.80太原37.78+54.8长沙28.20+63.22乌鲁木齐43.78+124.6广州23.13-73.52西宁36.75+15.5海口20.03+123.75兰州36.05+84.4南宁22.82+53.54银川38.48+25.5成都30.67+22.87西安34.30+143.6贵阳26.58+82.84上海31.17+33.8昆明25.02-84.26南京32.00+53.94拉萨29.70-86.7合肥31.85+93.693.2 控制器的选择 （1）单片机单片机是一种集成 HYPERLINK /view/134362.htm t _blank 电路 HYPERLINK /v

53、iew/26651.htm t _blank 芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的 HYPERLINK /view/14045.htm t _blank 中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器/ HYPERLINK /view/928508.htm t _blank 计时器、多种I/O口和中断系统等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。它的体积小，质量轻，价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件，基本结构包括：运算器、控制器和寄存器。其硬件特征为：主流单片机包括CPU、4KB HYPERLINK /view/33

54、4600.htm t _blank 容量的ROM、128 B容量的RAM、2个16位定时/ HYPERLINK /view/259701.htm t _blank 计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP； HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 单片机可靠性高，可工作到106107小时无故障；系统结构简单，使用方便，实现模块化；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；处理功能强，速度快；控制功能强；环境适应能力强。（2）DSPDSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理

55、大量信息的器件。其工作原理是接收 HYPERLINK /view/38288.htm t _blank 模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他 HYPERLINK /view/6251878.htm t _blank 系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的 HYPERLINK /view/2064384.htm t _blank 电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是它的两大特色。芯片特点是：采用多总线结构，采用哈佛结

56、构，采用流水线技术，具有特殊的DSP指令，配有专用的硬件乘法-累加器，硬件配置强，快速的指令周期，支持多处理器结构，省电管理和低功耗。其优点是：对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小；容易实现集成；VLSI 可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能；可用于频率非常低的信号。缺点是：受采样频率的限制，处理频率范围有限；需要模数转换；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。（3）PLCPLC（Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，它为在工业环境应用而设计的。

57、它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、顺序控制、定时、执行逻辑运算、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。早期的PLC主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1969年美国数据设备公司研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。PLC的硬件结构基本与微型计算

58、机相同，基本构成为：电源、中央处理单元、存储器、功能模块、通信模块、输入输出接口电路。目前，PLC以其逻辑功能强、可靠性高、体积小、可在线修改控制程序、以易与计算机接口、具有远程通信联网功能、能对模拟量进行控制等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电接触控制系统，但是造价太高。综合考虑，我们选择单片机作为整个系统的控制器，在单片机的芯片中，AT89S51符合设计要求，是比较理想的选择。3.3 蓄电池的选择蓄电池组是太阳能电池的储能装置，它将直流电能转变为化学能储存起来，需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电

59、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即在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。3.3.1 类型选择对于蓄电池的种类，就市场上主流产品而言，主要有四类：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池。（1）铅酸蓄电池铅酸蓄电池历史最悠久，其工艺、应用、结构、性能和生产都在不断发展。铅酸蓄电池放电工作电压较平稳，既可小电流放电，也可很大电流放电，工作温度范围宽，可在-4065范围中工作，技术成熟、成本低廉，跟随负荷输出特性好，至今仍是蓄电池中重要产品，但铅酸蓄电池重量大，质量与能量比低，理论上，铅酸蓄电池的质量与能量比为240Wh/kg，实际只

60、有1050Wh/kg6。并且，铅酸蓄电池需要维护，充电时间慢。普通铅酸蓄电池由于使用寿命短，效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被淘汰。20世纪70年代，发展了阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。（2）镉镍蓄电池镉镍电池采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质的碱性蓄电池。用聚酰胺非织布等材料作隔离层，用氢氧化钾水溶液作电解质溶液，电极经卷绕或叠合组装在塑料或镀镍钢壳内。镉镍电池标称电压为1