光伏发电LED控制系统设计与分析毕业论文

43/49SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ毕业设计说明书光伏发电LED控制系统设计与分析学院：专业：学生：学号：指导教师：2013年6月摘要在传统的太阳能LED控制系统中，往往由于太阳能输入电压浮动围大，导致充电电压和充电电流不稳定，甚至由此引起电池损耗过大、寿命变短等问题，而且驱动输出部分由于负载变化，导致系统不能提供稳定的电压和电流，从而使系统不能正常工作。光伏发电LED控制系统主要阐述了整个控制系统的各个模块。模块包括太阳能电源电路、充电控制，功率管驱动电路、保护电路与光伏发电控制系统。其中太阳能电源电路采用BUCK电路和闭环PID控制电路实现电压变换，相对于在传统的DC-DC电路，电路中加入反馈控制，大大提高了输入电压的围，并且具有电压输入围宽、模块电路结构简单、电压转换效率高的特点；采用蓄电池专用充电芯片UC3906DW搭建硬件电路，实现蓄电池的充电控制和保护功能，蓄电池为精密贵重器件，由UC3906DW控制蓄电池充放电，极提高了蓄电池的使用寿命，弥补了由传统充电器电压电流不稳定而引起蓄电池损坏的不足；功率自适应驱动电路部分，从分析LED特性出发，利用高密度电源芯片SA7527A，结合输出光强和LED温度的检测，实现LED的恒流驱动、过压保护和光衰补偿的功能；整个系统采用PIC16C71-16/P单片机控制，PIC16C71-16/P自带了定时器、A/D转换、PWM模块，为整个系统提供PWM控制信号、模块片选信号和其他工作状态指示信号，并且将外部采集的光强信息运算处理，实现系统工作状态的智能控制。光伏发电LED控制系统具有硬件结构简单、稳定性高、价格低廉等特点，可广泛应用于光伏发电控制系统、电源管理、智能控制等领域。关键词：LED控制系统，UC3906DW充电管理，功率自适应驱动AbstractInconventionalsolarLEDcontrolsystem,oftenduetothefloatingsolarinputvoltagerange,thechargingvoltageandchargingcurrentinstability,andeventheresultingcelllossistoolarge,shorterlifeexpectancyandotherissues,butalsodueinparttodrivetheoutputloadchange,cancausethesystemtoprovidestablevoltageandcurrent,sothatthesystemdoesnotwork.PVLEDcontrolsystemmainlyonthevariousmodulesofthecontrolsystem.Modulesincludesolarpowercircuit,thechargecontrol,powertubedrivecircuit,protectioncircuitandphotovoltaicpowergenerationcontrolsystem.WhereinthesolarpowersupplycircuitBUCKcircuitandclosed-loopPIDcontrolcircuitforvoltageconversion,comparedtotheconventionalDC-DCcircuit,thefeedbackcontrolcircuitisadded,greatlyimprovestheinputvoltagerange,andhasawideinputvoltagerange,themodulecircuitstructuresimplevoltageconversionefficiencycharacteristics;usingdedicatedbatterychargingchipUC3906DWbuildthehardwarecircuit,thebatterychargecontrolandprotectionfunctions,batteryforprecisionpreciousdevicefromUC3906DWcontrolthebatterychargeanddischarge,greatlyimprovedbatterylife,upbytheconventionalchargervoltagecurrentinstabilitycausedbythelackofdamagetothebattery;poweradaptivedrivecircuitportion,startingfromtheanalysisofLEDcharacteristics,theuseofhigh-densitypowerchipSA7527A,withoutputlightintensityandLEDtemperaturedetection,toachievetheLEDconstantcurrentdriver,overvoltageprotectionandopticalattenuationcompensationfunction;entiresystemusingPIC16C71-16/PMCUcontrol,PIC16C71-16/Pcomeswithatimer,A/Dconverter,PWMmodule,fortheentiresystemPWMcontrolsignal,modulechipselectsignalsandotherworkingstatusindicationsignal,andtheexternallightintensitycollectedinformationcalculationprocessing,intelligentcontrolsystemworkingstate.PVLEDcontrolsystemhasasimplehardwarestructure,highstability,lowpriceandcanbewidelyusedinphotovoltaicpowergenerationcontrolsystem,powermanagement,intelligentcontrolandotherfields.Keywords:LEDcontrolsystem,UC3906DWchargemanagement,poweradaptivedrive目录19223摘要I31457Abstract II31457目录II26065第一章绪论1288701.1课题的背景和意义1318841.2国外光伏发电研究现状1254641.3本论文的研究容和研究方法28045第二章整体方案设计3110262.1方案选择与论证3216342.1.1方案选择346792.1.2方案论证333682.2整机系统框图463142.3预期目标与系统指标4306302.3.1设计预期目标4134052.3.2系统设计指标45800第三章电源电路的研究与设计5302473.1主电路的设计554983.1.1电路参数计算5192593.1.2电路设计5182313.2反馈电路的设计6128563.2.1电路参数计算7287393.2.2电路设计895153.3电源电路的设计813514第四章充电电路的设计10185844.1充电电路原理概述1072024.1.1UC3906DW介绍10122444.1.26-GFM-200特性分析10225874.1.3充电原理11187494.2充电电路设计1214721第五章驱动电路的研究与设计14227965.1SA7527A功率校正芯片介绍14150665.2原理概述与电路设计14245315.2.1原理概述14119525.2.2电路设计1529165第六章控制系统的设计1874606.1PIC16C71-16/P介绍18285206.2控制部分软硬件设计1894246.2.1控制系统硬件框图191847光强检测部分193144MCU模块设计20573状态显示电路设计201944供电电路设计21270446.2.2控制系统软件设计224118第七章结论与展望25119817.1误差分析与结论25108717.1.1误差分析25179777.1.2结论26174417.2有待进一步研究的问题277824参考文献2831682致319181附录A程序主要部分源代码327400附录B程序使用说明书403171附录C整机电路图41第一章绪论1.1课题的背景和意义21世纪资源与环境是关乎人类自身生存的热点话题，随着石油、煤矿等化石资源的不断枯竭，迫切要求人们加快对太阳能，风能，潮汐能等新能源的研究。相对于风能和潮汐能来说，太阳能具有绿色环保、可再生、规律性易于掌握等特点，并且太阳能光伏发电装置具有简单的设计结构，降低其成本和提高发电的可靠性是业界关注的重要技术问题。可靠的控制系统对太阳能光伏发电系统的影响巨大，因此，太阳能控制系统一直是业界关注的研究领域。随着“节能增效”活动的开展，光伏发电的研究得到了越来越多的社会各界的广泛关注，虽然国市场上出现了很多的太阳能产品，但是总体来说国企业开发技术和经验较为欠缺，研究能力相对薄弱，加上国家对光伏发电科研经费投入的不足等因素，导致了光伏产品可靠性差和质量低等问题。光伏发电关键技术无法突破，造成很多计划无法进行，不仅造成国相关项目的终止，而且，由于国技术瓶颈等问题的存在，很多企业开始从国外购买技术，更甚至直接购买成品的控制电路，这对本国名族工业的冲击巨大，对国自主创新造成了严重的威胁，加之国外相关控制产品的质量也不是非常可靠，这就迫切要求在广发发电控制领域做出突破。因此，自主通过研究设计出新一代光伏发电控制电路迫在眉睫，同时，LED控制系统涉与电压变换电路的设计、蓄电池充电特性研究、功率驱动研究、控制电路设计等方面的容，因此对于光伏发电系统的并网也具有一定参考价值。1.2国外光伏发电研究现状当前阶段国际上光伏发电技术成熟的国家包括日本、欧盟和美国等国，截止2004年，全球光伏发电的装机总容量为965.5兆瓦，预计2005年，更是4963.52兆瓦，欧美国家的光伏发电总量约占全世界光伏发电总量的80%，其不仅占据了过半的全球发电量，而且在其国家，光伏发电技术研究都比较成熟，应用领域广泛，并且实现了并网发电。我国的光伏发电起步较晚，起源于上世纪70年代。截止到2003年底，我装的光伏电池约为5兆瓦，并且应用领域主要是边远地区、交通控制以与远程通信中继等领域，应用围面比较窄，而且主要是集中在了偏远地区，主要是由于设备技术价格昂贵，无法大面积进行推广。到2004年我国累计装机容量为35兆瓦，随着对光伏发电的进一步研究，太阳能发电成本越来越低，太阳能发电市场将发生彻底的改变。据统计2005到2010年，我国的光伏发电成本约为每千瓦时1.2元，随着技术的不断成熟，预计到2020年，我国光伏发电将会彻底由独立发电转换到并网发电，成本也会降到每千瓦时0.6元，我国光伏技术水平也有望进入世界领先行列。1.3本论文的研究容和研究方法（1）研究容本论文研究直流电压变换电路，蓄电池充电控制与其保护电路；分析研究LED驱动电路与保护电路，使用PIC16C71-16/P单片机设计光伏发电控制系统。（2）研究方法本设计主要研究方法包括理论论证和实验仿真。其中直流电压变换电路、PIC16C71-16/P单片机控制电路采用理论论证结合实验仿真的方法，充电电路和LED驱动电路采用理论计算和设计的方法。电源电路使用PSIM9.0软件对基于PID控制器设计的DC-DC电路进行仿真，并作数据分析。控制部分首先在MPLAB_IDE_v8.85上开发出PIC16C71-16/P的控制程序，然后在Proteus7.0平台上做测试。第二章整体方案设计2.1方案选择与论证光伏发电LED控制系统主要包括直流电压变换电路、电池充电控制部分、功率驱动部分和系统控制部分。2.1.1方案选择本设计采用模块化设计思想，将系统的各个部分设计成相应的模块，首先实现模块应有的功能，最后在将各个模块连接起来组成整机系统。采用模块设计，首先可以保证各个模块的耦合度，提高模块的独立性，同时也提升了各个模块以与系统工作的稳定性。太阳能电池板输出额定直流电压，通过Buck(降压)电路将太阳能电池输入电压转换为适合蓄电池充电的电压，其中单片机PIC16C71-16/P提供PWM控制。充电控制和保护电路采用铅蓄电池充电专用芯片UC3906DW控制，后级LED驱动电路采用使用SA7527A设计的驱动电路。2.1.2方案论证（1）光伏电池：可将太阳能转换为电能，存贮到蓄电池或供负载直接使用。考虑到项目采用的是CNPV-180M光伏组件，其峰值工作电压时37.2V，因此本设计考虑使用25-37V可变电压输入。（2）Buck电压变换：效率对光伏系统的应用是非常重要的，单从DC变换器的效率方面来看，各种电路中，单拓扑式电路效率是最高的，如Buck和Boost；Buck-Boost结构次之，桥式整流再次。因此此次设计使用Buck结构电路。（3）充电控制和保护电路：采用UC3906DW实现充电控制和保护。由于课题项目采用6-GFM-200蓄电池，额定电压为12V，充电特性为:充电是14.50~14.90V/<40A,浮充13.60~13.80V/<40A（4）LED驱动电路:功率驱动电路使用SA7527A搭建。因为后级驱动负载是LED（大功率），横流驱动和过压保护功能可以使用功率校正芯片SA7527A外接少量元件实现。综合上诉论证，本设计可以实现设计任务。2.2整机系统框图根据设计方案绘制如下整机系统框图。如图2-1。首先太阳能电压输入整机系统，由BUCK变换电路实现25-37V/18V的直流变换，再由充电控制电路实现对蓄电池的充电控制和过电保护。功率驱动模块输入电压为18V，通过SA7527A控制实现功率自适应调整。系统整体由PIC16C71-16/P单片机控制，其负责提供系统的PWM控制信号、各个模块的片选信号以与显示工作状态等功能。PICPIC16F716单片机控制光强采样充电控制和保护太阳能电压输入铅蓄电池状态指示LED驱动电路DC-DC变换图2-1整机系统框图2.3预期目标与系统指标2.3.1设计预期目标(1)实现太阳能输入电压自适应匹配；(2)实现铅蓄电池的智能充电和充放电保护；(3)设计出外接负载可变的LED驱动电路；(4)实现系统能随外界光强变化达到整机工作的智能控制。2.3.2系统设计指标(1)DC-DC变换电压(前/后)：25V~37V/18V；(2)驱动功率围：0~2.4KW；(3)LED驱动能力：输出电压20V，电压波动2V，输出电流320mA，电流波动20mA。(4)光强弱信息采样率：40次/分；5．抗干扰能力：1~20s。第三章电源电路的研究与设计3.1主电路的设计太阳能输入具有电压宽，电流小等特点，为了能保证输入电压和蓄电池充电电压的匹配，DC-DC主电路采用BUCK电路实现。3.1.1电路参数计算（1）占空比D计算由设计指标可以确定VMAX=37V为最大电压，VMIN=25V为最小输入电压，占空比D可以根据电路输入电压和输出电压之间比例关系确定。（3-1）（3-2）（3-3）（2）电感L和电容C计算(3-4)电容耐压值：由于最大输出电压为37V，则电容耐压值应大于37V。设计电路设计要留有一定的设计裕量，这里取电容规格120uf/50V。（3）开关管Q的选取该电路的输入电压是25V~37V，则开关管耐压值为37V，电流的最大值为：（3-5）开关管的频率为f=250KHz，这里采用额定工作值是150V/6A的MOSFET管MTD6N15T4G。3.1.2电路设计主电路的系统函数Gvd(s)为：（3-6）其中，（3-7）（3-8）（3-9）取R=4.8Ω，Resr=50mΩ，因为L=79.2uH，C=120uF，可求得ω0=25000rad/s，f0=ω0/2π=3978.87Hz，Q=2.2641，ωz=1000000rad/s，fz=ωz/2π≈159235.4Hz。传递函数具体参数为：（3-10）主电路设计如图3-1。图3-1电源电路主电路3.2反馈电路的设计由于BUCK电路只能对固定的输入电压，起到直流变换作用，由于太阳能电压稳定性变化较大，单纯的BUCK电路，输出电压会随着出入电压的变化而变化，并不能起到稳定输出电压的作用，因此需要加入闭环反馈校正。PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。它的应用领域相当广泛，主要适用于时不变的线性系统。PID控制器常常作为反馈元件在工业控制中出现，它的工作过程可以分为：（1）收集反馈信息数据；（2）与设定基准值进行比较，并且用差值计算下一刻的输入值。其目的就是可以让系统的输出固定或者维持在某个值。PID调节器自身的特点可以概括为：为了使系统更加准确和稳定，根据历史数据和差别的出现率来纠正系统下一刻的输入值。一个PID反馈回路可以让系统的输出维持在设定值，可以证明在输出变化迅速的情况下，其他控制可能会导致系统有稳定的误差。3.2.1电路参数计算根据设计指标，电源电路应具有25-37V/18V电压变换功能。反馈校正装置则根据输入电压的变化，自动稳定输出电压和电流。为后接模块提供稳定的电压和电流。闭环反馈原理如图3-2。图3-2闭环反馈原理图采样值输出电压和基准电压值的差值传送到误差放大器，经过PID控制器、PWM调制控制开关管的工作，从而维持输出电压稳定在预定值，还在一定围有去除小干扰的功能。设PWM的载波幅度为1，那么开环系统函数为：F(s)=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)。补偿环节GZ(s)的设计采用K因子法，GC(s)采用PID调节器。（3-11）其中：（3-12）（3-13）硬件电路图如图3-3。图3-3补偿回路fC的大小与系统的响应速度快慢有关，fC的值越大，系统响应速度就会越快；但是为了抑制开关频率而产生的的干扰，fC应该取较小值。因此fC要综合考虑，取fC=24.592KHz。本设计选取基准参考电压Vref为9V，那么由Gb=1/(Gvd(fc)*H(fc))可得Gb值为1.9；补偿系统函数：H(s)取值1/2。当fC为24.592kHz时，Gvd(s)的相位为-148°，此处取相位裕度为60°。所以（3-14）由公式（3-15）得K=13.04。根据式3-12确定零极点值，结果为：c=948280，z1=z2=223124.7，p1=p2=4.30190。取Rbias=1KΩ，R1=1KΩ,以上元件的具体参数可以通过公式求得：C1=44.234nF，C2=6.91pF，C3=35.576nF，R2=58.6Ω，R3=803.766Ω。3.2.2电路设计根据上节参数设计反馈系统电路图，如图3-4。3.3电源电路的设计电源电路整机采用BUCK主电路和反恐控制电路实现。主电路实现可变输入电压下的电压变换，在输入电压发生变化的情况下，反馈回路自动校正输出电压图3-4反馈系统电路和电流，使电压输出稳定在18V，电流输出稳定在2A，电路如图3-5。图3-5电源模块电路主电路通过开关管、电容、电感实现降压变换，将输入电压变换至18V左右，补偿电路采用两个1KΩ的电阻实现，PID控制器的基准电压为9V，由蓄电池通过分压得到，控制开关管的PWM信号由PIC16C71-16/P单片机产生。第四章充电电路的设计4.1充电电路原理概述4.1.1UC3906DW介绍充电电路基于UC3906DW设计实现。图4-1为芯片UC3906DW部结构，作为专用电源管理芯片，其部集成限流电路和控制电路。由于芯片驱动管脚输出电流可以大于25mA，因此能够驱动外接的开关管，从而控制电路的输出电压和电路，电池的充电状态可以通过部检测比较器来检测。图4-1UC3906DW部结构4.1.26-GFM-200特性分析6-GFM-200是GS(M)系列高性能电池，它同时也是经ISO9001认证的高可靠性电池，按照额定电压分类，则可以分为6V和12V两种，个钟型号的容量从10Ah-200Ah不等。其应用分布广泛，例如可应用于应急照明领域、光伏发电存储系统、通信信息系统领域、应急UPS系统、航空工业领域等。6-GFM-200蓄电池还具有使用寿命长、自放电低、安全系数高、绿色环保等特点。其电池特性如表4-1，恒定功率放电时刻表如表4-2。表4-1电池主要特性表容量(25℃20HR200Ah10HR190Ah5HR164Ah1HR110Ah阻(完全充电状态)3.8mW(25℃不同温度下蓄

电池的容量40109%25100%088%-1576%容量保存率(25℃储存期3个月92%充电特性(25℃循环14.10V,不大于40A浮充13.50V,不大于40A表4-2恒定功率放电时刻表终止电压

(伏/单体)30M40M50M60M2H3H5H8H10H20H1.8531626022620612590.057.839.633.614.81.8033427623821612993.061.642.0534828824822213294.462.643.436.015.61.7036429825822413495.663.244.636.415.61.6537630226222813596.263.244.636.415.61.6040830826823413696.263.244.636.4充电原理传统的充电器由于充电电流不稳定，有时候甚至充电电流很太，容易损坏电池。当充电电路检测到电池的电压或放电电流小于放电设定值的时候,充电器通过控制比较器调节电路，使之变为充电状态；而且，该比较器还能在驱动器截止时输出25~30mA的充电小电流，因此，短时间的电池反接或者是充电电路短路，产生的电流也非常小，不足以损坏蓄电池。能够提供精准的部基准电压是UC3906DW最大的特点，而且其可以根据外界环境温度的改变发生变化。由于蓄电池的电压特性也随温度变化，如其4mV/℃的负温度特性，而且温度过高或者过低都会大大影响其工作特性，温度过高时（高于46℃），蓄电池就可能会由于过充电而发生损坏，同样在温度很低的情况下，例如在地狱0℃时，就可能引起不能完全充电的现象，对于铅蓄电池而言，其工作温度在25℃基于UC3906DW搭建的充电电路，有三种工作状态，分别是大电流恒流充电、低电压恒压浮充和高电压过充电。刚开始蓄电池电量低，充电电路以较大值的电流对电池进行充电，同时对电池电压进行不间断检测。当电池电量充到了总量的90%左右时，即电池电压达到预定转换电压，则充电器会自动转换至过充电状态。在过充电状态下，电路输出电压基本恒定不变，此时充电电流会不断变小。随着充电电流的变小，电池也在继续不断充电，当电流继续降低至预定终止电流时，输出电压也随之下降到了浮充电压,同时电池的容量也充到了额定电量的100%。4.2充电电路设计本设计选用的是12V200Ah的铅蓄电池，根据上节论述的原理，设计出如图4-2的充电电路。其中，充电电路的各个状态的阈值，以与输出的电压和电流的大小，都可以通过设置R2、R3、R4、R6和R7阻值加以设定。当在25℃时，基准电压Vref(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)当电池开始充电时，即充电电路由于电池电量不足或者输出电压下见到了浮充阈值电压，充电电路立刻向电池提供很定大电流，使电池进入充电状态，随着充电过程的不断进行，电池也由于电量增加其两端的电压也慢慢升高，再经R3、R4与R6分压电阻分压后加到引脚13（即比较器反向输入端）。当分压电压上升至Vref的95%时候，充电状态转换成为过充电，取样比较器输出低电平，同时，过充电指示端输出低电平。过充电状态下，电池电压继续升高，随着电池电压上升至过充电阈值时，开始进行恒压充电，并且输出电压稳定在过充电阈值。进入恒压充电状态之后，电路输出端的输出电流开始变小，最终维持稳定不变，充电过程完成。图4-2充电控制电路第五章驱动电路的研究与设计5.1SA7527A功率校正芯片介绍SA7527A芯片部集成有校正电路，可以校正输出功率。此电路不用外接R/C滤波器，它的部集成了一个置的R/C滤波电路和电流感应电路。同时SA7527A具有低功耗特性，加上其小体积非常适合应用于高密度电源的制作，末端的输出驱动器钳位电路，还能偶限制功率管的驱动阈值，因此电路具有很高的可靠性。其部结构如图5-1。管脚描述如表5-1。图5-1SA7527A结构图由于SA7527A芯片部的丰富资源，可以设计出基于SA7527A的LED功率驱动电路，并且电路具有结构简洁、稳定性可靠、功率因数高和低成本的特点。主要包括以下几个特性：（1）宽电压输入特性；（2）温度补偿和光衰补偿特性；（3）恒流和恒压特性。5.2原理概述与电路设计5.2.1原理概述模块采用25W负载为参考，通过分析LED灯管的工作特性,设计出功率驱动电路。LED使用总量为100颗，型号：Φ10-LED,LED联接采用串联和并联混合连接的形式（20颗串联，5串并联）。通过分析设计对象以与指标，绘制出如图5-2的驱动方案。蓄电池蓄电池开关管高频变压整流SA7527A光电隔离输出电流电压检测光衰/温度补偿输出图5-2功率驱动电路框图本设计功率25W，输入电压为12V输出为20V。通过计算输入和输出电压比例关系（输入电压12V，输出电压20V），确定初/次级匝数比为:30匝:50匝，反馈匝数8匝。5.2.2电路设计(1)输入部分设计通过把输出的检测电压信号和12V直流输入信号，分别输入到芯片的乘积运算两输入，即MUL端和E-O端，通过SA7527A运算产生PWM控制信号，由于负载特性，输入电压会有小的波动，当输入到驱动电路的直流电压变小时，芯片通过运算，使PWM输出脉宽变大，从而保证了在不稳定输入条件下，能够有相对稳定的输出。主电路如图5-3。通过分析可知SA7527A的MUL引脚可承受输入电压值为为3.7V之，为得到比较宽的电压输入围，此处设定工作时电压值：2V。因此，高压分压电阻比为(12V为蓄电池输出电压)，由于乘法器的输入端口的最大允许值是5μA，电路选用电压取样电路的自身功率为1/8W，那么R2+R3≥900kΩ。因此取R3=750kΩ，R2=150kΩ。(2)输出与反馈部分设计输出端的电压采样信号首先通过反馈绕组，将取样信息反馈到变压器的初级，再由PC817光耦反馈到芯片的反向控制输入引脚1（INV引脚）。当输出电流取样电阻上的压降值超过0.8V时，流过PC817的电流，主要由驱动电路输出电流的大小来控制，并且此时驱动电路工作在恒流输出状态；反之，驱动电路工作在恒压输出状态，而且输出电压的大小由TL431稳压器决定。这样的自动恒流/恒压特性保证了当LED出现开路以与短路时，电路不会出现连锁性破坏。图5-3功率驱动主电路光电耦合器PC817具有电流传输比为1:1的工作特性，其正向导通时的电流IF大于1mA，正常工作时的电压VCE大于1V。SA7527A的INV引脚在2.5V左右正常工作，此处取电阻R4的阻值1kΩ，则PC817的工作电流则为2.5mA。因此，整个恒流反馈电路由三极管Q3、取样电阻R12和PC817组成，输出负载发生时，驱动输出电流会相应增大或减小，引起R12的取样电压发生改变，同时通过Q3以与反馈线圈绕组，控制流过PC817的电流发生相应改变，最终使输出电流稳定在预定值。恒压输出大小由TL431稳压管确定。该稳压管的基准电压为2.5V，且工作电流IRC大于1mA，功率驱动模块正常工作时，输出电压为。R17，R14的阻值可以根据输出电压大小以与选用的电阻功率加以确定，通过计算得之R17=21kΩ,R14=3kΩ。(3)光强度和温度自动补偿电路的设计根据模拟电路的相关知识结合PN结温度特性可知，LED长时间连续发光会导致输出LED灯珠光通量减小、温度升高，甚至引起输出光通量减低，但是这种问题可以通过适当调整输出的驱动电流而改善。本电路采用光敏电阻和温敏电阻实现输出电流补偿，如图5-4。其工作工程为，LED灯珠长时间工作导致温度升高，SA7527A的3管脚由于R1、R2、RT的作用，对地等效电阻变小，因此导致3管脚的输入信号变小，从而通过SA7527A调节PWM输出，再经过变压器次极端，使输出电流减小，从而有效的克服了由于温度引起的LED光衰问题。另外，LED灯珠光通量的稳定性受PN结图5-4温度和光衰补偿电路温度的影响较大，PN结温度升高在一定程度上会导致PN结压降也同步升高，因此导致输出电压过早的由恒流状态转变为恒压状态，从而影响LED的正常工作，解决方法是在电路末端，并接输出电压补偿电路来恒定输出电压，这样LED灯珠温度升高时，通过计算补偿电路的电阻参数，设置合适的阈值电压，就可以实现恒流和恒压功能。(4)模块电路图根据预期目标以与以上参数设计设计出如图5-5的功率自适应驱动电路。主电路采用了基于SA7527A的BOOST电路，实现12V-20V的直流电压变换。由于输图5-5功率自适应模块电路出负载为LED阵列，考虑到负载由于工作状态引起输出功率变动，采用了光照补偿技术和温度补偿技术。实现了预期设计的输出电压20V，电流320mA的要求。第六章控制系统的设计6.1PIC16C71-16/P介绍PIC单片机是一种用来广泛开发和控制外围设备的集成电路，同时也是一款具有分散作用功能的多任务处理器，典型应用于电源管理领域。PIC16单片机是一款小型的单片机。PIC16单片机有计算功能和存管理，像CPU一样，由软件控制运行。然而不同类型的PIC单片机处理能力各部一样，存储器容量也有所不同，但是它们的共同点是，最高工作频率都在20MHz摆动，存储器容量也非常小（通常在4K之）。虽然时钟频率在一定程度上可以说明单片机的功能，但不能仅依靠时钟频率来评价其性能，因为不同体系的CPU机构也会影响处理能力。如果参考标准是一样的体系，则时钟频率较高的处理器处理能力就会一定比较强。身为PIC单片机家族的一员，PIC16C71-16/P自带有丰富的片上资源，如片上A/D转换器、增强型捕捉/比较、PWM生成。并且其指令集只有35条单字指令，具有工作速度快和低功耗等特点。部的有3个定时器/计数器（2个位8位定时器，一个位16位自动重载定时器），还集成有增强型捕捉/比较模块和PWM生成模块，芯片管脚图如图6-1。图6-1PIC16C71-16/P管脚图6.2控制部分软硬件设计控制模块主要完成对整机系统的工作控制，包括为各模块提供PWM控制信号、系统工作状态指示、系统保护、系统复位等功能。6.2.1控制系统硬件框图控制模块核心采用PIC16C71-16/P单片机。本系统通过光强检测模块采集外接光强度，并由单片机处理光照信息，控制其他电路模块正常工作。光强检测部分采用光敏电阻，输出信号经放大电路放大后，直接传送至单片机，PIC16单片机对送入的光强信息进行处理，控制整个系统的工作状态，并通过显示状态显示系统运行状态。PIC16还负责产生各个模块的PWM以与片选信号。控制模块如图6-2。PICPIC16F716I复位和时钟光强检测片选输出状态显示图6-2控制模块框图光强检测部分光强检测由四个光敏电阻并联组成。光敏电阻的工作原理很简单，不同强度光照会引起电阻阻值发生变化，其根本为光电效应。其制作相对比较简单，只需要在光敏材料的两端分别插上电极引线，然后将其装在特制的管壳里，如此就构成简单的光敏电阻，电路原理图如图6-3。图6-3光敏电阻模块其中R8-R11为四个光敏电阻，通过5V电阻接VCC（5V），ADIN1-ADIN4连接到对应的A/D转换器。光敏电阻为半导体器件，其特点很多，例如灵敏度高、光谱特性好，而且r值一致性也很出色，尤其在很多恶劣环境下（如高温、潮湿），还可以有很好的稳定性和可靠性，光敏电阻是由于其部的光电效应引起部阻抗特性发生改变而工作的。电阻值随着入射光的增强，电阻值不断下降；入射光消失后，电阻值逐渐加大，因此导致ADIN1-ADIN4的采样电压也不短变化，从而实现光电转换。由于PIC16C71-16/P部集成成了四通道AD转换器，因此不用外加AD转换模块。可以用光敏电阻直接和PIC16C71-16/P的RA0-RA3相连接。MCU模块设计PIV16F716I单片机最小系统主要包括晶振电路和，复位模块。由于PORTA部没有上拉电阻，因此要在外电路连接上拉电阻，如图6-5。图6-5PIC16C71-16/P最小系统状态显示电路设计采用发光二极管来指示光伏发电装置的工作状态。由于价格低廉，发光二极管在电器应用特别是家电应用领域非常广泛。绝大多数电源设备状态指示用的都是发光二极管。而且功耗低，因此成为系统显示设备理想的选择。硬件接线原理图6-6。三只二极管分别连接PIC16的RB5-7三个管脚，通过三个NPN管和三个PNP管控制开关。其中D4，D6和D8三只为红色，D5，D7和D9三只为绿色。D4和D5两只指示整机系统的工作状态；D6、D7指示电池的充电状态，D7、D8指示驱动电路的工作状态。图6-6状态显示电路供电电路设计对于任何一个设计来说，电源都是非常重要的，产品性能的好坏很大程度上有电源决定。系统利用充电蓄电池为控制系统供电，从而不必再为控制器另备独立的外部电源。本系统中辅助电源电路根据系统设计的需要而设计，由于采用了PIC16C71-16/P单片机进行控制，故系统需要提供正5V的电压给CPU供电。另外，图6-7供电电路图还需要正12V电源给电路中的BUCK电路提供9V基准电压。因为太阳能发电系统主要用于电网未涉与的地域，并且由于本系统为独立光伏发电控制系统，所以整个系统的工作需要利用太阳能所存储的电能，经过变压处理后提供电源支持，在本设计中欲得到5V和9V的电源来支持图6-7中各个电路模块的工作。蓄电池输出12V电压，经过9V（D4）稳压二极管在9Vout端输出9V直流电压，为PID反馈电路提供基准比较电压。9V再经过LM7805三端稳压集成电路，输出5V直流电压供单片机使用。6.2.2控制系统软件设计由于系统要实现光照强度实时控制外接电路，因此必须要求系统高速率的采样外接光照强度，并做出相应的控制操作。但由于实际外接光照并非理想，光强并不是连续的变化，外接的干扰（例如：人为的遮挡、乌云的遮挡），都会影响采样数据的准确性，都可能导致系统的错误操作，考虑到系统的稳定性，在软件编程中，本系统采用了“环路数据比较判定”的方法来减小外界干扰对系统的影响。基本实现思想为，通过四路AD通道采样光敏电阻的电压变化，得到X1，X2，X3，X4四组数值，四组数值输入PIC单片机，CPU对四路数据进行算术平均运算（6-1）由于PIC单片机不支持数据的浮点运算，因此可以先将数据进行归一化，然后判别。具体实现为：（6-2）即将采样的四组数值对5进行归一化。(6-3)“环路数据单元”的定义原理如图6-8。环形数据单元可以实现判断基准光强的存储，将采样均值Y和基准电压的均值Y'进行比较 。基准电压为(6-4)NN12……Pointe图6-8环形数据存储单元若|Y-Y'|>10则认为是干扰信号，忽略此次采样值。|Y-Y'|<=10则认为采样值有效，存入Pointer指针指向的“数据存储单元”，作为一个新的基准参考电压，同时Pointer加1，指向下一存储单元。当指针移动至N单元时，下一次Pointer指针重新指向单元首地址。因此运用“环形数据存储单元”可以有效的节省系统的硬件存储资源，并且可实现连续对一定室间隔的数据区平均，有效的判别采样电压的可信性。软件中PWM信号通过PIC部的定时器2提供，系统采用1MHz晶振，可通过软件设置定时器2的分频寄存器设置。主程序流程图如图6-9。定时器中断流程图如图6-10。详细程序代码如附录A和B中说明。程序流程图主要包括两个部分，第一部分（即流程图一）为主程序流程图，系统启动后，首先进行各个寄存器和标志位的初始化，初始化阶段完成的工作有：定时器0、2完成初始设置，光强寄存数组初始化，各个控制标志位初始化。之后程序开始不断的对AD采样值进行处理分析，根据处理结果来设置控制位的状态，若采集信息是干扰信息，则放弃此处采样结果，等待下次信息到来，反之将采集结果寄存到光强数组中。当没有定时器中断到来的情况下，主程序就连续不断的对程序处理，并且设置控制位。程序流程图的第二部分是定时器中断处理，程序中定时器主要负责提供PWM控制信号以与定时信号，由于单片机采用1MHZ外部晶体，机器周期是1us，因开始初始化开始初始化检测ADC转换完成标志位置位无置位判断是否是干扰信号？是否更新光强信息数组处理光强信息数据设置相应片选信号定时器中断开始重填初始化数据计数加1计数达到40？RA4取反输出计数清零否是中断返回图6-9程序流程图此要产生25KHz的PWM信号需要40个周期，因此在定时器流程处理中，通过设置计数标志就可以确定计时的时间，产生所需信号。第七章结论与展望7.1误差分析与结论本章主要分析各个模块的设计误差。其中电源模块使用PSIM9.0软件进行仿真，并通过MATLAB7.10软件分析结果，控制部分采用MPLAB_IDE_v8.85和Proteus7.0实现仿真。7.1.1误差分析（1）电源电路分析实际的电源电路仿真使用元件的标准值。准确值是C1=75.6nF，C2=0.446nF，C3=74.81nF，R1=1K，Rbias=1K，R2=34Ω，R3=1458.4Ω。这里取标准值为C1=80nF，C2=30pF，C3=68nF，R1=1K，Rbias=1K，R2=34Ω，R3=1450Ω，额定输入电压，额定负载下的仿真，电压响应如图7-1。图7-1电压稳定时间大约为1毫秒，稳定时18V，峰值电压36V，稳定后的电压纹波如图7-2。图7-2额定负载下，输入电压改变时的仿真，输入电压30V时的电压响应如图7-3。图7-3由图7-3可知，输出电压纹波系数为6mV，而且稳压效果好。由仿真结果可以知，电源电路设计达到了预期目标。（2）LED功率驱动能力分析根据第五章设计论述，系统可以在12V蓄电池的输入条件下，实现输出电压稳定在12V，电流320mA。（3）抗干扰能力分析系统抗干扰特性部分主要采用软件实现。考虑到外界光照强度时连续变化的量，因此对于剧烈变化外界变化，程序采用长度为40的环形数据存储单元，寄存当前时间的钱40秒钟光强度信息。模块采样周期为2秒/次，初始化需要经过40秒，之后对于外界的剧烈变化，系统将采样值和寄存均值进行比较，若小于阈值则认为是干扰信息，系统放弃存储本次采集信息，并且不会控制硬件动作；若采样值大于阈值，则认为是正常数据，并且存储到数据单元。同时判定当前的环境光照强度，完成对各个模块的控制。测试结果系统工作过程和预期一致，达到了设计的预期要求。7.1.2结论太阳能光伏发电LED控制系统是光伏发电系统的重要组成部分，也是当前光伏发电系统研究的热点之一，具有很高的实用价值。本论文首先介绍了该系统研究容和研究方法，然后分别分析和设计出太阳能电源电路、充电保护电路、LED驱动电路和控制系统，对光伏发电LED控制系统进行了较为全面的分析与研究。综合，论文主要完成了以下设计工作：(1)阐述了光伏发电的LED控制系统的设计思路。(2)根据指标要求完成了各个电路的硬件设计。(3)完成了对软件编程，并且进行了大量的调试与修改完善工作，使整个系统能较稳定的运行。(4)借助仿真软件，进行了系统部分模块的模拟调试，验证了控制器的合理性和可靠性，基本完成了光伏发电LED控制系统的设计指标。7.2有待进一步研究的问题本论文虽然已基本完成太阳能光伏发电LED控制系统的硬件和软件的设计，但由于学术水平、实践经验以与时间、条件等的限制，仍有很多不足的地方，与本文相关的问题还有大量工作需要进一步深入进行。其中包括：(1)电源电路的输入电压最高位37V，高于37V时输出特性明显下降，其中PID控制参数还可根据实际输出效果做进一步优化。(2)考虑到实验的可行性，本次设计中的LED灯设定的功率不是很大，只做到了几十瓦，在实际应用中需要更大功率的LED灯。所以在LED驱动电路方面还有待更加深入的研究。参考文献明,劲松,钱伟,刚.大功率LED路灯驱动电源的设计.照明工程学报,2011,22,66-69尚伍,敏,钱照明.高亮度LED太阳能路灯照明系统.电力电子技,2006,(6):43-45邓超平,凌志斌.新型的单相Buck电路实现功率因数校正.交通大学学报.2004,38(8).正华.有机太阳电池与塑料太阳电池.:化学工业,2006.窦伟，许洪华，晶.跟踪式光伏发电系统研究.太阳能学报2007,4-16尚伍,敏,钱照明.高亮度LED太阳能路灯照明系统.电力电子技术,2006,(6):43-45MaoLinChiang,ChiChangHua，JongRongLin.DirectPowerControlforDistributedPVpowersystem.PowerConversionConferenee，2002:311-315Duckmyung,Yuseong,Daejeon.Modifiedmultilevelinverteremployinghalf-andfull-bridgecellswithcascadetransformeranditsextensiontophotovoltaicpowergeneration.2010:305-719KONSTANTINTURITSYN；PETRSULC；SCOTTBACKHAUS；MICHAELCHERTKOV.OptionsforControlofReactivePowerbyDistributedPhotovoltaicGenerators.2011,99(6)H.ElFadil；F.Giri.ClimaticsensorlessmaximumpowerpointtrackinginPVgenerationsystems.Controlengineeringpractice：2011,19(5)M.ElMokadem1,C.Nichita1,B.Dakyo,W.Koczara.Maximumwindpowercontrolusingtorquecharacteristicinawinddieselsystemwithbatterystorage[J].DevelopmentsofElectricalDrives,2006:385–396WeiChen,HuiShen,BifenShu,HongQin,TaoDeng.EvaluationofperformanceofMPPTdevicesinPVsystemswithstoragebatteries[J].RenewableEnergy2007(32):1611–1622.V.Salas,E.Olias,M.Alonso-Abella,F.Chenlo.Analysisofthemaximumpowerpointtrackinginthephotovoltaicgridinverterslowerthen5kw[J].ProceedingsofISESSolarWorldCongress,2007:1376-1380MehranHabibiandAlirezaYazdizadeh.NewMPPTControllerDesignforPVArraysUsingNeuralNetworks(ZanjanCityCaseStudy)[J].LNCS2009:1050-1058忠实.风光互补发电控制系统不同负载对蓄电池控制电压的影响[D].大学硕士论文，2006，03：10-13DimosthenisPeftitsis,GeorgiosAdamidisandAnastasiosBalouktsis.AninvestigationofnewcontrolmethodforMPPTinPVarrayusingDC-DCbuck-boostconverter[J].IEEEPowerElectronicsconference,2007,6MohamedAzab.ANewMaximumPowerPointTrackingforPhotovoltaicSystems[J].WorldAcademyofScience,EngineeringandTechnology,2008(44):571-574A.Lay-Ekuakille,G.Vendramin,A.Fedele,L.Vasanelli,A.Trotta.PVMaximumpowerPointTrackingThroughDynamometricSensor:ModellingandCharacterization[J].InternationalJournalonSmartSensingandIntelligentSystems,2008,9(3):659-678黄瑶，黄洪全.电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪控制[J].电路设计，2008，03：18-19车孝轩著．太阳能光伏系统概论[M]．大学出版，2006.主编左然，施明恒，王希麟．可再生能源概论[M]．21世纪高等教育建筑环境与设备工程系列规划教材．：机械工业，2007侯玉宝,忠平,成群等编著.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真.：电子工业,2008.9邢运民，永红主编．现代能源与发电技术[M]．：电子科技大学，2007(美)RussellLMeade，RobertDiffenderfer著．电子学基础[M]．：清华人学，2006郭天祥.新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略.：电子工业，2009.1艾永乐，付子义.模拟电子技术基础.：中国电力，2008.11HariP.DharShadesK.Chaudhuri.Measurementsoffuelcellinternalresistancesforthedetectionofelectrodeflooding[J].SolidState桂长清等.动力电池[M].:机械工业，2009.4.151~152袁芬.太阳能电池板与蓄电池如何匹配[J].无线电，2009，09.95肖强，玉甫.混沌振子实现微弱周期小信号的检测[J]．网络与通信，2007,23(1/3):147-149．建平，江国栋.直流充电法在蓄电池阻分析中的实用性研究[J].电子工程师.2008.34（12）桂长清.风能和太阳能发电系统中的储能电池[J].电池工业，2008,2:50-54华成英童诗白.模拟电子技术基础[M].：高等教育，2009永新.新编单片机原理与应用[M].：电子科技大学，2003.高吉祥.全国大学生电子设计大赛培训系列教程[M].：电子工业出社,2006.J-D．Decotignie.UltrasonicSenserInBubbeMonitoring[M].SensorandActuator.1997-98,52-54.Benech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//功率驱动片选线#definecharge_csRB6//充电控制片选#definepower_csRB7//电源电路片选线//PWM管脚定义#definepwm_signalRA4bitReadADFlag;staticunsignedcharlight[20];//寄存10分钟的光照强度staticunsignedchartmp;//定义临时变量staticunsignedintnum,light_dist; unsignedcharz,t; //临时变量voidDelayUs2x(unsignedchart);voidDelayMs(unsignedchart);unsignedchartol_light();//数组取均值voidInit_Timer0(void);//定时器初始化unsignedcharinit_ligntarry();//光强数组初始化，初始值为25unsignedcharReadADC(unsignedcharchx);voidinit(void);//系统初始化voidproc_child(unsignedcharnum);voidprocess(unsignedcharnu);voidmain(void){ unsignedcharnum=0,temp=0; init(); DelayMs(20); while(1) { temp++; if（(ReadADC(2)*5*10/256)<45&&temp=200)//temp用来排除干扰 { charge_state=1;//充电电路停止指示灯亮起 charge_cs=0;//如果直流变换模块输出电压小于17V，则关闭充电电路 } if（(ReadADC(3)*5*10/256)<45&&temp=500)//temp用来排除干扰 { gonglv_state=1;//功率电路停止指示灯亮起 out_cs=0;//如果直流变换模块输出电压小于17V，则关闭功率驱动 } if(ReadADFlag) { ReadADFlag=0; num=(ReadADC(0)*5*10/256+ReadADC(1)*5*10/256)/2; process(num); } if(temp>=600||temp<0)//temp清零 { temp=0; } 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