基于单片机的太阳能路灯控制系统设计-毕业论文外文翻译

吉林工程技术师范学院毕业论文PAGEVI基于单片机的太阳能路灯控制系统设计TheDesignofSolarstreetlampControlsystemBasedonMCU

摘要随着可持续发展的不断深入，人们在积极开发各类可再生新能源的同时也在倡导节能减排的绿色环保技术。太阳能作为一种清洁的优秀的可再生能源，已成为最有价值的新能源。而在照明领域，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的LED固态照明也已被公认为一种节能环保的重要途径。本文研究的路灯同时整合了这两者的优势，利用清洁能源以及高效率的LED实现绿色照明。太阳能LED路灯是一种结合太阳能光伏发电技术与LED技术的新型路灯。系统通过蓄电池将太阳电池组件产生的电能储存起来供负载在夜晚照明使用。基于单片机控制的太阳能路灯具有很多优点：安全可靠，维护方便；不需要常规能源，不污染环境；安装方便，自动控制。从而不仅节约了电能，而且避免了由于四季昼夜长短不一，需要调整电路系统的麻烦，使路灯更为人性化。关键词：光伏发电，蓄电池，发光二极管摘要ABSTRACTWiththedeepeningofthesustainabledevelopment,peopleareactiveinthedevelopmentofallkindsofrenewableenergy,whilealsoadvocatinggreenenvironmentaltechnologyofenergysavingandreducingemission.Solarenergyasakindofcleanexcellentrenewableenergyhasbecomethemostvaluablenewenergy.Whileinthelightingarea,longlife,energysaving,safety,greenenvironmentalprotection,richcolors,miniaturizationoflightemittingdiode(LED)solid-statelightinghasbeenconsideredasoneoftheimportantwaysofsavingenergyandenvironmentalprotection.Thestreetlampinthispapersimultaneouslyintegratesboththeadvantages;utilizecleanenergyandhighefficientLEDtorealizegreenlighting.SolarLEDlampisonenewtypeofstreetlampbyunitingsolarphoto-voltaic(PV)powergenerationtechnologyandLEDtechnology.Thesystemstoreselectricalenergyviabattery,generatedbycomponentsofsolarcells,tosupplynightilluminationofstreetlamps.SolarstreetlampsbasedonMCUcontrolhavemanyadvantages:safety,reliability,easytomaintain;energysaving,withoutpollutiontoenvironment;easyinstallation,automaticcontrol.Consequently,notonlysaveelectricalenergybutalsoavoidthetroublestoneedadjustingthecircuitsystemduetothedifferentday-and-night’slengthsinthefourseasons,tomakethestreetlampmoreuser-friendly.KeyWords:PV,Battery,LED目录PAGEIII目录第一章绪论 11.1概述 11.2太阳能路灯的优势 21.3太阳能路灯的应用现状 31.4本论文研究的主要内容 5第二章系统方案论证及选择 62.1方案比较与论证 62.1.1太阳能电池板的选择 62.1.2蓄电池的选择 62.1.3照明灯具的选择 82.1.4控制器芯片的选择 92.2方案的配置与计算 112.2.1路灯设计所需的数据 112.2.3路灯设计参数的确定 12第三章系统设计的理论分析 143.1系统基本介绍 143.2太阳能路灯系统设计总体分析 153.3太阳能光伏发电的理论 153.4控制器设计的理论基础 173.5蓄电池的充放电原理 183.6蓄电池充电技术研究 203.6.1恒流充电 203.6.2恒压充电 213.6.3恒压限流充电 223.6.4两阶段、三阶段充电 223.6.5快速充电 233.6.6智能充电 243.7LED的发光及驱动原理 253.7.1发光原理 253.7.2驱动原理 27第四章系统的硬件设计 294.1系统电路框图 294.2硬件设计的原理流程图 304.3电源电路设计 314.4LED指示电路 314.5光控电路 324.6LED驱动电路设计 334.7涓流充电电路 354.8过充、过放控制电路 354.9单片机外围电路设计 374.9.1复位模块电路设计 374.9.2晶振电路 374.9.3按键开关电路 384.9.4显示模块电路设计 38第五章系统的软件设计 405.1系统软件框图 405.2计时程序设计 415.3中断程序设计 43第六章系统调试 446.1软件调试 446.2硬件及总体电路调试 446.3系统改进方案 45第七章总结与展望 46附录1 47附录2 48参考文献 I致谢 I吉林工程技术师范学院毕业论文PAGEI前言城市照明是一门科学、一种文化、一项艺术。城市照明体现了一个城市的形象，反映了一个城市的科学管理，是一项社会系统工程。太阳能LED灯具以其优越的节能效果、人文的光源照明控制，倍受客户青睐，其性价比与工频交流电灯具基本持平，且具有不破坏环境、不消耗不可再生能源的特点，易于客户接受，所以只要光源充足的地方就有太阳能LED灯具开发应用的市场。太阳能LED照明是未来照明的方向，其最大的特点：环保、节能、发光效率高，因此使它将会逐步取代传统光源。更值得一提的是，LED发光效率是以每十年提高十倍的速度来提高，成本也将逐年下降。1.系统技术指标：(1)太阳能板：18V，110Wp(2)输出电压：12V(3)输出电流：恒流(4)灯具：6支1W大功率白光LED(5)控制器：光控，时控，防止蓄电池过度充放电(6)阴雨天连续工作时间：7天2.系统用途：(1)安装在公园、小区等小路两旁当路灯使用。(2)安装在交通路段、港口等作为指示灯，保证交通航海的安全有序。(3)安装在繁华闹区或旅游景区作为装饰照明，营造气氛。(4)应用于果园，种植园，草坪等场所，既可以照明又可以杀虫。吉林工程技术师范学院毕业论文PAGE61第一章绪论1.1概述跨入21世纪后，人类面临着实现经济和能源可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。主要表现为以下几个方面：(1)能源短缺。常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。(2)环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。(3)温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。太阳能作为可再生能源，很早就被人们开发和利用了。随着科学和技术的迅速发展，世界能源危机的日益严重，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。同时，以煤、石油等作为燃料油面临严重的环境污染，再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。为贯彻落实科学第一章绪论发展观，把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济与人口、资源、环境相互协调发展的要求。因而，可再生、无污染的太阳能利用在世界各国崛起，世界光伏产业迅猛发展。根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。目前太阳能企业面临新机遇，由于光伏发电技术的逐渐成熟，成本不断下降，太阳能的利用无处不在。各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速。1.2太阳能路灯的优势太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。基于单片机的太阳能控制系统很好的把太阳能光伏发电技术与单片机智能控制技术结合了起来。而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。综上，太阳能路灯较传统路灯的优势有如下几点：1.节能环保：据统计，所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。有关数据表明太阳能路灯每年可以减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本！2.可靠耐用：太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。3.成本低廉：就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能路灯比普通路灯造价要高。若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进吉林工程技术师范学院毕业论文去的话，太阳能路灯在寿命周期内所发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。且规模越大，普通路灯安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于预计费用。4.安全稳定：运行维护费用低，普通路灯明显高于太阳能路灯，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。太阳能路灯免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。5.自主供电：离网运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。但是太阳能LED路灯的优势远远不只这些。一般认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还节能1/4，这是固体光源伟大的革新。除此之外，LED还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。由于LED具有发光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。1.3太阳能路灯的应用现状在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发第一章绪论展起来。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，在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场上规范”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。近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节电问题已引起政府部门的关注。在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。为此，建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用，上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。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。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。尽管受到常规能源吉林工程技术师范学院毕业论文的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能路灯市场仍然持续增长。1.4本论文研究的主要内容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。4.根据LED驱动原理设计LED驱动电路3.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。7.调试、实验硬件电路，保证可以实现既定功能。第二章系统方案论证及选择第二章系统方案论证及选择2.1方案比较与论证2.1.1太阳能电池板的选择太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳光电池中比较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。(1)单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区使用；(2)多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；(3)非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合在室外阳光不足的地区使用。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6V蓄电池充电需要用8~9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15~18V太阳能电池。2.1.2蓄电池的选择由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为：恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。一般来讲，这种蓄电池充电时，应外接直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，吉林工程技术师范学院毕业论文并把外界的电能转变为化学能储存起来。其过充电时间与充电速率有关，实际工作中可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。镍镉（Ni-Cd）蓄电池的正极为氧化镍，其负极为海绵状金属镉，电解液多为氢氧化钾，氢氧化钠碱性水溶液。小型密封镍镉电池的结构紧凑，坚固，耐冲击，震动，成品电池自放电小，在使用上适合大电流放电，使用温度范围广，零下40度到零上60度。镍氢（Ni-H）蓄电池镍氢电池的设计源于镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上，有极大的发展。其主要的改变，在于以储氢合金取代负极原来使用的镉，因此镍氢电池可以说是材料革新的典型代表。镍氢电池所造成的污染，会比含有镉的镍镉电池小很多。蓄电池是太阳能灯具的核心部件，它储存、并释放电能，功能等同于电能仓库。蓄电池容量的选择一般遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件吸收的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常供电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。蓄电池结构分为：板栅（正极板栅、负极板栅）、隔板、电解质及其它部件（外壳、电气盖等）。目前市场上蓄电池因酸液不同分为铅酸蓄电池和胶体蓄电池（固体蓄电池）。铅酸蓄电池因其维护复杂（酸液因为析氢的损耗，需要补充酸液），使用寿命短（3年左右），自恢复能力差等因素，正逐渐被胶体蓄电池所第二章系统方案论证及选择替代。胶体蓄电池的特点：1.深度放电后回充电性能强，甚至在放电后未及时补充电的情况下容量也能100％得到回充；2.循环使用寿命长达8～10年，适合每天使用；3.适合用于较长时间的放电使用；4.工作环境温度更高；5.优越的耐低温性能；6.适合在电力干线不稳定的环境下使用；7.无流动的胶体电解液使电解液在电池内部不产生分层现象；8.自放电小，很小均衡充电；9.内阻低，充电接受能力强；10.与普通铅酸蓄电池相比较，电池内部水分损耗小。综上对比，以及客观条件的要求可得，太阳能灯具优先采用胶体蓄电池。2.1.3照明灯具的选择太阳能路灯采用何种光源，是判断太阳能灯具能否正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。1.低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命在2000小时左右，电压低，灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。2.低压钠灯：低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造价高，采用较少。3.无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，但在太阳能灯具上使吉林工程技术师范学院毕业论文用寿命大大减少，与普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、相位、电压都是不能和普通市电相比的）。4.LED：LED灯光源，寿命长，可达100000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。因此，为达到最佳性能要求，选择LED灯具作为光源。2.1.4控制器芯片的选择智能化控制芯片中，单片机凭其体积小、封装形式简单、易于焊接、功能齐全、功耗较小等优点不失为最佳选择。利用单片机完全可以实现路灯亮度的自动调节并能达到节省能源的目的，并且一旦开机就可以智能地持续工作，减少了工作人员的维护量。在光伏发电系统中，充电器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，能快速、平稳高效的为蓄电池充电，同时保护蓄电池，避免过充现象的发生，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命。选择控制器的关键取决于芯片的不同和电路的不同，以下从三个方面进行对比论证。首先是简易并联调节的控制器，其近似可以看作是恒流源对蓄电池充电。因此，当在蓄电池达到浮充电压点时，蓄电池并没有充满，切断电源后，蓄电池电压会有很大的降落。如果将浮充电电压点值设定得太高，欲使蓄电池尽量充满，这样又会导致蓄电池的过早损坏。其充放电曲线不是很好，因此只适用于小功率的用户和要求不高的场合，特别适用于12V和24V输入的220W以下的用户系统。其次是PIC1F6716，众所周知的PIC系列单片机具有的特点有，哈佛第二章系统方案论证及选择总线结构，精简指令集技术，寻址方式简单、寻址空间独立，代码压缩率高、程序保密性强，功耗低，驱动力强，拥有两种串行总线端口，外接电路简洁，开发方便，运用C语言编程，程序存储器版本齐全等。具有性能完善，功能强大，学习容易，开发应用方便等优点。最后，对于芯片AT89C51的单片机。AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。功能强大的AT89C51单片机可为用户提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51的芯片管脚图如图2-1.其主要特性为：·与MCS-51兼容·4K字节可编程闪烁存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128×8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路鉴于对AT89C51比较熟悉，而且对于应用大型功率无人看守的光伏发吉林工程技术师范学院毕业论文电系统，直接关系到运行、维修的成本及系统的可靠性因此选择此款芯片。图2-1AT89C51芯片管脚2.2方案的配置与计算在众多太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能路灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天的情况下更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味的降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天路灯无法提供照明。2.2.1路灯设计所需的数据1.太阳能路灯使用地的经度与纬度。通过地理位置可以了解并掌握设备使用地的气象资源，比如月（年）的平均太阳能辐照情况、平均气温、第二章系统方案论证及选择大气质量等，根据这些条件可以确定当地的太阳能标准峰值时数(h)和太阳能电池组件的倾斜脚与方位角。2.路灯所选用光源的功率。光源功率大小直接影响整个系统的参数。3.太阳能路灯每天晚上工作时间(H)。这是决定系统组件大小的核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗和与之对应的太阳能电池组件的充电电流。4.太阳能路灯需要保持的连续阴雨天数(d)。此参数决定了蓄电池容量大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳能电池组件功率。5.确定两个连续阴雨天之间的间隔天数(D)。这是决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。2.2.3路灯设计参数的确定以某市为例，安装一批太阳能路灯，光源功率8W，要求路灯每天工作11小时，保证连续7个阴雨天能正常工作。当地东经114度，北纬23度，年平均日太阳辐射为3.82KW.h/m2，年平均月气温为20.5度，两个连续的阴雨天间隔时长25天。根据以上资料，计算出光伏组件倾斜角26度，标准峰值时数约4小时。负载日耗电量：(2-1)式中U为系统蓄电池标称电压(2)满足负载日用电的光伏组件的充电电流：(2-2)式中系数分别为太阳能充电综合损失系数，蓄电池充电效率和控制器效率(3)蓄电池容量：吉林工程技术师范学院毕业论文(2-3)式中0.75为蓄电池放电深度，1.2为蓄电池安全系数(4)连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量的太阳能电池组件充电电流：(2-4)式中0.75为蓄电池放电深度(5)太阳能电池组件的功率为：(2-5)式中18为太阳能电池工作电压第三章系统设计的理论分析第三章系统设计的理论分析3.1系统基本介绍系统由太阳能电池组件部分(包括支架)、LED光源、控制箱(内有控制器)等几部分构成,太阳能电池板的设计对系统的抗风设计非常有利。蓄电池采用地埋式，蓄电池箱采用防腐材料加工而成，可有防盗、防水、易于维修等作用。如图3-1所示。太阳能电池：吸收太阳能，将光能转换成直流电能。控制器：控制蓄电池的充放电的深度，延长蓄电池寿命，控制负载运行时间及状态。蓄电池：储存太阳能电池板产生的电能，在夜晚为负载提供电力。图3-1系统组成吉林工程技术师范学院毕业论文3.2太阳能路灯系统设计总体分析太阳能路灯以控制、工作方式的不同，可分为两种系统：1、光控开－光控关原理：白天，太阳光照射到太阳电池组件表面时，光伏效应产生电能，并通过控制器对蓄电池进行充电；随着光线逐渐减弱，太阳电池组件产生的电压不断下降，当电压值低于控制器设置的启动电压值时，控制器启动负载工作。光线逐渐增强，电池组件产生的电压增大并达到控制器设定关断电压值时，控制器切断负载。

2、光控开－时控关原理：白天，太阳光照射到太阳电池组件表面时，光伏效应产生电能，并通过控制器对蓄电池进行充电；随着光线逐渐减弱，太阳电池组件产生的电压不断下降，当电压值低于控制器设置的启动电压值时，控制器启动负载工作。当负载工作时间达到控制器预先设定时间时，控制器切断负载，负载停止工作。由于单片机程序设计十分灵活，所以可由软件设计选择控制方式。本系统的程序采用第二种方案。3.3太阳能光伏发电的理论为什么半导体PN结经由太阳光一照就有电呢?科学家们将这种光照生电的现象叫做“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。光伏效应的核心原理就是PN结的“空穴导电”。空穴代表着正电荷，正电荷的移动就形成了电流，这个电流就叫“光生电流”，它与光电池板的面积、光照度、光电池板表面温度等因素有关。实验证明，光生电流的大小，受光电池板安装角度偏差的影响也是非第三章系统设计的理论分析常大的而且变化迅速，在相同实验条件下，光伏电压对安装角度的偏差变化则反应迟钝，受其影响很小。电池的驱动能力的大小也即电动势的大小与电流是直接相关的，虽然电动势是以“伏特”为单位来表示的，但其“实力”是由内部电流的强弱决定的，实践中我们经常能遇到这样的情况，一节（块）电池的电压还很高，但是电流特别小，电压再高也是虚的。那什么是电流呢？电流就是电子的定向移动。回路中电流的方向永远与电子流动的方向相反。对太阳能电池来说，光生电流的方向就是“空穴”移动的方向，也就是电子流的反方向。光生电流决定了太阳能电池的发电效率，因此光电产品和光伏发电工程特别要注意光电池组件板的安装角度。角度偏差一点，光生电流都会下降很多。光生电流的产生，表面上看是“空穴导电”形成的，但实质上还是电子的“定向填充空穴”形成的。那么“空穴移动”和电子“填充空穴”又是怎么回事呢？先看看太阳能电池的制作材料单晶硅的内部结构。单晶硅内部的分子结构是四价电子结晶形态。硅原子靠这四价电子相互间形成强劲有力的离子键从而即相互吸引、又相互排斥，所有的硅原子都形成有规则的排列，竖看成列，纵看成行，美丽而神奇。原子间的空格也叫晶格，是自由电子活动的空间。P型半导体就是在美丽的四价单晶硅中掺杂了三价的硼原子，结果，某一个硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因为硼原子周围只有三个电子，必定有一对离子键因失配而呈现“空缺”（缺少单价电子相配），这就存在了一种不稳定或者说不平衡的趋势，“空穴”的形象化比喻由此而来，“空穴”时时表现出使晶格趋于稳定的态势。这就是P型半导体的特性。再说N型半导体。与P型半导体相类似，单晶硅在高温高压下形成结晶态之前，在纯硅当中掺杂了五价的磷原子，结晶形成后，某一个磷原子吉林工程技术师范学院毕业论文占据了硅原子的位置混在晶格中，结果必定有一价电子找不到配对、无家可归因而成为不安定因素。N型半导体就形成了。

现在要做一件好事，就是把P型半导体与N型半导体贴合在一起。结果在接触面上就形成了很薄的半导体膜层，这个膜层被科学家称为PN结，PN结是一个内建电场，具有单向导电性，即加上正向电场就导通，加上反向电场就截止。PN结是半导体器件技术和电子科学发展的关键基础。目前实验室内的PN结可以细微到纳米级。这意味着超大规模集成电路的开发应用会来一次历史性的飞跃，带给我们的好处是最高档的PC机可以制作得很轻、很薄、很小巧。太阳能电池的外表面——向阳的一面是富空穴的P型半导体，紧贴下面的就是富电子的N型半导体。在太阳光子的激发下，N区的自由电子异常活跃，终于冲破PN结的阻挡，逐次开始填充P区中的空穴。有意思的是，这些空穴由下向上依次被电子填充，就好像空穴由上而下在悄悄移动。这就是“空穴的移动”，这个移动是虚拟移动，晶格中的每个原子都在各自的位置上纹丝不动，动的只是与正电荷相配对的电子而已。太阳能电池的电动势由此而生。但是，空穴的虚拟移动和电子的实际定向移动还都只是带有电荷的载流子向电池上下两面的聚集，只能形成电动势，还不能形成电流。要形成电流还得怎么样？还要在电池的两端加上导线使其构成回路才行。3.4控制器设计的理论基础太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最为重要的部件，也是各种路灯系统最大的区别所在。可以说，光伏路灯系统的不同，其实质就是控制器的不同。其设计的好坏，决定了一个太阳能光伏发电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。第三章系统设计的理论分析太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能,具有光控、时控的功能,并应具备夜间自动切断负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。控制模块的基本思想是检测太阳能电池板电压，若白天到，封锁控制电路，LED灯关闭；夜晚，太阳能电池板电压较低，开启控制电路，LED灯点亮。同时检测蓄电池端电压，判断其充电方式、以及对负载LED的供电方式。控制器结构电路主要由充电电路、放电电路、单片机外围电路和LED驱动电路等几部分组成。太阳能控制器功能：1.电池组件防反充保护；2.蓄电池过充保护；3.蓄电池的过放保护。4.电池组件、蓄电池的反接保护；5.负载过压保护；6.智能充电：增加浮充功能，即恒压控制。3.5蓄电池的充放电原理以铅酸电池为例。所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质—氢氧化铅（），氢氧根离子在溶液中，铅离子（）留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（），与电解液中的硫酸（）发生反应，变成铅离子（），铅离子转移到电解液吉林工程技术师范学院毕业论文中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如图3-2所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。图3-2铅酸蓄电池电动势产生原理其原理可通过下面的反应方程式来表示：负极：(3-1)正极：(3-2)总反应：(3-3)1.放电中的化学变化蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物“硫酸铅”。经由放电，硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。2.充电中的化学变化由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还第三章系统设计的理论分析原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加,亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充。太阳能综合供电系统中的蓄电池主要以浮充方式运行。一般来说，当有日照时，蓄电池与光伏阵列发电装置并联运行，此时蓄电池自放电或瞬间放电所损失的容量由浮充电流补足；在无日照时，则由蓄电池单独向负载供电。当蓄电池组电量未饱和时，系统通过输入变换单元对蓄电池组进行补充充电。随着充电过程的进行，蓄电池组端电压将逐渐上升，控制单元适时检测蓄电池组的荷电状态，当蓄电池组端电压达到充电保护电压时，充电过程终止。在浮充方式运行下的蓄电池，其充放电循环次数较少，自放电和瞬间放电后的电量能够很快恢复，因此蓄电池的使用寿命可以得到延长。3.6蓄电池充电技术研究蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法3.6.1恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。吉林工程技术师范学院毕业论文这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏蓄电池。充电过程中电压、电流变化关系如图3-3所示。图3-3恒流充电曲线图3-4恒压充电曲线3.6.2恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法的充电特性曲线如图3-4所示，此法也有其不足之处：第三章系统设计的理论分析①在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤。②如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。③蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。3.6.3恒压限流充电恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在蓄电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。这种采用串电阻限流的方式对于光伏系统来说，肯定是不实用的，因为串联电阻将消耗掉有限的电能。但如果采用其它非能耗限流方式，还是有其优越性。3.6.4两阶段、三阶段充电这种方式是以克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，吉林工程技术师范学院毕业论文然后采用恒压方式进行充电。这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。其充电特性如图3-5所示。在两阶段充电完毕，即蓄电池容量到达其额定容量(当时环境条件下)时，许多充电控制器允许对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。如图3-5的虚线段。图3-5两阶段、三阶段充电曲线3.6.5快速充电正常充电方式蓄电池从0%到100%容量比，一般需要8-20小时，充电时间长。在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池有损害，且电流利用率也下降。快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在1-2小时内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气和使蓄电池电解液温度过高(一般在45℃以下)。这种方式解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法是采第三章系统设计的理论分析用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合方法。短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。这样就可以大大地提高充电速度，缩短充电时间。当然脉冲充电电流、持续时间和放电电流以及持续时间必须根据蓄电池的要求进行。3.6.6智能充电智能充电是以美国人J.A.MAS（马斯）研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础。它是以最低析气率为前提，找出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。1967年美国学者麦斯(J.A.Mas)经过大量试验提出了电池充电可接受电流定律，如式3-4所示(3-4)上式中：——电池可接受的充电电流；——开始充电(t=0)时电池可接受的最大充电电流；a——充电可接受电流衰减常数(接收率)，与电池的结构和状态有关，a=I/C，其中I为任意充电状态下蓄电池可接受的充电电流，C表示蓄电池的容量。由此可见，a的数值越大则表示蓄电池的充电接受能力越强，其充电时间也就越短。电池在充电过程中其充电可接受电流按图3-6所示，具有指数规律下降的可接受电流特性。当充电电流大于充电可接受电流时，即处在1区域时则会导致部分电流消耗于电离电解液中的水，使电池电解液产生析气反应；当充电电流在可接受电流曲线以下时，即处在2区域时，不产生析气，此时充入的电量几乎都转变为电池的化学能量。在1区域时，充电电流越大，电解水反应就越剧烈，并使电池内部的压力增大、温升加速，使得电池的充电效率下降，且很容易损害电池影响电池的使用寿命。吉林工程技术师范学院毕业论文图3-6充电可接受电流曲线图虽说按照图3-6所示的特性曲线进行充电，可以使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的附近，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小。但是在光伏系统中因为充电电源本身并不是真正意义上的“无限电源”，而是来自太阳能光伏阵列这个“有限电源”，对蓄电池充电的同时还必须考虑电源电流的“来源”是否足够。3.7LED的发光及驱动原理3.7.1发光原理发光二极体是一种将电流顺向通到半导体P-N结处而发光的器件，通常采用双异质结和量子阱结构。LED发光的原理如下：1.P-N结电子注入发光如图3-7所示。P-N结结电压构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。第三章系统设计的理论分析图3-7 P-N结发光的原理图2.异质结注入发光白光为了提高载流子注入效率，可以采用异质结（两种不同材料的半导体相接触所形成的界面区域）。图3-8左图表示未加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高度的势垒。右图表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。但空穴的势垒小得多，而且空穴不断从P区向n区扩散，得到较高的注入效率，N区的电子注入P区的速率却较小。这样n区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n型半导体能隙所决定的辐射。由于p取得的能隙大，光辐射无法把点自己发到导带，因此不发生光的吸收，从而可直接透射处发光二极管外，减少了光能的损失。发光二极管与半导体二极管同样加正向电压，但效果不同。发光二极管把注入的载流子转变成光子，辐射出光。一般半导体二极管注入的载流子构成正向电流。应严格加以区别。图3-8异质结发光原理图吉林工程技术师范学院毕业论文LED有三种激励方式：(1)用蓝色LED激励发黄光的荧光体。这种白光构就是将蓝光LED与YAG荧光物质放在一起，用蓝光激发荧光物质，这样它发出的光谱就是白光。在这方面日亚化学公司拥有世界性的专利。(2)用紫外LED激励RGB荧光体。激励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组拿来不同可发射白光以外的各种顏色的光，因而可广泛应用于照明。用R.G.B三基色LED开发了白色LED，现实验室水准的发光效率已超过50lm/W，近几年内可望超过100lm/W，而红光部份最佳的发光效率已超过100lm/W。(3)利用红、绿、蓝3种发光二极体调整其个别亮度来达到白光，一般来说，红、绿、蓝的亮度比应为3：6：1

，或者只用红、绿或蓝、黄两颗LED调整其个别亮度来发出白光，这样的白光结构最大的缺点就是造价较高，不利于商品化发展。3.7.2驱动原理LED是一种半导体产品，需用低压直流来驱动。驱动一般采用两种方式：恒压驱动方式或恒流驱动方式。LED的电压和电流近似成指数关系,LED的电流和它的相对光通量近似成正比关系,LED的电压和它的相对光通量也近似成指数关系。驱动LED的最佳方法是使其工作在恒流模式下。对LED驱动器的主要要求有：（1）为满足蓄电池组电压供电，驱动器应有升压功能，以满足6V、12V、24V蓄电池组供电的要求，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，以提高电池的使用寿命或两次充电之间的时间间隔。吉林工程技术师范学院毕业论文（3）在多只白光LED并联使用时，要求各白光LED的电流相匹配，使亮度均匀。（4）低功耗，静态电流小，并且有关闭控制功能，在关闭状态时一般耗电应小于1mA。（5）白光LED的最大电流应可设定，使用过程中可调节白光LED亮度。（6）有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护。（7）小尺寸封装，并要求外围组件少而小，以使占PCB面积小。（8）对其他电路干扰影响小。（9）使用方便，价位低。吉林工程技术师范学院毕业论文第四章系统的硬件设计4.1系统电路框图太阳能LED路灯照明系统主要是由太阳能模块，蓄电池，LED驱动电路，LED灯具和控制器这五部分组成。首先，太阳能电池板是太阳能路灯系统中的能量来源部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存储于蓄电池内备用。其次，控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和充电电压，实现快捷、平稳、高效充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命，同时防止蓄电池过充电和过放电。再者，蓄电池将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。LED驱动为LED灯具提供稳定的供电条件，使得LED路灯能够达到太阳能路灯系统的照明要求，理想的灯具既要高效照明，又要尽可能的降低功率损耗。电路的结构原理框图如图4-1所示。图4-1系统电路框图第四章系统的硬件设计4.2硬件设计的原理流程图系统得以正常运行，基于一个合理有序的流程，本设计的流程思想如图4-2所示：图4-2硬件设计流程吉林工程技术师范学院毕业论文4.3电源电路设计电源稳压电路如图4-3所示。系统由太阳能供电，+12V蓄电池电压经过78L05稳压后产生+5V电压，作为控制器的主电源。电容C6、C7作为高频旁路、去耦电容，将高频信号旁路到地，消除高速跳变的电流产生的阻抗噪声。同样电容C4、C5为滤波电容,可以有效抑制电源上出现的纹波。图4-3电源电路4.4LED指示电路发光二极管显示电路设计设计中采用了5个发光二极管，其中三个发光二极管作为调节时间显示灯，采用下拉电阻是为了保护发光二极管，如图4-4所示。最后两个发光二极管分别是停止充电指示灯和停止放电指示灯，如图4-5所示。图4-4调节时间指示灯第四章系统的硬件设计图4-5停充停放指示灯4.5光控电路与光敏电阻器相比，光敏二极管具有灵敏度高，高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。在使用时光敏二极管应反向接入电路中。根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，一般作光电检测器。本文采用图4-6所示电路实现光控功能。白天光照使光敏二极管导通，Q1基极为高电位，Q1导通则单片机引脚低电平有效。夜晚，光敏二极管截止，Q1也截止，引脚高电平有效。吉林工程技术师范学院毕业论文图4-6光控电路4.6LED驱动电路设计将多个LED连接在一起使用时，正向电压和电流均必须匹配，这样整个组件才能产生一致的亮度。LED的链接方式一般有串联、并联、混联等。串联形式分为简单串联和带旁路串联。简单串联的优点是电路简单，连接方便。LED的电流相同，亮度一致；缺点的是可靠性不高，驱动器输出电压高，不利于其设计和制造。带旁路串联的优点是电路脚简单，可靠性较高，保证LED的电流相同，发光亮度一致；缺点是元器件数量增加，体积加大，驱动器输出电压高，设计和制造困难。并联形式分为简单并联和独立匹配并联。前者的优点是电路简单，连接方便，驱动电压低，可靠性较高；缺点是需要考虑LED的均流问题。后者的优点是可靠性高，适应性强，驱动效果好，单个LED保护完善；缺点是电路复杂，技术求高，占用体积大，不适用于LED数量多的场合。混联形式包括先并联后串联，先串联后并联，交叉阵列。前两者的优点是可靠性较高，驱动器设计制造方便，总体效率较高，适用范围较广；缺点是电路连接较为复杂，并联的单个LED或LED串之间需要解决均流问题。交叉阵列的优点是可靠性高，总体的效率较高，应用范围较广；缺点是驱动设计制造较复杂，每组并联LED需要均流。第四章系统的硬件设计综合考虑后，本设计选择带旁路串联形式。每个LED都并联一个齐纳二极管的改进型串联连接形式，如图4-7所示。在这种连接方式中，每个齐纳二极管的击穿电压都高于LED的工作电压。在LED正常工作时，由于齐纳二极管ZD1～ZDｎ，不导通，电流主要流过LED1～LEDｎ，当LED串中有损坏的LED所造成灯串开路时，由于ZD1～ZDｎ导通，除了有故障的LED外，其他LED仍有电流通过而发光。这种连接方式与简单串联形式相比较在可靠性方面得到很大提高。直接从单片机管脚输出的电平难以驱动高辉度的LED路灯，因此本文采用如图4-7所示的驱动电路。此驱动电路为恒流LED驱动电路，Q5基极接单片机PX（X=1，2，3）口。ZD1为齐纳二极管，作为恒压源加在Q6的基极上，由于基极偏压稳定，集电极电流IC也随着稳定，根据=（-）/(4-1)即使电压源变化IC也不会变化，可以保证电流和亮度稳定。图4-7LED驱动电路吉林工程技术师范学院毕业论文4.7涓流充电电路U1为运算放大器，通过分压电阻R10，R11输入同相端，反相端为7V的参考电压，经过比较后放大4被加到Q2基极。当电池为11V时，经过U1比较放大后输出为7.2V，Q2导通，蓄电池开始充电。当蓄电池达到13.2V时，开始自动转入涓流充电状态。随着充电进行电池电压逐渐上升，当U1输出电压达到17V时，使充电管维持弱导通。蓄电池电压也缓慢上升，最后保持在14.15V不变，使电池保持在被充满的程度。图4-8涓流充电电流4.8过充、过放控制电路过充控制，就是在蓄电池处于过充电状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。过充、过放控制电路如图4-9所示。第四章系统的硬件设计图4-9过充过放控制电路过充、过放判断的依据主要是蓄电池电压的高低，其工作原理如下：过充控制电路中将继电器J1的开关串联在充电电路中，当白天有太阳光时处于正常充电状态时，由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电，当蓄电池的电压高于14.4V时，认为蓄电池处于过充状态，U2“+”端电压高于“-”端电压时，U2输出高电平，使Q3导通，继电器线圈J1通电，则继电器常闭点断开，常开点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。过放控制电路中将继电器J2的开关串联在放电电路中，当处于正常放电状态时，放电电路正常工作。在晚上由蓄电池向负载供电时，当蓄电池的电压低于11V时，认为蓄电池处于过放状态，此时U3“+”端电压高吉林工程技术师范学院毕业论文于其“-”端电压，U2输出高电平，使Q4导通，继电器线圈J2通电，继电器开关由常闭点转到常开点，放电电路就断开，过放指示灯亮，停止向负载供电,达到过放保护功能。4.9单片机外围电路设计单片机外围电路主要由复位电路、晶振电路以及拨码开关相连接具有时控可调和纯手控功能的电路。4.9.1复位模块电路设计单片机的复位都是靠外部电路来实现的。在时钟电路工作后,只要在单片机的复位(RST)脚上出现24个时钟振荡脉冲(也就是2个机器周期)以上的高电平单片机便实现初始化状态复位。因此,要想保证单片机能够可靠的复位,在应用系统的电路设计中,就要使RST引脚保持10ms以上的高电平,使AT89C51能循环到复位状态。在设计中采用RC高电平。复位电路如图4-10所示。图4-10复位电路4.9.2晶振电路2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可以外接独立的晶体振荡器。晶振电路如图4-11所示。第四章系统的硬件设计图4-11晶振电路4.9.3按键开关电路整个按键输入模块集中在对时间的调节和手动开关灯上，设计图如图4-12所示。图中第一个按键为调整时间位，可以通过改按键调整时、分、秒的切换；第二个按键为增加时间位；第三个按键为减少时间位；第四个按键为手动开关路灯位，可以关一路或两路一起关。图4-12按键开关电路4.9.4显示模块电路设计数码管显示电路设计：设计中采用LED动态显示方式，用两个四位数码管并排显示6位时间。通过单片机的P0、P2口同时控制数码管的工作，并在P0口与数码管间接上拉电阻对数码管进行保护，同时也增加了数码管的亮度。其中段码线占用7个I/O口，而位选线占用4位I/O口。电路如图4-13所示。吉林工程技术师范学院毕业论文图4-13数码管显示电路第五章系统的软件设计第五章系统的软件设计5.1系统软件框图系统主程序包括初始化程序和主循环程序，其流程图如图5-1所示图5-1主程序流程图吉林工程技术师范学院毕业论文5.2计时程序设计计时程序的设计主要用到定时器的知识。下面我简述一下定时器的一些基础知识。MCS-51单片机内部有两个16位可编程的定时器/计数器，即定时器T0和定时器T1。它们既可用作定时器方式，又可用作计数器方式。定时器/计数器的基本部件是两个8位的计数器（其中TH1，TL1是T1的计数器，TH0，TL0是T0的计数器）拼装而成。在作定时器使用时，输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的，所以定时器也可看作是对计算机机器周期的计数器（因为每个机器周期包含12个振荡周期，故每一个机器周期定时器加1，可以把输入的时钟脉冲看成机器周期信号）。故其频率为晶振频率的1/12。如果晶振频率为12MHZ，则定时器每接收一个输入脉冲的时间为1us。定时器/计数器有四种工作方式（方式0，方式1，方式2，方式3），其工作方式的选择及控制都由两个特殊功能寄存器（TMOD和TCON）的内容来决定。用指令改变TMOD或TCON的内容后，则在下一条指令的第一个机器周期的S1P1时起作用。当为计数工作方式时，计数值的范围是：1~256（28）。当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：（28-计数初值）x晶振周期x12或（28-计数初值）x机器周期。本次设计中用到了T0和T1进行中断控制，T0和T1用的都是方式一。在中断子程序中放进了显示程序，中断时间为2ms，可以实现数码管的动态扫描且无闪烁感。定时器程序流程图如图5-2所示。第五章系统的软件设计图5-2定时器程序流程图吉林工程技术师范学院毕业论文5.3中断程序设计所谓中断,是指在计算机执行程序过程中,当出现某种情况,如发生停电或其他情况时,由服务对象向CPU发出中断请求信号,要求CPU暂时中断当前程序的执行,而转去执行相应的处理程序,待处理程序执行完毕后,再继续处理执行原来被中断的程序。中断子程序能实现时钟自动走时功能，从而实现倒计时的运行，在程序设计的过程中有着重要的作用。中断程序流程图如图5-3所示图5-3中断程序流程图第六章系统调试第六章系统调试6.1软件调试本设计采用的是C语言的编程方式，根据设计要求编写程序，并在KeiluVision2软件中进行程序编写的调试，确定编写上没有错误后，利用ISIS7Professional配合所设计的硬件电路进行系统的调试。C语言编写的程序有许多优越性：（1）不懂得单片机的指令集，也能够编写完美的单片机程序；（2）无须懂得单片机的具体硬件，也能够编出符合硬件实际的专业水平的程序；（3）C语言对数据进行了许多专业处理，避免了运行中间异步的破坏等。源程序详见附录2。6.2硬件及总体电路调试根据原理图及PCB图制作电路板，焊接完成后，把程序烧写到AT89C51中，把芯片插到电路中，接入5V电源，数码管显示120000并开始正常走时，这时通过按键部分调节当前时间、开灯时间和关灯时间。当时间到达相应时间时，路灯自动开关，并在230000路灯会熄灭一半。如果没有设定开关灯时间，路灯则在190000时开启，050000时熄灭。调试中，起初数码管出现的全是8，而且不受按键的控制，这是由于初始值设定中出现了错误，设置了高电平有效，导致数码管一直处于点亮状态，通过把初始值设置为低电平，数码管显示正常；其次出现了按键的不灵敏，这是由于按键的延时消抖没有处理好，修改了延时时间的长短，吉林工程技术师范学院毕业论文按键正常。6.3系统改进方案在本设计中首先存在不足的是断电保护，为了在断电的情况下系统也能够正常工作，在电源供电方面进行改进：用一组备用电池与电源并联，通过继电器连接。继电器有“常开、常闭”触点，继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。本设计中让继电器的常闭触电一端与电源相连接，另一端与备用电池相连接。当正常通电情况下，继电器断开，使备用电池断开，系统由电源供电，当电源断电，继电器闭合，系统由备用电池供电，这样系统就可以在电源断电的情况下也能正常工作。其次是在阴雨天气，路面亮度不够，此时可以通过光感受模块来控制路灯的亮暗。该模块由光敏二极管为核心元件，通过光敏二极管对光线的采集，反馈给单片机，再由单片机来控制路灯的开关。白天受光照时光敏二极管反向电阻减小，回路断开，灯泡熄灭；天黑时因光照很小，光敏二极管反向电阻增大，回路接通，路灯点亮。在点亮或熄灭状态下仍受原来系统的控制。例如光敏二极管点亮路灯后，若没有接收到由光敏二极管传出的关灯信号，则到达原系统设置的关灯时间，路灯也同样会熄灭。第七章总结与展望第七章总结与展望目前，太阳能LED照明的初步投资仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐步降低。同样的，市场上LED的发光效率在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。纵观全球科技的进步，光伏发电应用进程也在稳步提升。本设计依照光伏发电的工作特点和运行规律进行试验，其高效节能的照明，准确对太阳能半导体系统进行充、放电控制，从而能有效维持蓄电池的寿命；并且蓄电池在经过四天的连续阴雨天后，仍可以正常工作，基本符合本设计的要求，对能源的开发利用有很重大的意义。对于这个毕业设计，依然存在很多不太合理的地方。例如，采用蓄电池仍存在诸多弊端，首先因充电次数限制其寿命的长短；其次，化学结构影响充电电流的限制，继而限制了充电时间，使得充电效率受限；最后，不属于环保能源。因受内部工作的温度效应和外界温度变化的不稳定性，控制器的温度调节仍然不够精确。在电路的结构上仍需要进一步的简化明了，模块之间的衔接不够融洽。这些问题有待继续查阅资料，对课题的进一步深入研究，不断地比较和论证，原有的方案不断改善和完善。通过这次毕业设计，体会到学以致用的道理以及事必躬亲的做事态度，在这次设计当中能将以前所学习的专业知识进一步消化，并且努力吸取新知识，扩增了知识面。我相信通过这半年的毕业设计所经历的，给予我更多的是一种成长向上的经验，将对我以后无论是继续深造还是步入社会都会起到很深刻的影响。附录1附录1总体电路图：附录2附录2源程序：#include"reg51.h"Unsignedcharcodechangled[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x27,0x7f,0x6f}//共地接的LEDunsignedcharled[6];//用来显示用的unsignedcharguandeng[3];//关开灯的时间unsignedcharkaideng[3];//灯开灯的时间unsignedcharpresent_time[3];//灯开灯的时间unsignedcharxiao[3];//灯关小的时间unsignedcharflash=0;//片选扫描多少时间换一个位显示unsignedchartimemeasure=0;//T1中断次数计算40*20=1秒unsignedcharflash_cs=0;//片选哪个位sbitdadeng=P1^4;//灯关小一点的控制sbitxiaodeng=P1^5;////灯大的控制aunsignedchartiaozheng=0;//调整灯关开暗的状态bitenablebit=0;unsignedintenabletime=0;sbitP1_0=P1^0;sbitP1_1=P1^1;sbitP1_2=P1^2;sbitP1_3=P1^3;/////调整时间1为调整目前的时间，2为调整关灯时间，3为调整秒voidchange_data(unsignedchari){unsignedcharx,change;if(i==1){x=present_time[0];change=x/100;x=present_time[0];led[0]=x/10-change*10;x=present_time[0];led[1]=(unsignedchar)(x-change*100-led[0]*10);x=present_time[1];change=x/100;x=present_time[1];led[2]=x/10-change*10;x=present_time[1];led[3]=(unsignedchar)(x-change*100-led[2]*10);x=present_time[2];change=x/100;x=present_time[2];led[4]=x/10-change*10;x=present_time[2];led[5]=(unsignedchar)(x-change*100-led[4]*10);}if(i==2){x=kaideng[0];change=x/100;x=kaideng[0];led[0]=x/10-change*10;x=kaideng[0];led[1]=(unsignedchar)(x-change*100-led[0]*10);x=kaideng[1];change=x/100;x=kaideng[1];led[2]=x/10-change*10;x=kaideng[1];led[3]=(unsignedchar)(x-change*100-led[2]*10);x=kaideng[2];change=x/100;x=kaideng[2];led[4]=x/10-change*10;x=kaideng[2];led[5]=(unsignedchar)(x-change*100-led[4]*10);}if(i==3){x=guandeng[0];change=x/100;x=guandeng[0];led[0]=x/10-change*10;x=guandeng[0];led[1]=(unsignedchar)(x-change*100-led[0]*10);x=guandeng[1];change=x/100;x=guandeng[1];led[2]=x/10-change*10;x=guandeng[1];led[3]=(unsignedchar)(x-change*100-led[2]*10);x=guandeng[2];change=x/100;x=guandeng[2];led[4]=x/10-change*10;x=guandeng[2];led[5]=(unsignedchar)(x-change*100-led[4]*10);}}/***********改变灯的状态*****************************/voidchange_deng(unsignedi){if(i==0){dadeng=1;xiaodeng=0;}if(i==1){dadeng=0;xiaodeng=1;}if(i==2){dadeng=0;xiaodeng=0;}}/***********秒分时进初始化*****************************/voidinit(void){guandeng[0]=6;//6：00：00guandeng[1]=0;guandeng[2]=0;kaideng[0]=18;kaideng[1]=0;kaideng[2]=0;present_time[0]=12;present_time[1]=00;present_time[2]=00;xiao[0]=23;xiao[1]=00;xiao[2]=00;}/*********************定时器0************************/T0_in()interrupt1using