太陽能路燈控制器設(shè)計課程設(shè)計

1、<p>　　太陽能路燈控制器設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　為了提高太陽能光伏控制器的性價比，設(shè)計了運用單片機的太陽能光伏控制器。本控制器具有效率高、可靠性高、運行穩(wěn)定、性價比高、適宜批量生產(chǎn)的特點?？刂破鲗崿F(xiàn)了基于單片機PIC16F711的工作狀態(tài)控制和蓄電池能量管理，滿足了太陽能光伏控制器在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定運行

2、與準(zhǔn)確切換的要求。蓄電池充放電精確控制也在此控制器中得到實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用此控制器的太陽能光伏系統(tǒng)效率高、運行穩(wěn)定，蓄電池壽命也可延長。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能，單片機，充放電電路，鋰蓄電池</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p&g

3、t;<p>　　能源是經(jīng)濟、社會發(fā)展和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源問題是一個國家至關(guān)重要的問題。隨著科學(xué)技術(shù)和全球經(jīng)濟地飛速發(fā)展，對能源的需求也在日趨增長。自20世紀(jì)70年代的世界石油危機以來，人們才真正意識到，化石燃料的儲量是有限的，能源危機迫在眉睫。從全球來看，已探明的可支配的傳統(tǒng)能源儲量在不久的將來即將耗盡，能源問題的突出，不儀表現(xiàn)在常規(guī)能源的匱乏不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用對牛態(tài)環(huán)境的污染破壞：大氣中

4、的顆粒物和二氧化硫濃度增高，局部地區(qū)形成酸雨。而每年排放的大量二氧化碳帶來的溫室效應(yīng)，使全球氣候變暖，自然災(zāi)害頻繁。常規(guī)能源在給人類社會帶來飛速發(fā)展的同時，也在很大程度上使人類社會面臨著前所未有的困難和挑戰(zhàn)。這些問題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。</p><p>　　光伏發(fā)電具有取之不盡且無污染等優(yōu)點，日前在我國，光伏發(fā)電主要應(yīng)用在如下領(lǐng)域：西部偏遠(yuǎn)地區(qū)

5、電力供應(yīng)、通訊及交通設(shè)施、氣象臺站、航標(biāo)燈和照明路燈。光伏發(fā)電的照明路燈應(yīng)月J具有節(jié)能性、經(jīng)濟性和實川性等優(yōu)點，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中具有最廣泛的發(fā)展前景。本課題為研制一套獨立光伏電源控制器，廊州于LED路燈照明系統(tǒng)。通常獨立照明系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池、充放電控制器和負(fù)載LED組成。由于系統(tǒng)的穩(wěn)定性嚴(yán)格受到蓄電池和LED壽命的影響，本課題研制的充放電控制器通過實時監(jiān)測系統(tǒng)允放電回路的相關(guān)信息，確定相應(yīng)的允放電策略，實現(xiàn)了穩(wěn)定太陽能電池輸出、

6、優(yōu)化蓄電池充電方法和保護(hù)蓄電池及負(fù)載的目的，最終提高了太陽能電池的利用率和整個照明系統(tǒng)的可靠性。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計指標(biāo)</b></p><p>　　本設(shè)計的設(shè)計要求指標(biāo)如下:</p><p>　　1、鋰蓄電池電壓的檢測</p><p>　　2、鋰蓄電池電流的檢測</p><p&

7、gt;　　3、充放電控制電路的檢測</p><p><b>　　4、路燈的電量控制</b></p><p><b>　　1.3 設(shè)計思路</b></p><p>　　本文設(shè)計了一種基于單片機的太陽能路燈控制器。采用PWM 脈沖調(diào)制控制保護(hù)技術(shù)。充放電控制器是太陽能路燈的核心部件，針對鋰蓄電池充電的特殊要求，本文巧妙地采用簡

8、單電路檢測充放電電壓電流、軟件補償用于檢測的小電阻的溫度效應(yīng)，省卻硬件補償?shù)馁M用，降低了成本。由單片機根據(jù)采集到的充放電電壓電流參數(shù)，發(fā)出各種摔制信號，實現(xiàn)充放電控制，使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定何效地運行。</p><p>　　同時設(shè)計MPPT控制器，MPPT控制器的全稱“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking）太陽能控制器，是傳統(tǒng)太陽能充放電控制器的升級換代產(chǎn)品。所謂最大功率點跟蹤，

9、即是指控制器能夠?qū)崟r偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電。下面我們用一種機械模擬對比的方式來向大家解釋MPPT太陽能控制器的基本原理。要想給蓄電池充電，太陽板的輸出電壓必須高于電池的當(dāng)前電壓，如果太陽能板的電壓低于電池的電壓，那么輸出電流就會接近0。所以，為了安全起見，太陽能板在制造出廠時，太陽能板的峰值電壓（Vpp）大約在17V左右，這是以環(huán)境溫度為25°C時的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的。這樣

10、設(shè)定的原因，（有意思的是，不同于我們普通人的主觀想象，下面的結(jié)論可能會讓我們吃驚）在于當(dāng)天氣非常熱的時候，太陽能板的峰值電壓Vpp會降到15V左右，但是在寒冷的天氣里，太陽能的峰值電壓Vpp可以達(dá)到18V! 現(xiàn)在，我們再回頭來對比MPPT太陽能控制器和傳統(tǒng)太陽能控制器的區(qū)別。傳統(tǒng)的太陽能充放電控制器就有點象手動檔的變速箱，當(dāng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增高的時候，如果變速箱的檔位不相應(yīng)提</p><p>　　2 方案選擇及單元電

11、路的設(shè)計</p><p>　　2.1 方案選擇及方框圖</p><p>　　2.1.1 方案選擇</p><p>　　由單片機根據(jù)采集到的控制器的充放電電壓電流參數(shù)，發(fā)出各種控制信號。實現(xiàn)充放電控制，是使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運行。更好的保護(hù)了鋰電池。延長整個太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。</p><p><b>　　2.1.2 方框圖

12、</b></p><p>　　太陽能路燈充放電控制器的電路框圖2-1所示。太陽能電池板接收光照并把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充放電控制器為鋰蓄電池充電。鋰蓄電池放電同樣通過通過控制器來控制LED照明電路。</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　單片機作為太陽能路燈控制系統(tǒng)的核心。太陽能控制器設(shè)計的好壞關(guān)系到整

13、個系統(tǒng)能否正常運行。控制器的核心是PICl6F711。它是目前世界上片內(nèi)集成外圍模塊最多、功能最的單片機品種之一，是高性能的8位單片機。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)和RISC技術(shù)，指令執(zhí)行效率高．功耗極低．帶有FLASH程序存儲器，配置有5個端口33個雙向輸入輸出引腳，這些引腳大部分有第二、第三功能．內(nèi)嵌8個10位數(shù)字量精度的AD轉(zhuǎn)換器，配有2個可實現(xiàn)脈寬涮制波形輸出的CCP模塊?？刂破髦饕墓ぷ魇前滋鞂崿F(xiàn)太陽能電池板對蓄電池充電的控制。晚上實現(xiàn)

14、蓄電池對負(fù)載放電的控制。</p><p>　　2.2 部分單元電路的原理</p><p>　　2.2.1太陽能電池</p><p>　?。?）太陽能電池的種類</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的。太陽能電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元。它的尺寸約4平方厘米到100平方厘米。太陽

15、能電池單體工作電壓為0.45一0.50伏，一般不能單獨作為電源使用。將姍能電池單體進(jìn)行串聯(lián)，并聯(lián)和封裝后，就成為太陽能電池組件。它的功率從幾瓦到幾百瓦，可以單獨作為電源使用。太陽能電池再經(jīng)過串聯(lián)，并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了大陽能電池方陣。它可以輸出幾百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏電站的電能產(chǎn)生器。常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。目前世界上有三種己經(jīng)商品化的硅太陽能電池:單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。<

16、/p><p>　?。?）太陽能電池的保護(hù)</p><p>　　光伏系統(tǒng)在運行中要注意對太陽能電池組件(俗稱太陽能板)的保護(hù)。這種保護(hù)分為兩類機械化學(xué)方面的保護(hù)和電方面的保護(hù)。機械化學(xué)方面的保護(hù)是指在封裝及安裝太陽能板的時候要考慮其防腐，防風(fēng)，防雹，防雨的能力電方面的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成與基本原理保護(hù)是指連接旁路二極管，連接防反充二極管等。在一定的條件下，一個串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽能電池

17、組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其它有光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的能量。被屏蔽的太陽能電池組件將發(fā)熱，這叫熱斑效應(yīng)。為了防止太陽能電池組件由于熱斑效應(yīng)而受到破壞，需要在太陽能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個旁路二極管。在太陽能板的保護(hù)中還用到一種防反充二極管，又稱阻塞二極管，其作用是避免由于太陽能板在陰雨天和夜間不發(fā)電時，或太陽能板出現(xiàn)短路故障時，蓄電池組通過太陽能板放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽能板中起單向?qū)щ娮饔谩４笮拖到y(tǒng)中還要防雷。</p&g

18、t;<p>　　2.2.2鋰蓄電池的充電特性</p><p>　　路燈蓄電池選用鋰離子電池。鋰電池具有重量輕容量大無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，因而得到普遍應(yīng)用。鋰電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5-2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰電池似乎沒有記憶效應(yīng)以及不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點。但是對于鋰電池的充電過程，要求是比較嚴(yán)格的。影響蓄電池壽命的因素有:放電深度，過充電程度等。在光伏系統(tǒng)中蓄電池的

19、放電深度不是恒定的，它隨天氣狀況和季節(jié)而變。在天氣晴朗的夏日，蓄電池放電深度小;在天氣陰沉的冬日，蓄電池放電深度大。過充電程度也隨季節(jié)天氣變化，在冬季，蓄電池可能從沒充滿過，在夏天，蓄電池可能經(jīng)常是滿的。為了延長蓄電池的壽命，必須合理的控制蓄電池的放電與充電。當(dāng)蓄電池放電到一定程度時，應(yīng)停止放電，防止過放電減少蓄電池壽命;當(dāng)蓄電池充電到一定程度時要停止充電和減小充電電流，防止不合理的過充電對蓄電池造成損害。</p><

20、;p>　　鋰蓄電池的充電曲線如圖2-2</p><p>　　圖2-2 鋰蓄電池充電曲線</p><p>　　鋰蓄電池的充電過程：</p><p>　?。?）如果開始充電時，電池電量很低，那么必須用小電流（大概0.24A）開始充電，即涓流充電。如果電壓高于13V就不必進(jìn)行這個步驟。</p><p>　?。?）當(dāng)電池電壓大于13V可以開始大

21、電流充電，恒流充電。隨著充電的進(jìn)行，電池電壓逐漸升高。</p><p>　?。?）當(dāng)電池電壓達(dá)到或接近充滿電壓（如16.8V左右）時，則要開始轉(zhuǎn)入恒壓充電：當(dāng)電流減少到大概0.25A左右，則停止充電。</p><p>　　2.2.3 鋰蓄電池溫宿補償</p><p>　　鋰蓄電池的容量是隨溫度的變化而變化的；溫度升高，蓄電池的容量將增大；溫度低，蓄電池的容量將減小。

22、如果充電電流維持不變，相應(yīng)的充電倍率將不變，不同的充電倍率對應(yīng)不同的過充點，因此，要采用溫度補償隊蓄電池進(jìn)行保護(hù)。單片機PIC16C711通過采樣溫度參數(shù)，實時檢測當(dāng)前溫度，進(jìn)行溫度補償。溫度補償使用NTC熱敏電阻。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，溫度補償?shù)姆秶鸀?3—7Mv/K,方案設(shè)計取中間值-5Mv/k。</p><p>　　2.2.4 控制器充放電電路</p><p>　　充放電電路圖如圖2-3。&

23、lt;/p><p>　　圖2-3 控制器充放電電路圖</p><p>　　單片機控制充，放電驅(qū)動Q1和Q2。</p><p>　　（1）當(dāng)蓄電池電壓處于正常情況下，單片機控制的充電驅(qū)動MOS管Q1（IRFZ44）為高電平截止，三極管Q3導(dǎo)通，PWM占空比為零，此時太陽能電板想蓄電池恒流充電；當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到13.6V時，單片機控制充電驅(qū)動Q1為高電平時，Q3導(dǎo)通，Q1截

24、止，通過控制占空比，使Q1實現(xiàn)通斷控制，此時處于恒壓浮充狀態(tài)；當(dāng)電流下降到某值時，進(jìn)行恒流充電；但蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定的過充點14.4V時，再進(jìn)行恒壓涓流充電；涓流小到某一值，單片機控制的充電驅(qū)動Q1進(jìn)行短路保護(hù)；當(dāng)蓄電池電壓下降到某設(shè)定值時，Q3重新導(dǎo)通，Q1截止，恢復(fù)為正常充電狀態(tài)。</p><p>　　（2）當(dāng)蓄電池電壓處于正常情況下，單片機控制的放電驅(qū)動MOS管Q2（IRFZ44）為低電平，三極管Q4截止，

25、Q2導(dǎo)通，此時負(fù)載輸出正常；當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定的過放點時，單片機控制的放電驅(qū)動Q2為高電平，Q4導(dǎo)通，Q2截止，此時負(fù)載無輸出；當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到12.6V時，單片機控制的放電驅(qū)動T2為低電平，Q4截止，MOS管Q2導(dǎo)通，此時恢復(fù)對負(fù)載供電。</p><p>　　2.2.4 MOS管驅(qū)動電路</p><p>　　開關(guān)管的選擇考慮到太陽能電池的功率和負(fù)載的功率不一致，可用不同的MOS管做充放

26、電的開關(guān)管，用小功率的MOS管要考慮溫度因素，必要的話必須加散熱器。為了提高可靠性，降低成本，經(jīng)大量的試驗和分析比較，表明在3A電流工作范圍內(nèi)，可選用IRFZ44，IRF540，IRF530，50N60等，基本不需加散熱器；5A電流工作范圍內(nèi)，須加小散熱器；8A 電流工作范圍內(nèi)，2807，3205，150，064等要加小散熱器，帶載能力較強，價格高；其他MOS管要加大散熱器，10A以上都應(yīng)該加大散熱器。在元件選用上，應(yīng)根據(jù)具體情況加以選

27、擇。</p><p>　　本設(shè)計采用IRFZ44</p><p>　　驅(qū)動信號由單片機發(fā)出，為TTL電平，不能直接驅(qū)動MOS管，用三極管進(jìn)行平轉(zhuǎn)換。電路圖如圖2-4：</p><p>　　圖2-4 M0S管的驅(qū)動電路圖</p><p>　　圖中Vd為蓄電池正極電壓，R1為三極管基極限流電阻。R2為集電極電阻。DW為18V穩(wěn)壓二極管，它與R3一

28、起限制控制信號的電壓G<18V。輸出信號與G端信號反相。當(dāng)單片機輸出“1”時，G端為0V時，G端電壓為Vd。</p><p>　　2.2.5 顯示電路</p><p>　　目前，多數(shù)太陽能燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達(dá)到100000小時以上，而且工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽能路燈系統(tǒng)上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了其關(guān)鍵性的突破，其特性在過去的幾年中有了很大地提高，性能價

29、格比也有較大地突破。其優(yōu)點如下：</p><p>　　1、節(jié)能：LED發(fā)光顏色更接近于自然光，與高壓鈉燈相比，人眼感到同樣亮度時所需的光強就低許多，例如，在道路照明中采用98瓦的LED路燈，其照明效果就相當(dāng)于250瓦的高壓鈉燈。</p><p>　　2、長壽：由于大功率LED路燈是由很多LED光源組成，即使個別損壞了也不會對正常照明產(chǎn)生太大影響，不像高壓鈉燈損壞時全燈熄滅，因此大功率LED

30、路燈的可靠性比高壓鈉燈的可靠性提高了許多倍，大功率LED路燈壽命長達(dá)5萬小時是高壓鈉燈的十幾倍，戶外使用壽命長達(dá)10年以上。</p><p>　　3、顯色性好：大功率LED路燈顯色性大大高于高壓鈉燈，高壓鈉燈以金屬鈉蒸汽為發(fā)光源，光線呈單一偏黃，與陽光相差甚遠(yuǎn)，而LED路燈發(fā)出的是白色光，色彩更真實，也不存在危害性的紫外光線和紅外光線，不吸引昆蟲。</p><p>　　4、無頻閃：大功率L

31、ED路燈采用直流供電，加上光電獨有的恒流裝置，使大功率LED路燈發(fā)光恒定，徹底無閃爍。</p><p>　　此控制器采用兩個雙色LED發(fā)光二極管，LED1顯示充電狀態(tài)，LED2顯示放電狀態(tài)。</p><p>　　(1)充電時蓄電池電壓高于13.0V時，LED1顯示紅色；當(dāng)蓄電池電壓在13.0-13.6V之間時，LED2顯示橙色；當(dāng)蓄電池電壓高于14.4V時，LED1顯示綠色。</p&

32、gt;<p>　　(2)放電時當(dāng)蓄電池電壓高于11.1V時，LED2顯示紅色；當(dāng)蓄電池電壓在12.2-12.6V之間時，LED2顯示橙色；當(dāng)蓄電池電壓高于12.6V時，LED2顯示綠色。兩個雙色LED發(fā)光二極管顯示非常直觀，取代了以往多個指示燈。 </p><p>　　3 鋰蓄電池電壓電流的檢測</p><p>　　3.1鋰蓄電池電壓的檢測</p><p

33、>　　PIC16C711單片機帶有4路8位A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為：0～5V，轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的數(shù)字量范圍：0～255。將蓄電池電壓Vd的最高值定于25．5V，利用電阻分壓的方式將其轉(zhuǎn)換為0～5V。電路如圖4-1</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p>　　Vi=R2/(R1+R2) ×Vd，取R2=20 KΩ，R1=82

34、KΩ，代入數(shù)值則由Vi=10/51Vd</p><p>　　故蓄電池電壓：Vd=0-25．5V；相應(yīng)模擬電壓：V i=0-5.OV；相應(yīng)的數(shù)字量：D=0-255。</p><p>　　當(dāng)計算機采樣值為X時，計算蓄電池電壓公式為：Vx=X/10 V</p><p>　　A／D轉(zhuǎn)換數(shù)字波動范圍為±1LSB。故電壓測量波動范圍±0．1V。</p&

35、gt;<p>　　3.2 鋰蓄電池電流的檢測</p><p>　　檢測比較大的直流的方法不多，本設(shè)計采用一個小電阻R(0.05歐姆)來檢測電流，小電阻兩端的電壓通過運放放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機中，測得電壓后除以放大倍數(shù)得到實際電壓，再根據(jù)歐姆定律U=I/R計算出電流I的大小。</p><p>　　用一個小電阻來檢測電流存在的問題是：小電阻的阻值會發(fā)生變化。實際上絕對線性

36、的電阻是不存在的。例如，絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻都隨溫度的升高而升高，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬的導(dǎo)體的溫度升高，阻值就不是常數(shù)，而是隨著電流或電壓變化。本系統(tǒng)中檢測出來的充電電流跟實際的充電電流不一樣，但存在一個規(guī)律是：電流越大檢測出來的充電電流跟實際電流的偏差就越大，它們成線性的關(guān)系。這是由于小電阻阻值隨溫度變化造成的。表4-2是實驗采集的單片機測得電流和實際電流的一些數(shù)據(jù)。</p><p>&

37、lt;b>　　表4-2</b></p><p>　　這兩組數(shù)據(jù)存在線性的關(guān)系，首先利用Matlab對第一列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先求出它的關(guān)系式，假設(shè)關(guān)系式為：y1=a(1)·x+a(2);</p><p>　　使用Matlab求出系數(shù)a(1)=0.0100和a(2)=0.2100所以這組數(shù)據(jù)可以用關(guān)系式：y1=0.01x+0.21來表示。采集的數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲

38、線如圖4-3。</p><p>　　圖4-3實際電流數(shù)據(jù)采集和線性擬合</p><p>　　對第二列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先求出它的關(guān)系式，也假設(shè)關(guān)系式為：y2=a(1)·x+a(2);</p><p>　　使用Matlab求出系數(shù)a(1)=0.0147和a(2)=0.2109所以這組數(shù)據(jù)可以用關(guān)系式y(tǒng)2=0.0147·x+0.2109來表示。采集的

39、數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線如圖4-4。</p><p>　　圖4-4單片機檢測出的電流數(shù)據(jù)采集和線性擬合</p><p>　　結(jié)合關(guān)系式y(tǒng)1和y2便可得到兩列數(shù)據(jù)的關(guān)系式y(tǒng)1=0.680272·（y2-0.2109）+0.21，其中y1表示實際的電流，y2表示單片機檢測出來的電流，單片機檢測出來的電流y2通過上式的轉(zhuǎn)換后變成y1,便是實際的電流。</p><p&g

40、t;　　4 整機電路及其工作原理</p><p>　　4.1整機電路原理圖</p><p>　　控制器的整體電路圖如圖3-1。 </p><p>　　圖3-1 控制器整體電路圖</p><p>　　太陽能電池板接收太能光將太陽能轉(zhuǎn)化為電能由單片機根據(jù)采集到的充放電電壓電流參數(shù)發(fā)出各種控制信號，實現(xiàn)充放電控制。使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運行。更

41、好的保護(hù)鋰電池。延長了整個太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。太陽能LED路燈系統(tǒng)由太陽能電池板、LED路燈控制器、鋰蓄電池以及LED路燈模塊組成。在整個系統(tǒng)中，充放電控制器處在核心地位，其工作的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計的控制器以PWM充電技術(shù)為核心，具備蓄電池過充、過放保護(hù)、太陽能電池過壓保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)等多種保護(hù)功能。</p><p>　　4.1.1 充電部分的控制</p><p&g

42、t;　　本方案采用PWM 脈沖調(diào)制控制保護(hù)技術(shù)，不僅能有效地保護(hù)蓄電池，防止過充電現(xiàn)象的發(fā)生，還能快速、平穩(wěn)地為蓄電池充電。所謂PWM控制就是控制輸出波形的占空比，周期并不改變，通過開關(guān)管的導(dǎo)通與閉合來控制充放電。鋰電池的充電曲線圖如圖2-2，蓄電池的電壓低于13V時，單片機輸出一個相應(yīng)占空的脈沖，控制三極管(Q1)通和斷的時問，從而控制場效應(yīng)管IRFZ44(Q3)的通和斷，使到充電的電流為0．24A 左右， 此時處于預(yù)充狀態(tài)。蓄電池的

43、電壓高于1 3V 時，單片機輸出一個高電平(相當(dāng)于PWM 占空比為1)， 三極管(Q1)導(dǎo)通，場效應(yīng)IRFZ44(Q3)處于截斷狀態(tài)，此時太陽能電池板以最大的電流為蓄電池充電一一恒流充電。當(dāng)蓄電池電壓接近或等16．8V 時，通過控制占空比，也使場效應(yīng)管IRFZ44(Q3)實現(xiàn)通斷控制，使充電狀態(tài)處于恒壓浮充狀態(tài)。當(dāng)電流小于一個值(0．24A)時，單片機就輸出一個低電平，使場效應(yīng)管IRFZ44(Q3)完全導(dǎo)通，停止給蓄電池充電。</

44、p><p>　　4.1.2 放電照明部分的控制</p><p>　　當(dāng)單片機控制照明燈的控制腳輸出高電平(5V)的時候，三極管Q2就會導(dǎo)通，三極管02集電極E的電壓變低(約為0V)，此時加到場效應(yīng)管(Q4)柵極的電壓就會變低，場效應(yīng)管就截止，流過照明燈的電流減少到0。相反，當(dāng)單片機控制照明燈的控制腳輸出低電平(OV)的時候，三極管Q2就會截止，三極管Q2集電極E的電壓高，此時加到場效應(yīng)管(Q4

45、)柵極的電壓也就高，場效應(yīng)管就導(dǎo)通，流過照明燈(LED燈)的電流大， 照明燈打開。</p><p>　　4.2 整機工作原理</p><p>　　控制器的整體工作原理圖如圖3-2。</p><p>　　圖3-2 太陽能路燈控制器的工作原理圖</p><p>　　太陽能LED路燈系統(tǒng)由太陽能電池板、LED路燈控制器、鋰蓄電池以及LED路燈模塊

46、組成(如圖1所示)。在整個系統(tǒng)中，充放電控制器處在核心地位，其工作的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計的控制器以PWM充電技術(shù)為核心，具備蓄電池過充、過放保護(hù)、太陽能電池過壓保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)等多種保護(hù)功能。</p><p>　　控制器是連接太陽能電池板，蓄電池和負(fù)載的鈕帶。它必須具備以下幾個基本功能：①過壓保護(hù)：當(dāng)蓄電池電壓高于一定值時，停止充電。②欠壓保護(hù)：當(dāng)蓄電池電壓低于一定值時，停止放電。③恢復(fù)充電：

47、當(dāng)蓄電池電壓低于一定值時，重新恢復(fù)充電。④恢復(fù)放電：當(dāng)蓄電池電壓高于一定值時，重新恢復(fù)放電。⑤狀態(tài)指示：太陽能電池板的供電狀態(tài)和負(fù)載接通情況應(yīng)指示。⑥防雷擊：因太陽能電池板多半放置在戶外，而且有一定的高度，容易受雷擊，增加防雷擊功能是必要的。</p><p>　　為了使控制器適應(yīng)太陽能街燈等環(huán)境，充分利用現(xiàn)有的硬件資源增加白天黑夜的檢測功能，以便白天關(guān)負(fù)載，黑夜自動點亮，滿足各種用戶需求。作為可擴展功能。<

48、/p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　5.1 設(shè)計思路</b></p><p>　　以單片機為核心的控制軟件具有實時性、靈活性、通用性及運行可靠性的特點，現(xiàn)在對太陽能充電控制器軟件的設(shè)計思路介紹如下：</p><p>　　1、首先主程序要完成系統(tǒng)初始化，為了在初

49、始化的過程中，防止中斷的意外到來，應(yīng)在主程序的開始處先關(guān)閉中斷，完成初始化后，再打開中斷。</p><p>　　2、由于本系統(tǒng)是11V／14.4V自動識別，因此要在程序中必須判別。具體為，當(dāng)蓄電池兩端電壓大于13.4V時，滿足14.4V的系統(tǒng)，否則為11V系統(tǒng)，判別系統(tǒng)后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序處繼續(xù)執(zhí)行。</p><p>　　3、判斷太陽能極板的兩端電壓，來區(qū)分是白天還是黑天。若為白天，轉(zhuǎn)為白天的

50、處理程序；若為黑天轉(zhuǎn)到黑天的處理程序。</p><p>　　4、白天處理程序中，要判斷蓄電池的兩端電壓，在決定是否采取充電控制，充電控制方式采用PWM控制。并有指示燈時刻現(xiàn)實蓄電池兩端電壓處于何種狀態(tài)，讓用戶一目了然。</p><p>　　5、充電過程會發(fā)熱，所以要有溫度補償程序，保護(hù)蓄電池。</p><p>　　6、黑天處理程序中，按照選擇的工作模式工作，工作模式

51、即為負(fù)載的工作時間。</p><p>　　7、定時處理程序主要完成系統(tǒng)程序的工作時序，定時處理能使整個程序有條不紊的按照系統(tǒng)的要求完成任務(wù)。</p><p>　　控制器軟件的設(shè)計完全按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法來完成，將整個程序細(xì)分為若干個子程序，方便調(diào)試與檢查。開發(fā)系統(tǒng)采用通用編程器TOP一2048，利用C語言使得整個軟件開發(fā)變得簡單、快速、易于調(diào)試。主軟件流程見圖5-1。系統(tǒng)源代碼見附錄3

52、。同時就幾個主要的子程序做簡單的介紹。</p><p>　　5.2系統(tǒng)主程序流程</p><p>　　主程序流程圖如圖5-1所示</p><p>　　圖5-1 系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　5.3 初始化子程序</p><p>　　在初始化程序中，主要對PIC16C711的系統(tǒng)資源，包括定時器、中斷、串行通訊等

53、初始化工作。</p><p>　　5.4 A/D轉(zhuǎn)換子程序</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀入采用查詢方式。通過查詢端口的信號來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；8位的轉(zhuǎn)換只需一次讀取，就可得到結(jié)果。對于溫度信號一般來說是緩變的，通過單片機的軟件編程，采用查表法實現(xiàn)，不同的溫度對應(yīng)不同的過充點，其他點位按照電壓差值依次與過充點對應(yīng)。</p><p><b>　　5.

54、5 顯示子程序</b></p><p>　　在顯示程序中.完成發(fā)光二極管LED的顯示功能。通過檢測蓄電池兩端的電壓，確定LED的電位高低，使LED直觀地顯示紅色、橙色或綠色。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　由于能源的日益緊張，引起人們對太陽能應(yīng)用的熱潮，由太陽能極板、充放電控制器、蓄電池等構(gòu)成的產(chǎn)

55、品都有了相對成熟的發(fā)展，國內(nèi)外很多專家也在這方面做了深入的研究。本論文就太陽能充放電控制器對蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實際應(yīng)用方面做了分析，完成了硬件電路設(shè)計和軟件編制，實現(xiàn)了對蓄電池的科學(xué)管理，并將其應(yīng)用到太陽能路燈系統(tǒng)中。</p><p><b>　　論文的主要工作有：</b></p><p>　　1、對鋰蓄蓄電池的充、放電過程、影響鉛酸蓄電池使用壽命

56、的各種因素作了分析，確定了太陽能充電控制器的總體設(shè)計方案。</p><p>　　2、完成了控制器的硬件設(shè)計、電路板的繪制，電路的焊接。實現(xiàn)控制器通過對單片機PIC16C711的PWM輸出來控制開關(guān)MOS管的通斷，從而控制充電放電。</p><p>　　3、在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對太陽能充電控制器進(jìn)行了軟件編程，實現(xiàn)對蓄電池的保護(hù)以及溫度補償、過載檢測等。</p><p&g

57、t;　　4、將充放電控制器應(yīng)用于太陽能路燈系統(tǒng)，設(shè)計整個系統(tǒng)的總體方案。組裝太陽能路燈系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，監(jiān)視運行情況，及時修改軟件并運行，取得了預(yù)期的運行效果。</p><p>　　本論文在軟硬件設(shè)計上仍有很多需要完善之處：</p><p>　　l、在PCB板的元件布置和布線上要更加合理，以便減少干擾的引入。</p><p>　　2、本論文所采用的軟件編程思想，還

58、需要進(jìn)一步在實際的運行中驗證其穩(wěn)定性及可靠性。</p><p>　　3、延長蓄電池壽命目前還沒有一個最好的方式，如何進(jìn)一步保護(hù)蓄電池，采用更優(yōu)的控制方法需要更進(jìn)一步的研究。</p><p>　　充放電控制器是太陽能路燈的核心部件，針對鋰蓄電池充電的特殊要求，本文巧妙地采用簡單電路檢測充放電電壓電流、軟件補償用于檢測的小電阻的溫度效應(yīng)，省卻硬件補償?shù)馁M用，降低成本。由單片機根據(jù)采集到的充放電

59、電壓電流參數(shù)，實現(xiàn)充放電控制，使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定何效地運行，更好地保護(hù)了鋰電池， 延長了整個太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。因而，本文設(shè)計的太陽能路燈充放電控制器具有較高的實用價值，對太陽能路燈的推廣起到了促進(jìn)作用，是有益的嘗試。課題在選題及研究過程中得到老師的悉心指導(dǎo)，老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅受我以文，而且教我做人，雖時間不算太長，卻給以終身受益匪淺。對老師的感激之情是無法用語言來表達(dá)的。</p>