杨进宇太阳能草坪灯的设计

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1、北京印刷学院2021届本科毕业论文设计论文题目：光控太阳能草坪灯学生姓名：瞿雷所在院系：信息与机电工程学院所学专业：电子信息工程指导老师：张国生完成时间：2011年6月14日摘 要太阳能作为可再生能源的一种，指太阳能的直接转化和利用，通过转换装置把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电。本设计是对目前草坪灯存在的抗干扰性低，不能自动化控制，且寿命短等缺陷进行改良与创新。本设计首先采用了太阳能电池作为能源，以到达环保节能的目的；利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控制和节能控制，其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气对蓄电池进行充电，以给草坪灯供电。控制电路分析和讨论了各个局部的电路原理

2、、控制策略，能根据光线和定时控制的要求决定草坪灯的点亮和关断。系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数。关键词：太阳能光电池，控制器，蓄电池，草坪灯The design of Solar lawn lampAbstractSolar energy as a renewable energy that the direct conversion of solar energy and use, through the conversion device to convert solar radiation into heat, and then use heat to gener

3、ate electricity. This design is the existence of the current anti-lawn lamp low, can not be automatic control, and defects such as short life improvements and innovation.First of all, the design of solar cells used as a source of energy in order to achieve the purpose of environmental protection and

4、 energy saving; Lawn lamp single-chip technology using opto-electronic control, time control and energy-saving control，followed by internal battery set up for wet weather to ensure that the battery charger to power supply to the lawn.Control circuit analysis and discussion of the various parts of th

5、e circuit principle and control strategy, based on the control of lighting and timing requirements of the decision of the lawn lamp lit, and turn-off. Have a good anti-jamming system, the power can be saved when the user set various parameters. Key words: Solar PV，Controller，Batteries，Lawn lamp，Sing

6、le-chip目 录1 引言11.1 国内外太阳能的开展现状11.2 太阳能的利用32 方案论证32.1 设计要求32.2 方案选择33 系统整体电路43.1 太阳能电池板53.2 太阳能控制器73.3 蓄电池的选择73.4 单片机介绍83.4.1 主要特性83.4.2 管脚说明83.4.3 振荡器特性103.4.4 芯片擦除103.4.5 结构特点104 系统单元电路的设计114.1 照明负载114.2 充放电控制原理124.3 太阳能供电系统容量的计算134.4 控制器电源电路144.5 光控电路144.6 系统时钟电路154.7 掉电存储电路174.8 数码管显示电路184.9 单片机硬

7、件电路195 系统程序设计206 结束语20致谢21参考文献22附录1 总体电路图23附录2 程序241 引言太阳能是各种可再生能源中最重要的根本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，那么是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。70年代以来，鉴于常规能源供应的有限

8、性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电方案，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府公布了新的光伏发电方案，制定了宏伟的开展目标。日本在70年代制定了“阳光方案，1993年将“月光方案节能方案、“环境方案、“阳光方案合并成“新阳光方案。德国等欧共体国家及一些开展中国家也纷纷制定了相应的开展方案。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的顶峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再

9、生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续开展战略的重要内容。自“六五以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关方案，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的开展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足开展，成为世界快速、稳定开展的新兴产业之一。1.1 国内外太阳能的开展现状国际光伏工业在过去15年的平均年增长率为20。90年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，开展更加迅速。以美国为代表，政府能源部在1990年起动了PVMaT光伏制造技术的产业化方案，通过国家可再生能源实验室NREI实施，并成立了国家PV中心，联合

10、产业界、大学和研究机构共同进行攻关，以求大幅度降低本钱。这一方案的实施已经产生了非常明显的效果，使商品化电池效率提高到12-15。市场开展将逐步由遥远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到下世纪中叶，太阳能光伏发电将到达世界总发电量15-20，成为人类的根底能源之一。第二届世界太阳能光伏会议主席Jurgen Schmidt在大会上说到：“作为全球一种能源，光伏发电在下世纪前半期将超过核电，是2030年还是2050年的最后几年超过，只是个时间问题。 我国太阳能光伏发电技术产业化及市场开展经过近20年的努力，已经奠定良好的根底。目前有4个单晶硅电池及组件生产厂和2个非晶硅电池生产厂。但

11、在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，主要表现在以下几个方面：1生产规模小。目前4个单晶硅电池生产厂根本上保持在1986-1990年引进时的规模和水平。各厂家在引进时标称生产能力为1MW年，但在不同的工艺环节上都存在着“瓶颈，实际生产能力都在05MW年左右，所以我国太阳电池总的实际生产能力约2MW年， 1998年我国太阳电他的产量为2MW，约占世界产量的13。生产的规模化程度比国外5-20MW生产规模低一个数量级。目前各厂都在努力扩大生产能力，可望在1-2年内将各厂的实际生产能力扩大到1MW年，总能力到达4MW年。多晶硅电池有利于进一步降低本钱，目前我国还是空白。国家已将多晶硅电他的产业化作

12、为“九五方案的重点进行了安排，可望在2000年形成规模化生产。2技术水平较低。我国太阳电他的效率较低，平均在14-16；组件封装水平低，工程现场证明，局部产品大约3-5年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，近几年产品质量有提高，但同国外仍有一定差距。3专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五方案，并取得一定成果，但性能有待进一步改良，各厂家局部材料仍然采用进口品。4本钱高。目前我国电池组件本钱约35元Wp42美元Wp，平均售价44元Wp53美元Wp)，本钱和售价都高于国外产品。我国地域广阔、人口众多

13、，7000万人生活在无电地区，光伏发电的潜在市场非常巨大。但由于光伏发电本钱高，目前尚不能与常规发电相比。尽管如此，我国的光伏市场仍在逐年地开展和扩大，1998年的安装容量约25MW。到1998年底，光伏发电系统总保有量约12MW。面对这样一个将被开发的巨大市场，我国的光伏发电产业必须加快开展步伐。由于能源本钱日益攀升，太阳能发电正逐渐成为一项可行的替代能源。德国政府通过立法， 推出各种鼓励手段积极鼓励可再生能源的使用(如?再生能源法? “Energieeinspeisungsgesetz)， 受此驱使，2007年，至该国一直是全球最大的太阳能市场。而现在，其它国家已超过德国，例如西班牙在 2

14、021 年的新建太阳能发电厂数量居全球之冠，而意大利、法国和美国的已安装太阳能发电容量预计将呈大幅增长。多种鼓励措施推动需求走高，继而刺激产能增长。但由于最近全球经济危机的爆发和2021年西班牙对太阳能市场的鼓励措施突然撤销，致使太阳能芯片供大于求，导致价格下跌40%-50%。这使得光伏技术更接近所谓的“平价电价(grid parity)目标，亦即太阳能发电本钱与目前电能市价相当。预计在 2021 年，德国将可实现均一电价。太阳能模块产生一个直流电压， 太阳能逆变器再把这一直流电能转换为交流电能，然后接入电网。本文将探讨太阳能逆变器设计的最新趋势。其中一个重要趋势是采用更高的功率。现在，峰值发

15、电量超过100kW的太阳能发电厂越来越普遍，而较小规模的发电系统也存在这种趋势：平均功率从5kWp 提高到10kWp。 图 1.常见太阳能逆变器拓扑：升压H-桥 升压H-桥拓扑是太阳能逆变器极为常用的拓扑之一，是一种两级非隔离拓扑。其第一级是升压级，用于把模块的可变输出电压(例如100V 500V)升高到更大的中间电压，后者必 须大于实际峰值主线电压(如230V x sqrt(2)，或325V)。该升压级还有一个重要作用，就是为了实现效率最大化， 太阳能模块必须运作产生尽可能大的功率，而太阳能模块的功率曲线可通过输出电流乘以输出电压数值获得。功率特性中有一个最大点，被称为“最大功率点 或 MP

16、P，而这精确位置会随着模块的类型、温度和日照阴影等因素而变化。 利用名为“最大功率点跟踪或 MPPT 的软件技术，辅以定制化算法，逆变器的输入级便可跟踪这个最大功率点。逆变器的第二级把恒定的中间电压转换为 50Hz 的交流电压，再馈入供电主线。这个输出与供电主线的相位及频率同步。这一级由于与供电主线连接，故即便在故障状态下也必须到达一定的平安标准。除此之外，还有一个与低压指令 (Low Voltage Directive) 相关的 VDE 0126-1-1 新草案，该提案要求太阳能逆变器在电能质量下降的情况下也应有源支持主供电网，以尽量降低更具普遍性的停电风险。在现有法规限制之下，是可以设计一

17、个在停电时能够实时关断逆变器，以实现自我保护。不过，当太阳能逆变器变得普及，并在总发电量中占有可观的份额时，如果一遇上停电便直接关断连接的太阳能逆变器的话，是可能造成更大规模的主电网停电的， 因为这样逆变器便会一个接一个关断，并迅速减少电网中的电能。因此，新的指令草案旨在提高主干配电网的稳定性和电能质量， 而代价仅仅是使逆变器的输出级稍微复杂一点。太阳能逆变器必须可靠，以尽量减小维护和停机检修的本钱。这些逆变器还必须具有高效，以尽量增大发电量。太阳能逆变器设计人员还需付出相当的努力，以尽可能地提高效率。有很多方法能够提高升压逆变器的效率。由于升压逆变器可在连续传导模式或边界传导模式(CCM 或

18、BCM)下工作，这就衍生出不同的优化方案。在 CCM模式中，损耗的一大主因是 升压二极管的反向恢复电流； 在这种情况下，一般使用碳化硅二极管或飞兆半导体的 Stealth二极管来解决。太阳能逆变器更常采用的是 BCM 模式，而尽管对这类功率级通常建议选择CCM 模式，但采用 BCM 模式的原因在于 BCM 模式中二极管的正向电压要低得多。而且， BCM 模式也具有高得多的 EMI 滤波器和升压电感纹波电流。这时，良好的高频电感设计是 一解决方案。 采用两个交错式升压级来取代一个升压级乃一种新方法。 这样一来， 流经每个电感和每个开 关的电流便能够减半。 另外， 采用交错式技术，一级上的纹波电流

19、可抵偿另一级的纹波电流， 因而可在很宽工作输入范围上去除输入纹波电流。如FAN9612交错式BCM PFC一类的控 制完全能够轻松满足太阳能升压级的要求。逆变器中的升压开关有两个选择：IGBT 或 MOSFET。对于需要 600V以上额定开关电压的输入级，常常会采用1200V IGBT快速开关，如 FGL40N120AND。对于额定电压只需600V/650V的输入级，那么选用 MOSFET。 输出H-桥级的设计人员一直以来都采用 600V/650V MOSFET， 但因为新的草案标准要求输出级以四象限工作，于是在这一领域重新点燃了人们对IGBT的兴趣。MOSFET虽然内置有体二极管，但相比IG

20、BT 中采用的组合封装二极管，其开关性能很差。新型的场截止IGBT能够以 10V/ns 的速度转换电压，较之以往的旧式产品导通损耗大大改善。这种集成式二极管具有出色的软恢复性能，有助于降低500A/us 以上的高 di/dt 造成的 EMI。对于 16kHz-25kHz 开关，建议采用 IGBT，例如飞兆半导体的 FGH60N60UFD。 图 2.太阳能逆变器的开展趋势：交错式 BCM 升压+三电平逆变器 太阳能逆变器设计的另一个趋势是扩大输入电压范围， 这会导致相同功率级下输入电流的减 小，或相同输入电流下功率级的提高。输入电压比拟高时，需要使用额定电压更高(1200V 范围内)的 IGBT

21、，从而产生更大的损耗。解决这一问题的一个方法是采用三电平逆变器。 采用两个串联的电解电容可把高输入电压一分为二，将中间点与零线(neutral line)连接，这 时就可以再采用 600V 开关了。三电平逆变器可在三个电平间进行转换：+Vbus、0V 和 Vbus。这方案除了比 1200V 开关构建的解决方案更有效之外，三电平逆变器还有一个优 势，就是输出电感大为减小。 对于整功率因数， 三电平逆变器的功能可解释如下。 在正半波 Q5 始终导通期间， 和 Q4 Q6 一直关断。 Q3 和 D3 构成一个降压转换器， 产生输出正弦波电压。 如果只需要整功率因数， Q5 和 Q6 可设计为 50H

22、z 开关，采用速度极慢 Vce (饱和电压)极低的 IGBT，比方 FGH30N60LSD。假设需要较低的功率因数，Q5 和 Q6 必须工作在开关频率下一小段时间。 Q3 和 Q4 的二极管应该是快速软恢复二极管。Q3 和 Q4 可安排为快速恢复 MOSFET， 比方 FGL100N50F ，或者是快速 IGBT，如 FGH60N60SFD。 基于上述分析，三电平逆变器拓扑可获得 98%以上的效率，因此可能成为 5kWp 以上功率 级非隔离逆变器的主流结构。 飞兆半导体公司 Peter Haaf1 太阳能的利用 人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期，就知道利用钢制四面

23、镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来枯燥农副产品。开展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用光热转换和光电转换两种方式。使用太阳电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能，使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电，利用太阳能进行海水淡化。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式18。本课题将充分利用太阳能资源、太阳能电池和光电转换技术给草坪灯提供电力，利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控制和节能控制。2 方案论证2.1 设计要求1电池板面积、功率的计算和选用；2蓄电池容量、恒流充放电控制和充

24、放电状态显示；3光电控制要求光线较暗、路灯未点亮时草坪灯开始照明草坪，天亮后自动关断；4定时控制要求晚上12点时关断草坪灯电源，早上6点接通、天亮后自动关断；5系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数。2.2 方案选择太阳能草坪灯控制与路灯控制电路功能一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有光控制开关，钟控器、经纬型控制器等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。单独的光控开关一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启草坪灯；早上光线较强时，自动关闭草坪灯，到达自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复

25、杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的开展，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，同时对它安装位置也有一定要求，力求防止各种干扰光线，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1。采用钟控器的草坪灯控制器，要预先设定开关时间，使草坪灯按时亮灯、准时熄灯，从而到达自动控制的目的。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

26、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，但现在大多用于路灯控制中，草坪灯控制中尚未大规模使用5。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，

27、但其价格较高，在草坪灯中使用将会增加不必要的本钱。灯箱的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，来实现根据天气状况自动控制灯箱电源的目的。经过综合考虑，决定采用光控和定时控制相结合的控制方式。3 系统整体电路充放电控制器单片机系统时控电路光控电路掉电存储充放电总电路太阳能电池板LED负载蓄电池组图1 总体方框图太阳能草坪灯由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池组、灯源等组成。利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控制和节能控制，其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气对

28、蓄电池进行充电，以给草坪灯供电。总体设计电路图见附录1。3.1 太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心局部，也是太阳能发电系统中价值最高的局部。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和本钱将直接决定整个系统的质量和本钱。太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为假设干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压到达设定的最电高压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电

29、池发出的电能。晴天时，太阳能电池为蓄电池充电，在夜幕来临时通过定时装置为太阳能草坪灯供电。太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光伏效应。其转换过程由以下三个阶段组成：1光的吸收和空穴电子对的产生4在外部不给半导体任何能量的状态绝对零度下，电子充满介电子带，而导带那么不存在电子。在这种状态下，半导体不显示导电性，而是绝缘体。当具有一定能量的光入射半导体时，如果光子的能量大小比特定值Eg大时，那么，这种光就被半导体吸收。如果半导体晶格吸收的光足够大，能够解除半导体晶格对电子的约束，就产生自由电子，留下空穴。为使被晶格约束的电子变为自由电子，光子的能量必须等于或大于该半导体的禁带宽度，

30、即Eg电子伏。假设比携带能量 Eg小的光子被半导体吸收，那么它仅能透过半导体晶格，而对光电转换没有作用。2电子空穴对的别离当半导体中没有电场时，光激发的电子空穴对均匀的分布在半导体中，但在外电路中并不能得到电流。只有以某种方法在半导体中形成势垒，才能使受激发的电子空穴对分开，从而可向外电路供电。这种势垒常用PN结实现。PN结产生的电子空穴对的别离是有限的，但如果没有连接外部电路，那么被别离的电荷不能消失，从而电荷蓄积在PN两层，使PN结正向，即向着电位势垒变小的方向偏转，结果别离过程停止，得到正常状态。这时，把PN结两端产生的电压叫开路电压。假设考虑使电荷短路状态，那么别离的电荷在外部回路中流

31、动而形成短路电流。因此，短路电流与照射的光量成正比。3过剩载流子的移动图2 太阳能电池的发电原理图吸收入射光能产生的电子空穴对也不一定全局部离，电子空穴对产生的数目与别离的数目之比叫做收集效率。半导体中产生的电子空穴对借助存在于半导体中的电场产生的偏移效应和电荷的浓度梯度产生的扩散而移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，所以，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。通常把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在产生的电荷从产生的地方向PN结移动所需要的时间比过剩载流子寿命还长的情况下，电荷不会因PN结而别离，对能量的产生没有作用。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来

32、决定。如图2所示那样，当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子与空穴因失去电子而带正的电荷。如半导体中存在PN结，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极局部，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。当受光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图3所示的等效电路来描述。在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流 IL不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一局部流经负载RL，同时在负载两端建立起端电压V，此电压反过

33、来它又正向偏置于p-n结二极管，引起与光电流反向的暗电流ID。但是，由于太阳板前外表和背外表的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻Rs来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一局部本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻Rsh来等效。图3 PN结太阳能电池的等效电路图3.2 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，可以设定草坪灯的工作时间并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。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。对负载供

34、电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。假设要使用交流用电设备，还需在负载前参加逆变器逆变为交流。控制器由CPU控制，根据蓄电池电压上下，调节充电电流大小，决定是否向负载供电，并具有以下性能：经常保持蓄电池处在饱满状态，防止蓄电池过度充电，防止蓄电池过度放电，防止夜间蓄电池向太阳能板反向充电，蓄电池反接保护，太阳能极板反接保护。3.3 蓄电池的选择蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负

35、载使用。蓄电池组由假设干蓄电池串并联而成。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。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照缺乏发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能12。蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。但是使用过程和维护工作

36、对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。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；平安性能更好。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。在光伏发电系

37、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，这局部储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的根底上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电那么全部由蓄电池供应。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。如前所述，当蓄电池端电压到达设定的最高值时，由电压检测电路得到信号电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏，从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时，系统发出报警指令。

38、当蓄电池端电压下降至过放值时，系统也会发出报警指示，同时草坪灯自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。3.4 单片机介绍89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL

39、的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 主要特性与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1000写/擦循环数据保存时间：10年，全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32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。 管脚说明VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程

40、序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被

41、外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD串行输

42、入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0外部中断0 P3.3 /INT1外部中断1 P3.4 T0记时器0外部输入 P3.5 T1记时器1外部输入 P3.6 /WR外部数据存储器写选通 P3.7 /RD外部数据存储器读选通 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉

43、冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA

44、端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。

45、在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 结构特点8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器。4 系统单元电路的设计4.1 照明负载LED外施电压后在其内

46、部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体根本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是PN结，在半导体PN结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体PN结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光鼓励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光8。由于LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。应首选平

47、光型超高亮LED或平光型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED集中于一起，排列组合成一定规那么的LED发光源。超高亮白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最正确工作点，一般为17.5 mA 。太阳能LED灯具的具体技术指标如表1所示。超高亮白光LED发光源具有如下优点：寿命长。LED的寿命长达100000h，而白炽灯的寿命一般不超过2000 h，荧光灯的寿命也不过5000 h左右。效率高。相对于传统的第一代照明光源

48、白炽灯，LED的功耗只有前者的1020。绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。耐低温。环境使用温度在一4080 ，环境适应性非常强15。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比拟好的电压比拟点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。在太阳辐照缺乏的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比拟充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。表1 太阳能LED灯具的主要性能指标太阳能电池

49、40W ，12 VLED发光源柱式排列，96粒LED、平均功耗3W工作温度-40+80过充保护电压144V(25C)过放保护电压11V蓄电池40Ah12V照明时间天黑后，光控自动启动电光转换功能；天亮后光控自动恢复到光电转换模式太阳能LED灯具的柱式光源耗能仅3w左右，但所发出的光的亮度已到达了20W 节能灯或40W白炽灯的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有效利用太阳能，使用太阳能电池的容量只需要40 w，12V30 Ah的蓄电池组就已经能够保证此种LED发光源在5个阴雨天持续有效工作，而20w节能灯要想在同等条件下正常工作，太阳能电池容量最少要到达70W以上，蓄电池组也要到达70 Ah

50、以上，而且超高亮LED平均使用寿命10万小时，使用期最少在10年以上，而节能灯的使用寿命仅为800010000h。由于单个高亮管的正常工作电压只有3V，所以灯具采用4个高亮管串联后并联于电路中，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障时对其他高亮管的影响，96个高亮管共分成六列围成一个柱形，每列由16个高亮管组成。用384个高亮管来代替四个40W的日光灯。由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，高亮管尽量选用照射角度大一些的高亮管。这对于一般的广告灯箱来说已经可以提供照明了，但对一些更大的广告灯箱，那么需要更多的高亮管来提供照明。 充放电控制

51、原理本系统的设计包括充电控制电路、防过充电路、防过放电路、稳压电路、太阳能电池板和蓄电池的选用等。充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。图4所示为充放电控制电路，工作原理当直流电流经过J1-1常闭触点和R1，使LED发光，等待对蓄电池进行充电；三端稳压器输出8V电压，电路开始工作，过充电压检测比拟控制电路和过放电压检测比拟控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比拟。当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时，IC1的脚电位高于脚电位，脚输出低电位使Q1截止

52、，Q2导通，LED2发光指示充电，J1动作，其接点J1-1转换位置，电路通过D1对蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满，当其端电压大于预先设定的过充电压值时，IC1的脚电位低于脚电位，脚输出高电位使Q1导通，Q2截止，LED2熄灭，J1释放，J1-1断开充电回路，LED1发光，指示停止充电。当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时，IC2的脚电位高于脚电位，脚输出高电位使Q3导通，Q4截止，LED3熄灭，J2释放。其常闭触点J2-1闭合，LED4发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，IC2的脚电位低于脚电位，脚输出低电位使Q3截止，Q4导

53、通，LED3发光指示过放电，J2动作，其接点J2-1断开，正常指示灯LED4熄灭。图4 充电控制器电路4.3 太阳能供电系统容量的计算该电源给草坪灯供电,该草坪灯的工作电压为12V,总耗电量约3W该灯用96粒LED构成，四个LED串联后并联构成,工作电流约0.5A。由于草坪灯一天要工作九个小时左右(19:00-6:00),考虑阴天情况下系统的供电,后备电源须具有48h的供电能力,且按80%的放电率计算,那么蓄电池的容量为:Qx=(TxIs)=(480.5)/0.8=30(Ah)。式中:Qx蓄电池容量;Tx蓄电池放电时间;Is设备工作电流。应选用12V/30Ah免维护蓄电池。有日照时,要求太阳能

54、电池供应设备用电,同时给蓄电池充电。如按10h充电计算,充电电流为:Ic=Qx/Tc=30/10=3(A)。式中:Ic充电电流;Qx蓄电池容量;Tc充电时间。要求太阳能电池提供的总电流为:Ia=Ic+Is=3+0.5=3.5(A)。计算中,加上30%的余量,那么要求太阳能电池提供的输出功率为:P=(VgIa)(1+0.3)=121.3=32.3(W)。式中:P太阳能电池提供的输出功率;Vg设备工作电压。就是按照这样的计算,给电阵屏供电应使用1块12V/40W的电池板总容量为40W)供电的。4.4 控制器电源电路电源电路如图5所示。系统太阳能供电，12V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，

55、作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C3为滤波电容，C4为高频旁路电容。R1为限流电阻，LED1为5V电源指示灯。图5 电源电路4.5 光控电路该电路由光照度检测电路和单片机控制电路组成，如图6所示：图 6 光控电路光照度检测电路由光敏电阻器RG，电位器RP，电阻器R1，R2和非门集成电路IC1组成。控制电路为单片机控制电路。白天光照较强，RG受光照射而呈低阻状态，IC1的输入端为低电平，输出端为高电平， 6脚为高电位，即给单片机P2.7口送入的是高电平。当光线较弱时，RG的阻值开始增大。随着光线的逐渐变弱，IC1的输入端电压也逐渐上升，当该电压上升至IC

56、1的阀值电压时，其输出端变为低电平，6脚为低电位，即给单片机P2.7口送入的是低电平，单片机控制下级电路工作。调节RP的阻值，可以改变电路动作的灵敏度。 4.6 系统时钟电路为了系统定时准确性的需要，系统需要一个实时的时钟，而平常的电子设计中常用的时钟是直接通过汇编语言对单片机进行编程实现的，这样的时钟在电源断电时不能正常运行，再次通电后也不能保证时钟的持续运转。由于系统要求根据时间来准时开关灯箱电源，所以要求系统时间一定要准确，为了防止断电时钟不运行情况的发生，在本设计中选用了低功耗的实时时钟芯片DS1302提供系统的时钟，它具有功耗低、性能稳定、自带RAM、具有年月日功能，确保定时的可靠性

57、。DS1302实时时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括了闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24小时或带AM上午/PM下午的12小时格式。DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚RST置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位存放器。数据在时钟SCLK的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位存放器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。数据可以以每次一个字节或多达31字节的多字节形式传送至时钟/

58、RAM或从其中送出。而且DS1302能在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。DS1302具有一个用于主电源和备用电源的双电源引脚，即除了主电源外，我们可以在其8脚和地之间接一个大电容或者接一个备用电源，主电源正常时对电容或备用电源充电，当电源突然断电或者进行电力维修时，电容或备用电源工作，以表2 DS1302的管脚介绍管脚名称功能X1X2RST复位I/O数据输入/输出SCLK写保护VCC1VCC2电源引脚GND地保证时钟芯片的正常工作。DS1302各脚功能如表2所示。DS1302主要由移位存放器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成。为了初始化时进行数据传送，将

59、RST置为高电平且把提供地址和命令信息的8位装入到移位存放器。数据在SCLK的上升沿串行输入。无论是读周期还是写周期发生，也无论传送方式是单字节传送还是多字节传送，开始8位指定40个字节中的哪个单元将被访问。在开始的8个时钟周期把命令字节装入移位存放器之后，时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加最大可达248的时钟脉冲个数。图7 DS1302实用时钟电路本设计采用的是24小时运行模式。因为DS1302采用的是同步串行通信，简化了与微处理器的通信，微处理器与时钟芯片通信仅需三根线联接：1RST复位、2I/O数据线、和3SCLK串行时

60、钟。在I/O口接到处理器的命令后，控制芯片的SCLK端向单片机传送数据或由单片机通过SCLK端向1302中写入数据。具体应用电路如图7所示。在系统正常工作时，晶振X1为时钟芯片提供工作必需的32.768KHZ的振荡周期，使时钟正常工作，系统电源对电容C4充电，在系统断电时，C4中存储的电量可以作为芯片的备用电源，维持时钟芯片正常工作，再次通电时系统电源为芯片供电，并且为电容C4充电，为系统下次断电做好电能的储藏。4.7 掉电存储电路为了能将系统所设定的一些参数，如设定的密码，设定的时间在系统掉电之后能够恢复，在设计时必须考虑如何存储这些参数。由于AT89C51片内没有EEPROM，必须采用外部

61、扩展方式。在系统的设计过程中，通常采用的掉电存储芯片是24C02系列存储芯片，为了方便以后扩展，在这里选用有4K存储空间的24C04芯片。24C04接口采用I2C总线接口方式。I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与功能。I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。它通过串行数据线SDA及串行时钟线SCL两根线和连在总线上的处理机进行通信，并根据地址识别每个器件。采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为

62、假设干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU能通过指令将某个功能单元电路进行读或写的操作，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统既简单又灵活的扩展与控制。管脚功能如表3所示。24C04作为系统的掉电存储单元，在设计中的作用是在系统失电的瞬间，由电容供电完成对系统中数据的存储。主要存储的内容是定时数据、系统时间等参数，在系统恢复供电时取出定时时间与实时时钟数据进行比照，完成定时控制和时钟显示功能。其应用电路如图8所示。表3 24C04的管脚介绍管脚名称功能A0、A1、A2器件地址选择SDA串行数据/地址SCL串行时钟WP写保护VCCGND地图8 24C04应用电路4.8 数码管显示电路数码管显示的串口输出电路，串口六位数码显示主要由供电电路、串并转换电路、数码显示电路组成(如图9)。串并转换电路主要由六块移位存放器74ALS164组成。当去除端CLEAR为低电平时，输出端QAQH均为低电平。串行数据输入端A，B可控制数据。当一组数据依次输入时，存放器中的数据在每个时钟脉冲的作用下依次向下一个存放器传递。最终在输出端QAQH得到八位并行输出的数据。由于存放器是级联的，所以在时钟脉冲的作用下依次为每个数码管提供八位的数据。数码显示电路主要由八段数码管组成，其电路是共阳的，当输出一定的编码数据时显示相应的数字。