畢業(yè)論文—太陽(yáng)能led路燈智能控制系統(tǒng)研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種不需燃料、無(wú)污染獲取電能的高新技術(shù)。充分利用太陽(yáng)能不僅可以節(jié)約日益減少的不可再生能源，又可以減少對(duì)環(huán)境的污染，這使太陽(yáng)能成為現(xiàn)在社會(huì)的一種重要能源。太陽(yáng)能LED路燈，是太陽(yáng)能應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例，近幾年受到普遍的關(guān)注與研究。</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)了一種智能太陽(yáng)能LED

2、路燈系統(tǒng)，以AT89S51單片機(jī)為核心，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)和蓄電池電量的檢測(cè)，再由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能。本文內(nèi)容包括國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能發(fā)電現(xiàn)狀及工作原理，方案選擇，元器件選擇，系統(tǒng)的硬件，軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的改進(jìn)方向。其中系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、蓄電池充放電控制電路、主副電路的電壓變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主副電路切換電路、光強(qiáng)檢測(cè)電路、電量檢測(cè)電路、系統(tǒng)與上位機(jī)通信電路和溫度檢測(cè)等設(shè)計(jì)。</p><p><

3、;b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　太陽(yáng)能 LED路燈 光強(qiáng)檢測(cè) 電量檢測(cè)</p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　Solar photovoltaic power generation is a kind of don't need fuel, poll

4、ution-free electricity for high and new technology. Make full use of solar light can not only save increasingly reduce non-renewable energy sources, and can reduce the pollution to the environment, which makes solar ener

5、gy 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.</p><p>　　This paper designs a kind of in

6、telligent solar LED street 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

7、home and abroad present situation and the working principle, scheme selection, component selection, system hardware, software design and the improvement direction of the system. The system's hardware design mainly in

8、cludes the SCM smallest system, s</p><p>　　Keywords: Solar energy LED street light Light intensity detection Capacity check</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>

9、;　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 前言1</b></p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研究的內(nèi)容5</p><p><b>　　2 方案論證7</b></p><p>　　2.1

10、 控制方式的選擇7</p><p>　　2.2 蓄電池充電方式的選擇7</p><p>　　2.3 電網(wǎng)電壓的轉(zhuǎn)換電路的選擇9</p><p>　　2.4 電池電量檢測(cè)方式的選擇11</p><p>　　3 元器件選擇13</p><p>　　3.1 太陽(yáng)能電池的選擇13</p>

11、<p>　　3.2 控制器的選擇14</p><p>　　3.3 蓄電池的選擇16</p><p>　　3.4 光強(qiáng)檢測(cè)的選擇17</p><p>　　3.5 LED的選擇19</p><p>　　3.6 以長(zhǎng)春地區(qū)為例的設(shè)計(jì)舉例20</p><p>　　4 硬件電路設(shè)計(jì)21</

12、p><p>　　4.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介21</p><p>　　4.2 時(shí)鐘電路26</p><p>　　4.3 復(fù)位電路27</p><p>　　4.4 過(guò)充過(guò)放控制電路27</p><p>　　4.5 副電源電壓變換電路28</p><p>　　4.6 報(bào)警電路29</

13、p><p>　　4.7 蓄電池電壓變換電路29</p><p>　　4.8 A/D轉(zhuǎn)換電路30</p><p>　　4.9 光強(qiáng)檢測(cè)及傳感電路31</p><p>　　4.10 主副電源電路切換電路32</p><p>　　4.11 電量檢測(cè)電路32</p><p>　　4.12

14、 系統(tǒng)與上位機(jī)通信電路33</p><p>　　4.13 溫度檢測(cè)電路33</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)34</p><p>　　5.1 路燈開關(guān)程序框圖35</p><p>　　5.2 蓄電池充電程序框圖35</p><p>　　5.3 主副電路切換程序框圖36</p>

15、<p>　　6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)展望37</p><p><b>　　7 總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　附錄41</b>

16、</p><p>　　附錄一 主程序41</p><p>　　附錄二 原理圖46</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 前言</b></p><p>　　能源是當(dāng)今世界存在和保持發(fā)展的核心動(dòng)力，隨著社會(huì)生產(chǎn)的擴(kuò)大、人口的

17、增長(zhǎng)、科技的發(fā)展等，對(duì)能源的需求也在不斷增長(zhǎng)，當(dāng)今世界已經(jīng)面臨著能源需求量成倍增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，隨之而來(lái)的是全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)。在傳統(tǒng)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，以石油、天然氣和煤炭為主的化石能源占有重要比例。隨著人類近百年的消費(fèi)，這些化石能源的消耗非?？?，據(jù)專家預(yù)計(jì)地球上25億年累積的化石能源，人類只要400年就可以消耗殆盡，因此能源危機(jī)在當(dāng)代顯得更加危機(jī)。不僅如此，化石能源的大量使用還造成了全球的環(huán)境惡化，引起氣候異常、臭氧層空洞擴(kuò)大、酸雨頻發(fā)等

18、惡果，由化石能源的消耗所產(chǎn)生的二氧化碳是導(dǎo)致地球溫室效應(yīng)的最主要原因，目前全世界每天產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體以億噸計(jì)，如果不加以控制，氣溫持續(xù)走高，會(huì)造成兩極冰山融化、海平面上升，連人類生活的空間都將面臨極大威脅。</p><p>　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種不需燃料、無(wú)污染獲取電能的新技術(shù)，具有安全可靠、無(wú)噪聲、能量隨處可得、不受地域限制、無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)便、可以無(wú)人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、無(wú)需架

19、設(shè)輸電線路、可以方便的與建筑物相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。因此，在太陽(yáng)能的有效利用中，光伏發(fā)電是近些年來(lái)太陽(yáng)能眾多利用方式中發(fā)展最快、最具潛力的研究領(lǐng)域。在光伏太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域，太陽(yáng)能照明占有重要的地位和份額，而LED太陽(yáng)能路燈是一個(gè)具體而實(shí)際的應(yīng)用。</p><p>　　有資料顯示，每年用于照明的電力在3000億度以上，若采用LED照明，每年就可以節(jié)約1/3的照明用電，基本上相當(dāng)于總投資規(guī)模超過(guò)2000億元的三峽工程的全年發(fā)電

20、量。由于太陽(yáng)能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅(qū)動(dòng)光源，兩者的結(jié)合更是提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，降低了市政成本，所以LED太陽(yáng)能路燈越來(lái)越受到人們的重視。</p><p>　　我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，全國(guó)2/3以上地區(qū)年日照時(shí)間大于2000h，其中西部較多地區(qū)日照時(shí)間超過(guò)3000h。但是我國(guó)實(shí)際開發(fā)利用的太陽(yáng)能資源還不到可開發(fā)利用的1/1000，因此太陽(yáng)能的發(fā)展?jié)摿薮?。為了按照各地不同條件更好地利用太陽(yáng)能，按接受

21、太陽(yáng)能輻射量的大小，全國(guó)大致可分為五類地區(qū)，如下表1-1[1]所示。</p><p>　　吉林地區(qū)屬于太陽(yáng)能輻射量的三類地區(qū)，為中國(guó)太陽(yáng)能資源的中等類型區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為 2200～3000h，在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射總量為5016～5852MJ，相當(dāng)于170～200kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。所以，如果把本地區(qū)的太陽(yáng)能有效地利用起來(lái)，對(duì)于節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)都有著可預(yù)見的收益。</p>

22、<p>　　表1-1 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 太陽(yáng)能發(fā)電的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 </p><p>　　太陽(yáng)能發(fā)電主要利用光照的“光伏效應(yīng)”。1839年，法國(guó)科學(xué)家A.E.貝克雷爾發(fā)現(xiàn)光照能夠使由兩片金屬侵入電解液結(jié)構(gòu)的伏打電池產(chǎn)生額外的電位勢(shì)，這種現(xiàn)象被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱

23、“光伏效應(yīng)”。在所有能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的器件中，半導(dǎo)體PN結(jié)是迄今光電轉(zhuǎn)換效率最高的器件，因此太陽(yáng)能電池主要采用此結(jié)構(gòu)。</p><p>　　早期的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率低，生產(chǎn)成本高，阻礙了太陽(yáng)能電池的使用?？茖W(xué)家們一直致力于太陽(yáng)能電池的研究，以提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本。1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了單晶硅太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%，至此產(chǎn)生了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不斷

24、研究，太陽(yáng)能電池的性能得到不斷的提高，生產(chǎn)成本不斷降低。近年來(lái)世界各國(guó)，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)十分重視，世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量迅速增加，特別是在1996年到2004年期間，連續(xù)8年增速在30%左右，在2004年，達(dá)到1200MW，在日常生活中得到普遍使用。圖1-1所示為1988～2004年世界太陽(yáng)電池的產(chǎn)量柱狀圖，具體數(shù)值見表1-2。</p><p>　　圖1-1 世界太陽(yáng)電池的產(chǎn)量</p>

25、<p>　　表1-2 世界太陽(yáng)電池產(chǎn)量具體數(shù)值</p><p>　　我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在2004年之后飛速發(fā)展，年平均增長(zhǎng)率超過(guò)40%，如表1-3所示，尤其是在2007～2009年，太陽(yáng)電池產(chǎn)量占居世界第一。通過(guò)自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新相結(jié)合，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)體系。目前我國(guó)千噸級(jí)多晶硅規(guī)?；夹g(shù)已取得突破，2010年基本實(shí)現(xiàn)自給，不再依賴進(jìn)口；晶體硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)占有技術(shù)和成本的絕對(duì)優(yōu)

26、勢(shì)，2009年產(chǎn)量已達(dá)世界產(chǎn)量的40%。</p><p>　　表1-3 2004～2012年累計(jì)安裝容量</p><p>　　注：平均年增長(zhǎng)率41%。</p><p>　　隨著我國(guó)光伏生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率的不斷提高，太陽(yáng)能電池的成本會(huì)有很大的下降，將為太陽(yáng)能在我國(guó)普及應(yīng)用創(chuàng)造條件。太陽(yáng)能未來(lái)在中國(guó)將有更大的發(fā)展空間，2013～2020年規(guī)劃安裝容量如表1-4所示，其

27、年平均增長(zhǎng)率將超過(guò)50%。</p><p>　　表1-4 2013～2020年規(guī)劃安裝容量</p><p>　　注：平均年增長(zhǎng)率為56%。</p><p>　　就長(zhǎng)春地區(qū)來(lái)說(shuō)，已有很多地方在使用太陽(yáng)能路燈，下圖1-2為位于長(zhǎng)春高新區(qū)的長(zhǎng)春北湖國(guó)家濕地公園的路燈。它充分利用自然資源，綜合了風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電，具有巨大的實(shí)際使用價(jià)值。</p><

28、p>　　圖1-2 長(zhǎng)春市太陽(yáng)能路燈實(shí)例</p><p>　　盡管太陽(yáng)能光伏技術(shù)在最近幾十年得到了很大的進(jìn)步，但目前仍有一些問題需要克服，以更好地推動(dòng)太陽(yáng)能光伏的推廣應(yīng)用，主要問題有：太陽(yáng)電池的效率還不夠高，太陽(yáng)電池成本下降不夠，光伏發(fā)電受氣候環(huán)境的影響較大，晶硅材料的能源消耗大。隨著科技發(fā)展，未來(lái)光伏發(fā)電成本會(huì)繼續(xù)降低。各種相關(guān)技術(shù)如晶體硅、薄膜及其他的太陽(yáng)電池將逐步提高性能，模塊的轉(zhuǎn)換效率將進(jìn)一步提高。

29、若光伏模塊的能源轉(zhuǎn)換率達(dá)到30%～50%，可以使太陽(yáng)輻射能高效地使用，安裝設(shè)計(jì)的成本會(huì)進(jìn)一步降低，有利于太陽(yáng)能的普及使用。盡管未來(lái)幾十年，傳統(tǒng)能源仍將是主要的能源，但可再生能源的使用比例會(huì)不斷增加，發(fā)揮重要作用，這其中太陽(yáng)能將成為首選。</p><p>　　1.2.2 太陽(yáng)能LED路燈控制器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng)中，控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分

30、，負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的充電和對(duì)負(fù)載的放電控制任務(wù)。目前日本、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)電源控制器的研究主要側(cè)重在以下三個(gè)方面：提高太陽(yáng)能電池的輸出功率、完善蓄電池充電策略和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)研究不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和先進(jìn)控制算法，在太陽(yáng)光強(qiáng)度、太陽(yáng)能電池溫度以及負(fù)載改變的情況下，盡可能使太陽(yáng)能電池時(shí)刻保持最大輸出功率狀態(tài)。即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。蓄電池充電策略直接影響到蓄電池的壽命，研究智能化的充電方法，提高蓄電池的充電接受率，減少

31、充電時(shí)間，對(duì)于整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有重要意義。獨(dú)立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境一般比較惡劣，如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性也是當(dāng)前所有光伏電源控制器研究者最急需解決的問題之一。</p><p>　　第三代控制器是具有兩路調(diào)節(jié)功率的控制器，現(xiàn)已被廣泛推廣，在夜間行人稀少時(shí)段可以自動(dòng)關(guān)閉一路或兩路照明，節(jié)約用電，還可以針對(duì)LED燈進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，并具有對(duì)蓄電池等組件的保護(hù)功能。 </p><p>　　1.3 研

32、究的內(nèi)容</p><p>　　由于對(duì)光強(qiáng)使用較少，查找資料知，不同環(huán)境亮暗程度與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表1-5所示。所以，把路燈由開到關(guān)的光強(qiáng)設(shè)定在40lux，把路燈由關(guān)到開的光強(qiáng)設(shè)定在70lux。</p><p>　　表1-5（1） 不同環(huán)境對(duì)應(yīng)光強(qiáng)</p><p>　　表1-5（2） 不同環(huán)境對(duì)應(yīng)光強(qiáng)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)研究的系統(tǒng)

33、如下：系統(tǒng)需要同時(shí)進(jìn)行3個(gè)過(guò)程。一方面，通過(guò)光強(qiáng)監(jiān)測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的光強(qiáng)l，路燈的開關(guān)與此時(shí)光強(qiáng)和此時(shí)路燈的亮滅有關(guān)，詳見下表1-6所示。其次，蓄電池的充電過(guò)程，當(dāng)太陽(yáng)能電量大于蓄電池電量且蓄電池電量在可充電范圍內(nèi)時(shí)，太陽(yáng)能將給蓄電池充電。當(dāng)太陽(yáng)能電池的電量不足時(shí)，阻止蓄電池倒充到太陽(yáng)能電池中。最后，要判斷蓄電池的電量是否足夠給路燈供電，在蓄電池電量不足時(shí)，要實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電路的自動(dòng)切換，并在蓄電池重新儲(chǔ)存電量之后，再切換回蓄電池供電，實(shí)

34、現(xiàn)資源的最大利用化。由于蓄電池在使用過(guò)程中對(duì)溫度的要求比較高，太高或太低都會(huì)對(duì)蓄電池的容量產(chǎn)生不可恢復(fù)的影響，所以在整個(gè)過(guò)程中還要實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池周圍的溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　表1-6 路燈開關(guān)判斷</p><p>　　具體實(shí)現(xiàn)功能：（1）蓄電池儲(chǔ)存電量足夠連續(xù)三天陰雨天路燈照明；</p><p>　　（2）當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)接入，保證路燈的

35、正常工作；</p><p>　?。?）通過(guò)光線的亮暗實(shí)現(xiàn)路燈自動(dòng)熄滅和自動(dòng)點(diǎn)亮；</p><p>　?。?）單片機(jī)始終處于工作狀態(tài)。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)這些過(guò)程，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：</p><p>　?。?）分析太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和LED技術(shù)；</p><p>　?。?）根據(jù)太陽(yáng)能電池板輸出特性和蓄電池的特性

36、，設(shè)計(jì)蓄電池的充放電控制方法；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)LED和單片機(jī)供電電路；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)電源控制電路；</p><p>　?。?）根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)控制器外圍電路；</p><p>　?。?）編寫單片機(jī)執(zhí)行程序。</p><p><b>　　2 方案論證</b><

37、;/p><p>　　2.1 控制方式的選擇</p><p>　　太陽(yáng)能路燈跟普通路燈控制電路功能基本相同，都是為了完成晚上亮燈，早上熄燈的作用。國(guó)內(nèi)外常用的控制器有單獨(dú)的光控型、時(shí)鐘控器型、經(jīng)緯型等，由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p><b>　　方式一：光控型</b></p><p>　　單獨(dú)的光控型一般采

38、用感光探頭，當(dāng)早上光線較強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉路燈，晚上光線弱時(shí)，自動(dòng)開啟路燈，達(dá)到自動(dòng)控制的作用。為節(jié)省電力，早期的光控開關(guān)，采用分立半導(dǎo)體器件，電路復(fù)雜，元器件較多，體積也較大，并且故障率高。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了時(shí)基集成電路，如NE555等，使光控開關(guān)電路簡(jiǎn)化。感光探頭是影響光控開關(guān)性能的關(guān)鍵元器件，在使用時(shí)對(duì)它安裝位置也有一定要求，力求避免各種干擾光線，但在實(shí)際使用中，感光探頭難以判斷各種干擾光線，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作[2]。<

39、/p><p><b>　　方式二：時(shí)鐘控器型</b></p><p>　　采用時(shí)鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時(shí)間，使路燈按時(shí)亮燈、準(zhǔn)時(shí)熄燈，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。優(yōu)點(diǎn)是定時(shí)開關(guān)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時(shí)間不受外界干擾，除本身故障外不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。缺點(diǎn)是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動(dòng)變換開關(guān)時(shí)間，需人工經(jīng)常調(diào)整開關(guān)時(shí)間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于節(jié)省電力。定時(shí)開關(guān)又分為機(jī)械鐘表

40、型和電子鐘表型，機(jī)械鐘表型以石英鐘為主，走時(shí)精準(zhǔn)，但是由于機(jī)芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會(huì)變形，從而導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象。電子鐘表型定時(shí)開關(guān)使用的也較多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成塊為中心的電子鐘電路。近幾年還出現(xiàn)將電子鐘、LED、液晶顯示為一體的集成塊，體積小、外圍元器件少，可設(shè)六組開關(guān)點(diǎn)，有星期功能，許多廠家大量生產(chǎn)該產(chǎn)品，現(xiàn)在大多用于路燈控制中。</p><p><b>　　方式三：經(jīng)

41、緯型</b></p><p>　　經(jīng)緯型控制器采用單片機(jī)技術(shù)，模擬日照規(guī)律，晚上能自動(dòng)開燈、早晨能自動(dòng)關(guān)燈。它采取光控開關(guān)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，克服了光控開關(guān)易受干擾的缺點(diǎn)，取鐘控器時(shí)間準(zhǔn)確之長(zhǎng)處，克服了定時(shí)開關(guān)不會(huì)自動(dòng)變換開關(guān)時(shí)間之短處。目前路燈控制常采用這種控制方式，但其價(jià)格較高，在路燈中使用將會(huì)增加不必要的成本。</p><p>　　通過(guò)以上對(duì)比，為了更好地實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的控制LED路燈

42、的開關(guān)，我選擇控制方式一，光控型。因?yàn)樵诓煌募竟?jié)，光線亮度有很大的區(qū)別，光控型避免了人工調(diào)節(jié)的麻煩，可以更好地實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的運(yùn)作。</p><p>　　2.2 蓄電池充電方式的選擇</p><p>　　蓄電池的使用壽命除了它本身內(nèi)在因素的影響外，還受到溫度、放電深度DOD、過(guò)充過(guò)放程度等的影響，因此，為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，節(jié)約系統(tǒng)的成本，在光伏系統(tǒng)中，應(yīng)使蓄電池在淺放電、不過(guò)充過(guò)放

43、電以及適合的溫度下工作。這其中，充電方式占據(jù)著重要的地位?，F(xiàn)有的充電方式主要有以下幾種[3]：</p><p><b>　　方式一：恒流充電法</b></p><p>　　在充電過(guò)程中使充電電流始終保持不變的方法，叫做恒定電流充電法，簡(jiǎn)稱恒流充電法或等流充電法。在充電過(guò)程中由于蓄電池電壓逐漸升高，充電電流逐漸下降，為保持充電電流不致因蓄電池端電壓升高而減小，充電過(guò)程必

44、須逐漸升高電源電壓，以維持充電電流始終不變，這對(duì)充電設(shè)備的自動(dòng)化程度要求較高，一般簡(jiǎn)陋的充電設(shè)備是不能滿足恒流充電要求的。對(duì)于恒流充電法，在蓄電池最大允許的充電電流情況下，充電電流越大，充電時(shí)間就越短。若從時(shí)間上考慮，采用此法是有利的。但在充電后期若充電電流仍不變，這時(shí)由于大部分電流用于電解水上，電解液出氣泡過(guò)多而顯沸騰狀，這不僅消耗電能，而且容易使極板上活性物質(zhì)大量脫落，溫升過(guò)高，造成極板彎曲，容量迅速下降而提前報(bào)廢。鑒于此，這種充電

45、方法很少采用。</p><p>　　方式二: 恒壓充電法</p><p>　　恒定電壓充電法在充電過(guò)程中，充電電壓始終保持不變，簡(jiǎn)稱恒壓充電法或等壓充電法。由于恒壓充電開始至后期，電源電壓始終保持一定，所以在充電開始時(shí)充電電流會(huì)相當(dāng)大，大大超過(guò)正常充電電流值。但隨著充電的進(jìn)行，蓄電池端電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小。當(dāng)蓄電池端電壓和充電電壓相等時(shí)，充電電流減至最小甚至為零。由此可見，采用恒

46、壓充電法可以避免充電后期充電電流過(guò)大而造成極板活性物質(zhì)脫落和電能的損失。但其缺點(diǎn)是，在充電開始時(shí)，充電電流過(guò)大，電極活性物質(zhì)體積變化收縮太快，影響活性物質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，致使其脫落。而在充電后期充電電流又過(guò)小，使極板深處的活性物質(zhì)得不到充電反應(yīng)，形成長(zhǎng)期充電不足，影響蓄電池的使用壽命。所以這種充電方法一般只適用于無(wú)配電設(shè)備或充電設(shè)備較簡(jiǎn)陋的特殊場(chǎng)合，如汽車上蓄電池的充電、1號(hào)至5號(hào)干電池式的小蓄電池的充電均采用等壓充電法。采用等壓充電法給蓄

47、電池充電時(shí)，所需電源電壓：酸性蓄電池每個(gè)單體電池為2.4～2.8V左右，堿性蓄電池每個(gè)單體電池為1.6～2.0V左右。</p><p>　　方式三：恒壓限流充電</p><p>　　為補(bǔ)救恒定電壓充電的缺點(diǎn)而采用的一種方法，即在充電電源與電池之間串聯(lián)一電阻，這樣充電初期的電流可以調(diào)整。但有時(shí)最大充電電流受到限制，因此隨充電過(guò)程的進(jìn)行，蓄電池電壓逐漸上升，電流卻幾乎直線衰減。有時(shí)使用兩個(gè)電阻

48、值，約在2.4V時(shí)，從低電阻轉(zhuǎn)換到高電阻，以減少出氣。由于串聯(lián)電阻將消耗掉有限的電能，這種采用串電阻限流的方式對(duì)于光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是不實(shí)用的。</p><p>　　方式四：二階段充電法</p><p>　　二階段法采用恒流充電法和恒壓充電法相結(jié)合的快速充電方法，首先以恒流充電至預(yù)定的電壓值，然后改為恒壓充電完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓值就是第二階段的恒電壓值。</p>

49、<p>　　方式五：三階段充電法</p><p>　　三階段充電法是二階段充電法和恒流充電法相結(jié)合的方式。充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒流充電法，中間階段為恒壓充電法。蓄電池在充電初期用較大的電流，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間改為恒定電壓充電，當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)到第三階段。采用三階段充電法的優(yōu)點(diǎn)是：避免了恒壓充電法開始充電電流過(guò)大，而后期電流又過(guò)小的情況，比二階段充電法在中間階段更接近充電電流接受率曲線。這

50、種充電法減少了充電出氣量，充電又徹底，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命。下圖2-1為三階段法充電電流充電電壓曲線。</p><p>　　圖2-1 三階段法充電電流充電電壓曲線</p><p>　　綜合比較，選擇三階段充電法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池的充電過(guò)程，此法在蓄電池保護(hù)、充電時(shí)間、電路穩(wěn)定性等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　2.3 電網(wǎng)電壓的轉(zhuǎn)換電路的選擇&

51、lt;/p><p>　　由于在本設(shè)計(jì)中選用電網(wǎng)來(lái)作為備用電源，所以需要進(jìn)行AC220V—DC24V/5V的交直流轉(zhuǎn)換，下有兩個(gè)方案可以選擇：</p><p><b>　　方案一：整流法</b></p><p>　　整流電路是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和

52、變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。在本設(shè)計(jì)中電網(wǎng)取電經(jīng)整流后給單片機(jī)供電，其電路圖如下圖2-2所示。</p><p>　　7805芯片電壓輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)的5V，應(yīng)此選7805作為電源穩(wěn)壓芯片，78**系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓

53、是36V，最低輸入電壓比輸出電壓高3-4V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來(lái)的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間。取LM7805的輸入端電壓為10V，變壓器二次側(cè)電壓的有效值</p><p>　　考慮到變壓器二次側(cè)繞組及管子上的壓降，變壓器的二次側(cè)電壓大約要高10%，即</p><p><b>　　所以變壓器變比。</b></p><p>　　

54、圖2-2 電網(wǎng)轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　方案二：電源模塊直接轉(zhuǎn)換法</p><p>　　電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點(diǎn)是可為數(shù)字信號(hào)處理器、專用集成電路、存儲(chǔ)器、微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來(lái)說(shuō)，這類模塊稱為負(fù)載點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此模塊電源廣泛用于移動(dòng)通訊、交換設(shè)備、接入設(shè)備、微波通

55、訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣，模塊電源的增幅已經(jīng)超出了一次電源。模塊電源具有隔離作用，抗干擾能力強(qiáng)，自帶保護(hù)功能，便于集成。隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用，模塊電源功率密度越來(lái)越大，轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高，應(yīng)用也越來(lái)越簡(jiǎn)單。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用SM900型號(hào)的電源模塊，它可以實(shí)現(xiàn)24.5V/5.1V雙路隔離，

56、具體功能如下：</p><p>　　（1）輸入電壓：220VAC（+15%，-10%），50Hz±2Hz；</p><p>　　（2）輸出電壓：24.5VDC/5.1VDC；</p><p>　?。?）額定功率：48W/35W； </p><p><b>　?。?）支持熱插播；</b></p>&

57、lt;p>　　（5）支持1+1冗余均流功能；</p><p>　　（6）具備輸出保護(hù)功能；</p><p>　?。?）具備輸出狀態(tài)指示和輸出狀態(tài)查詢功能；</p><p>　?。?）輸入輸出隔離，雙路輸出分別隔離。</p><p>　　SM900電源模塊采用220VAC輸入，經(jīng)過(guò)EMI抑制和整流濾波電路后，分為相互隔離的兩路輸出，其工作

58、電路也相互獨(dú)立，并且分別具有均流冗余功能。SM900電源模塊的交流輸入電路負(fù)責(zé)完成開關(guān)電源的輸入整流和濾波功能，并且抑制電網(wǎng)上傳來(lái)的電磁干擾，同時(shí)抑制電源本身產(chǎn)生的電磁干擾，以保證交流輸入不受電磁污染。整流濾波之后，分別輸出24.5VDC和5.1VDC，并且通過(guò)指示報(bào)警電路，顯示SM900電源模塊的工作狀態(tài)。兩路輸出直接提供到底板，為底板上各個(gè)模塊及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。</p><p>　　綜合比較而言，我選擇SM90

59、0型電源模塊實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)路燈和單片機(jī)的供電，因?yàn)閷?duì)于路燈和單片機(jī)的供電來(lái)說(shuō)，電路的穩(wěn)定性非常重要，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況，而這種方式相對(duì)比較穩(wěn)定，是最佳選擇。</p><p>　　2.4 電池電量檢測(cè)方式的選擇</p><p>　　蓄電池的電量是本設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的量，它關(guān)系著太陽(yáng)能電池是否向蓄電池充電以及是否需要啟動(dòng)副電源，所以實(shí)現(xiàn)蓄電池電量的實(shí)時(shí)檢測(cè)非常重要。設(shè)計(jì)使用SOC估計(jì)的方法

60、來(lái)進(jìn)行電量檢測(cè)。</p><p>　　剩余能量狀態(tài)稱為荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），這個(gè)概念被廣泛應(yīng)用在二次能源存儲(chǔ)裝置中。對(duì)于可循環(huán)使用的二次能源電池來(lái)說(shuō)，SOC是一個(gè)表征電池剩余能量多少的重要參數(shù)。目前對(duì)SOC比較統(tǒng)一的定義為：電池在一定放電倍率下, 剩余電量與相同條件下額定容量的比值。通常定義電池在一定溫度下充電到不能吸收更多的能量時(shí)，SOC為1；放電到能量不能再放出時(shí)，SOC為0。剩

61、余電量SOC的數(shù)學(xué)定義如下[4]：</p><p><b>　　或者</b></p><p>　　其中，QC是二次電池使用后的剩余容量，單位為安時(shí)（Ah），CI是二次電池充滿電的情況下以恒定電流I放電的總電量，Q是已經(jīng)放出的電量。研究與應(yīng)用較多的SOC估算途徑有：放電試驗(yàn)、實(shí)時(shí)安時(shí)計(jì)量、開路電壓測(cè)量、卡爾曼濾波方法、阻抗譜法、負(fù)載電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，具體介紹如下。&

62、lt;/p><p><b>　　方案一：放電試驗(yàn)法</b></p><p>　　放電試驗(yàn)一般是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試，可以得到電池在不同電流、溫度等工況下的放電曲線，通過(guò)測(cè)試可以掌握大量關(guān)于電池工作特性的數(shù)據(jù)。但是，這種方法用來(lái)估算SOC存在兩個(gè)缺點(diǎn)：</p><p>　?。?）放電試驗(yàn)的時(shí)間一般較長(zhǎng)，對(duì)于實(shí)時(shí)估算SOC并不合適；</p

63、><p>　?。?）通過(guò)放電試驗(yàn)估算SOC對(duì)電池能量是一種浪費(fèi)。</p><p>　　方案二：實(shí)時(shí)安時(shí)計(jì)量法</p><p>　　該方法依據(jù)電池SOC的原始定義，對(duì)電池工作中的電流值進(jìn)行采集并積分。實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)用較多的方法。由于安時(shí)計(jì)量法的計(jì)算完全依據(jù)電流值，因此它要求很高的電流采集精度，另外，在電池組中加入均衡電路后，電流除了主回路還要考慮均衡電流的存在，為了

64、檢測(cè)每節(jié)電池上的均衡電流成本提高許多。</p><p>　　方案三：電壓測(cè)量方法測(cè)SOC與開路電壓或負(fù)載電壓</p><p>　　存在一定的規(guī)律性，這樣就可以簡(jiǎn)單的通過(guò)測(cè)量電壓值進(jìn)行SOC估算。開路電壓法的缺點(diǎn)是需要電池移除負(fù)載，等待一段自恢復(fù)的時(shí)間，這樣就大大降低了效率；負(fù)載電壓法的缺點(diǎn)是工作電流對(duì)電壓的影響較大，一般只能使用在恒定電流情況下。</p><p>　

65、　綜合而言，選擇電壓測(cè)量方法來(lái)測(cè)剩余電量，這種方法雖然在精確度不夠，但是電路簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)比較便宜，是目前來(lái)說(shuō)最符合設(shè)計(jì)要求的電路。</p><p><b>　　3 元器件選擇</b></p><p>　　3.1 太陽(yáng)能電池的選擇</p><p>　　太陽(yáng)能電池又稱為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電

66、能的裝置。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學(xué)上稱為太陽(yáng)能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，縮寫為PV），簡(jiǎn)稱光伏[5]。</p><p>　　3.1.1 類型選擇</p><p>　?。?）單晶硅太陽(yáng)能電池</p><p>　　單晶硅是最重要的光伏電池材料，其生產(chǎn)工業(yè)也最為成熟，通過(guò)不斷提高晶體質(zhì)量，電池轉(zhuǎn)換效率不斷

67、提高?，F(xiàn)階段單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率一般為14%～17%，實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。單晶硅材料雖然光電轉(zhuǎn)換率比較高，但價(jià)格昂貴，大幅度降低其成本很困難。</p><p>　　（2）多晶硅太陽(yáng)能電池</p><p>　　多晶硅是單質(zhì)硅的一種形式。多晶硅生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)主要是為了降低晶體硅太陽(yáng)能電池的成本。多晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)量基本上與單晶硅電池相同，甚至更大，是光伏

68、電池市場(chǎng)主要產(chǎn)品之一，與單晶硅電池相比，多晶硅電池價(jià)格較低，商品多晶硅電池組件轉(zhuǎn)換效率一般為12%～14%，實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。多晶硅太陽(yáng)能電池將有望成為太陽(yáng)能電池的主導(dǎo)產(chǎn)品。</p><p>　　（3）非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池</p><p>　　非晶硅薄膜電池重量輕、造價(jià)低廉，轉(zhuǎn)換效率較高，易形成大規(guī)模生產(chǎn)，目前非晶硅太陽(yáng)能電池已發(fā)展成為最實(shí)用、最廉

69、價(jià)的太陽(yáng)電池品種之一，但由于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了實(shí)際應(yīng)用。目前非晶硅太陽(yáng)能電池的研究主要著重于改善非晶硅膜本身的性質(zhì)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。</p><p>　　綜合太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率、造價(jià)、穩(wěn)定性等因素考慮，選擇多晶硅太陽(yáng)能電池作為本系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池類型。</p><p>　　3.1.2 工作電壓</p><p>　　太陽(yáng)能電

70、池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍，才能保證給蓄電池正常充電。如給6V蓄電池充電需要用8～9V太陽(yáng)能電池，給12V蓄電池充電需要用15～18V太陽(yáng)能電池，給24V蓄電池充電需用33～36V太陽(yáng)能電池。</p><p>　　3.1.3 輸出功率Wp</p><p>　　太陽(yáng)能電池輸出功率Wp即是標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照條件下，歐洲委員會(huì)定義的101標(biāo)準(zhǔn)，輻射強(qiáng)度1000W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，

71、電池溫度25℃條件下，太陽(yáng)能電池的輸出功功率。不同的時(shí)間，不同的地點(diǎn)，同樣一塊太陽(yáng)能電池的輸出功率是不同的。所謂標(biāo)準(zhǔn)條件，接近平時(shí)晴天中午前后的太陽(yáng)光照條件。</p><p>　　太陽(yáng)能電池的單位面積輸出功率約127Wp/m2。太陽(yáng)能電池一般由多個(gè)太陽(yáng)能單元電池串聯(lián)組成，其容量取決于照明光源、線路傳輸部件所消耗的總功率以及當(dāng)?shù)靥?yáng)能輻射能量。太陽(yáng)能電池組輸出功率宜為光源功率的3～5倍以上,光照豐富、開燈時(shí)短地區(qū)為

72、3～4倍以上，反之為4～5倍以上。</p><p>　　3.1.4 太陽(yáng)能池組選擇和安裝</p><p>　　路燈桿一般在5m以上，重心較高，大部分太陽(yáng)電池板都是懸掛式，為增強(qiáng)整套設(shè)備的抗風(fēng)力，一般選擇多塊太陽(yáng)電池板組成所需要的組件功率。如下表3-1為我國(guó)主要城市年平均日照時(shí)間及最佳安裝傾角，可以看到長(zhǎng)春市地區(qū)年平均日照時(shí)間為4.8h，長(zhǎng)春市所在緯度43.9°，最佳傾角是1&#

73、176;。</p><p>　　表3-1 我國(guó)主要城市年平均日照時(shí)間及最佳安裝傾角</p><p>　　3.2 控制器的選擇</p><p><b>　?。?）單片機(jī)</b></p><p>　　單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM

74、、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、多種I/O口和中斷系統(tǒng)等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。它的體積小，質(zhì)量輕，價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件，基本結(jié)構(gòu)包括：運(yùn)算器、控制器和寄存器。其硬件特征為：主流單片機(jī)包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP；單片機(jī)可靠性高，可工作到10^

75、6～10^7小時(shí)無(wú)故障；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；處理功能強(qiáng)，速度快；控制功能強(qiáng)；環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。</p><p><b>　?。?）DSP</b></p><p>　　DSP（Digital Signal Processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的

76、數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是它的兩大特色。芯片特點(diǎn)是：采用多總線結(jié)構(gòu)，采用哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水線技術(shù)，具有特殊的DSP指令，配有專用的硬件乘法-累加器，硬件配置強(qiáng)，快速的指令周期，支持多處理器結(jié)構(gòu)，省電

77、管理和低功耗。其優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響?。蝗菀讓?shí)現(xiàn)集成；VLSI 可以分時(shí)復(fù)用，共享處理器；方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波；可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能；可用于頻率非常低的信號(hào)。缺點(diǎn)是：受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無(wú)源設(shè)備可靠。</p><p><b>　?。?）PLC</b></p>

78、<p>　　PLC（Programmable Logic Controller），可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序、順序控制、定時(shí)、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，是工業(yè)控制的核心部分。早期的PLC主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)

79、的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程序控制器簡(jiǎn)稱PLC。PLC自1969年美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國(guó)、日本、德國(guó)的可編程序控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大。PLC的硬件結(jié)構(gòu)基本與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、功能模塊、通信模塊、輸入輸出接口電路。目前，PLC以其邏輯功能

80、強(qiáng)、可靠性高、體積小、可在線修改控制程序、以易與計(jì)算機(jī)接口、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、能對(duì)模擬量進(jìn)行控制等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時(shí)間繼</p><p>　　綜合考慮，我們選擇單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，在單片機(jī)的芯片中，AT89S51符合設(shè)計(jì)要求，是比較理想的選擇。</p><p>　　3.3 蓄電池的選擇</p><p>　　蓄電池組是太陽(yáng)能電池的儲(chǔ)能

81、裝置，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?lái)。能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)作用即在有日照時(shí)發(fā)出的多余電能儲(chǔ)存起來(lái)，在晚間或陰雨天時(shí)供負(fù)載使用。</p><p>　　3.3.1 類型選擇</p><p>　　對(duì)于蓄電池的種類，就市場(chǎng)上主流產(chǎn)品而言，主要有四類：鉛酸蓄電池、鎘

82、鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋰離子蓄電池。</p><p><b>　?。?）鉛酸蓄電池</b></p><p>　　鉛酸蓄電池歷史最悠久，其工藝、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)、性能和生產(chǎn)都在不斷發(fā)展。鉛酸蓄電池放電工作電壓較平穩(wěn)，既可小電流放電，也可很大電流放電，工作溫度范圍寬，可在-40℃～65℃范圍中工作，技術(shù)成熟、成本低廉，跟隨負(fù)荷輸出特性好，至今仍是蓄電池中重要產(chǎn)品，但鉛酸蓄電池重

83、量大，質(zhì)量與能量比低，理論上，鉛酸蓄電池的質(zhì)量與能量比為240Wh/kg，實(shí)際只有10～50Wh/kg[6]。并且，鉛酸蓄電池需要維護(hù)，充電時(shí)間慢。普通鉛酸蓄電池由于使用壽命短，效率低、維護(hù)復(fù)雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被淘汰。20世紀(jì)70年代，發(fā)展了閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池，VRLA蓄電池采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長(zhǎng)，正常運(yùn)行時(shí)毋需對(duì)電解液進(jìn)行

84、檢測(cè)和調(diào)酸加水，又稱為“免維護(hù)”蓄電池。</p><p><b>　?。?）鎘鎳蓄電池</b></p><p>　　鎘鎳電池采用金屬鎘作負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。用聚酰胺非織布等材料作隔離層，用氫氧化鉀水溶液作電解質(zhì)溶液，電極經(jīng)卷繞或疊合組裝在塑料或鍍鎳鋼殼內(nèi)。鎘鎳電池標(biāo)稱電壓為1.2V，具有使用溫度范圍寬、循環(huán)和貯存壽命長(zhǎng)、能以較大電流放電等

85、特點(diǎn)，但存在“記憶”效應(yīng)，常因規(guī)律性的不正確使用造成電性能下降。由于廢棄鎘鎳電池對(duì)環(huán)境的污染，該系列的電池將逐漸被性能更好的金屬氫化物鎳電池所取代。</p><p><b>　?。?）氫鎳蓄電池</b></p><p>　　氫鎳電池使用氫氧化鎳為正極活性物質(zhì)，貯氫合金作負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鉀水溶液作電解液，為綠色環(huán)保型電池。高容量型氫鎳電池的比能量（即參與電極反應(yīng)的單

86、位質(zhì)量的電極材料放出電能的大?。?0～100Wh/Kg，高功率型氫鎳電池的比能量為40～50Wh/Kg。氫鎳電池采取恒電流充電方式充電，根據(jù)電池對(duì)電流的接受能力可采用不同的電流對(duì)電池充電，充電過(guò)程中無(wú)需對(duì)電池單體的電壓進(jìn)行限制，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快速充電。氫鎳電池由于采用高導(dǎo)電性電解液，電池內(nèi)阻較小，可以適應(yīng)大電流放電，因此它可分為低倍率、中倍率、高倍率電池，對(duì)于需要較大功率輸出要求的場(chǎng)合比較適用。電池在高溫時(shí)主要是充電方面的困難較大，氫

87、鎳電池在較高溫時(shí)，副反應(yīng)氧析出反應(yīng)會(huì)加速，如果有較好的負(fù)極性能，在正極上析出的氧氣可以在負(fù)極上還原，從而使電池內(nèi)壓得以消除。通過(guò)調(diào)整配方工藝，可以有效地提高電池在高溫時(shí)的充電效率并可實(shí)現(xiàn)高溫的快速充電。氫鎳電池在-20℃時(shí)可以用比較大的電流放電，足以滿足動(dòng)力輸出的需要。目前，電動(dòng)車上動(dòng)力電池主要采用氫鎳電池。</p><p><b>　?。?）鋰離子蓄電池</b></p>&l

88、t;p>　　鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插。鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高；自放電小，好的電池，每月在2%以下；沒有記憶效應(yīng)；工作溫度范圍寬為-20℃～60℃；循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且輸出功

89、率大；使用壽命長(zhǎng)，不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。鋰離子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但在使用中不可過(guò)充、過(guò)放。因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。</p><p>　　綜合性能、價(jià)格、維護(hù)等分析，我選擇鉛酸蓄電池的發(fā)展類型閥控密封式鉛酸蓄電池。閥控密封式蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、

90、體積小、自放電小的特點(diǎn)，使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。</p><p>　　3.3.2 容量選擇</p><p>　　蓄電池容量過(guò)小，不能滿足夜晚照明的需要；容量過(guò)大，蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，也造成浪費(fèi)。蓄電池容量（Ah）與負(fù)載容量（Ah）之比宜在3～6倍以上，其中連續(xù)陰雨天數(shù)較少地區(qū)約為3～4倍以上，連續(xù)陰雨天教較多地區(qū)約為5～6倍以上。</p><

91、;p>　　3.4 光強(qiáng)檢測(cè)的選擇</p><p><b>　?。?）光電管</b></p><p>　　光電管是一種光敏元件，可使光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，分為真空光電管和充氣光電管。光電管原理是光電效應(yīng)，在光電管中有一種是半導(dǎo)體材料類型的光電管，它的工作原理是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃

92、度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下，常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等。還有一種是電子管類型的光電管，它的工作原理用堿金屬做成一個(gè)曲面作為陰極，另一個(gè)極為陽(yáng)極，兩極間加上正向電壓，這樣當(dāng)有光照射時(shí)，堿金屬產(chǎn)生電子，就會(huì)形成一束光電子電流，從而使兩極間導(dǎo)通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開。由于制造過(guò)程中為了保持光電管中的真空度，會(huì)添加額外

93、的堿金屬作為去氣劑，以及使用過(guò)程中部分堿金屬電極因光線照射而成為游離態(tài)，使得光電管上經(jīng)常附著著少許的堿金屬。</p><p><b>　?。?）光敏電阻</b></p><p>　　光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料，在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常

94、做成梳狀。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性，這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到一定波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增大而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電

95、轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。其優(yōu)點(diǎn)為：內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無(wú)關(guān)，即可以使用直流電源；靈敏度和半導(dǎo)體材料、以及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)；環(huán)氧樹脂膠封裝，可靠性好，體積小，靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性好。缺點(diǎn)有：受溫度影響較大；響應(yīng)速度不快，在ms到s之間，延遲時(shí)間受入射光的光</p><p>　　在電源電壓為12V的前

96、提下，由R=U/I得，光敏電阻的光照特性如下表3-2所示，基本成線性關(guān)系。</p><p>　　表3-2 光敏電阻光照特性</p><p><b>　?。?）光敏二極管</b></p><p>　　光敏二極管也叫光電二極管，是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)?/p>

97、電性，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。常見的有2CU、2DU等系列。 </p><p>　　與普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)

98、上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光敏二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。 </p><p>　　綜合選擇，光敏電阻比較符合本

99、系統(tǒng)的要求，比較而言光敏電阻具有靈敏度高，高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3.5 LED的選擇</p><p>　　發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode）簡(jiǎn)稱LED，是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。這種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提

100、高到相當(dāng)?shù)墓舛?，而用途也由初時(shí)作為指示燈、顯示板等到現(xiàn)在的顯示器、電視機(jī)、采光裝飾和照明。LED只能往一個(gè)方向?qū)?，叫做正向偏置，?dāng)電流流過(guò)時(shí)，電子與空穴在其內(nèi)復(fù)合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長(zhǎng)、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體材料種類與摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有效率高、壽命長(zhǎng)、不易破損、開關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)，與常見光源的具體性能比較見表3-2 [7]。LED具有高光效能，比傳統(tǒng)霓虹燈節(jié)省電能80%以上，工作安全可

101、靠。LED改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場(chǎng)發(fā)光。LED的光譜幾乎全部集中于可見光譜段，其發(fā)光效率可達(dá)80%～90%。LED是一種符合綠色照明要求的光源，所謂“綠色照明”就是指通過(guò)科學(xué)的照明設(shè)計(jì)，采用效率高、壽命長(zhǎng)、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品，改善提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一</p><p>　　表3-2 LED光源和常見光源的性能比較</p><

102、;p>　　對(duì)于現(xiàn)在市場(chǎng)上常用的LED燈介紹如下[8]：</p><p>　?。?）普通單色LED</p><p>　　普通單色LED具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)電均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于各種直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮。它屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，使用時(shí)需串聯(lián)合適的限流電阻。</p><p>　?。?）（超）高亮度LED</

103、p><p>　　高亮度單色LED和超高亮度單色LED使用的半導(dǎo)體材料與普通單色LED不同，所以發(fā)光的亮度也不同。通常，高亮度單色LED使用砷鋁化稼（GaAlAs）等材料，超高亮度單色LED使用磷銦砷化鎵（GaAsInP）等材料，而普通單色LED使用磷化鎵（GaP）或砷化鎵（GaAsP）等材料。</p><p><b>　?。?）閃爍LED</b></p>&

104、lt;p>　　閃爍LED是一種由CMOS集成電路和LED組成的特殊發(fā)光器件，可用于報(bào)警指示及欠壓、超壓指示等。閃爍LED在使用時(shí)，無(wú)須外接其他元件，只要在其引腳兩端加上適當(dāng)?shù)闹绷鞴ぷ麟妷杭纯砷W爍發(fā)光。</p><p>　　綜合而言，我選用超高亮度LED作為路燈使用。</p><p>　　3.6 以長(zhǎng)春地區(qū)為例的設(shè)計(jì)舉例</p><p>　　長(zhǎng)春市某道路人行道

105、擬安裝LED太陽(yáng)能路燈，燈高5m，路燈輸入電壓24V，功率70W，平均每天工作8.5h，蓄電池電量能保證連續(xù)陰雨天數(shù)3天提供照明。下面介紹具體的參數(shù)設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.6.1 太陽(yáng)能電池選擇</p><p>　?。?）長(zhǎng)春市年平均日照時(shí)間：查“表3-1”：4.8h；</p><p>　　（2）路燈日耗電：(70/24)*8.5=24.79(Ah)；&l

106、t;/p><p>　?。?）蓄電池組總充電電流：(24.79*1.05)／(4.04*0.85)=6.38(A)</p><p>　　其中1.05為太陽(yáng)能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，0.85為蓄電池充電效率；</p><p>　?。?）太陽(yáng)能電池組總功率P：6.38*34.8=222.02(W)</p><p>　　選擇2塊Pm=135W太陽(yáng)能電池

107、板并聯(lián)，最佳工作電壓34.8V，最佳工作電流3.88A，組件尺寸800*1580*50(mm)。</p><p>　　3.6.2 蓄電池選擇</p><p>　　蓄電池容量：6.38*(3+1)=25.52(Ah)，所以選擇24V—30Ah的免維護(hù)鉛酸蓄電池。</p><p>　　3.6.3 太陽(yáng)能電池傾角</p><p>　　由“表3-

108、1”可知，長(zhǎng)春市太陽(yáng)能電池傾角：43.90°+1°=44.90°，所以太陽(yáng)能電池組方向正南稍偏西，與地平線傾角44.90°。</p><p><b>　　4 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)框圖如下圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p>