智能控制器设计书草坪灯解读.docx
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智能控制器设计书草坪灯解读
太阳能智能控制器设计与制作
项目课程设计书
二级学院
新能源科学与工程学院
年级专业
12级新能源科学与工程
学号
学生姓名
分组号
指导教师
教师职称
设计书成绩
一、项目课程目的
本课程是新能源科学与工程专业集中实践教学环节专业必修课程中的一门核心课程，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
项目课程的开发不必强调理论知识的系统性和严密性，应该从职业岗位群的需要出发，围绕职业岗位技能的形成把职业道德、专业技能、相关专业三个方面，按照岗位能力的需要，以技能的递进为顺序，组成横向的集群式模块课程。
即围绕课程模块梳理出支撑该模块所必须的公共基础课程和专业基础课程、岗位知识课程和岗位技能课程以及专业实践课程和技能实训课程和综合职业能力应用课程等。
通过工作任务的完成，实现学生职业能力的渐进提升。
所以，项目课程是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过项目课程,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
1.查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力；
2.树立既考虑技术上的先进性又考虑经济上的合理性正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
3.用简洁的文字或清晰的图表来表达自己设计思想的能力；
4.对所设计的项目任务，做成产品，提高动手能力和实践能力。
二、项目课程的任务和要求
1、学习态度：
要有勤于思考、刻苦钻研的学习精神和严肃认真、一丝不苟、有错必改、精益求精的工作态度，对有抄袭他人设计图纸（论文）或找他人代画设计图纸、代做报告等行为的弄虚作假者一律按不及格记成绩，并根据学校有关规定给与处理。
2、学习纪律：
要严格遵守学习纪律，遵守作息时间，不得迟到、早退和旷课。
如因事、因病不能上课，则需请假，凡未请假或未获准假擅自不上课者，均按旷课论处。
3、课程目标：
掌握课程的基本理论和基本知识，概念清楚，设计计算正确，结构设计合理，实验数据可靠，绘图符合标准，设计报告撰写规范。
要敢于创新，勇于实践，注意培养创新意识和工程意识。
（1）巩固和加深对项目课程基本知识的理解，提高学生综合运用本课程自学知识的能力。
（2）培养学生根据课题需要选学参考书籍、查阅手册、图表和文献资料的所学能力。
通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。
（3）通过太阳能智能控制器项目课程方案的分析比较、设计原理、设备选型、安装调试等环节，初步掌握简单太阳能智能控制系统的分析方法和工程设计方法。
（4）掌握常用太阳能智能控制器的基本参数，学会太阳电池组件的容量计算、蓄电池容量计算、充放电保护、超压过流保护等，提高学生动手能力，能在教师指导下，完成项目产品任务。
（5）了解与课题有关的智能控制器的安装及使用工程技术规范，能按课程设计任务的要求编写设计报告，能正确反映设计和产品成果。
（6）培养严肃认真的工作作风和科学态度。
通过课程设计实践，帮助学生逐步建立正确的生产观念、工程观念和全局观点。
三、项目小组成员及分工
姓名
任务分解
完成情况
查二极管资料,预算与采购器件,焊接二极管,撰写设计书
由于市面上供应的电阻与所需的阻值不同所以采购的电阻阻值小
查发光二极管资料,设计电路与仿真,焊接发光二极管
电路设计有待完善
查三极管资料,焊接三极管,撰写设计书
设计书的格式和语言需要仔细斟酌
查电阻资料,撰写设计书,焊接电阻
设计书的格式和语言需要仔细斟酌
查控制器资料,焊接光敏电阻
完成
CAD绘图,焊接与调试
焊接的美观性与细节需要注意
四、项目实施步骤（小组讨论实施的具体步骤）
1.小组成员分工查找资料，了解各种太阳能草坪灯控制器的工作原理，并对所找的资料进行汇总整理。
（12月22日）
2.小组成员对整个控制器系统结构讨论做出设计以及项目实施的落实。
（12月23日）
3.洪运瑶设计电路并绘制控制器的电路原理图。
（12月23日）
4.小组成员根据所设计的电路图确定各电子元器件的型号及参数。
（12月24日）
5.万宸宇按照所选定的电子元器件型号做出合理预算并采购。
（12月25日）
6.集齐控制器原理图所需的电子元器件，小组成员按照分工表进行电路板焊接工作。
（12月26日）
7.小组成员对所焊接的控制器电路板进行测试，进一步了解该控制器的工作原理。
（12月29日）
8.小组成员各自撰写此次设计书并打印。
（12月30日）
9.小组成员对此次设计进行总结并答辩。
（12月31日）
五.主要元器件介绍
5.1.电阻
5.1.1.电阻的定义
电阻（Resistance，通常用“R”表示），是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
5.1.2电阻的作用
主要职能就是阻碍电流流过,应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等.数字电路中功能有上拉电阻和下拉电阻。
5.1.3电阻的阻值标法
色标法
用不同颜色的色环来表示电阻器的阻值及误差等级.普通电阻一般有（4）环表示,精密电阻用5环.
5.2.二极管
5.2.1二极管的定义
二极管，（英语：
Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。
5.2.2二极管的作用
二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
正因为二极管具有上述特性，常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。
5.2.3二极管的工作原理
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的pn结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于pn结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
当外加的反向电压高到一定程度时，pn结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
pn结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。
5.3.三极管
5.3.1三极管的定义
半导体双极型三极管又称晶体三极管，通常简称晶体管或三极管，它是一种电流控制电流的半导体器件，可用来对微弱信号进行放大和作无触点开关。
5.3.2三极管的作用
三极管的主要作用是电流放大，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。
但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。
IC的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB,Δ表示变化量。
），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。
5.3.3三极管的类型
三极管只有两种类型，即ＰＮＰ型和ＮＰＮ型。
判别时只要知道基极是Ｐ型材料还是Ｎ型材料即可。
当用万用电表R×1k档时，黑表笔代表电源正极，如果黑表笔接基极时导通，则说明三极管的基极为Ｐ型材料，三极管即为ＮＰＮ型。
如果红表笔接基极导通，则说明三极管基极为Ｎ型材料，三极管即为ＰＮＰ型。
5.4.发光二极管
5.4.1发光二极管的定义
LED，即LightEmittingDiode的缩写，翻译为发光二极管，它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。
因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。
5.4.2发光二极管的作用
发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。
当其内部有一定电流通过时，它就会发光。
发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。
它广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中、作电源指示或电平指示等。
六.草坪灯控制器的工作原理
草坪灯控制器的工作原理图
6.1.本控制器的工作原理
此次设计的控制器主要是利用太阳能电池组件本身作为一个光敏器件来控制电路的工作状态。
两种工作状态分别为:
白天太阳电池组件产生电压，给VT1三极管的基极一个高电位，且集电极产生反向电压，导致VT1导通，VT2的基极即是一个零电位，VT2截止、VT3截止，VT4的基极无电动势，LED不发光，此时太阳电池组件只给蓄电池充电。
另一个工作状态为夜晚，太阳电池组件不工作，此时只有蓄电池给负载供电（白天已为蓄电池充好电的情况下），IN4007型号二极管主要是让蓄电池不能给太阳电池反充，起到一个阻断作用。
由于VT1的基极无电动势，即VT1截止，VT2导通，VT3导通，VT4也导通，LED发光。
6.2.本控制器的优点
采用多极放大，对电池组件的敏感性有显著提高，在相应的参数下，当太阳电池电压高于1.7V时，VT1导通，VT2、VT3截止，太阳电池向蓄电池充电，LED不亮。
当太阳电池电压低于1.7V时，VT1截止，VT2、VT3导通。
蓄电池向负载供电，LED发光，直到蓄电池电压低于4.3V时停止向蓄电池供电，达到过放保护。
6.3.本控制器的缺点
由于过充保护电路比较复杂，考虑到蓄电池容量与太阳电池的发电效率，这个控制器并没有设置一个过充保护电路。
七、仿真及调试
1.白天，太阳电池的电压高于1.7V时，太阳电池向蓄电池充电，LED灯不亮。
2.晚上，太阳电池的电压低于1.7V时，蓄电池向负载供电，LED灯发光。
3.当蓄电池电压低于4.3V时停止向负载供电，LED灯不亮，达到过放保护。
4.电路焊接美观，布局合理。
产品调试结果与仿真结果基本一致。
八、控制器中各电子元件的作用及相关参数
1.蓄电池
在白天光照条件下蓄能，在晚上无光环境下供负载工作。
2.太阳能电池
白天产生光生伏特效应、产生电流与电压，供蓄电池蓄能，且在本设计中充当一个灵敏的光控器件来控制系统的工作状态。
3.二极管IN4007
防反充作用，阻断蓄电池向太阳能电池板放电。
4.电阻R1
VT1基极的电阻保护三极管的正常工作，同时起到限流作用，阻值为330k。
5电阻R2
主要是在VT1导通后，给VT2的基极一个高电压使VT2导通。
6.电阻R3
与R2功能相同，在VT2导通后，提供一个高电位给VT3同时起到限流作用，使之截止或导通。
7.电阻R4
与LED灯串联的电阻，分压与限流，保护电路，阻值为470欧。
8.三极管VT1、VT2
主要是白天VT1导通，VT2截止。
夜晚VT1截止，VT2导通作一个开关使用，型号9013、9014、NPN型。
9.三极管VT3、VT4
共同组成一个信号放大的功能，提高负载的输出。
10.发光二极管LED
表示控制器的工作状态，亮时表示夜晚蓄电池向负载供电，不亮时表示白天太阳电池向蓄电池充电。
九、控制器的电性能参数、设备选型及预算
设备名称
电性能参数
设备选型
数量／个
单价／元
总价（元）
二极管
IN4007
1
0.5
5.6
发光二极管
1
0.5
三极管
ST9013C
2
0.3
ST9014C
1
0.3
ST9015C
1
0.3
电阻
R1（330kΩ）
1
0.3
R2（18kΩ）
1
0.3
R3（18kΩ）
1
0.3
R4（470kΩ）
1
0.5
PCB电路板
1
2
十、心得体会（项目课程中遇到的困难、继续改进的措施、课程实施的合理化建议）
这次课程设计是大学以来第一次要求以实物来完成的，所以跟以往的感受有所不同。
在完成这次课程设计中对我们的动手能力做了一次检测，不做不知道，做了才发现每一件事情都不是自己所想象的那般简单。
就比如焊接所考虑到的元器件的排布，要精细到数万能板上面的小孔才能知道怎样排布比较美观。
在焊接过程中很感谢洪运瑶同学的指导与帮助，他以追求完美的角度来要求自己，让我们做到最好，在与他搭档的过程中学到了很多不知道的东西，也被他的精益求精的精神所感动。
以至于在进实验室之前就练了整整一晚上的焊接工作，让自己在工作中减少失误。
当然也很感谢小组的其他成员，没有大家的相互配合就没有现在所做出的成绩。
但我觉得这种方式不是很能够让大家都能很好的学到一些东西，课上的讲解很快，课后老师不能现场解答，如果能够有一件机房让大家一起查找资料，不仅学生可以相互分享知识，老师也可以现场指导。
十一、参考文献
[1]杨静,凌朝东,梁爱梅.低压太阳能草坪灯驱动控制器的设计与仿真[J].华侨大学学报（自然科学版）2011年9月第32卷第5期
[2]张跃.白色发光二极管光伏照明灯驱动电路设计[J].太阳能,2005
[3]朱红,刘廷章,王建.基于太阳能发电LED照明控制技术[J].工业仪表与自动化控制,2008
[4]凌朝东，杨静，梁爱梅，黄炜炜.一种低压太阳能LED草坪灯驱动控制集成电路设计[J].2011年4月第16卷第2期
附表：
控制器设计图纸（CAD出图，以附件的形式附图）
（说明：
请标注出必要的电子元器件的型号及参数）
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