太阳能交通灯设计Word文件下载.doc
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关键词：
单片机；
太阳能；
蓄电池；
交通灯
目录
1引言 3
2方案设计 3
3蓄电池智能充放电控制器 4
3.1智能型多模式充电技术 4
3.2蓄电池智能充放电控制器硬件设计 6
3.2.1系统结构 6
3.2.2主电路设计 6
3.2.2.1太阳能电池板 6
3.2.2.2蓄电池 7
3.2.2.3主充电开关电源电路设计 7
3.2.3控制电路设计 8
3.2.3.1采样电路 8
3.2.3.2控制器电路设计 9
3.2.3.3驱动电路设计 10
3.2.3.4按键电路设计 11
3.2.3.5辅助电路设计 12
3.3小结 12
4LED交通信号灯系统 12
结论 15
参考文献 16
附录A整体电路 17
附录B元件清单 20
1引言
在太阳能发电应用领域，太阳能交通灯具有重要的地位。
太阳能交通灯系统采用“光伏+储能”的模式，是一种典型的独立太阳能发电系统。
白天日照充足时，光伏电池发电，给蓄电池充电，晚上蓄电池放电，向交通灯提供电能。
太阳能交通灯最显著的特点是安全、环保、节能，不需要铺设复杂昂贵的管线，无需人工操作自动运行。
典型的太阳能交通灯系统是由光伏电池、蓄电池、交通灯和控制器组成。
在系统构成中，光伏电池的使用寿命一般在20年以上；
质量好的LED交通灯可以工作50000个小时，每天10个小时，理论上可以使用10年以上；
铅酸蓄电池工作在浅充浅放的模式中，循环使用寿命约2000次，使用年限5～7年，在深度放电的模式下，循环使用寿命约200次，使用年限1～2年。
可以看出，从一定程度上来讲，太阳能交通灯系统的使用寿命是由作为储能的铅酸蓄电池好坏决定的。
在实际应用中，铅酸蓄电池是最容易受损和消耗的环节，必须对其充电和放电过程进行合理的控制，充电方式不当、过充和过放都会影响铅酸蓄电池的使用寿命。
所以为了更好的保护蓄电池，最大限度的延长蓄电池的使用寿命，延长系统的使用寿命，降低系统维护成本，系统需要对蓄电池进行能量管理，以有效的方式对蓄电池进行充电，防止过充的同时也要防止其过度放电。
太阳能交通灯控制器就是系统中配合蓄电池特性，对蓄电池充电和放电过程进行控制的设备。
白天，它控制太阳能电池给蓄电池充电，通过采样蓄电池的电压，调整充电方式，避免对蓄电池过充；
夜晚，它控制着蓄电池给负载提供电能，防止蓄电池过放，保护蓄电池，最大限度的延长蓄电池的使用寿命。
由此可见，太阳能交通灯控制器在系统中起着枢纽的作用。
蓄电池的充电过程是一个复杂的非线性过程，为了实现最优的充电过程，更好的延长蓄电池的使用寿命，蓄电池的充电控制采用智能控制是非常必要的，本文设计了一种成本较低、稳定可靠且可以对蓄电池进行有效保护的智能型太阳能LED交通灯控制器。
2方案设计
太阳能LED交通信号灯由光伏极板、充放电控制器、蓄电池、LED交通信号灯系统构成。
系统框图如图1所示。
图1 系统框图
图1系统框图其中,光伏极板是用来将太阳能转换成电能,为系统供电。
充放电控制器是将太阳能产生的电存储到蓄电池中,同时将蓄电池中的电能供给LED交通信号灯系统,并对蓄电池的过流、过充等起到保护作用。
LED交通信号灯系统是由中央控制器、LED信号灯模块、信号灯模块控制系统等组成。
3蓄电池智能充放电控制器
3.1智能型多模式充电技术
充电控制技术是智能充电器系统中软件设计的核心部分。
随着各种蓄电池技术的发展，国内外电池充电技术也不断更新。
同种工艺的电池理想的充电曲线大致相似、具体的电压数值有所差别。
针对这些特点，应用单片机进行控制，有效地使实际充电曲线拟合铅酸蓄电池的最佳充电曲线，控制电池在正常温升范围之内，提高充电的效率，达到最佳充电效果。
我们在传统充电方法的基础上设计了四阶段充电法。
它综合了常规充电法和快速充电技术的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。
图3.1所示是四模式充电状态曲线。
图3.1四模式充电状态曲线
多模式智能充电器的四种充电状态分别是涓流充电，大电流充电，过充电和
浮充电。
假设一组完全放电的电池，充电器通常按如下规律对其充电：
状态1:
涓流充电
如果电池电压低于阀值电压10.5V，充电器将用预先设定的涓流充电电流给电池充电。
随着涓流充电继续，电池电压逐渐升高，当电压升高到阀值电压10.5V时立即转入大电流快速充电。
如果电池电压在充电周期开始就高于其阀值电压时，则跳过涓流充电直接进入大电流快速充电模式
状态2：
大电流快速充电
在这种模式下充电器以恒定的最大允许电流给电池充电。
最大电流与电池容量（C）有关，往往以电池容量的数值来表示。
在大电流快速充电这段时间里，电池电量迅速地恢复。
当电池电压上升到过充电压（Voc;
）14.5V时，大电流快速充电模式结束，充电器转入过充电状态。
状态3:
过充电
如果从大电流充电状态直接转入浮充状态，电池容量只能恢复到额定容量的80%?
90%。
在过充电状态下，充电电压保持恒定不变，充电电流连续下降。
当充电电流下降到足够小时，电池容量已达到额定容量的100%,充电过程实质上已经完成，充电器转入浮充状态。
阀值电流一般等于最大允许充电电流的1/5。
状态4:
浮充电
该状态主要用于补充电池自身放电所消耗的电量。
在浮充电模式下，充电器输出电压下降到较低的浮充电压值，充电电流通常只有l（K30mA,用以补偿电池因自身放电而损失的电量。
当电池电压下降到浮充电压的90%时，充电器将转入大电流充电状态，使上述充电过程重新开始。
这种多模式充电法综合了恒流充电法快速而安全、及时补偿蓄电池电量的优点，以及恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态下保持电池100%电量的优点。
多模式智能充电器在满足这些要求的同时可提供尽可能多的功能和设计的灵活性，使之具有更多优点：
适时检测充电情况并按预定的充电方案对电池充电；
采用四种状态的充电规则使电池获得最好的特性；
充满电进行声光报警并自动转入浮充电状态，最大限度地保证电池的容量。
这款多模式充电电路，不仅可以实现恒定电压、恒定电流等几种基本充电模式，更可以实现多种混合的多阶段充电模式。
因此更能适应恶劣环境的应用。
在电池设计的充电模式中，包括涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电和均衡充电功能，在运行中单片机会根据对被充电池的数据采样和事先设定的程序来决定何时加入大电流充电、过充充电、浮充充电、电池充满时间并停止充电过程。
3.2蓄电池智能充放电控制器硬件设计
该蓄电池智能充放电控制器是针对阀控密封铅酸蓄电池来进行设计的，以ATmegal6单片机及其应用软件为核心构成这个系统。
根据前述理论分析，对铅酸蓄电池采用四阶段充电方法，这样既减少了极化，又防止了盐化，延长了使用寿命，提高了充电率，达到了设计目标。
3.2.1系统结构
智能充放电控制系统主要包括输入电路、检测电路、控制电路及显示电路等几部分，各个部分包括的设计结构、内容、数据流向如图3.2所示。
图3.2系统设计框图
太阳能板输出电压经开关电源控制器调节向蓄电池提供所需电压，辅助电源为单片机、模拟开关、放大器等提供工作电压，由按键输入充放电信号。
ATmegal6单片机完成对充放电各个过程的控制，主要包括对蓄电池充电电压的采样、充电电流的采样、蓄电池端电压的采样和对蓄电池充放电控制等操作。
液晶显示部分主要是对充电过程中蓄电池的充放电状态、充电电流、充电电压及蓄电池电压大小进行显示，以便用户了解蓄电池的充放电状态参数。
3.2.2主电路设计
3.2.2.1太阳能电池板
本系统采用太阳能电池板供电，太阳能电池板在太阳照射下可以产生电能，本设计所使用的太阳能电池板可以输出电压为24V。
3.2.2.2蓄电池
由于系统中蓄电池的充电放电比较频繁，故所以控制器要对蓄电池的充电放电进行管理，从而延长蓄电池寿命，减少系统的故障率，提高系统稳定性。
本次设计将对铅酸蓄电池智能充放电控制器进行探讨和研究。
本设计按照要求，采用12V/20AH的铅酸蓄电池保存电能。
3.2.2.3主充电开关电源电路设计
1.BUCK斩波电路
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式不变，改变（通用），二足频率调制（l）Buck电路——降压斩波器，典输出平均电小于输入电压，极性相同。
（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同。
（3）Buck—Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反，电感传输。
（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反，电容传输。
在本电路中输入始终大于输出，所以采用脉宽调制方式的BUCK变换器，BUCK变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。
其电路如图3.3所示。
3.3BUCK变换器电路
PWM脉宽调制信号由单片机提供，控制开关管的通断。
MOSFET、二极管、电感、电容构成BUCK电路。
在工作过程中，PWM控制倍号的高电平脉冲出现使MOSFET管分通，PWM控制信号的低电平脉冲出现使MOSFET管截止。
当开关管接通时，电流按图（A）所示方向流动，电容通过电感被充电。
出开关管截止时，电感试图保持电流不变，从而导致电流流过二极管、电感和电容如图（B）所示，这是BUCK变换器的一个工作周期。
如果增加占空比，开通时间增大，断开时间减少，则输出电压将增大。
反之，输出电压减小。
图中二极管的作用足防止在断电时电池反方向供电。
输出电流由PWM脉宽调制作为占空比调节，来控制电流充电、大电流充电、过充电、浮充电，完成四个状态充电的过程。
图3.4充放电电路原理图
在目前广泛采用的开关电源供电方式中，是由PWM控制器提供脉宽调制，并发出脉冲信号，使MOSFET管导通。
同时扼流线圈作为储能电感使用并与相接的电容组成LC滤波电路。
PWM芯片包含内部和外部线路，当脉宽调制要做周期循环时将由它来决定这个频率的快慢，当一个信号要发送到每一个MOSFET管用以接通这些MOSFET管时它就可以直接控制进行速度调节。
本设计中由于单片机内核中集成了PWM驱动单元，它能向系统提供更为准确的数字电压。
2.放电电路
放电电路主要由一个大电流、较高耐压、低导通电阻的N沟道场效应管IRF540组成。
当电压值小于10.5V时,单片机自动给出一个低电平信号给IRF540使其断开放电
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