基于单片机控制的太阳能供电地下停车场照明控制系统的设计本科毕业设计说明书.docx

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基于单片机控制的太阳能供电地下停车场照明控制系统的设计本科毕业设计说明书

天津城市建设学院

本科毕业设计说明书

基于单片机控制的

太阳能供电地下停车场照明系统设计

DesignoftheSolar-PoweredUnderground

ParkingLightingSystemBasedonMicrocontrollerControl

独创性声明

本人声明所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。

毕业设计（论文）作者签名：

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年月日

毕业设计（论文）版权使用授权书

本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。

同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权天津城市建设学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。

（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）

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年月日

摘要

在这个科技飞速发展的时代，能源是人类经济及文化活动的动力来源。

随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。

开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。

从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。

随着城市的不断发展，人口的急剧增加，人均拥有车辆数的增大，停车问题越发严峻。

停车场也逐渐的朝地下空间发展。

然而地下停车场的照明又给社会增添了新的烦恼。

为此，提供一个合理的地下照明系统是时代发展的迫切要求。

本设计采用LED灯具作为系统的照明光源，采用太阳能光伏发电与市电交互为LED灯具供电的方式提供供电电源。

使用节能灯具减少了能源的浪费，利用太阳能发电供电，减少了火力发电等造成的大气污染的问题。

本设计采用单片机AT89S51作为系统的主控制单元，重点设计了太阳能发电系统最大功率点跟踪控制电路的设计。

并且通过采集太阳能发电系统蓄电池及太阳能电池板两端的电压，实现火电与太阳能发电两种供电方式的自动切换。

并对太阳能发电系统中，太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，输出功率不同的问题，为了提高发电系统效率，单片机通过采样电压和电流，通过对功率的计算，实现对太阳能电池的最大功率点的跟踪，确保充分的利用太阳能。

本系统智能化的完成了以太阳能发电、LED为灯具的照明系统的设计，经济、实用。

关键字：

能源；太阳能光伏发电；LED照明；DC-DC；MPPT；单片机AT89S51

ABSTRACT

Inthistechnologicaleraofrapiddevelopment,energyisthedrivingforceofhumaneconomicandculturalactivities.Witheconomicdevelopment,populationgrowthandsocialimprovementoflivingstandards,thefutureworldenergyconsumptionwillcontinuetogrow,thetotalconsumptionoffossilfuelsintheworldonedaywillreachthelimit.Thedevelopmentandutilizationofrenewableenergyandgreenenergyinordertoachievesustainabledevelopmentofmankindmusttakemeasures.Fromtheenergysupplyofmanyfactorstoconsider,solargreenenergyisundoubtedlytheidealofsustainabledevelopmentstrategy.

Withthecontinuousdevelopmentofthecity,therapidpopulationincrease,percapitanumberofvehiclesincreases,moreandmoresevereparkingproblems.Thedevelopmentofparkinglotgraduallytowardtheundergroundspace.However,theundergroundcarparklightinggavethecommunityhasaddedanewworry.Tothisend,anundergroundlightingsystemisanurgentrequirementofthetimes.

ThisdesignusesLEDlightingasthelightingsystem,solarphotovoltaicpowergenerationandelectricityinteracttoprovideapowersupplyforLEDlampspowered.Useofenergysavinglampstoreduceenergywaste,theuseofsolarpowergenerationanddistribution,toreduceatmosphericpollutioncausedbythethermalpowerandotherissues.

ThisdesignusesamicrocontrollerAT89S51asthemaincontrolunit,focusedonthedesignofasolarpowersystemmaximumpowerpointtrackingcontrolcircuitdesign.Andbycollectingsolarpowersystembatteryandthevoltageacrossthesolarpanels,thermalpowerandsolarpowertwokindsofpowersupplyautomaticallyswitches.Andsolarpowersystems,solarcellsatwork,withthesunlightintensity,environmentaltemperature,outputpower,inordertoimprovetheefficiencyofpowergenerationsystems,microcontrollerbysamplingthevoltageandcurrentthroughthecalculationofthepowertoachievethesolarcellmaximumpowerpointtrackingtoensurefulluseofsolarenergy.Thisintelligentcompletionofthedesignoflightingsystems,solarpower,LEDlamps,economicalandpractical.

Keywords:

Energy;solarphotovoltaic;LEDlighting;theDC-DC;theMPPT;icrocontrollerAT89S51

第1章光伏发电和LED照明概述

1.1光伏发电的背景及意义

全球煤炭、石油、天然气等能源的消耗不断增加，引发了一系列的环境污染和资源短缺等问题。

在这个世纪以前，我们能够使用能源都局限在一次能源上，如煤、CH4和石油。

这些一次能源都是经过很长时间，太阳能通过各种转换，被地球上各个角落的生物储存起来。

但是人类已经在这个星球上生活在了数千年，在这数千年里，这些能源无时无刻不在被人类消耗着，而且留给我们及后代所要使用能源已经不多了。

随着全球经济的不断发展、不断增加的人口数以及人们生活质量的不断改善，将来全球能源消耗数目将继续增长，地球上可用的化石能源必将会被消耗殆尽[]。

当前，森林被大面积砍伐，矿物能源被大量使用，全球日均产生近1×109TCO2，造成大气二氧化碳的含量上升，大气已经被严重的污染。

若不采取措施，温室效应也将加剧，全球逐渐变暖，南极和北极的冰山必将被融化，后果就是可能造成海平面上涨，1/4的人类社会环境便会由此承受巨大危险。

面对以上情况，如何让可持续发展成为现实，探索开发能够再利用的能源以及其他绿色新能源便成为了人类亟待解决的问题。

从能源提供的多方面因素着眼，太阳能毫无疑义的成为理想的绿色新能源。

太阳能即将成为新世纪极为重要的能源之一，已经得到世界能源专家们肯定。

通过和常规发电技术比较，太阳能发电具有①可无限使用；②不会造成危害、稳定性好，没有噪声，没有向环境排放污染，无公害；③可以安装在各个角落，而且可以安装在不影响人类生活的地方优势；④不用使用燃料以及谱架线路便可以立刻发电供电；⑤能源质量高；⑥消费者从情感上易采纳；⑦很短的建设时间，能源利用获取时间短等优势。

而且，硅作为光伏电池的主要原料存储量极为丰富，并且伴着太阳电池研究技术的不断发展以及转换效率的持续改善和与它关联系统科技技术的不断成熟，产业成本费用己经呈现急剧走低的势头。

据此预见，太阳能发电在全球的未来发展中势必会占据主导地位[]。

所以，利用光伏发电是兼开发利用可再生新能源、生态环境不断改善、人民生活条件不断提高综合性的面向新世纪人类进步的重要课题；也是兼电学技术支持多方面学科以及自动控制理论等先进技术于一体的综合性研究课题。

1.2光伏发电的国内外现状及发展

太阳能向其他形式的能转换的方式多种多样：

1.2.1光伏发电的历史

如果要追述人类对太阳能发电的历史，我们就要一百多年前，人类才开始接触光伏发电的研究。

19世纪40年代末，法国物理学家贝克勒尔不经意的发现，将2片金属投放进溶液形成的伏打电池，太阳光照射时可以产生多余的伏打电势，随后，他将这种现象命名为“光生伏打效应”。

一八七三年Britainscientist维罗B.史密斯发现了易感光的硒材料，并推测出在太阳光的照射下，硒导电能力的提高与光通量成正比。

十九世纪八十年代查尔斯Fritts研发出了以硒为根本材料的太阳能电池。

自此，人们便把可以产生光生伏打效应的设备命名为“光伏器件”。

把在阳光下光电转换效率最高的半导体P-N结器件命名为“光伏电池”[]。

在一九六一年至一九七一年十年间，以硅为材料的光伏电池技术未取得很大突破。

从一九七二年开始的后4年，研制出了不同的空间使用的光伏电池，但是，这些电池基本采用了不同的商标。

在上世纪中期，超薄单晶硅光伏电池展现在了人类面前。

上世纪中后期以后，光伏发电技术有了很大的提高，光伏电池的制造成本不断下降，持续改善的光伏发电技术产业逐步形成，成为新世纪全球能源舞台上的主要成员之一。

1.2.2国外光伏发电技术的现状与前景

目前，全球各国尤其是发达国家把光伏发电技术放在尤为重要的地位，着重制定了规划，扩大投入、全力贯彻发展。

1980年后，即便处于全球经济衰退和低潮的时候，光伏发电技术产业也始终保持着以百分之十到百分之十五的逐步增加发展速度。

90年代末期，光伏发电技术产业的发展更加迅速，并成为世界增长速度最快的新型该科技产业之一。

1997年全球光伏电池组件的生产总量达到了2×108W，比1996年提高了百分之三十五。

各国始终在采取改进工艺、不断扩大生产规模、开拓新市场等方式来减少制造成本[]。

近几年，全球光伏电池的生产量以平均每年近百分之四十的速度增长，2004年全世界总产量便达到了1×109W。

鉴于太阳能光伏发电有很多优势，其研发、产业化生产技术和市场开拓已经成为目前全球各国，尤其是世界发达国家竞争的主要热点。

21世纪以来，一部分发达国家相继制定了发展涉及太阳能电池的能够反复使用的能

源方案。

光伏电池的研制首先在欧洲、美洲和亚洲以大规模的形式展开。

美国和日本为夺取世界光伏发电市场的首要地位，纷纷制定实施了太阳能技术的研发计划，比如，到2010年，美国计划将会总安装4.6×109W（其中包括了百万屋顶计划）；日本计划将会总安装5×109瓦（日本新阳光计划）、德国计划累计安装2.7GW，欧盟计划累计安装3GW，澳大利亚计划累计安装0.75GW，中国、印度等发展中国家计划安装1.5~2GW[]。

据预测，到2020年光伏发电在全球电力产业中的所占比例将达到0.01，2050年约占1/4。

由此可以断言，光伏发电具有广阔的市场和很好的发展前景。

1.2.3我国太阳能光伏发电的现状与前景

我国从1958年才开始研究太阳能电池，1972年第一次成功地在地面应用了光伏电池，1979年开始制造以单晶硅为材料的太阳能电池。

我国的太阳能发电产业的发展实现了两次跳跃，首次是在20世纪80年代后期，我国正处于改革开放蓬勃发展时期，国内相继引入了多条光伏电池生产线，我国的光伏电池生产能力由起初的3个小工厂生产的几百KW提高到6个工厂生产的4.5×106W，中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业在引进的太阳电池生产设备以及生产线的投资中占了主导地位。

第二次跳跃是在2000年以后，主要是受到世界大环境的影响、涉外项目/市政项目的启动和市场的带动；如：

2002年由我国法改委承担实施的“光明工程”的输电到乡和随后的送电到农村工程都采用了太阳能光伏发电技术[]。

近二十年来，我国太阳能光伏发电技术产业的发展已形成规模，但从整体实力上看我国同其他国家比较还存在着一定差距，具体体现在为：

（1）生产的规模较小。

我国太阳电池生产厂的制造能力近似为1/2～1M瓦/年，比其他各国生产规模低不止1个数量级。

（2）制造技术还不够成熟。

电池转换效率、封装制造能力同其他各国相比还有很大差距。

（3）虽然国产的专用原材料生产取得一定成果，但性能需要进一步改进，一些材料仍然以进口为主。

（4）生产成本偏高。

目前国内电池组件生产成本约30.01元/W，平均售价42.01元/W，生产成本和销售价格都要高于国外产品。

（5）新市场拓展和发展缓慢，新市场拓展缺少政策以及相应措施的支持。

2006年以前，我国还存在约三万个村庄，七百万多户，三千万村民还不能用上电，百分之六十的使用电能的县还存在严重缺电的问题，由此可见，国内太阳能光伏发电市场潜力巨大。

2006年国内光伏电池制造能力跨过了3×108W大关。

预计在2002后的十几年中，太阳能光伏电池的市场会产生巨大的变革，2010年前中国太阳电池基本上是应用于独立光伏发电系统。

预计，后十年（即到2020年），中国光伏发电市场主流将会转变为并网发电系统[]。

表1-1光伏发电的预测（%）

应用领域

2000

2005

2010

2020

2050

农村电气

40.01

55.01

60.01

10.01

5.01

通信

50.01

20.01

10.01

15.01

8.01

太阳能商品和其它

10.01

20.01

10.01

15.01

8.01

并网

-

5.01

20.01

60.01

80.01

总计

100.01

100.01

100.01

100.01

100.01

1.2.4光伏发电的未来趋势

据可靠人士透露，未来光伏发电必将取代一些能源，估计到2030年，可再生能源在能源总体体系中未来会占到百分之三十以上，而在世界电力总量供应中光伏发电的占比也将会超过百分之十；到二十一世纪四十年代，在能源总利用中的可再生能源的比例会在1/2以上，光伏发电未来会占电力总量的百分之二十以上；到新世纪末，在能源体系中可再生能源的比例会在4/5以上，光伏发电未来会超过发电总量的3/5。

从种种数字可以看出，光伏发电市场的发展前景以及它在能源领域重要的战略地位[]。

按照规划要求，到二十一世纪二十年代，中国会全力争取使光伏发电总量达到180万千瓦，到二十世纪中叶增至6万万千瓦。

预计，到二十世纪中叶，可再生能源装机容量将占国内总量的1/4，其中太阳能发电装机未来会达到0.05。

未来10几年，中国太阳能电力总装机量的总体增长率未来会超过1/4。

1.2.5光伏发电系统的基本工作原理

太阳能光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。

白天，光伏电池组件接收太阳光后，其半导体内产生电极性相反的电子-空穴对（即光生载流子），这些载流子被半导体P-N结所产生的静电场分离，并分别被光伏电池的正、负极所收集，同时在外电路中产生电流，从而获得电能。

这些电能一部分供给直流或交流负载工作，另一部分多余的电量可通过防反充二极管给蓄电池组充电。

在夜晚或阴雨天，光伏电池组件无法工作时，蓄电池组供给直流或交流负载工作。

1.2.6独立太阳能光伏发电系统的组成

一般的独立光伏发电系统组成包括：

太阳能电池阵列（光伏电池方阵）、蓄电池组、控制器组成，如果输出要求是交流，还要包括逆变器。

它们的功能分别如下：

太阳能电池阵列：

直接实现光能转换成电能，然后释放能量提供电能。

通常将多个太阳电池组件以串并联的方式连接在一起，再以适当的支架固定并以接线盒形式引出。

蓄电池组：

作为贮能装置，它可以将阵列释放的过多的电能存贮起来，在一些特殊场合（夜晚抑或阴雨天）为供负载使用。

在结构中，其状态为处于浮充、放电两种形式，阳光十分充足时，太阳能阵列除了为负载供电，还要给蓄电池充电；相反阴天等日照量少的时候，蓄电池贮存的电能逐渐释放，在季节性交替的前提下再考虑小得多的日变换，即在白天阵列不仅可以为蓄电池充电，而且还为负载供电，到了晚上蓄电池能够带动所有负载。

从而，选择蓄电池时要选择自放电小，充电效率高，并且价格和使用方便等要求的蓄电池。

控制器：

其作用多少和复杂程度存在很大差别，需按照结构的需要和重要程度来决定。

控制器是由继电器、开关、电子元器件、仪表等构成的。

在简易的发电、充电系统中，它的功能是用来保护蓄电池，防止过充，过放的。

若还要实现并网供电，其还要具有自动监测、控制、调节、转换等多种控制要求[]。

逆变器：

在大多数系统，负载是需要交流220V或是交流110V电源供电的。

但是阵列的输出电压一般都是直流12V、24V、48V。

为可以提供交流220V的电能，就必须发出的直流电想办法转变为交流电，所以就要采用DC-AC逆变器。

图1-1太阳能光伏发电系统基本框图

图1-2本设计太阳能光伏发电系统框图

1.3LED照明

1.3.1LED（LightingEmittingDiode）照明定义

LED照明即发光二极管照明，是由半导体固体构成，并能发光的器件。

在半导体中经由载流子发生复合，释放过剩的能量而使光子发射，直接发出各种颜色的光。

1.3.2LED照明原理

LED的核心是一个半导体晶片，半导体晶片包括两部分，一部分是P型半导体，它里面主要是空穴，另一部分是N型半导体，其中电子占主导地位。

由两种半导体连接在一起，形成一个P-N结。

当这个晶片经由导线通电时，电子不断的向P区移动，因此，带负电的电子跟带正电的空穴重新结合，并以光子的形式释放能量，即LED发光原理。

而发出的光的波长即为它的光的颜色，光的颜色由构成P-N结的材料确定[]。

1.3.3LED照明适用范围

用于装饰的LED照明灯具包括底灯、吊灯、投射灯等，反射用途的灯具能完全适用于所有场所，譬如对颜色度有极度需求美术馆，博物馆等场所。

然而若是写字楼、商场等大规模建筑，虽然已经研制出大范围照明的LED灯具，但是由于它的指向性太高，难以实现大面积内装潢平均的照度要求。

虽然灯管型LED灯具由于其设计排列过密，但是由于其设计成本太高，不能满足很好的节能效果。

因此，这个时期装饰用途场合，LED照明灯具可完全胜任，大范围室内照明还不够成熟。

1.3.4LED照明的现状及发展前景

处在全球能源短缺的大环境下，节约能源成为了我们亟待解决的问题，在照明领域，LED发光产品正逐步走向人们的各种生活中，LED照明灯具作为一种新型的照明产品，是未来发展的必然，21世纪将迈进以LED照明光源为代表的新时代。

我国LED产业开始于二十世纪七十年代。

经过三十多年的发展，我国LED产业已基本形成了囊括外延片的生产、芯片的制备、芯片的封装和LED商品应用较为综合的产业链。

尤其是在“国家半导体照明工程”的带动下，建设了深圳、大连、石家庄、厦门、上海、扬州和南昌7个产业化基地。

长江三角洲、珠江三角洲、北方地区以及闽三角成为了我国LED产业发展的聚集地。

当今，我国半导体照明产业保持着良好的发展方向，外延片生产产业的发展极为迅速、芯片封装产业规模持续保持较快增长、产品应用取得很大改善。

二零零七年我国LED应用产品销售额已超过三百亿元，已成为世界景观照明、太阳能LED应用产品最大的制造和出口国，正在逐步形成以半导体为核心的照明产业。

我国在照明领域已经具有一定风格，以户外照明的发展较为明显，虽然已有近100家LED路灯照明制造企业建设了一些示范性道路，但室内照明产业仍然处于落后局面。

2008年北京奥运会对LED照明的集中展示，让人们对LED有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。

2010年上海世博会的筹办，半导体LED照明作为一种新型“绿色”照明光源，受到了市政府相关部门及上海世博会事务协调局领导的高度重视，LED照明在世博会上得到了广泛应用。

LED照明所起到作用推动了自身产业的快速成长，尤为重要的是起了很好的带头作用[]。

从整体看，现在我国的LED照明还是处在起步时期，多数照明工程仍然被飞利浦、GE等国外实力较强的照明企业起主导地位。

摆在国内企业面前的迫在眉睫的是扩大规模、提高生产技术水平进而提高产品质量，提高授权要价和研发核心专利的能力。

只有这样，中国LED照明才能会以较快的步伐向前迈进。

被称为第四代照明光源的LED，凭借节能、无污染、使用时间长、体积小等优势，在各种指示、显示、装饰、一般照明和夜景照明等领域得到广泛应用。

最近几年，国际上部分发达国家在LED的研究和生产方面进行了激烈的科技竞赛。

美国从两千年起花费五亿美元启动了“国家半导体照明计划”，欧盟也在二零零七年七月宣布实施了“彩虹计划”。

中国科技部在二零零三年六月份第一次提出发展半导体照明计划。

多年来，LED照明凭借其节能、环保的优点，倍受国家以及各级政府的关注，各地相继实施相关法规和采取措施促进LED照明灯具市场的扩展；广大消费者也对这类新兴LED照明灯具产生了浓厚的兴趣。

然而，由于在改善技术和推广上的投入成本始终较高，使得让众多消费者渴求已久的LED照明产品一直无法问世！

[]

随着我国一些制造商技术的发展以及不断的降低生产成本，LED照明局面势必改变。

廉价优质的LED照明商品，行将为我国的照明产业带来质的飞跃，广大使用