毕业设计基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现.docx

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毕业设计基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现

2014届本科毕业论文（设计）

论文题目：

基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现

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进与创新。

本设计首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节能的目的；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部分的电路原理、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，单片机

ThedesignofSolarlawnlamp

Abstract

Solarenergyasarenewableenergythatthedirectconversionofsolarenergyanduse,throughtheconversiondevicetoconvertsolarradiationintoheat,andthenuseheattogenerateelectricity.Thisdesignistheexistenceofthecurrentanti-lawnlamplow,cannotbeautomaticcontrol,anddefectssuchasshortlifeimprovementsandinnovation.

Firstofall,thedesignofsolarcellsusedasasourceofenergyinordertoachievethepurposeofenvironmentalprotectionandenergysaving;Lawnlampsingle-chiptechnologyusingopto-electroniccontrol,timecontrolandenergy-savingcontrol，followedbyinternalbatterysetupforwetweathertoensurethatthebatterychargertopowersupplytothelawn.Controlcircuitanalysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitprincipleandcontrolstrategy,basedonthecontroloflightingandtimingrequirementsofthedecisionofthelawnlamplit,andturn-off.Haveagoodanti-jammingsystem,thepowercanbesavedwhentheusersetvariousparameters.

Keywords:

SolarPV，Controller，Batteries，Lawnlamp，Single-chip

1引言

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，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，则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，鉴于常规能源供给的有限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计划，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，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。

日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。

德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。

90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，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发展战略的重要内容。

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计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。

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发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

1.1国内外太阳能的发展现状

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，发展更加迅速。

以美国为代表，政府（能源部）在1990年起动了PVMaT（光伏制造技术）的产业化计划，通过国家可再生能源实验室（NREI／实施，并成立了国家PV中心，联合产业界、大学和研究机构共同进行攻关，以求大幅度降低成本。

这一计划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％。

市场发展将逐步由边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，太阳能光伏发电将达到世界总发电量15-20％，成为人类的基础能源之一。

第二届世界太阳能光伏会议主席JurgenSchmidt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发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。

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基本上保持在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0．5MW／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1．3％。

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，总能力达到4MW／年。

多晶硅电池有利于进一步降低成本，目前我国还是空白。

国家已将多晶硅电他的产业化作为“九五”计划的重点进行了安排，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，部分产品大约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”计划，并取得一定成果，但性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。

（4）成本高。

目前我国电池组件成本约35元／Wp（4．2美元／Wp），平均售价44元／Wp（5．3美元／Wp），成本和售价都高于国外产品。

我国地域广大、人口众多，7000万人生活在无电地区，光伏发电的潜在市场非常巨大。

但由于光伏发电成本高，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发展和扩大，1998年的安装容量约2．5MW。

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发展步伐。

1.2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镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。

发展到现代，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，达到自动控制的作用。

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。

随着半导体技术的发展，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，力求避免各种干扰光线，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，从而达到自动控制的目的。

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，但其价格较高，在草坪灯中使用将会增加不必要的成本。

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部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。

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成本将直接决定整个系统的质量和成本。

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若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。

当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时，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，而导带则不存在电子。

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，即Eg[电子伏]。

若比携带能量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－空穴对的分离

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－空穴对的分离是有限的，但如果没有连接外部电路，则被分离的电荷不能消失，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，结果分离过程停止，得到正常状态。

这时，把PN结两端产生的电压叫开路电压。

若考虑使电荷短路状态，则分离的电荷在外部回路中流动而形成短路电流。

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－空穴对也不一定全部分离，电子－空穴对产生的数目与分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结而分离，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部分，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，光电流一部分流经负载RL，同时在负载两端建立起端电压V，此电压反过来它又正向偏置于p-n结二极管，引起与光电流反向的暗电流ID。

但是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，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，使一部分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3PN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。

若要使用交流用电设备，还需在负载前加入逆变器逆变为交流。

控制器由CPU控制，根据蓄电池电压高低，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载使用。

蓄电池组由若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，在日照不足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；安全性能更好。

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，这部分储存的电能逐步放出。

在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：

白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。

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，当蓄电池端电压达到设定的最高值时，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。

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（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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。

3.4.1主要特性

与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：

1000写/擦循环数据保留时间：

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。

3.4.2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口输出其特殊功能寄存器的内容。

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：

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（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