电子信息工程论文 太阳能路灯控制器设计.docx

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电子信息工程论文太阳能路灯控制器设计

中国网络大学

ChineseNetworkUniversity

毕业设计（论文）

太阳能路灯控制器的设计

院系名称：

XX网络学院

专业：

百度

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学号：

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中国网络大学教务处制

2019年3月1日

太阳能路灯控制器的设计

中文摘要

本文介绍了一种基于单片机的太阳能路灯控制器，系统使用低功耗、高性能的AT89C51单片机作为控制电路的芯片。

此系统由太阳能电池模块，蓄电池，充放电电路，电压采集电路，单片机控制电路组成。

设计使用PWM（脉宽调制）控制技术来控制蓄电池充放电，通过继电器开启和关闭达到控制电池充放电的目的。

实验结果表明，该控制器性能稳定，可以监视太阳能电池和蓄电池电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，对蓄电池起到良好的保护作用。

关键词：

太阳能，蓄电池充放电，控制器，AT89C51单片机

ABSTRACT

ThispaperhasintroduceasolarcontrollerwhichisbaseonaMCU,whichisusedalow-powerandhigh-performanceMCUwhichiscalledAT89C51asthecoredevicesofcontrolcircuit.Thissystemiscomposedofasolarpanelsmodule,battery,chargeanddischargecircuit,Voltageandcurrentacquisitioncircuit,MCUcontrolcircuit,Optocouplerdrivecircuit.ItusesthePWM（PulseWidthModulation）technologytocontrolthesolarpanelsrechargetobattery,bycontrollingtheopeningandturn-offofMOSFETintheanalogcontrolcircuit.Theexperimentalresultsshowthatthetheperformanceofthecontrollerisreliable.canbeoverseethestatusofsolarpanelsandbattery.Itcanbringouttheoptimizationoftheabattery,andextendsthelifeofbattery.

Keywords:

Solar,Batterychargeanddischarge,Controller,MCU

第一章绪论

1.1概述

自哥本哈根气候峰会召开以来，环保节能为当今世界热点话题，节能减排，已不仅是政府的一个行动目标，而且还能给企业带来经营上的收入，让城市居民能获得一个较好的生存环境。

节能减排更是一个人类解决环境问题的必经之路。

我国节电潜力仍很大。

在工业领域，通过电力电子技术的开发和应用及对风机水泵等电力拖动系统进行优化，可取得显著的节电效果；在建筑物用电方面，全面实施建筑物的能效标准，特别是改进空调制冷和取暖技术和系统的能效，将有巨大的节电效果。

高效照明和提高家庭、办公用电器的能效也有巨大的节电潜力。

采取多种措施，推动节能节电不仅可取得好的经济效果，还可节约电力建设投资，减小电力建设风险。

如果在产业产品结构调整方面加强引导，使我国的经济结构尽快向低能源强度方向转变，同时加强节能，全面提高能效，我国可能以低得多的电力消费增长，达到GDP翻两番的经济增长目标，同时带来环保、经济效益、能源安全等一系列的效果。

电力系统要全面开展以节电和负荷管理为目的的需求侧管理。

太阳能不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。

因此太阳能光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。

与发达国家相比，中国的光伏发电产业发展缓慢，各种光伏材料的发展也相对落后。

现有的路灯大多都是市电供电，以太阳能作为能源的路灯应用不够广泛。

基于这一背景，设计了一款太阳能路灯红外控制自动感应照明智能控制系统，作为一种应用电子类的智能化方案，期望为高校、政府部门、街市等各个公共场所路灯照明设备的智能化管理和能源节约提供方便或帮助。

1.2太阳能路灯的优势

太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。

基于单片机的太阳能控制系统很好的把太阳能光伏发电技术与单片机智能控制技术结合了起来。

而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。

综上，太阳能路灯较传统路灯的优势有如下几点：

（1）节能环保：

据统计，所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。

不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。

有关数据表明太阳能路灯每年可以减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本！

（2）可靠耐用：

太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。

（3）成本低廉：

就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能路灯比普通路灯造价要高。

若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进去的话，太阳能路灯在寿命周期内所发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。

且规模越大，普通路灯安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于预计费用。

（4）安全稳定：

运行维护费用低，普通路灯明显高于太阳能路灯，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。

太阳能路灯免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。

（5）自主供电：

离网运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。

但是太阳能LED路灯的优势远远不只这些。

一般认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还节能1/4，这是固体光源伟大的革新。

除此之外，LED还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。

超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。

由于LED具有发光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。

太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。

而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。

1.3太阳能路灯的应用现状

在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。

国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场上规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。

近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节电问题已引起政府部门的关注。

在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。

为此，建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。

随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。

我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用，上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。

在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。

欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。

它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。

它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长。

在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。

它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。

尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能路灯市场仍然持续增长。

1.4本论文研究的主要内容

（1）太阳能路灯控制器两个主要功能设计，第一通过太阳能给蓄电池充电；第二由蓄电池向路灯供电提供能量。

在此需要根据检测到的太阳能电池与蓄电池的电压来控制蓄电池的充放电。

（2）蓄电池的充电控制主要有三个过程:

主充、均充和浮充，这三个自动阶段主要是实现了三方面的功能，第一个功能是能够实现从充电状态到放电状态的转换，第二个功能是能够实现充电程序判断，第三个功能是能够实现停充控制。

本论文研究的主要内容：

1.分析太阳能光伏发电技术和LED技术。

2.根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法。

3.根据LED驱动原理设计LED驱动电路。

4.设计电源控制电路。

5.根据系统方案设计控制器外围电路。

6.编写单片机执行程序。

7.调试、实验硬件电路，实现既定功能。

第二章系统方案论证及选择

2.1方案比较与论证

2.1.1太阳能电池板的选择

太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。

在众多太阳光电池中比较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。

（1）单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区使用；

（2）多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；

（3）非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合在室外阳光不足的地区使用。

太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。

如6V蓄电池充电需要用8~9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15~18V太阳能电池。

2.1.2蓄电池的选择

由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。

一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。

铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为：

恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。

一般来讲，这种蓄电池充电时，应外接直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。

其过充电时间与充电速率有关，实际工作中可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。

镍镉（Ni-Cd）蓄电池的正极为氧化镍，其负极为海绵状金属镉，电解液多为氢氧化钾，氢氧化钠碱性水溶液。

小型密封镍镉电池的结构紧凑，坚固，耐冲击，震动，成品电池自放电小，在使用上适合大电流放电，使用温度范围广，零下40