太阳能光伏路灯控制系统设计.docx
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太阳能光伏路灯控制系统设计
甘肃畜牧工程职业技术学院
题目:
太阳能光伏路灯控制系统设计
系部：
电子信息工程系
专业：
电气自动化
班级：
学生姓名：
学号：
指导老师：
日期：
毕业论文（设计）
毕业论文（设计）任务书
学生姓名
专业班级
指导老师
论文题目
太阳能光伏路灯系统设计
研究的目标、内容及方法
太阳能作为清洁能源，已广泛应用在各个不同领域。
我国西部日照光度强、时间长，以独具的自然条件，给太阳能发电技术带来很大的发展空间，因此拉动了相关行业，光伏路灯也越来越多的出现在西部城市，形成了一道亮丽的风景线。
一、设计要求
[1].学习光伏发电技术，优化设计电路
[2].要求有充电、蓄电、逆变、光控、时控电路组合实现
[3].照明灯采用LED
[4].画出电路原理图并制作电路实现
分阶段完成的工作
1、2016年1月10日之前查阅资料，完成总体方案的论证、比较、选择。
2 、2016年2月12日之前完成各单元电路设计、计算及电路图绘制。
3 、2016年3月15日之前完成硬件的安装制作及测试。
4 、2016年4月20日之前完成设计报告编写
5、2016年5月10日之前进行排错、改进，完善设计报告。
6、2016年6月进行设计答辩。
系（部）
主任
意见
开题报告
一、课题来源
毕业设计题目《太阳能光伏路灯控制系统设计》。
二、设计目的和意义
（一）研究目的
1．在了解光伏概念的前提下，设计实现太阳能光伏路灯控制。
并画出太阳能路灯的组成原理框图。
掌握太阳能光伏电路工作原理。
2.了解电路各部件的组成及工作原理（包括蓄电池、电源控制器等）
（二）研究要求
1.学习光伏发电技术，优化设计电路。
2.要求有充电、蓄电、逆变、光控、时控电路组合实现。
3.照明灯采用LED。
4.画出电路原理图并制作电路实现。
（三）研究意义
太阳能作为清洁能源，已广泛应用在各个不同领域。
我国西部日照光度强、时间长，以独具的自然条件，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用。
太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆．可以方便安装在广场、校园、公园以及不便于架设输电线路的地方等多方面的优点而越来越受到重视。
将太阳能路灯与普通路灯进行比较，对优点进行研究并得到更广泛的应用。
三、设计思路
太阳能光伏路灯的设计与普通路灯相比需要考虑更多的环节。
是基于单片机控制的，首先应当考虑所需太阳能板的型号，蓄电池选型，太阳能充放电控制器，其次需对一些细节问题进行考虑。
如控制路灯的时间，还有，遇到阴雨天怎么办，这就需要进一步考虑要多大的蓄电池及接入公共电网，保证路灯供电的可靠性。
设计白天充电靠天阳能电池吸收光能产生电能，而LED照明熄灭，夜晚LED点亮进行照明，并有电路保护电池不会过充过放。
四、设计内容
（一）设计系统电路
（二）系统电路介绍,系统电路包括以下几个模块：
1.AD电压电路
2.A/D误差
3.信号采集电路
4.LCD显示电路
5.键盘电路
6.路灯控制电路
7.声光报警电路
8.串口通信电路
9.USB通信电路
10.时钟电路
11.电源模块
12.过流保护
13.太阳能电池组件及负载LED开关控制
五、设计步骤
（一）查找资料
（二）元器件的选择：
1.太阳能板的型号，功耗、结构和功能。
2.蓄电池的选择。
电池要用饱和设置。
3.控制器选择：
太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。
基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。
当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。
4.要有备用电源。
（三）太阳能光伏路灯系统的工作原理
白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。
再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。
晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。
蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。
光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。
整
个过程：
太阳能→电能→化学能→电能→光能。
（四）系统组成框图
六、设计工作的主要阶段、进度和指标
阶段
起始日期
终止日期
进度
技术指标
第一阶段
2015.12.15
2016.01.10
完成选题和资料收集
丰富全面
第二阶段
2016.01.11
2016.02.12
控制器设计仿真及训练
符合精度要求
第三阶段
2016.02.13
2016.03.15
完成硬件设计和软件编程
设计合理
第四阶段
2016.03.15
2016.05.10
进行在线调试
实现制动控制
第五阶段
2016.05.11
2016.06
编写论文准备答辩
详细全面
七、最终目标及完成时间
（一）最终目标：
1、对锂蓄蓄电池的充、放电过程、影响铅酸蓄电池使用寿命的各种因素作了分析，确定了太阳能充电控制器的总体设计方案。
2、完成了控制器的硬件设计、电路板的绘制，电路的焊接。
实现控制器通过对单片机AT89C51的PWM输出来控制开关MOS管的通断，从而控制充电放电。
3、在硬件设计的基础上，对太阳能充电控制器进行了软件编程，实现对蓄电池的保护以及温度补偿、过载检测等。
4、将充放电控制器应用于太阳能路灯系统，设计整个系统的总体方案。
组装太阳能路灯系统，进行现场调试，监视运行情况，及时修改软件并运行，取得
了预期的运行效果。
（二）完成时间：
论文在2016年5月完成。
八、协作单位及要解决的主要问题
（一）协作单位：
甘肃畜牧工程职业技术学院实验室
（二）要解决的主要问题：
所要解决本课题的主要问题是：
控制策略的开发和仿真，以及控制程序的设计和调试。
如条件允许，需解决：
蓄电池组的充放电控制；单片机控制程序的设计；控制硬件的设计以及光控、时控的设计和综合调试。
九、指导教师审核意见
指导教师签名
年月日
十、系毕业设计（论文）领导小组意见
组长签名
年月日
摘要
本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用单片机AT89C51和时钟芯片DS1302控制路灯照明时间，利用低功耗的数据存储器AT24C02存储路灯点亮和熄灭时间，利用光敏电阻实现光电控制。
傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。
文中详细分析了控制器的电路组成和工作原理，简述了控制器的调试过程。
太阳能路灯由太阳能电池、蓄电池、高亮度LED,控制器等部件组成，减少噪声污染：
太阳能路灯运动部件很少，基本没有噪声。
太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。
在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。
与传统的照明工具相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。
21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。
今后。
随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。
Abstract
Thisarticleisdesignedwithacontrolandlightcontrolwhenthecombinationofsolarstreetlampcontroller,AT89C51useofsingle-chipcontrolandclockchipDS1302lawnlamplightingtime,theuseoflow-powerAT24C02Thedatamemorystorageandextinguishstreetlampslitatalltimes,usingPhotoelectriccontrolofphotoperiod-sensitiveresistorstoachieve.Controllerautomaticallyswitchestheeveningstreetpower,fewerpedestrianslateatnighttimesetoutunderthestreetlights,themorninglightandthenautomaticallyconnectedtopowerstreetlightsautomaticallyturnoffafterdawn.Inthispaper,adetailedanalysisofthecontrollercircuitandworkingprincipleofthecontrollerontheprocessofdebugging.
Solarstreetlightsfromsolarcells,batteries,high-brightnessLED,controllerandothercomponentstoreducenoisepollution:
veryfewmovingpartssolarstreetlighting,littlenoise.Solarradiationisinexhaustible,isfreeenergytohuman.Todayenergyisshortage,environmentalpollutionisseriousintheworld,makingfulluseofthesolarenergyistheworld'sgovernmentsenergystrategyforsustainabledevelopmentdecision-making.Comparedwiththetraditionallightingtools,superbrightwhiteLEDlightingissmall,lightweight,gooddirectionandcanberesistanttoharshconditions,inpower,environmentalprotectionandotheraspectsoflifeandhasunparalleledadvantages,coupledwithofsolarenergy-savinglampsandeaseofinstallation,sothatthosewiththeplace-frequencyalternatingcurrentlamps,LEDlampswillreachthetentacles.The21stcenturywillbebasedonthesolidcorelight-emittingmaterial,thatrepresentedanewtypeofLEDlightsource,greenlightingofthecentury.Inthefuture.Asgovernmentsattachgreatimportancetoandincreaseinvestment,LEDwillbecomeverycompetitiveinthiscenturyanewtypeofgreenlightwhichgaverisetoanewrevolutioninlightingfield.
关键词
太阳能电池；LED；铅酸蓄电池；时控、光控电路；充放电控制器
Keywords:
solarcell;LED;lead-acidbatteries;whenthecontrol;lightcontrolcircuit;charge-dischargecontroller
第一章绪论
1.1研究背景
太阳能路灯以其先进、稳定、智能、成熟的控制技术以及显著的节能特性、突出的利技景观、较知的投资回报周期、简便的维护力一式等特点得到推广，照明应用范围不断扩大，随着太阳能照明灯具产品普及应用步伐的加快，很多应用项目也暴露出产品及工程质量参差不齐,售后服务跟不上等问题。
因此，我们需要及时分析原因、总结经验，进血规范市场运行，使太阳能路灯市场健康有序地发展，太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨大的可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2．5亿万捅石油，可以说是取之不尽、用之不竭的。
太阳能路灯的应用在当今世界能源问题和环境问题倍受困扰和关注的现今其现实意义十分重大，尤其是靠小规模火力发电或季节性水力发电的地区，因没有或无法并入国家大电网而本身电网调节能力相对较差，更应大力开发太阳能电力。
这是利国利民的好事。
1.2国内外研究现状和发展趋势
随着全球能源的日益紧张，太阳能光伏照明得到了迅速发展。
在太阳能照明系统的发展中，人们不断的对照明系统常用的控制模式进行分析，设计各种实际可行的工作模式，同日寸光源技术也在不断的更新换代中，蓄电池的充电模式也在不断的研究探索中，有效利用率越来越高。
在太阳能各个组成部分的发展和协调中，太阳能照明系统正在不断发展完善。
太阳能电池提供电能的照明是真正意义上的绿色环保照明，对政府来讲，在路灯运行时不用支付电费，对老百姓来讲，太阳能灯可直接提供安全电压（36V以下）和无处不在的照明，但在城市照明中占主体地位的道路照明中是否可以全面应用太阳能路灯吗?
作为一种新型能源，作为一种新的技术和产业，与其它成熟技术产业相比，有优势也有发展时间短、技术未成熟导致的尚不完善的地方，例如性价比、管理、性能、标准、维护、环保等。
目前，太阳能路灯还未能广泛应用于城市路灯照明工程中，但其使用寿命长，维修方便、节约能源，相信发展和应用前景十分广阔，值得在城市路灯照明工程中推广应用。
1.3光伏路灯控制器技术的现状
光伏电源路灯控制器是光伏发电系统进行控制和管理的设备。
在欧美、日本和美国，并网发电技术已经相对完善，对于光伏电源控制的研究主要集巾在改进逆变器的拓扑结构，优化控制策略，孤岛效应的检测和解决、降低系统能耗，提高系统工作效率等问题上。
国内具有代表性的光伏发电系统专用逆变器制造商有合肥阳光、北京日佳、北京自动化研究院、北京恒电、南京冠Ⅱ、北京计科等企业。
中科院电工所、北京自动化研究院、北京索英、北京日佳、北京计科等氽业开发出的并网逆变器都在实际工程中得到了应用，性能和效果良好。
在独立光伏发电系统中，电源控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储
能设设备的充电和对负载的放电任务。
目前日本、德国、美国等发达国家外对于独立光伏系统电源控制器的研究辛要侧重在以下三个方面：
提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池允电策略和提高系统稳定性。
通过研究不同的电路拓扑结构和先进的控制算法，在太阳光强度、太阳能电池温度以及负载改变的情况下，尽可能使太阳能电池时刻保持最大输出功率状态，即实现最大功率点跟踪（MPPT）。
蓄电池允电策略直接影响到蓄电池的寿命，研究智能化的充电方法，提高蓄电池的充电接受率，减少充电时问，对于整个光伏系统的工作状况具有重要意义。
独立光伏系统的虑川环境一般比较恶劣，如何提高系统稳定性也是当前所有光伏电源控制器研究者最急需解决的问题之一。
然而，现已研制出来的光伏电源控制器还存在许多急需解决的问题。
实际上，在MPPT技术的使用和蓄电池充电策略的优化之问存在矛盾冲突，能源利用效率较低，蓄电池充放电方式的不合理，对蓄电池的保护不够充分，这些都是目前市场上电源控制器普遍存在的问题。
为了对太阳能光伏资源进行全面的开发和利用，控制器的稳定性和可靠性也有待进一步提高。
第二章方案选择及单元电路的设计
2.1设计思路
本文设计了一种基于单片机的太阳能路灯控制器。
采用PWM脉冲调制控制保护技术。
充放电控制器是太阳能路灯的核心部件，针对锂蓄电池充电的特殊要求，本文巧妙地采用简单电路检测充放电电压电流、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应，省却硬件补偿的费用，降低了成本。
由单片机根据采集到的充放电电压电流参数，发出各种摔制信号，实现充放电控制，使充放电系统能稳定何效地运行。
2.2设计指标
本设计的设计要求指标如下:
（1）电池板功率的计算和选用；
（2）蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；
（3）连续阴雨天三天路灯仍能照明；
（4）光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）；
（5）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。
2.3方案选择及系统框图
2.3.1方案选择
由单片机根据采集到的控制器的充放电电压电流参数，发出各种控制信号。
实现充放电控制，是使充放电系统能稳定有效地运行。
更好的保护了锂电池。
延长整个太阳能路灯系统的使用年限。
太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，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单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。
单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，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。
采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、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，现在大多用于路灯控制中。
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，在路灯中使用将会增加不必要的成本。
路灯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，实现太阳能路灯的设计。
2.3.2系统框图
太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。
根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、AT89C51单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。
系统总体方框图如图1所示。
图1系统总体方框图
由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。
2.4部分单元电路的原理
2.4.1系统总体设计
为了能够真实地模拟实际LED路灯的控制，设计了模拟路灯控制系统。
控制系统结构如图2所示，该系统主要由输入显示装置、支路控制器和2个单元控
图2控制系统结构
制器模块组成。
支路控制器主要用来对整个模拟LED路灯支路进行控制；对于输入显示装置，当按键时输入控制信息，LCD显示相关的控制信息；2个单元控制器受支路控制器控制LED1和LED2的电源供电和功率的输出。
2.4.2支路控制器
模拟LED路灯控制系统的重点在支路控制器，其电路框图如图3所示。
AT89C52单片机作为控制核心，时钟电路将时钟信息送显示和时钟存储；光敏检测主要用来检测光线的强度是否应该开关路灯；在路灯出现故障（断路）时将产生声光报警，并指示那一路发生故障。
图3支路控制电路框图
2.4.3时钟电路
基于DS1302的时钟电路设计采用24h计时方式，时、分、秒并用LCD显示。
采用AT89C52单片机和DS1302实时时钟芯片，使用5V电源供电，采用按键控制，可以进行时间校正，并且可对LED灯的开关时间进行控制和调节。
DS1302的VCC2加入3V锂可充电电池实现时钟掉电保护。
通过AT24C02存储时钟信息实现程序掉电保护功能。
2.4.4光敏检测
电路光敏检测主要检测光线的强度是否应该开关路灯。
光敏检测电路主要利用光敏电阻的感光特性进行工作。
光敏检测电路如图4所示。
当白天光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值降低，反向输入端电压随之降低，当低于反相器74HC04的门槛电压时，反相器发生翻转，提供给单片机一高电平，控制LED灯关闭。
当弱光或无光照时（晚上），由于光敏电阻的暗电阻很大，反向输入端电压较高，使得反相器输出为低电平，单片机控制LED灯的自动开启。
图4光敏检测电路
2.4.5故障检测及声光报警电路
声光报警装置是支路控制器中单片机控制蜂鸣器和发光二极管发出声光报警的电路装置。
当系统中某一支路出现故障（如灯不亮），正常状况是LED路灯应该点亮的时候，此时判断为路灯出现故障，系统中采用以光敏检测的方法来检测LED路灯是否点亮或者灭，从而判别是否有故障。
当有故障时在支路控制器中，单片机控制蜂鸣器和发光二极管发出声光报警信号，并通过LCD显示器显示当前故障路灯的地址编号，实现故障报警显示功能。
2.4.6显示电路
本电路采用单片机串口显示，由74LS164作为LCD1602驱动电路，电路图如图5。
AT89C51单片机的串行口RXD，TXD为一个全双工串行通信口，但工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其数据RXD（P3.0）端串行输出或输入；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。
由于74LS164在低电平输出时允许通过的电流达8mA，故
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