追踪式光伏供电LED照明系统.docx
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追踪式光伏供电LED照明系统
江西工程学院
环境与能源工程学院
毕业设计论文
（2016届）
学院（系）：
环境与能源工程学院
专业：
光伏材料加工及其应用
完成日期2015年10月
目录
目录1
第一章绪论2
1.1引言2
1.2光伏发电应用在国内外发展动态2
1.3LED照明在国内外发展动态3
1.4本设计的主要研究内容4
1.5本设计的背景4
第二章追踪式光伏供电LED照明系统6
2.1追踪式光伏供电LED照明系统的基本组成6
2.1.1太阳能电池6
2.2.2储能蓄电池及灯具的选用7
2.2.3控制器及充放电电路7
第三章系统模块分析与方案比较8
3.1显示模块8
3.2控制器模块8
3.3充放电管理模块9
3.4太阳位置检测方法的选择9
3.5电源的设计10
第四章系统硬件电路设计11
4.1总体设计11
4.2单元电路设计11
4.2.1LED驱动电路11
4.2.2MSP430控制器13
4.2.3显示及按键电路设计13
4.2.4充放电控制电路14
4.2.5电源模块15
4.2.6遥控器控制电路15
第五章系统软件设计16
5.1软件实现16
5.1.1按键扫描、初始化设计思路16
5.1.2太阳位置检测与控制方案17
5.1.3液晶显示17
第六章系统测试18
6.1系统调试及实验测试数据18
6.2本设计实现以下功能18
6.3作品创新点18
6.3作品实物图19
参考文献21
附录一22
第一章绪论
1.1引言
人类进入二十一世纪，面临着令人向往的发展机遇，同时，也面临严重的挑战。
人类对能源需求的日益增长和获得这些能源造成日趋严重的环境污染，事关人类自身的生存环境，事关世界经济的可持续发展。
为了迎接这一挑战，各国政府和科学家为寻找一种无污染、可再生的能源进行了几十年的探索、研究。
目前，人们已经可以肯定的说，人们这一不懈的探索和研究已经获得了巨大的进展——利用可再生能源解决人类对能源的需求，如：
太阳能、风能、生物质能等（如图1.1所示），其中阳光发电（光伏技术）是一种技术成熟、性能可靠、长寿命、使用方便、无污染、无噪音，易于大规模生产的可再生能源。
1.2光伏发电应用在国内外发展动态
目前国际上光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的80％；到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964．9MW，到2005年底，已达到4961．69MW。
中国太阳能发电技术的研制、生产和应用发展历史，大致和世界的发展过程同步，已有30多年的历史。
目前已具备各种太阳电池的年生产能力6MWp，产品大部分销往西北五省以及西藏、四川等无电地区，最大的独立电站建在西藏，其容量为100KWp。
近几年以来，在我国经济发达地区，太阳电池的使用迅速上升，如作为高速公路通讯电源、航标灯电源、石油管线和输气管线阴极保护电源、障碍灯电源等。
继已在中国大量使用的太阳能热水器后，房顶光伏发电系统已成为太阳能界关注的焦点。
中国深圳已建成容量为100KWp的房顶光伏发电站，为工业生产提供能源。
进入二十一世纪，北京亚运村太阳能建筑示范工程已开工，总投资4000多万元，打开了中国大城市利用太阳能的新的一页。
随着我国政府对光伏产业的进一步支持，将使国内的太阳能光伏系统应用获得进一步发展，对太阳电池的需求将十分旺盛，如光伏电站通讯电源、阴极保护、气象预测、森林防火、航标灯应用以及新出现的太阳能电话、太阳能照相机、太阳能空调器、太阳能电视机、太阳能冰箱家用电器等，每年都以30%速度递增，太阳电池市场处于飞速发展中。
发达国家如美国、日本、德国、荷兰、澳大利亚等纷纷加大了对光伏发电技术和生产的投资，扩大了它的应用规模和领域。
其措施一是建造大容量光伏电站，如美国已建造容量为7MW的光伏电站，为一个小型的城市提供能源；二是迅速将光伏发电系统用到建筑上，如装在房顶，为城市用户提供生活用电，在建造公共建筑的时候，如机场、宾馆等，将太阳电池和建筑结合起来，取代目前的玻璃幕墙，建成所谓太阳能建筑。
这种太阳能建筑具有多种功能，白天不但可以发电，将电存在蓄电池内或与电网并网，而且还可以让部分阳光透过，给室内以照明和提供热源；夜间用蓄电池内的能量或电网电力为建筑提供照明、取暖等用电。
其作用从长远来看，可以大大减少大城市生活用电在高峰时刻的短缺，同时由于太阳电池组件，可以按建筑的要求设计制造，并符合现代建筑的风格，比目前大量使用的幕墙玻璃更具观赏性，更具科学性，是现代大都市的一道引人注目的新的风景线。
近年来，全球光伏发电发展迅速，美国、欧洲及日本均制定了庞大的光伏发电发展计划，美国和欧盟在1997年相继宣布了“百万屋顶光伏计划”，日本也在1997年制定了“普及住宅光伏系统计划”。
各国政府政策的相继出台，推动了光伏发电的迅速发展。
1.3LED照明在国内外发展动态
LED是LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写，半导体发光二极管（LED）是新型的发光体，是一种将电能直接转换成光能的半导体电致发光器件。
LED光源具有低电压驱动、节能、长寿命、安全、响应快、体积小、高亮度、低热量、色彩丰富、可视距离远、耐振动、符合环保要求等系列独特优点，LED光源比白炽灯节电87%、比荧光灯节电50%，而寿命比白炽灯长20-30倍、比荧光灯长10倍。
其已经被广泛应用于指示灯、信号灯、仪表显示、车载光源等场合。
目前，日本、美国和欧盟倾注了大量资金、人力和物力推动新一代光源-白光LED的研究与开发，成立了专门机构制定战略目标和计划，以确保推动白光LED发展处于领先地位。
美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”。
美国能源部预测，
到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替代，每年仅通过节约电能就可以节约下相当于350亿美元的资金。
日本计划，到2007年，全国将有30%的白炽灯被置换为半导体照明灯。
欧洲专门制订了COST五年行动计划，提出新型光源要符合三个条件：
高效、节能；不使用有害于环境的材料；模拟自然光，其显色指数接近100。
近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。
曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。
1.4本设计的主要研究内容
本课题应用MSP430单片机做为控制核心,对太阳能电池、蓄电池、直流电机与LED进行综合设计，包括太阳能电池与蓄电池的组合优化，蓄电池充放电控制，太阳能电池板对太阳的追踪，蓄电池容量预测和蓄电池充、放电精确控制，以满足太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求，从而提高太阳能照明系统效率，最大化的利用太阳能，确保系统运行稳定，并延长蓄电池的寿命。
主要设计工作:
（1）设计出基于MSP430单片机为核心的追踪状态控制及定位的控制系统，并给出程序设计；
（2）蓄电池充放电控制、保护电路；
（3）最后对所设计的系统进行了运行测试。
该系统方案具有控制简单、运行可靠、实用性强等优点。
1.5本设计的背景
目前我国的高山、乡村一些偏远地区的用电设备差、难，尤其是西部地区，太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。
新型太阳能供电系统对于经常外出或在野外工作的用户也有很大的帮助，如果所处地区无电力供给设施，这时就可以利用其对用电设备供电，特别是偏远无电农村地区的照明用电。
利用太阳能光电转换特性，设计新型太阳能供电系统，通过太阳电池板将太阳能转化为电能，通过太阳能控制器对其控制，满足用电需求。
系统中控制器主要由太阳能智能自动追踪控制器、蓄电池充放电管理控制器等部分组成，采用高性能MCU为控制核心，具有控制灵活，成本低、数字化控制等有点，开发的系统具有较好的创新性、绿色环保、低碳节能、实际推广利用价值高，具有广阔的市场前景。
第二章追踪式光伏供电LED照明系统
2.1追踪式光伏供电LED照明系统的基本组成
追踪式太阳能光伏供电LED照明系统主要由太阳电池、储能蓄电池、光源、充放电电路及控制器等部分组成。
控制器主要完成蓄电池白天充电、夜间放电管理，太阳能电池的最大功率点追踪（MPPT），太阳位置追踪以及其他相关的控制保护功能等，提高系统整体性能价格比，可满足普通家用照明。
系统组成框图如图2-1所示。
图2-1系统组成框图
2.1.1太阳能电池
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。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，并首先应用于空间技术。
本设计根据成本及性能，选用了多晶硅太阳能电池。
具体参数见图2-2。
图2-2光伏电池参数
2.2.2储能蓄电池及灯具的选用
太阳电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。
它不仅要完成白天的储能功能，还要在夜间向负载供电，要求它的容量比负载所需的电量大得多，且容量与环境温度、放电电流有关。
考虑到太阳能照明系统的特殊性，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。
尽管20多年前诞生的阀控式密封铅酸蓄电池在蓄电池领域占据卓越的地位，它同样有很多限制，比如重量大、低能量体重比等等。
随之而来的许多研究把重点放在其他替代的电池系统，比如铿离子电池、金属氧化物镍电池等。
这些新的材料同样有自身内在的限制，包括原材料的成本和不稳定性、快速自放电，金属材料毒性和循环利用问题，而铅酸蓄电池的循环利用率基本超过了95%。
本设计选用铅酸蓄电池，其参数如下（图2-3）；
照明灯具选用普通LED节能灯，本设计系统可以接两个LED的节能灯。
图2-3
2.2.3控制器及充放电电路
太阳能控制器是太阳能发电系统的最重要的指挥控制中心，其作用是控制整个太阳能发电系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
它根据太阳能光电板和蓄电池的特性，对其进行充放电控制。
第三章系统模块分析与方案比较
根据系统的要求，我们将系统分为以下几个基本模块：
显示模块、控制器模块、充放电管理模块、电源模块等。
其主要模块由以下设计方案实现。
系统组成结构原理图如下（图3-1）。
图3-1系统组成结构原理图
3.1显示模块
方案一、采用传统的数码管显示：
数码管显示对于本系统而言也能实现，但是考虑到供电时，其功率大，并且数码管显示字符少，消耗单片机的I/O口多，直视性差。
方案二、采用液晶显示：
本系统需要正常的A/D值显示，而且可以显示节能减排的准确数量，采用串行工作方式的液晶显示器不仅能够节省单片机的I/O口，同时也能直观的显示比较采样的A/D值，从而方便追踪装置的准确定位，而且可以直观的显示出节能减排的准确数据。
考虑上述原因我们采用方案二
3.2控制器模块
控制器是系统的核心部分，系统工作过程通过它对各部分进行管理和控制。
系统通过控制器实现系统工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池的MPPT充电控制等主要功能。
图3-1所示为独立式太阳能供电LED照明系统控制器的硬件组成框图。
方案一：
系统采用8051单片机、光敏电阻采集模块，数码管显示，充放电控制模块，追踪系统装置组成。
8051单片机作为微处理器虽然能够实现一些基本的控制功能，但是8051的频率较底，测量精度不高，而且不带A/D转换器，所以该设计方案还有待于进一步的优化。
方案二：
采用低功耗的MSP430单片机、太阳能电池板采集模块、液晶显示、充放电管理模块、自动与遥控追踪装置来实现光伏追踪发电LED照明系统。
考虑到系统的稳定性，我们选用方案二
3.3充放电管理模块
充放电电路通常有Buck型、Boost型和Buck-Boost型三种形式，它主要实现两个方面的功能，一方面是配合控制器实现MPPT控制和恒压充电控制，另一方面是实现过充电保护。
为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电，另外，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。
3.4太阳位置检测方法的选择
系统中光敏器件的选择关系到太阳位置的跟踪，故光敏器件的选择是相当重要的，现有的光敏器件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、红外接收管、四象限光电探测器、光伏电池等。
红外接收管与光敏二极管差不多，不过只受红外光控制，在这里不考虑该光敏器件。
通过对光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光伏电池器件的检测实验，包括对光的敏感程度、对光照的响应速度、输出特性线性度及检测距离的测试比较，得出光敏感特性对照表3-1.
表3-1光敏器件对光敏感特性对照表
光敏元件
对光的敏感程度
对光照的响应速度
输出特性线性度
检测距离
光敏电阻
阻抗与外界光照有关，同一光照下阻抗呈线性
响应速度慢
在日常光照射下的线性较好
检测距离有限，比较近，3米外信号变
弱
光敏二极管
光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性
响应时间快，适用于光电流与照度成线性关系或在高频率下工作状态
光敏二极管的光电流小，不容易捕捉，但输出特性线性度好
检测距离较远
光敏三极管
光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈非线性
响应时间慢,适用于灵敏度高，工作频率低的开关电路
光敏三极管的光电流大，输出特性线性度较差
检测距离较远
光伏电池板
光电流与外界光照有关，同一电压下光照越强光电流越大，呈线性
响应时间快，适用于光电流与照度成线性关系或在高频率下工作状态
光敏二极管的光电压适中，容易捕捉，输出特性线性度好
检测距离较远
光伏电池板响应速度较快，采集电压适中，容易捕捉，能满足设计要求，且信号比较稳定，电路简单。
在满足设计要求的前提下，采用光伏电池板为光电传感器是可实现的方案。
3.5电源的设计
方案一：
采用半波整流电路获得，220V交流电源经过整流滤波后可以得到所需电源电压，但是电压不稳定，即稳定性差。
半波整流产生的电源电压不恒定且具有间隙性，顾在设计中不采用！
方案二：
采用桥式整流电路获得，220V交流电经12V变压器后，经桥式整流滤波后得到约16.8V的电源电压，然后经LM7812三端稳压器、AMS1117及滤波电容得到电路中所需的+3.3V电源。
方案二，桥式整流失真性能小，安全可靠，便于操作实现，故我们选择方案二来设计所需要的电源部分。
第四章系统硬件电路设计
4.1总体设计
本文所研究的追踪式光伏供电LED照明系统主要由太阳能电池、储能蓄电池、控制器、充放电管理模块和LED照明负载五个部分组成。
控制电路完成太阳自动及遥控跟踪，蓄电池白天充电、夜间放电管理，太阳能电池的最大功率点追踪，光源的驱动以及其他相关的控制保护功能等，系统总体设计框图见图4-1。
图4-1硬件总体设计框图
4.2单元电路设计
4.2.1LED驱动电路
恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。
只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒流源。
为了能够精确输出电流，使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的电流导致的误差。
恒流源如图4-1所示。
该电路主要原理是利用Rf的电流—电压变换，输入到反馈运放MH7135，通过MH7135反相放大。
电流计算公式为：
I=Vin/Rf（式4.1）
图4-1LED驱动电路图
下面是恒流源的一些常识：
恒流源是电路中广泛使用的一个组件，这里我整理一下比较常见的恒流源的结构和特点。
恒流源分为流出（CurrentSource）和流入（CurrentSink）两种形式。
最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。
实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。
最常用的简易恒流源用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为：
I=Vbe/R1（式4.2）。
这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。
缺点是不同型号的管子，其be电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。
同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。
因此不适合精密的恒流需求。
为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。
如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。
电流计算公式为：
I=Vin/R1（式4.3）
这个电路可以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。
只不过其中的Vin还需要用户额外提供。
从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式，就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。
有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。
最简单的电压基准，就是稳压二极管，利用稳压二极管和一只三极管，可以搭建一个更简易的恒流源。
电流计算公式为：
I=（Vd-Vbe）/R1（式4.4）
4.2.2MSP430控制器
常规的固定式太阳能电池板发电系统存在效率低，环境适应性差等缺点。
为进一步提高太阳能的利用率可采用自动追踪太阳能系统来提高光伏发电的效率，采用单轴光伏发电追踪系统可提高20%左右的光伏发电效率，本设计采用了单轴跟踪系统，可自动在东西方向追踪太阳，进一步提高光电转换效率。
本设计以TI公司提供的16位超低功耗、高性能嵌入式微控制器MSP430为核心设计并制作一个独立式光伏供电LED照明系统。
太阳能电池板能自动或者遥控追踪太阳的位置，使太阳能电池板始终垂直于太阳的直射光线，最大化的利用太阳能。
放置在地面的太阳跟踪系统，通过运用光敏器件的检测、传感器、MSP430单片机的强大功能及相关外围电路设计产生控制信号传递给直流电机，使直流电机带动太阳能电池板进行左、右方向进行太阳的实时位置的检测及精确的跟踪。
其硬件设计框图如图4-2所示。
图4-2硬件框图
4.2.3显示及按键电路设计
通过按键可以控制电源的输出开关及光伏电池板的角度微调，并在液晶显示器上
显示出来。
字符型液晶因具有体积小、功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便及显示操作简单等优点而被广泛应用。
图4-3显示及按键电路
4.2.4充放电控制电路
充放电电路通常有Buck型、Boost型和Buck-Boost型三种形式，它主要实现两个方面的功能，一方面是配合控制器实现MPPT控制和恒压充电控制，另一方面是实现过充电保护。
在本课题中对太阳能LED灯照明系统进行设计时。
主要用到Buck变换器。
常规的将太阳能电池直接通过防反充二极管对蓄电池充电的电路往往会将太阳电池的输出电压嵌位在蓄电池电压上，这也就限定了太阳电池的输出功率，造成了能量的浪费，因此必须对太阳电池的输出电压做必要的控制，使得其输出电压在合适值，进而使得此时输出最大功率值附近，即太阳电池的最大功率点追踪（MaximumPowerPointTracking，简称MPPT）。
见图4-4。
图4-4蓄电池充放电控制电路
4.2.5电源模块
用稳压器AMS1117-3.3和AMS1117-5.0提供固定输出电压3.3V和5.0V作为系统的主要供电电源，电源前部主要经过变压、整流滤波后再输入稳压芯片，从而得到系统所需的电压，具体电路如图4-5所示：
图4-5
4.2.6遥控器控制电路
PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
（应用如图4-6）。
图4-6PT2262管脚图
为了方便产品使用者实时的调整太阳能电池板的角度，以便最大化的利用太阳能，故使得无线遥控显得非常有必要和实用。
电路原理如图4-7。
图4-7PT2262遥控原理图
电磁继电器负责控制电机的升降，从而带动太阳能电池板在东西方向上的旋转，准确地对太阳的位置进行跟踪及定位，最大化的利用了太阳能。
原理图见图4-8。
图4-8电磁继电器原理图
第五章系统软件设计
5.1软件实现
主控制芯片为MSP430，接收光敏传感器采集的信号通过程序运行控制太阳能电池板的角度。
本设计软件采用C语言编程，程序简单方便，易于实现。
软件流程图5-1如下：
5.1.1按键扫描、初始化设计思路
检测是哪个键按下
unsignedcharKey4Scan（void）
{
unsignedchartemp;
if（keyin!
=0x0f）//
{
delay_10ms（）;//
keyval=0;
if（keyin!
=0x0f）//
{
temp=keyin;
while（keyin!
=0x0f）;//
switch（temp）//
{
case0x0e:
keyval=1;break;//按键1按下
case0x0d:
keyval=2;break;//按键2按下
case0x0b:
keyval=3;break;//按键3按下
case0x07:
keyval=4;break;//按键4按下
default:
keyval=0;break;//无按键按下
}
}
}
else
keyval=0;
returnkeyval;
}
5.1.2太阳位置检测与控制方案
经过多种方案的论证，采用相同阻值的光伏电池板对称布置，进行太阳位置的跟踪检测，并把检测信号转换后传送给微控制器MSP430产生控制信号，通过控制直流电机进行精确太阳寻踪定位，实现点太阳的跟踪模块的设计。
（程序）
5.1.3液晶显示
（程序）
第六章系统测试
6.1系统调试及实验测试数据
本课题完成了基于单片机MSP430为控制核心的光伏供电LED照明控制系统，该系统已稳定运行，解决了在现有的太阳能照明系统中，普遍存在的效率不高、自动化程度低和蓄电池寿命短等问题。
实现了状态控制的智能管理，满足独立式太阳能追踪发电LED照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换，实现了太阳的自动、手动或遥控跟踪和蓄电池充电的精确控制。
各项测试数据良好，具体测试数据如下：
（1）电池板开路电压：
18V，输出电流100mA～1500mA；
（2）充电电路输入电压：
13.7V；
（3）蓄电池输出电压：
12V。
6.2本设计实现以下功能
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