大功率太阳能LED路灯恒压控制器设计.docx
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大功率太阳能LED路灯恒压控制器设计
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
大功率太阳能LED路灯恒压控制器设计
TheDesignofHigh-powerSolarLEDLampsConstantPressureController
2011届电气工程系
专 业_
学 号_____
学生姓名_______
指导老师钟爱琴_________
完成日期2011年5月25日
毕业设计成绩单
学生姓名
学号
班级
专业
毕业设计题目
大功率太阳能LED路灯恒压控制器设计
指导教师姓名
钟爱琴
指导教师职称
高级工程师
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩：
院长（主任）签字：
年月日
毕业设计任务书
题 目
大功率太阳能LED路灯恒压控制器设计
学生姓名
学号
班级
专业
承担指导任务单位
电气工程系
导师
姓名
钟爱琴
导师
职称
高级工程师
一、主要内容
在大功率太阳能LED路灯恒压控制器的设计中，我们主要利用型号为STC12C5204AD的单片机通过软件编程满足设计的要求。
白天，太阳能电池板给蓄电池充电。
晚上，蓄电池给该控制器供电。
此控制器主要是使路灯能在前半夜全功率输出，而后半夜半功率输出。
另外，我们不仅可以通过按键控制该恒压值的步进变化（使路灯按人们的需要进行变化），而且还可以通过设定定时更好的使路灯按需要时间工作。
二、基本要求
1.设计主电路和控制电路，画出PCB板，做出实物；
2.编写C程序，通过单片机可以设置工作时间、全功率和半功率输出等；
三、主要技术指标
1.输入电压：
12（10.5-14）V；最大输出36V，限流1.0A。
2.通过单片机可以设置恒压值（24-36V），连续调整或步长1V的阶梯调整。
四、应收集的资料及参考文献
1．单片微型计算机原理及接口技术高峰科学出版社
2．参考资料：
UC3842/3.PDF
五、进度计划
1．第1周——第2周调研、收集材料，完成开题报告
2．第3周——第4周分析、确定方案；
3．第5周——第11周设计系统、编写C程序；
4．第11周——第15周撰写论文；
5．第16周答辩。
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计开题报告
题 目
大功率太阳能LED路灯恒压控制器设计
学生姓名
学号
班级
专业
一、本课题研究背景
随着地球化石燃料的日益匮乏，现有的能源越来越不能满足人们的需求，而且化石燃料对环境有很多负面影响。
为了使资源得到充分利用，我们一方面需要高效利用现有的资源，避免浪费，提高科学管理水平，另一方面，要加快新能源的开发，克服因化石燃料不足带来的潜在危机，同时还要承担对全球环境保护的义务。
因此，开发利用无污染的可再生能源是世界各国的必然选择。
太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、环保新能源进入了人们的视野，它的出现给人们带来了能源的曙光。
太阳能路灯是光电转换技术的一种应用产品，具有节能、环保、安全、无需布线、自动控制、可根据需要随时变换插放位置等优点。
太阳能照明有着安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性，以及白天为蓄电池充电，晚上用电的实用意义，我相信其未来前景一片光明。
二、国内外研究现状
大功率太阳能LED路灯恒压控制器是实现LED灯自动化及智能化按要求工作的重要器件，因此它为太阳能LED路灯的研发创造了前提条件。
在欧洲、日本和美国等一些发达国家，并网发电技术已经相对完善，对于大功率太阳能LED路灯恒压控制器的研究主要集中在改进逆变器的拓扑结构，优化控制策略，减小孤岛效应、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大功率太阳能LED路灯控制器制造商有合肥阳光、北京日佳、北京自动化研究院、北京恒电等企业。
值得一提的是中科院电工所、北京自动化研究院、北京素英、北京日佳等企业开发出的产品都在实际工程中得到了应用，性能和效果良好。
在LED路灯照明系统中，恒压控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设备的充电和对负载的供电任务。
虽然其功能很强大，但其研发仍然有一些需要注意的地方。
目前日本、德国、美国等发达国家对于大功率太阳能LED路灯恒压控制器的研究主要侧重在以下三个方面：
提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池充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，这对于整个光伏发电系统工作状况具有重要意义。
三、主要内容
我们对大功率太阳能LED路灯控制器进行研究设计，通过STC12C5204AD型号单片机满足要求的以下内容：
在白天是LED灯不被点亮，晚上由12V直流电源经过升压后输出恒压值（24-36V）供给LED灯点亮；通过单片机程序使LED灯输出功率自动按时段调节，进而充分合理地利用电能；另外，我们可以通过按键控制LED灯电压的升降，同时设置有单片机定时程序，可以完成对LED灯工作时长的控制功能。
这样，我们就能使LED灯满足在特殊情况下对照明的需要。
四、主要技术指标
（1）以12V直流电源输入，经过BOOST升压斩波电路升压后输出对应的电压，最大输出36V，限流1A。
（2）通过单片机可以设置恒压值24-36V（按步长1V的阶梯调整），该阶段需要对输出电压进行相关的检测，涉及电压比较器或电流比较器的功能和使用。
（3）用C语言编程序使单片机可以实现对LED灯不同时段输出功率的调整，并且可以对其工作时间进行设定。
五、预期达到的结果
以12V直流电源输入供电，经过Boost电路升压后最大以36V电压输出供给LED灯点亮，并且在点亮期间的不同时段（即用电高峰和凌晨）可以通过单片机控制来调节路灯的不同功率（全功率和半功率）输出，从而对电能的合理利用。
在需要时可以通过对时间、功率的设定来对LED灯的工作时间和功率输出进行设置，满足特殊情况下的照明需要。
电路中设有升压控制按键，通过按键可以直接对其输出电压进行相应的调整。
最后在相应的实物上实现以上各种功能。
指导教师签字
时间
年月日
摘 要
随着化石燃料的日益短缺，人们意识到不改变目前能源结构的话能源危机即将到来。
太阳能作为一种新能源得到了人们广泛认可，因为它不仅无污染而且还属于可再生能源。
在这种情况下，大功率太阳能LED路灯恒压控制器自然地出现在人们日常生活中，并且受到人们的认可和好评。
它不仅使能源得到有效的利用，而且有很多优点：
比如说，自动性、智能性、便捷性等等。
本课题对大功率太阳能LED路灯控制器进行研究，其中主要由BOOST电路来实现升压，采用了STC12C5204AD作为主控制芯片，研究设计了电压和工作时间可调的路灯恒压控制器。
首先，我们提出了设计方案，并且对电源电路和BOOST电路进行了设计和分析。
其次，对电路中涉及到的关键元件参数进行了计算和校验，设计中使用了积分放大电路，实现了对信号的处理和对UC3843芯片的给定控制，实现了对电路最大电流的限流控制；然后利用C语言编写了相应的控制程序，完成了对电压和路灯工作时间的调整，将软件和硬件电路很好的结合了起来。
最后应用PROTEL工具设计了电路原理图，并根据原理图绘制出了PCB图纸，减少了跳线连接中因连线过多对信号造成的不必要的干扰，提高了电路的效率和性能，并最终根据设计定制的PCB板进行实物焊接。
关键词：
太阳能路灯控制器 STC单片机 BOOST升压电路
Abstract
Withgrowingshortagesoffossilfuels,peoplerealizedthatifwedon'tchangethecurrentenergystructureenergycrisisiscoming.Solarenergyastheonekindofnewenergygotwidelyrecognized,becauseitisnotonlynopollutionbutalsobelongtorenewableenergy.Inthiscase,high-powersolarLEDlampsconstantpressurecontrollernaturallyoccurinpeople'sdailylife,andreceivespeople'srecognitionandpraise.Notonlydoesitmakeefficientenergyuse,andithasalotofadvantages:
forexample,automaticity,intelligent,convenienceandsoon.
Thistopicforhigh-powersolarLEDlampscontroller,themajorresearchbyBOOSTcircuittorealizeSTC12C5204ADbooster,adoptedastheprincipalcontrolchip,studydesignthevoltageandworkingtimeadjustablestreetlampconstantpressurecontroller.
First,weputforwardthedesignschemes,designandanalysisthepowercircuitandBOOSTcircuit.Secondly,involvedinthecircuitparameters,thekeyelementiscalculatedandcalibration,designUSEStheintegralamplifyingcircuit,realizethesignalprocessingandUC3843chipsforagivencontrolofcircuit,realizingthemaximumcurrentlimitedflowcontrol;ThenusewritteninClanguagecorrespondingcontrolprocedures,completionofthevoltageandlampworkingtimeadjustment,thesoftwareandhardwarecircuitgoodacombination.FinallytheapplicationofPROTELtooldesignthecircuitdiagram,andaccordingtotheprinciplechartdrawingoutthePCBdrawings,reducethejumperwireconnectiontosignalforattachmentcausedbyexcessiveinterference,improvetheunnecessaryefficiencyandperformanceofthecircuit,andeventuallyaccordingtothePCBdesigncustomforrealwelding.
Keywords:
Solarstreetlampcontroller MCU BOOST
目 录
第1章 绪 论
1.1 选题的背景和意义
能源是经济发展、社会进步和人民生活水平提高的物质基础。
能源不仅给人们带来了许多好处，而且也引起了一些问题。
随着科技的进步和经济的发展，人们对能源的需求也在日趋增长。
人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储存在地下的石化能源，按照目前的开发力度，几十年或许一百多年后，地球所储存的这些能源就将枯竭。
因此，节约能源和开发可再生能源已经成为当务之急。
在可再生能源中，水能已经得到了广泛的利用，但水能资源终究是有限的；相反，太阳能和风能则是取之不尽、用之不竭的。
并且，太阳能对地球的污染较小。
所以，怎样充分利用太阳能、以及怎样将传统的能源用太阳能来替换是人类研究的永恒话题。
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。
以绿色节能为特色的LED光源在建筑领域的应用飞速发展，随着其发光效率的不断提高，价格逐步下降，LED光源在照明方面的优势也显现出来。
在我国倡导以绿色环保为目标的“绿色照明”的大形势下，LED灯无疑顺应了未来照明的需求。
人类利用太阳能早已经开始，人类利用LED作为光源也早已实现，将太阳能与LED相结合用于照明的课题也随着时代的进步而迅猛发展，并且前景非常广阔。
太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。
道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。
目前太阳能LED路灯照明技术已经比较成熟，太阳能路灯具的可靠性得到很大程度的提高，业界先进企业的太阳能照明灯具已经达到甚至超过国家照明标准。
LED太阳能技术在能源紧张、拉闸限电的城市及用电困难的边远地区，有着很强的可推广性。
LED太阳能照明路灯应用具有节能性、经济性和实用性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。
太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、环保新能源进入了人们的视野，它的出现给人们带来了能源的曙光。
太阳能路灯是光电转换技术的一种应用产品，具有节能、环保、安全、无需布线、自动控制、可根据需要随时变换插放位置等优点。
太阳能照明有着安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性，以及白天为蓄电池充电，晚上用电的实用意义，我相信其未来前景一片光明。
1.2 国内外研究现状
随着新能源的全面发展，太阳能作为最普遍的主力新能源，由传统的光热应用，已经更多的应用于光电领域。
渗透到家庭、电力、交通、照明、监控、通信等多种不同的行业，而作为目前最大的太阳能光电应用主要是体现在太阳能路灯照明系统种。
太阳能是用之不尽的清洁能源，当今世界各国特别是发达国家对太阳能发电的比较重视。
2008年世界太阳能发电装机总容量打到5.6GW。
目前，太阳能发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能发电量约占世界发电量的80%。
今后太阳能发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。
专家们预测到2050年，太阳能发电在发电总量中将占13%~15%，到2100年将约占64%。
可见，这比例在逐年快速增长。
我国太阳能发电原件生产能力逐年增强，装机容量也逐年增加，2007年累计容量达100MW。
2005~2010年，我国的太阳能电池主要应用与独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/（kwh）；2010~2020年，太阳能发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.6元/（kwh）。
到2020年，我国太阳能产业的技术水平有望达到世界先进行列［1］。
大功率太阳能LED路灯恒压控制器是实现LED灯自动化及智能化按要求工作的重要器件，因此它为太阳能LED路灯的研发创造了前提条件。
在欧洲、日本和美国等一些发达国家，并网发电技术已经相对完善，对于大功率太阳能LED路灯恒压控制器的研究主要集中在改进逆变器的拓扑结构，优化控制策略，减小孤岛效应、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大功率太阳能LED路灯控制器制造商有合肥阳光、北京日佳、北京自动化研究院、北京恒电等企业。
值得一提的是中科院电工所、北京自动化研究院、北京素英、北京日佳等企业开发出的产品都在实际工程中得到了应用，性能和效果良好。
在LED路灯照明系统中，恒压控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设备的充电和对负载的供电任务。
虽然其功能很强大，但其研发仍然有一些需要注意的地方。
目前日本、德国、美国等发达国家对于大功率太阳能LED路灯恒压控制器的研究主要侧重在以下三个方面：
提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池充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，这对于整个太阳能发电系统工作状况具有重要意义。
然而，现已研制出来的大功率太阳能LED路灯恒压控制器还存在许多急需解决的问题。
比如目前的很多控制器的功能都比较单一，对能源的利用效率也不够高，对于其工作的状态和时间大多还是局限在固定的时间模式和工作状态，这样必然会造成对能源的不必要的浪费，所以，在本次设计中我们在目前的基础上对太阳能控制器进行了研究和改进，以期望达到更好的效果满足更高的要求。
1.3 研究内容和创新点
1.3.1 主要研究内容
本论文主要是设计一个智能化的太阳能LED路灯，且使太阳能电池板白天给蓄电池充电，晚上，蓄电池给控制器供电点亮LED路灯，使太阳能LED路灯能满足人们的需求。
因为大功率太阳能LED路灯恒压控制器作为该路灯的主要元器件，我们对其进行深入的研究，以满足对照明的需求。
该控制器是用恒压输出点亮LED路灯，显然该控制器就是一个恒压源。
另外为保护蓄电池，控制器要有限流功能。
首先，我们通过单片机使其能在一定范围内（24V~36V）调整电压,以及对其工作时间可以进行调整。
然后使太阳能LED路灯在白天时不点亮，晚上由12V直流电源经过BOOST电路升压后输出恒压值（24~36V），最大电流限制为1A,并且在点亮期间的不同时段（即用电高峰和凌晨）可以通过单片机控制来调节灯的功率自动按时段调节，供给LED灯点亮，从而对电能充分合理使用，并且可以由按键控制其电压的升降，同时设置有单片机定时程序，可以实现对路灯工作时长的控制功能，以满足在特殊情况下对照明的需要（在需要时则可以通过对时间、功率的设定来对灯的工作时间和功率输出进行设置）。
最后，经过整体的安装以及实验满足所需要的功能。
1.3.2 主要创新点
目前很多路灯控制器的功能都比较单一，对能源的利用效率也不够高，对于其工作的状态和时间大多还是局限在固定的时间模式和工作状态，这样必然会造成对能源的不必要的浪费。
另外，一些路灯控制器通过光能和声能控制，这样虽然可以满足一些要求，但是还不够完美。
鉴于上述情况，本课题设计主要对大功率太阳能LED路灯恒压控制器进行了相应的改进和完善，在功能上使其更加智能化、人性化。
我们增加了控制模块单片机，从而改善了以往的控制器中单纯的依靠光能或者声音来实现对灯的控制状况。
通过单片机与硬件电路的有机结合，使该控制器可以更好的对能源进行利用，实现了对负载的恒压限流控制，避免了不必要的能源损失。
在单片机电路中加入了按键控制模块，在需要时可以通过对时间、功率的设定来对LED灯的工作时间和功率输出进行设置，满足特殊情况下的照明需要。
综合来讲，该设计是对路灯控制器的一次很好的综合和完善。
在这样的情况下LED路灯就能更好地适应未来的发展要求。
第2章 太阳能路灯控制器设计方案确定
2.1 研究方案的比较和确定
我们对太阳能路灯控制器设计的总体要求进行了分析研究，考虑到该设计白天需要利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，而晚上需要将以直流形式储存在蓄电池中对LED灯进行供电，但该电压水平是不满足路灯最大36V照明要求的，所以必须对该电压水平进行适当的升高，以满足设计的这一基本要求。
考虑升压电路时，我们想到了两种设计方案：
方案一：
一种方案是采用我们熟知的交流变压电路，即利用变压器原副线圈的比值来实现电压的升高，通过直流-交流-交流-直流这一方式进行变压，所以需要以交流电路为前提，即我们需要在电路中加上逆变电路，以此来先将直流电逆变成交流电然后通过变压器进行升压，最后再将其变为直流电。
明显的这种设计方案在无形中增加了电路的复杂程度，不仅增加了电能的损耗，而且还带来了不必要引起的误差。
方案二：
另一种方案是利用目前应用很广泛的DC-DC升压电路，即BOOST升压斩波电路，来完成升压这一项工作。
考虑到该过程不涉及直流变交流问题和交流变直流问题，显然电路复杂程度小，带来了很多好处。
比如说，减少了不必要的误差、减少了电能的损耗等等。
通过比较可以发现直接对直流进行升压避免了很多前一种方案引发的问题，不仅简化了整体电路的结构而且也降低了成本，所以说选用方案二处理升压问题是一个较为理想的选择。
在确定了升压电路这一核心部分后，针对本课题的时间控制，我们开始假定了两种设计方案：
方案一：
本方案较多的选取了硬件来实现设计要求的功能，课题中涉及对太阳能的利用，因此可以考虑采用光敏电阻，利用光敏电阻的对光的特性来实现路灯在白天和晚上的关断和点亮功能，而且可以对天色的突然变化作出较好的反应，以应对某些特殊情况下对照明的需求。
同时本课题要求该控制器可以对LED路灯的工作时间和工作电压进行相应的调整和设定，为了将不同的功能进行有效隔离以防引起不必要的干扰，我们在电路中采用了继电器，利用继电器自身的多组接点和特性设计电气上的互锁，进而满足设计要求，并结合相应的C语言程序实现对继电器的控制，从而对电路进行控制。
LED灯部分采用多组LED灯照明，加入74LS138构成的译码电路来对亮灯的数目进行选择，以亮灯的数目来表示输出功率的大小，从而对能源充分利用，避免不必要的浪费。
方案二：
本方案较多的采用了软件控制来实现设计要求的功能，充分利用了单片机的功能和作用，使用时钟对LED路灯点亮和关断进行控制，避免了因使用光敏电阻而带来的诸多不利因素对LED路灯工作造成的不良影响，但是这样使LED路灯无法及时对突发状况进行相应动作，不过它却可以使路灯的工作状况更加稳定。
我们通过相应的C语言程序来实现控制器对路灯工作时间和电压的调整和设定，使用了目前比较常用的PWM控制方式来对BOOST升压电路进行控制，从而直接对LED路灯的亮度进行调整。
我们还在电路中加入了数码显示管，从而能够更加直观的对时间和电压值进行观察记录和比较分析。
另外，我们通过设定按键的功能来实现对控制器各部分功能的控制。
通过比较可以发现方案二相对比较简单，线路也比较清晰，对所要求功能的实现也比较理想。
而方案一中继电器不仅可能发生误动作，而且维护也比较麻烦。
因此我们选择了方案二。
2.2 最终方案介绍
在对上述两种方案的比较和确定后，在升压电路中，方案一主要是经过直流-交流-交流-直流这一过程达到所需要求，电路难度大、带来了不必要的误差、加大了电能的损耗量等等都反映了该方案的缺点。
而方案二采用了简单的BOOST升压电路满足所需的要求，电路难度相对较小、去除了不必要的误差、减小了电能损
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