太阳能LED路灯电路控制系统doc.docx

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太阳能LED路灯电路控制系统doc

南昌航空大学

自学考试毕业论文

题目太阳能LED路灯电路控制系统

专业光伏材料及应用

学生姓名余江涛

准考证号1

指导教师任超

2013年4月

摘要

太阳能路灯是太阳能应用产品的重要代表，本文主要介绍了以单片机为核心的太阳能路灯控制器的设计，该控制器通过对蓄电池电压、充电电流等参数的检测判断，控制开关管的关断，来实现充放电控制和保护功能。

对系统的硬件和软件的设计做了说明，系统采用PWM技术对蓄电池进行充电管理。

与以往的控制器相比，此控制器成本低，可靠性高。

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，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。

为积极响应国家节能减排、大力开发利用新能源的号召以实际应用为目的,围绕太阳能光伏发电技术和LED照明技术,设计了一套太阳能LED路灯系统。

介绍了太阳能电池组件、光伏控制器、LED灯,蓄电池组的相关技术参数、选取原则及相互之间的容量匹配。

根据各个器件的工作原理及工作环境,构建成一个具有可行性的小型光伏系统。

通过与节能灯系统的相互比较,得出LED灯使用优于节能灯。

不仅适用,而且环保。

让我们提高使用LED灯的理念。

关键词：

“太阳能”,“控制器”,“充放电”,“LED”,“单片机”.

1.前言……………………………………………………….…...…...1

2.方案制定前的调查分析………………………………….…...…...2

2.1太阳能应用的前景…………………………………….…...…....2

2.2市场调查…………………………………………...….…..…...2

2.3太阳能路灯简介..........................................................................3

3.太阳能路灯各个部件的简单介绍……………………..…...............5

3.2太阳能电池的工作特性、原理及使用注意事项…………..……...5

3.3锂电池的特性…………………………………………..……...7

3.4LED的特性…………………………………………..….…...7

4.太阳能路灯的主要功能和组成……………………………..……...8

4.1主要功能…………………………………………………..…..8

4.2太阳能路灯的组成部份包括………………………………...…..8

5.太阳能路灯控制器……………………………………………..…...9

5.1原理………………………………………………………..…..9

5.2电池电压和电流的检测……………………………………........9

5.2.1.电压的检测……………………………………….…....9

5.2.2.充电电流的检测………………………………….….....9

5.3锂电池充电控制………………………………………….…..10

5.3.1锂电池的充电过程……………………………...….…..10

5.3.2具体的控制原理.............................................................11

5.4开关管的选择………………………………………..…..…...11

5.5照明部分的控制……………………………………….…..….12

5.6光控电路…………………………………………...…..….......12

5.7供电电源…………………………………………....……........12

5.8程序的编写……………………………………………….....…13

5.9太阳能路灯控制器成本估计………………………………….....15

6.太阳能路灯照明部分的设计……………………………………..…..16

6.1使用LED作为照明的理由……………………………………......16

6.2LED驱动…………………………………………………….…..16

6.2.1LED驱动要求……………………………………….…16

6.2.2LED驱动电路……………………………………..…...17

6.2.3LED散热……………………………………………....18

7.太阳能电池和蓄电池的选型………………………………………….19

8．结语…………………………………………………………………...20

参考文献…………………………………………………………………...21

致谢………………………………………………………………………...22

1．前言

当煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,很多国家都正在开发新的能源.寻求经济发展的新动力,由于太阳能是一种可再生能源,用之不尽,是一种理想的能源,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。

我国是一个太阳能资源非常丰富的国家。

加上我国的光伏产业的迅猛发展。

太阳能产品具备很广的市场。

在照明灯具中，作为技术和艺术相结合的太阳能路灯已开始在很多地方推广应用。

太阳能路灯具备很多优点：

安装、维护方便，不需和电网相连接，所以不需要挖坑埋电缆或架设电缆。

安装的地点灵活方便。

太阳能路灯只需太阳能作为能源，不污染环境。

为了能更好地利用太阳能。

本文就针对太阳能的利用，制定一个太阳能路灯控制系统的设计方案。

一个完整的路灯由四个部分组成:

太阳能电池、蓄电池（锂电池）、控制器、LED照明。

随着世界能源危机的加剧,各国都在寻求解决能源危机的办法,一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用:

另一条是寻求新的节能技术,降低能源的消耗,提高能源的利用效率。

太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源,太阳能作为一种巨量可再生能源,每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油,可以说是取之不尽、用之不竭。

太阳能作为一种安全、环保新能源越来越受重视。

同时,也随着太阳能光伏技术的发展和进步,太阳能灯具产品在环保节能的双重优势,太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模,太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善..

2．方案制定前的调查分析

2.1太阳能应用的前景

太阳能可以说是用之不竭能源，利用好太阳能可以解决人类能源问题。

整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达3.865*1026J，相当于每秒钟燃烧1.32*1016t标准煤所发出的能量。

虽然太阳距离地球远在1.5*108km。

之外，它的能量有22亿分之一到达地球之上[1]。

平均来说，在地球大气外面正对着太阳的1M2的面积上，每分钟接受的太阳能量大约为1367W。

这是一个很重要的数字，叫做太阳常数。

总之到达地球范围内的太阳总辐射能量大约为1.73*1014kW。

其中，被大气吸收的太阳辐射能大约为4.0*1013kW，约占到达地球范围内的太阳总辐射能量的23%;被大气分子和尘粒反射回宇宙空间的太阳辐射能大约为5.2*1013kW，约占30%;穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1*1013kW，约占47%。

在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7*1013kW，大约占到达地球范围内的太阳总辐射能量的10%。

到达地球陆地表面的这1.7*1013kW是个什么量级呢?

形象地说，它相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。

在陆地表面所接受的这部分太阳辐射能中，被植物吸收的仅占0.015%，被人们利用作为燃料和食物的仅占0.002%，已利用的比重微乎其微。

在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。

全国各地太阳能总辐射量为3340-8400MJ/（m2*a），中值为5852MJ/（m2*a）。

从全国太阳能年总辐射量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能总辐射量很大。

可见，利用太阳能的潜力是相当大的，开发利用太阳能为人类服务是大有可为的。

2.2市场调查

一个完整的路灯由四个部分组成:

太阳能电池、蓄电池（锂电池）、控制器、LED照明.四个部分中价格最昂贵的是太阳能电池.

中国光伏产业正以每年30%的速度增长，2005年中国太阳能电池生产总量达到139MW，较2004年猛增了179%，2006年达到400MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，产能则达到惊人的1180MW。

锂电池的寿命也比较长,只要充放电控制部分做得好一些以保证蓄电池不要过充过放等.

由以上分析可知,做一个小的庭院灯价格为2000-3000元（包括蓄电池,控制器,LED灯）,功率更大的路灯价格更是昂贵.总体价格高,但一次性投资便可使用20-30年,既省去以后20、30年的电费和维护费。

既省电又环保.从长远来看,应该是值得选择的。

2.3太阳能路灯简介

太阳能路灯太阳能路灯是采用晶体硅太阳能电池供电，免维护阀控式密封蓄电池（胶体电池）储存电能，超高亮LED灯

图1.2.2太阳能路灯

具作为光源，并由智能化充放电控制器控制，用于代替传统公用电力照明的路灯。

无需铺设线缆、无需交流供电、不产生电费；采用直流供电、光敏控制；具有稳定性好、寿命长、发光效率高，安装维护简便、安全性能高、节能环保、经济实用等优点。

如图1.2.2，可广泛应用于城市主、次干道、小区、工厂、旅游景点、停车场等场所。

二、产品部件灯杆结构1、钢质灯杆及支架，表面喷塑处理，电池板连接采用专利防盗螺丝。

一、太阳能系统组成

二、太阳能路灯系统可以保障阴雨天气15天以上正常工作！

它的系统组成是由（包括支架）、LED灯头、太阳能灯具控制器、蓄电池（包括蓄电池保温箱）和灯杆等几部分构成。

三、结构参数

*主体材料：

灯杆为全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理

*太阳能电池组件：

晶体硅15-80WP（按负载配置）

*系统工作电压：

直流12V—24V

*控制器：

太阳能灯具专用控制器，光控+时控，智能控制（天黑灯自开，天亮灯自熄灭）

*储能电池：

全封闭免维护铅酸蓄电池12V17Ah—80Ah（根据负载配置）

*光源类型：

节能高功率集成LED，稀土高效节能灯（可按客户要求配置）

*防护等级：

IP65

*使用温度：

-30度至70度，抗风力≥150Km/h

*照明时间：

4～14小时（可根据需要调节）

*灯杆高度：

2～4米

*阴雨天保证：

可连续工作4~5个阴雨天（区域/季节不同有差异）

1、道路照度与适用范围中国太阳能产业联盟网，根据《城市道路照明设计标准》的规定快速路平均照度20lx，均匀度0.4，主干路平均照度15lx，均匀度0.35，次干路平均照度8lx，均匀度0.35，支路平均照度5lx，均匀度0.3。

我们采用“飞利浦”公司专门特制的石晶低压钠灯，完全达到国家标准，满足快速路与主干路的使用。

3.太阳能路灯各个部件的简单介绍

3.1太阳能电池的工作特性、原理及使用注意事项

太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4cm2到5cm2。

太阳能电池单体工作电压为0.45一0.50V，工作电流为20-25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。

将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。

太阳能电池组件再经过串联、并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率，如图3.1.1所示。

图3.3.1太阳能电池的单体、组件和方阵

太阳能电池的工作原理如下：

光是由光子组成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定。

光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对的正、负电荷，由于在PN结区域的正、负电荷被分离，于是一个外电流场就产生了，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。

将一个负载连接在太阳能电池的上、下两表面间时，将有电流流过负载，于是太阳能电池就产生了电流。

太阳能电池电气特性：

太阳能电池组件的电气特性主要是指电流——电压特性，也称为I-V曲线，如图3.3.1.所示。

图3.3.1太阳能电池的I-V特性曲线

I-电流；Isc-短路电流；Im-最大工作电流

V-电压；Voc-开路电压；Vm-最大工作电压

Pm-最大功率

I-V曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。

如果太阳能电池组件电路短路，即V=0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路，即I=O，此时的电压称为开路电压Vcc。

太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=V*I.而当电阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Vcc。

组件输出功率达到最大值的点，称为最大功率点;该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）;该点所对应的电流，称为最大功率点电流

Irn（又称为最大工作电流）;该点的功率，称为最大功率Pm。

太阳能电池使用注意事项：

（1）.太阳能电池安装倾斜角度的选择和装饰性外罩为了美观，许多太阳能灯具生产工厂将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少15%~20%，如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少5%左右，太阳能电池价格昂贵，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能.这就应该选择一个让阳光照得更多的角度.

（2）.热岛效应：

单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。

太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。

太阳能电池组件在使用过程中如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射时就会发热损坏，于是就造成整个太阳能电池组件损坏。

这就是所谓热岛效应。

为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。

3.2锂电池的特性

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用——现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比较昂贵。

锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍，而且具有很低的自放电率。

此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。

3.3LED的特性

LED寿命长，可以达到小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。

特别是LED技术已经实现了其关键性突破，并且其特性在过去5年中有很大地提高。

同时性能价格比也有较大地提高。

4.太阳能路灯的主要功能和组成

4.1主要功能

a：

根据锂电池的充电特性，利用程序控制能够很好地为锂电池充电。

2.2：

利用一个液晶屏显示电池的电压和充电时的电流。

b：

根据光的强度可以精确地判断出是白天还是夜晚，从而控制路灯的开和关。

c：

能够根据电池的电压来决定一个晚上打开路灯的时间。

d：

照明部分还设有独立的驱动电路，能够使LED正常工作保证LED的使用寿命。

4.2太阳能路灯的组成部份包括

太阳能电池板（功率约100W），控制器，锂电池（容量约50Ah），照明部分（功率30W）。

它的结构和连接方法如下图4.4.2：

图4.4.2太阳能路灯的组成

5.太阳能路灯控制器

5.1原理

控制器是太阳能路灯的核心部分，下面对控制器进行详细的介绍：

通过对电池的电压和充电电流这两个参数的检测判断，控制两个场效应管的开通和关断，达到各种控制和保护功能。

充电放电控制采用的都是PWM脉冲调制控制保护技术，能够进行恒压，恒流等充电阶段的控制，其中PWM脉冲调制就是控制脉冲的占空比，不同占空比的波形是由单片机的定时功能来实现的。

5.2电池电压和电流的检测

5.2.1.电压的检测：

利用一个电位器把电池的电压降低,输进模数转换器（ADC0809）的第一个通道中,然后通过单片机（STC89C52）把电压反推出来再进行显示.

5.2.2.充电电流的检测：

检测比较大的直流电流的方法不多，本系统用一个小电阻R（0.05欧姆）来检测电流，通过把小电阻的两端的电压放大41倍（具体的放大办法如图2），把电压输进数模转换器的第二个通道，测得一个电压U1后除以运算放大器放大的倍数Auf得到实际的电压U，根据欧姆定律（U=I*R）计算出电流I的大小，再在液晶屏上显示出来。

图5.2.2画的是一个同相比例放大电路，运算放大器使用的是LM358里其中的一个，根据运算放大器“虚短”与“虚断”可以得到：

所以，运算放大器放大倍数：

图5.2.2电压放大电路

用一个小电阻来检测电流存在的问题是：

对电池的电压有一定的影响，因为当电流比较大时，电池分给小电阻的电压也就大。

这样加到负载的电压也就相应地减少一点。

用小电阻检测电流存在的另外一个问题是:

小电阻的阻值会发生变化。

实际上绝对线性的电阻是不存在的。

5.3锂电池充电控制

5.3.1锂电池的充电过程

上面介绍了电压，充电电流的检测。

有了这两个数据就可以对锂电池充电进行控制了。

锂电池的充电曲线如下图6.3.1：

图6.3.1锂电池的充电曲线

锂电池的充电过程：

1.如果开始充电时,电池电量很低（例如低于13V）,那么必须用小电流（大概为0.24A）开始充电，即涓流充电.如果电压高于13V就不必进行这个步骤.小电流充电是为了保护电池，避免大电流冲击给电池内部结构带来损害（电池在电压很低的时候遇到大电流会受到的伤害比电压高的时候高得多）。

2.当电池电压大于13V可以开始大电流充电，就是采用允许的最大电流充电，这是为了节省充电时间，采用最大电流进行充电就是最能节省时间的了，于是就是恒流充电，随着充电的进行，电池电压逐渐升高。

5.3.2具体的控制原理

本方案采用PWM脉冲调制控制保护技术,不仅能有效地保护蓄电池,防止过充电现象的发生,还能快速、平稳地为蓄电池充电。

所谓PWM控制就是控制输出波形的占空比，周期并不改变，通过开关管的导通与闭合来控制充放电。

锂电池的充电曲线图如图

5.3.1具体的控制电路如图7.3.2.蓄电池的电压低于13V时，单片机输出一个相应占空比的脉冲，控制三极管（Q1）通和断的时间，从而控制场效应管IRFZ44（Q3）的通和断，使到充电的电流为0.24A左右，此时处于预充状态。

如图7.3.2

图7.3.2充放电控制电路

5.4开关管的选择

考虑到太阳能电池的功率和负载的功率不一致，可用不同的MOS管做充放电的开关管，用小功率的MOS管要考虑温度因素，必要时必须加散热器。

为了提高可靠性，降低成本，通过大量的试验、分析、比较得出：

以3A电流工作，可选用IRFZ44，IRF540，IRF530，50N60等MOS管，基本不需加散热器；

5.5照明部分的控制

照明灯的亮和灭的控制原理如上图6，当单片机控制照明灯的控制脚输出高电平（5V）的时候，三极管Q2就会导通，三极管Q2集电极E的电压变低（约为0V），此时加到场效应管（Q4）栅极的电压就会变低，场效应管就截止，流过照明灯的电流减少到0。

相反，当单片机控制照明灯的控制脚输出低电平（0V）的时候，三极管Q2就会截止，三极管Q2集电极E的电压高，此时加到场效应管（Q4）栅极的电压也就高，场效应管就导通，流过照明灯的电流大，照明灯打开。

5.6光控电路

顾名思义，光控电路的功能就是根据光的亮暗程度来控制其它的东西。

本方案采用了两个光敏电阻，这样做的目的是使控制更加准确。

防止了大白天还会打开路灯的情况。

如图8.5.6所示，加在三极管Q5,Q6基极的电压是由光敏电阻L11和L21分压而得来的。

没有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变得很大，接近1M欧姆。

此时，光敏电阻上的压降会很大，加到三极管上的电压也大，三

图8.5.6光控电路图9.5.7供电电源

极管就导通，输进单片机的是低电平。

相反，有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变小，约为15K欧姆。

此时，光敏电阻上的压降会变小，三极管就截止，输进单片机的是高电平。

这里采用两个光敏电阻同时工作。

编程的时候使用逻辑与，只有两路都是低电平的时候才判断为是黑夜。

5.7供电电源

单片机，AD0809和LCD1206对电源质量要求都比较高，特别是AD0809的参考电压要求是稳定的5V的电压。

电路中采用了L7805作为稳压器。

电源直接从蓄电池取电。

经L7805后给电路供电。

电路图如右图9.5.7.

5.8程序的编写

本方案使用51系列单片机作为控制处理核心。

对51系列单片机编程，首先要了解它的工作原理、特性和各个管脚的功能等。

该器件采用了高密度非易失存储器制造技术制造。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，51系列单片机是一种高效微控制器，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。

下面对51系列单片机作简要的介绍：

（1）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。

程序可以用汇编语言，也可以用C语言来编写。

汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言,是最接近机器码的一种语言。

其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。

但是不同的CPU,其汇编语言可能有所差异,所以不易移植，写出来的程序不容易理解，程序比较大时维护困难。

C语言是一种结构化的高级语言。

其优点是可读性好,移植容易,是普遍使用的一种计算机语言。

缺点是占用资源较多,执行效率没有汇编高。

由于本方案涉及到的东西比较多：

包括ADC0809，LCD驱动等，程序写起来是比较长，加上本方案实时性要求不是很高。

在综合考虑下，决定用C语言来编写程序。

程序设计的流程如下：

图10.5.8主程序流程图

图11.8.2充电控制子程序流程图

图12.8.3放电控制子程序流程图

5.9太阳能路灯控制器成本估计

此控制器只使用了廉价的51系列单片机作为主控制器，没有用到专门的太阳能路灯控制芯片。

由于控制器精确度要求不是很高。

所以模数转换使用的是8位的模数转换器ADC0809.电流采集使用了一个0.05欧姆的小阻值电阻。

LCD显示器可以不使用。

这里使用只是为了便于观察、调试。

充放电方面采用了两个场效应管IRFZ44，光控方面使用了两个光敏电阻。

单片机电源供应使用了三端稳压管L7805。

所以总价格大概为20-30元。

6.太阳能路灯照明部分的设计

6.1使用LED作为照明的理由

目前，照明约占世界总能耗的20%，若能以高效率的LED取代目前低效率、高耗电的传统照明，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题起到举足轻重的作用。

虽然LED的应用现在仍处于初期阶段，但与现行照明设备比较，LED照明优点仍然突出[4]：

（1）发光效率高、耗能少，LED的光效预计可达到200lm/W以上，而且光的单色性好、光谱窄。

在同等照明效果下，LED的耗电量是白炽灯的1/8，荧光灯的1/2。

（2）使用寿命长　LED的使用寿命可以长达