太阳能LED路灯电路控制系统

本科毕业设计毕业设计题目：太阳能LED路灯电路控制系统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。本文同时还简单介绍了LED的驱动电路设计。关键词：太阳能控制器充放电LED单片机AbstractSolarstreetlampisanimportantrepresentationofsolarenergyproduces,Thedesignofsolarstreetlampcontrollerbasedonmicrocontrollerismainlyintroduced.Byexaminationandjudgmentontheparametersuchasbatteryvoltage,chargehardcorecurrentandetc.,controlledtheswitchtubebreakinginordertorealizethecontroloncharge,dischargeandprotectionfunction.Thehardwarestructureandsoftwaredesignaregiven.ThesystemadoptsthePWMtechniquetocarryonthechargemanagementofstoragebattery.Comparedwithformercontroller,thecostofthiscontrollerwaslow,thecredibilitywashigh.Atthesametime,thispaperalsointroducedthedesignoftheLEDlightingsystem.Keywords：solarenergy;controller;chargeanddischarge;LED;on-chipcomputer目录1.前言……………………………………………………….…….12.方案制定前的调查分析………………………………….…….12.1太阳能应用的前景…………………………………….….….12.2市场调查…………………………………………...….……23.太阳能路灯各个部件的简单介绍………………………….…..33.1太阳能电池的工作特性、原理及使用注意事项………………33.2锂电池的特性………………………………………………53.3LED的特性……………………………………………….54.太阳能路灯的主要功能和组成………………………………….64.1主要功能……………………………………………………64.2太阳能路灯的组成部份包括…………………………………65.太阳能路灯控制器……………………………………………….75.1原理…………………………………………………………75.2电池电压和电流的检测………………………………………75.2.1.电压的检测…………………………………………..75.2.2.充电电流的检测……………………………………...75.3锂电池充电控制…………………………………………….115.3.1锂电池的充电过程……………………………...…….115.3.2具体的控制原理...........................................................125.4开关管的选择………………………………………..……...135.5照明部分的控制……………………………………….……135.6光控电路…………………………………………...….…...145.7供电电源…………………………………………....……...155.8程序的编写…………………………………………………155.9太阳能路灯控制器成本估计…………………………………….186.太阳能路灯照明部分的设计…………………………………………186.1使用LED作为照明的理由………………………………………..186.2LED驱动…………………………………………………………196.2.1LED驱动要求…………………………………………..196.2.2LED驱动电路……………………………………..……206.2.3LED散热……………………………………………….217.太阳能电池和蓄电池的选型…………………………………………..218．结语…………………………………………………………………….22参考文献…………………………………………………………………….23致谢……………………………………………………………………….....2411．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。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2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。尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为‘日光城”的拉萨市，1961年至1970年的太阳年平均日照时间为3005.7h,相对日照为68%，年平均晴天为108.5d，阴天为98.8d，年平均云量为4.8，太阳能总辐射量为8160MJ/（m2*a），比全国其他省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳能年总辐射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多、雾多、晴天较少。例如，素有“雾都”之称的成都，年平均日照时数仅为1152.2h,相对日照为26%，年平均晴天为24.7d，阴天达244.6d，年平均云量高达8.4。其他地区的太阳能年总辐射量居中[2]。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。以3年产量增长45倍，产能增加125倍而成为全球发展最快的国家。在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。在国家各部委立项支持下，目前中国实验室太阳能电池的效率已达21%，可商业化的光伏组件效率达14-15%，一般商业化电池效率10-13%。中国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，目前太阳能电池的价格大约是34元/瓦.太阳能电池的封装形式主要有2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1~2年.因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，最好使用层压的封装形式.另外，有一种硅凝胶用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以达到10年.由此可以看出使用层压工艺的3太阳能电池的寿命是比较长的.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3.1.1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。太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，1个高于基能能量的光子将仅产生1个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。硅太阳能电池的种类：目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池，即单晶硅4太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。由于单晶硅太阳能电池所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，所以材料成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池晶体方向的无规则性，意味着正、负电荷对并不能全部