毕设基于GPRS的太阳能LED路灯控制器论文Word文件下载.docx
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Thissubjectmainlyrealizesolarcellswithsingle-chipmicrocomputercontrolofbatterychargingmanagement,controlthestreetlamptiming,lowilluminationmodellighting.ThroughGPRScommunication,itcantakesampleofthecurrentbatteryvoltageanddischargecurrent,andcanrealizeremotecontrolstreetlampswitch.Thesystemmainlyconsistsofsolarbattery,thebattery,thechargingcontrol,lightingcontrol,LEDlamps,displaymodule,GPRSmodule,clockingcircuitandalarmcircuitandsoon.
Keywords:
LEDlighting;
GPRScommunication;
chargingcontrol
目录
第1章绪论1
1.1选题背景及意义1
1.1.1选题背景1
1.1.2选题意义3
1.2主要研究内容3
1.3系统实现的主要功能3
1.4解决的关键问题4
1.5研究的主要思路和方法4
第2章系统总体结构方案设计6
2.1系统总体结构及其功能6
2.2设计要求7
2.3模块介绍及功能7
2.3.1太阳能电池7
2.3.2蓄电池9
2.3.3单片机10
2.3.4GPRS模块10
2.3.5显示模块11
2.3.6时钟电路11
2.3.7照明控制11
2.3.8电流采样模块11
2.3.9电压采样模块12
2.3.10充电控制模块12
第3章系统的硬件设计13
3.1单片机最小系统的设计13
3.1.1单片机13
3.2蓄电池和太阳能板的设计16
3.2.1蓄电池的选择原则16
3.2.2太阳能电池板的选择17
3.3时钟电路的设计18
3.3.1时钟芯片的选择18
3.3.2接口电路19
3.4电压采样模块20
3.4.1方案选择20
3.4.2电压检测电路20
3.5电流采样模块21
3.5.1方案选择21
3.5.2采样电路21
3.6LED灯的设计22
3.6.1LED芯片选取及组合方式22
3.6.2LED驱动的选取23
3.6.3驱动芯片PAM2842外围元器件参数计算24
3.6.4驱动电路连接图27
3.7输入设定模块27
3.7.1方案选择27
3.7.2键盘电路27
3.8报警电路设计28
3.9充电控制电路29
3.10照明控制电路31
3.10.1方案设计31
3.10.2光线检测电路32
3.10.3继电器电路设计33
3.11显示电路33
3.11.1方案选择33
3.11.2显示模块的功能介绍34
3.11.3显示模块接口电路36
3.11.4小结36
3.12存储器模块36
3.13GPRS模块37
3.13.1方案选择37
3.13.2硬件连接38
3.14电源设计39
第4章软件设计41
4.1系统软件的设计思想41
4.2系统主程序的设计41
4.3系统子程序的设计41
4.3.1A/D转换子程序41
4.3.2LCD显示子程序44
4.3.3键盘控制子程序46
4.3.4充电控制子程序48
4.3.5照明控制子程序48
4.3.6串口通信子程序48
4.3.7GPRS通信子程序50
第5章设计总结53
5.1本次毕业设计的主要工作53
5.2需要改进的地方53
参考文献53
英文原文及翻译56
英文原文56
Abstract56
6.1Introduction56
6.2EnergyConversionModes58
6.3LeadAcidBattery59
6.4BatteryChargingandDischargingStrategies60
6.4.1MembershipFunctionDatabase61
6.4.2Fuzzification62
6.4.3FuzzyRuleEvaluation63
6.4.4DefuzzificationandSimulation64
6.5SystemImplementation65
6.6ConclusionsandFutureWorks68
英文翻译68
摘要69
6.1简介69
6.2能量转换模式70
6.3铅酸蓄电池70
6.4电池充电和放电策略71
6.4.1隶属函数数据库72
6.4.2模糊化73
6.4.3模糊规则评估74
6.4.4去模糊化与仿真75
6.5系统的实现76
6.6结论与展望78
致谢79
第1章绪论
21世纪以来,随着世界能源危机的加剧,太阳能作为地球上最普遍最清洁的能源,以其取之不尽、用之不竭、无污染等优点,受到人类的重视。
在人类生活中,太阳能光伏的应用非常的广泛,尤其在城市建设中对城市照明也大力的推广了太阳能光伏的应用。
目前,国内太阳能光伏技术在城市亮化照明中的应用业已呈现出快速发展的势头。
城市道路、学校、公园、住宅小区等场所的路灯、指示牌、草坪灯等都逐渐采用太阳能光伏照明技术,使城市公共照明更加环保、节能、方便、安全。
本课题太阳能LED路灯以太阳光为能源,白天充电,晚上使用,无需复杂昂贵的管线铺设,采用GPRS通信技术对每个路灯状态进行实时监控,合理设置照明时段,安全节能无污染,无需人工操作工作稳定可靠,节省电费免维护。
系统由太阳能电池、蓄电池、充电控制电路、照明控制、GPRS通讯模块、LED灯源及其恒流驱动电路等部分组成,通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到蓄电池中,由蓄电池为整个系统提供电能。
本设计主要通过单片机控制太阳能电池板对蓄电池的充电管理,控制LED路灯定时、低照度照明。
通过GPRS通讯实时采样电池电压,充电电流,远程控制路灯开关。
1.1选题背景及意义
1.1.1选题背景
进入21世纪的人类面临的三大主要问题是能源、环境和经济。
能源和经济问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈,人类当前所使用的矿物能源日趋耗尽,环境污染日益严重,在严峻的能源替代形势和人类生态环境逐渐恶化的双重压力下,开发新能源成为世界各国关注的焦点。
开发可再生而且不污染环境的清
图1-1能源对比图
洁能源的任务已经迫在眉睫。
众所周知,太阳能是取之不尽,用之不竭的可再生能源。
从而太阳能光伏发电越来越受到人类青睐。
如图1-1所示。
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,太阳能资源从根本上讲就是太阳的辐射能。
在人类对未知世界的不断求索的过程中,我们开始发现太阳辐射能不仅具有含量巨大的特点,其总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍,太阳能到达地面的能量高达80万KW/s,假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,每年发电量可达(5.6×
1012)KW·
h,相当于目前世界上能耗的40倍;
而且,太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性、充足性和长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点,可谓是人类的生活宝库,是我们取之不尽的能量的源泉,因此光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。
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,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。
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,所以发光效率高,一般人都认为,节能灯可节能4/5是伟大的创举,但LED比节能灯还要节能1/4,LED在照明工程中的运用也已非常普遍,过去10年来,LED在颜色种类、亮度和功率都发生了极大的变化。
LED以其令人惊叹的应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。
LED寿命长达约10万小时,意味着每天工作十小时,可以有27年免维护的理论保障,低压运行,几乎可达到100%的光输出,调光时低到零输出,可以组合出成千上万种光色,而发光面积可以很小,能制作成1平方毫米。
经过二次光学设计,照明灯具达到理想的光强分布。
快速发展的LED技术将为照明设计与应用带来崭新的可能性,这是固体光源伟大的改革,被认为是节电降能耗的最佳实现途径,是下一代理想的照明器件。
城市的大型化和现代化,迫切需要利用先进的调控管理手段来对路灯照明系统进行调控。
移动通讯GPRS技术的发展为之提供了可能。
由于电力通讯需要借助于高效,可靠的通信通道,将控制中心的控制命令准确地传送到为数众多的远方终端,并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心,从而实现对配电设备运行参数的实时监视与控制。
目前最先进的通用分组无线业务(GPRS)无线通讯技术,集计算机、通信、机电、自动控制等多种先进技术于一体,可以实现对城市路灯照明设施大范围、多区域、全大候的实时监控和管理。
通常无线网络的建网费用在无线监控系统的建设费用中占很大的比重。
采用中国移动GPRS网络这一公共无线网络作为其数据传输网络,极大地节省了系统的建设费用和运维费用。
GPRS业务采用按流量计费的方法,大大的降低了数据的传输费用,系统的运营费用十分经济。
通过移动通信无线网络GPRS技术对城市路灯设施进行统一管理,既实现了实时和集中监控,又提高了整个路灯照明系统的运行效率,降低了维护成本。
基于这些背景,提出了基于GPRS技术的太阳能LED路灯控制系统的设计,它通过单片机输出PWM斩波控制太阳能电池板对蓄电池的充电,延长了蓄电池的寿命。
用GPRS这个无线通信技术来实现单片机与PC机的通信,远程控制路灯开关,从而使系统运行的更加快捷,最终实现节约能源。
该系统安全可靠,可以广泛的运用于路灯照明系统。
1.1.2选题意义
路灯是城市照明的重要组成部分,传统的路灯常采用高压钠灯,高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费,因此,开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。
太阳能LED路灯照明系统就是通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到蓄电池中,由蓄电池为整个系统提供电能。
太阳能LED路灯由太阳能电池、蓄电池、控制器、LED灯及其恒流驱动电路等部分组成,与常规高压钠灯路灯不同的是,太阳能LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管,具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高、不需要常规能源,适应了能源开发和环境保护的需求,不用连接公共电网,在安装时不必挖掘路面或草地,无须开沟埋设电缆,需要时可以移动位置,重新安装到另外的地点,灵活方便等独特优点,可广泛应用于城市道路照明。
1.2主要研究内容
本设计主要实现控制太阳能电池板对蓄电池进行充放电管理,充电时,单片机主要完成对电池充电过程中状态的检测,根据蓄电池的状态选择充电方式,以及防止蓄电池过充。
放电时,单片机处理蓄电池放电过程中的状态检测,当检测到蓄电池电量过低时,立即停止对负载供电,起到保护蓄电池的作用。
同时控制LED路灯定时、低照度模式照明。
GPRS数据模块通过串口与单片机相连,单片机与PC机的通信,实时采样当前电池电压、放电电流,并显示电压值、电流值,当电压过低时报警,出现故障时报警。
还通过GPRS实现远程路灯开关控制。
用一个键盘与单片机连接,设定一些相关参数,可以对LED灯进行灵活的功率调节,通过降低负载的电流实现减少能耗。
设计任务包括:
(1)系统总体设计;
(2)硬件电路总体设计;
(3)各结构单元的设计;
(4)电气元器件参数的选择;
(5)软件设计;
(6)软件调试;
1.3系统实现的主要功能
(1)光控(时控)模式:
开灯照度10LUX,也可以在光控基础上选择时控。
(2)欠压保护功能:
蓄电池电压低于欠压保护值时,控制器关闭负载,停止供电。
(3)防雷击保护:
通过TVS防雷管进行防雷,保证了相关组件的安全。
(4)负载的短路保护、极性反接保护、负载过流保护。
(5)充电涓流保护:
充电时,蓄电池在达到峰值电压后立即降压1V,然后进入涓流充电状态,还提升了蓄电池的充电次数,使用寿命更长。
(6)调功设定:
可以通过调功功能对LED灯进行灵活的功率调节,通过降低负载的电流实现减少功耗。
(7)GPRS实时数据通讯:
实时采样电池电压、充电电流,低压以及故障报警,远程控制开灯。
1.4解决的关键问题
本系统的技术关键在于选择哪种充电管理方式对蓄电池进行充电,可以很好的给蓄电池充电,而且使蓄电池的寿命延长、而且蓄电池的内阻与容量有着密切的关系,电池内阻的变化趋势,反映电池性能和寿命的变化趋势。
因此用内阻检测法测定蓄电池的性能,实现蓄电池的在线维护是目前公认的蓄电池维护的最佳方案之一。
但是蓄电池内阻的精确测量具有一定的难度,有如下几个原因。
第一,蓄电池内阻小到毫欧或者微欧数量级,这与测量夹具和电池端子间的接触电阻相当,甚至可能还小一些;
第二,蓄电池有电压,这就要求测量系统能够很好地排除电池本身电压的干扰。
第三,精度要求高,重复性、稳定性要好,内阻的变化在一个长时间里是很小的,达不到精度,重复性和稳定性要求,测量是没有意义的。
怎样使系统总体低功耗,达到节能的目的也是技术关键之一,另外,控制照明模块选择开灯照度为10LUX,光控模式还是光控与时控相结合的模式。
还有GPRS模块中,在GPRSDTU的使用过程中,有许多参数需要经常改变,以适应不同的客户;
有的参数即使同一个客户使用也是需要改变的。
因此,必须全面考虑设置参数的预留问题,才能使产品更好的适应市场需求。
GPRSDTU获取数据中心IP地址的方式是值得考虑的又一个问题。
概括起来,主要有三种:
一是串口配置,即终端开机时,有串口输入,存放到非遗失性存储器中,程序启动后从非遗失性存储器读取;
二是短消息配置,即通过手机给终端的SIM卡发送固定格式的短消息,程序从短消息内容中读取数据中心IP地址;
三是在数据中心已经注册域名时,终端利用域名解析来获取数据中心IP地址。
GPRSDTU获取数据中心IP地址的方式直接影响DTU的软件流程,必须在开始设计软件时予以充分的考虑。
1.5研究的主要思路和方法
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。
第2章系统总体结构方案设计
2.1系统总体结构及其功能
图2-1以单片机为处理器的系统框图
本设计的系统总体结构方框图如图2-1所示。
本设计主要是由太阳能电池板、蓄电池、充电控制、供电控制、照明控制、GPRS模块、显示模块、时钟电路等部分组成。
太阳能电池组把太阳能转变成电能对蓄电池充电。
充电控制、供电控制和照明控制主要由单片机来完成。
充电时,单片机对电池充电过程中状态进行检测,根据蓄电池的状态选择充电方式,以及防止蓄电池过充。
充电控制模块中还包括电压采样和电流采样,对电池电压和充电电流实时采样,通过单片机串口送给GPRS模块,并且用液晶显示器显示出来,当电压过低或者出现故障时报警。
输入设定模块可以设置相关照明参数,也可以通过修改参数调节LED灯的功率。
GPRS模块通过RS232与单片机串口连接,进行数据通讯,把实时采样到的电压、电流值送到GPRS模块。
灯光控制采用光控和时控结合的方法,定时器给出所需控制时间的起始和终止范围,然后经过单片机检测外界环境的光线,判断是否开关灯。
2.2设计要求
(1)电池板功率的计算和使用
(2)蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示
(3)开关灯时间可调
(4)系统断电时可以保存用户所设定的各种参数
2.3模块介绍及功能
2.3.1太阳能电池
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分,也是太阳能路灯中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能转换为电能,或送至蓄电池中存储起来。
2.3.1.1太阳能电池的分类
(1)单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池,它的结构和生产工艺已基本定型,产品已广泛用于实际中。
这种太阳能电池以高纯的单晶硅为原料,纯度要求99.999%。
目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右,最高的达到24%,这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的,技术也最为成熟但制作成本很大,以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。
为了降低生产成本,现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放宽。
有的也使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。
单晶硅太阳能电池的单体片制成后,经过检验,就可以按所需要的规格组装成太阳能电池组件,在实际应用中通过串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流,为负载所用,使用寿命一般可达15年,最高可达25年。
(2)多晶硅太阳能电池
目前太阳能电池使用的多晶硅材料,大多是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料融合浇铸而成,然后注入石墨铸模中,即得多晶硅锭。
这种硅锭铸成立方体后通过切片加工成方形太阳能电池片,提高了材料利用率和方便组装多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的制作工艺差不多,其光电转换率约12%左右,稍低于单晶硅太阳能电池,但其材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。
(3)非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅新型薄膜式太阳
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