基于单片机的太阳能路灯控制器设计毕业设计论文.docx

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基于单片机的太阳能路灯控制器设计毕业设计论文

毕业设计论文

基于单片机的太阳能路灯控制器设计

摘要

本论文主要完成对光伏电源LED照明控制系统进行优化设计和研究，以使系统达到稳定、操作方便、节能环保的要求。

太阳能路灯智能控制器以AT89C52单片机为核心，主要由六个部分组成：

太阳能电池板、蓄电池、负载（LED路灯）、控制器、测量电路、充电电路、放电/负载驱动电路。

本课题的主要研究内容有：

针对现有独立运行的太阳能路灯控制器的特点，实现多点控制蓄电池剩余荷电容量（SOC）控制和脉宽调制信号（PWM）来驱动太阳能LED路灯控制器的硬件设计和软件程序设计。

首先对太阳能路灯基本模块组成、基本功能及发展现状进行了阐述，并根据蓄电池剩余荷电容量（SOC）的数学模型和剩余荷电容量（SOC）与蓄电池的使用寿命的关系提出了单片机系统改进的控制方案，并根据实际需要提出用脉宽调制信号（PWM）来驱动和调节白光LED，可使白光LED工作于发射最纯净白光。

半导体PN结技术的太阳能光伏发电技术与发光二极管（LED）照明技术，都有着环保、节能、长寿命和安全的特点。

对这两项技术的高效结合进行优化研究，符合我国目前节能，环保及可持续性发展的目标。

总之，随着城市规模的不断扩大，现有的路灯技术不能达到环保节能的要求，本文采用多点控制蓄电池剩余荷电容量（SOC）控制和脉宽调制信号（PWM）来驱动太阳能LED路灯控制器的硬件设计和源程序设计，能有效解决LED太阳能路灯的不足。

因此，本课题设计对我国LED路灯节能环保的发展有很大的现实意义。

关键词：

光伏发电；剩余荷电容量；脉宽调制信号；控制系统

TheDesignofsolarstreetlampscontrollerwhichbasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract

ThisthesismainlycompletedonphotovoltaicpowerLEDlightingcontrolsystemoptimizationdesignandresearchinordertomakethesystemachievestability,convenientoperation,energyconservationandenvironmentalprotectionrequirement.TheintelligentcontrollerofsolarstreetlampwithAT89C52single-chipcomputerasthecoreismainlycomposedofsixparts:

solarpanel,batteryandload（LEDlamp）,controller,measurementcircuitandchargingcircuit,drivecircuitdischarge/load.Thistopic'smainlyresearchofthecontentincludes:

accordingtotheexistingindependentmovementofthesolarenergystreetlightcontroller'scharacteristic.Itrealizedthemulti-spotcontrolaccumulatorcellsurpluselectricallywhichcontrolthechargedcapacity（SOC）andactuatesthesolarenergyLEDstreetlightcontrollerwhichbythepulse-durationmodulationsignal（PWM）’shardwaredesignandthefirmwareprogramdesign.

First,thisarticalindetailfindthebasicmodulesforsolarstreetlight,thebasicfunctionanddevelopment.Toimprovecontrolprograms,itbasedontheremainingbatterycapacityofcharge（SOC）ofthemathematicalmodelandtheremainingcapacityofcharge（SOC）andbatterylifeoftherelationshipbetweentheproposedSCMsystemandproposedtotheactualneedsofPWMsignal（PWM）todriveandadjustthewhiteLED.ThenthewhiteLEDcanworkonthelaunchofthepurestwhite.What’smore,PNjunctionsemiconductortechnology,solarphotovoltaictechnologyandlight-emittingdiode（LED）lightingtechnology,allhaveenvironmentalprotection,energysaving,longlifeandsafetyfeatures.Combiningthesetwotechniquestooptimizetheresearch,inlinewithourcurrentenergy,environmentalprotectionandsustainabledevelopmentarethedevelopmentgoals.

Inonewords,alongwiththeexpansionofurbanscale'sunceasing,theexistingstreetlighttechnologycannotachievetheenvironmentalprotectionenergyconservationtherequest.Thisarticleusesthemulti-spotcontrolaccumulatorcellsurpluselectricallychargedcapacity（SOC）tocontrolandthepulse-durationmodulationsignal（PWM）actuatesthesolarenergyLEDstreetlightcontroller'shardwaredesignandthefirmwareprogramdesign.ItmaycantheeffectivelysurviveLEDsolarenergystreetlight'sinsufficiency.Therefore,thistopicdesignhastheverybigpracticalsignificancetoourcountrywhichbasedonLEDstreetlightenergyconservationenvironmentalprotection'sdevelopment.

Keywords：

solarphotovoltaictechnology;SOC;PWM;controlsystem

引言1

第1章概述2

1.1研究背景、目的与意义2

1.2设计要求2

1.2.1太阳能路灯系统组成、工作原理与发展现状3

1.2.2设计思路3

1.3课题意义4

第2章系统设计简介5

2.1单片机简介及选择5

2.1.1AT89C52单片机6

2.2路灯系统简介7

2.3太阳能LED路灯控制器功能模块概述9

2.4电源、晶振、复位硬件电路9

2.4.1电源模块设计9

2.4.2晶振电路10

2.4.3复位电路11

第3章I/O控制部分硬件设计12

3.1电压采样模块设计12

3.1.1太阳能路灯系统设计的关键技术12

3.2温度采样模块14

3.3DS1307芯片作用及其与系统连接图16

3.4充电控制模块17

3.4.1蓄电池的充电控制电路17

3.4.2温度补偿17

3.4.3充电电路的设计与实现17

3.5放电控制模块的设计18

3.6照明电路19

3.7单片机实现脉宽调制信号（PWM）输出的软硬件设计20

第4章系统软件设计25

4.1太阳能LED路灯控制电路程序的设计25

4.2子程序流程图26

结论与展望34

致谢36

参考文献37

附录A：

系统原理图39

附录B:

外文文献及译文40

附录C：

主要参考文献及摘要45

附录D：

源程序46

插图清单

图1-1太阳能控制系统.........................................................................................................3

图2-1太阳能LED路灯系统总框图....................................................................................8

图2-2路灯控制器的结构框图..............................................................................................9

图2-3电源模块总电路.......................................................................................................10

图2-4时钟电路...................................................................................................................10

图2-5复位电路.................................................................................................................11

图3-1太阳能电池与铅酸蓄电池电压采样模块电路设计..............................................14

图3-3多路DS18B20与TA89C52引脚连接图.................................................................15

图3-4DS18B20工作流程图..............................................................................................15

图3-5DS1307与单片机的连接.........................................................................................16

图3-6充电控制电路.............................................................................................................18

图3-7放电控制原理图.........................................................................................................19

图3-8LED路灯驱动与亮度调节电路示意图.................................................................20

图3-9PWM调变电路..........................................................................................................21

图3-10PWM调变示意图....................................................................................................21

图3-118253的内部接口和引脚..........................................................................................22

图3-12PWM信号产生电路计数芯片8253部分原理图.................................................23

图4-1外部计数子流程图...................................................................................................25

图4-2DS18B20的测温程序流程图...................................................................................27

图4-3运行太阳能LED路灯控制器固件程序流程...........................................................33

表格清单

表2-1基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源.................................5

表3-112V蓄电池放电过程容量－电压对应值.................................................................14

引言

跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。

而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。

主要表现为以下几个方面：

（1）能源短缺。

常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。

从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。

（2）环境污染。

燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，是大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。

（3）温室效应。

化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化

太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。

在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。

太阳能道路照明灯也是替代现今输电线路灯的趋势，它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、长寿命的太阳能LED路灯逐渐走入人们的视野。

太阳能LED路灯系统是一种独立运行的光伏系统，由太阳能电池、蓄电池、LED路灯、充电、放电及驱动电路、控制器六个部分组成。

而蓄电池是太阳能LED路灯系统中混合动力系统的重要部分之一，因此它的剩余荷电容量（SOC）对系统的稳定性也有重大影响[3]。

太阳能LED路灯系统在控制器的控制下，白天太阳能电池通过充电电路向蓄电池充电，夜间蓄电池放电驱动LED路灯，所以控制器的设计是非常重要的。

如果蓄电池经常过放或过充，会造成蓄电池寿命大大缩短。

针对这种问题，在论文中我们采用分段多点监控法去监控蓄电池剩余荷电容量（SOC）的充电/放电法，在放电过程中象控制器在充电过程中一样，分段多点监控，在不同的阶段用不同宽度的PWM信号输出控制，有效避免了过放。

最后设计了太阳能控制器的硬件和系统的控制软件。

第1章概述

1.1研究背景、目的与意义

随着科学技术的迅速发展，世界能源危机日益严重，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源越来越引起各国的重视。

太阳能源本身的安全可靠、无噪声、无污染和可再生性的特点，加之现今光伏技术的逐渐成熟，利用光伏发电成为解决能源问题的一大途经。

随着可持续发展的不断深入，人们在积极开发各类可再生新能源的同时也在倡导节能减排的绿色环保技术而在照明领域，寿命长节能安全绿色环保色彩丰富微型化的LED固态照明也已被公认为世界一种节能环保的重要途径，太阳能LED路灯同时整合了这两者的优势。

在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。

国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，已经初步形成在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场要规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展。

在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。

它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。

尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能装置市场仍然持续增长。

法国的太阳能设计师们，正在用“绿色设计”原则代替“太阳能”设计原则，就是要统筹考虑能源性能、安全材料的应用、日光照明、居住的舒适度和健康等因素。

这种新设计方法，将应用于Angers的法国环境保护和能源管理署的办公大楼。

现今,LED路灯相对于高压钠灯路灯的优越性已被绝大部分专业人士认可，然而遗憾的是目前大多数的LED路灯仍然采用交流电供电，一方面是交流电路灯的技术已经十分成熟，而太阳能路灯还有很多不确定因素，另一方面主要的考虑仍然是太阳能的初始投资过大，从而忽略了太阳能供电的很多根本优越性。

然而真正要用太阳能来取代一切能源还是一个长期而艰巨的任务,任何新生事物最好先从小打小闹开始，而且采用“自产自销”的方式，路灯就是一个最好的采用太阳能的试点工程。

而且，节能和减排一样，必须先由政府倡导，甚至像德国那样采用政府补贴的方法来推广。

我们欣喜地发现,路灯工程原本即政府工程，是由政府来进行招投标的。

因此,由LED路灯取代高压钠灯、由太阳能LED路灯取代交流电LED路灯正是大势所趋。

1.2设计要求

智能太阳能路灯系统由太阳能电池板、蓄电池、LED路灯控制器及过充过放保护电路，光控、时控电路等组成。

白天太阳能电池板接受太阳辐射能并转化为电能输出，经过充电控制电路储存在蓄电池中；晚间当光线照度降低时，控制器使LED灯点亮，进行指示性照明。

控制器检测到蓄电池充电或放电超出一定范围时，控制器切断充放电回路，保证电池不被损坏。

遇到连续阴雨天季节可切换成市电照明，避免蓄电池长期亏电。

1.2.1太阳能路灯系统组成、工作原理与发展现状

目前的太阳能路灯控制系统都是独立光伏控制系统，主要由7个部分组成：

太阳能电池板、蓄电池、负载（LED路灯）、控制器、测量电路、充电电路、放电/负载驱动电路。

基本结构如图1-1所示：

图1-1太阳能控制系统

太阳能LED路灯运行过程中，LED路灯都是在夜间运行的。

因此太阳能LED路灯的工作方式为：

在白天太阳能电池在控制器控制下通过充电路为蓄电池充电，而在夜间或连续阴雨天气里蓄电池放在控制器控制下通过放电/驱动电路点亮并调节LED路灯的亮度。

另外因为太阳能电池受环境温度、光照条件、湿度等影响很大，所以供应的电力不稳定，蓄电池可以稳定整个路灯系统电路的势能，为控制器提供稳定的工作电压和电流。

在太阳能LED路灯系统中，太阳能电池的使用寿命一般是在20～30年，而LED正常寿命也在10万小时以上，而寿命比较长的免维护铅酸蓄电池的寿命在使用得当的情况下，一般是5～6年，所以铅酸蓄电池的使用寿命基本上就代表着太阳能路灯的阶段性寿命。

目前，市场上有各种各样的太阳能路灯，这些路灯系统主要问题是可靠性不高，其原因是：

控制器对于蓄电池的保护不充分而导致蓄电池的损坏。

这些控制器对蓄电池的充电采取了很多有效的措施，确保蓄电池不会过充电；比如当蓄电池的电压达到充满点（密封铅酸电池为单体2.35V，固定式铅酸电池为单体2.5V）时，控制器将充电回路断开，或者采用脉宽调制的办法或多路充电的办法，随蓄电池的电压接近充满点时，充电电流逐渐减小，从而达到保护蓄电池不被过充的目的。

但是对于防止蓄电池过放电，目前市场上的太阳能路灯控制器只是一点式控制。

即在蓄电池达到过放点之前不做任何控制。

尽管目前的路灯控制器一般还具有光控开关和定时器，可以人为设定路灯的工作时间，也有将路灯的功率分档，前半夜满功率，后半夜半功率工作，但都没有通过在线检测蓄电池的剩余容量而自动调整负荷,这样仍然避免不了蓄电池的过放电，而蓄电池一旦过放电，或者强迫将负载断开，或者由于蓄电池电压过低使负载自动断电。

这样做的后果是：

切断负载影响整个系统的正常工作并且蓄电池已经处于深度放电状态，大大缩短了蓄电池的使用寿命[9]。

1.2.2设计思路

在本课题的设计过程中充分考虑了蓄电池过充与过放问题，根据蓄电池剩余荷电容量（SOC）充放电数学模型和剩余荷电容量（SOC）与蓄电池循环寿命的关系，在设计太阳能LED路灯控制器的时候，我们采用以下控制方案，完全避免蓄电池过充和过放，并保证LED路灯以尽可能延长点亮的时间。

在充电阶段为三段控制：

第一段（10%

过放状态）为快充阶段、第二段（40%95%）浮充阶段。

充电过程中逐渐减小脉宽调制信号（PWM）的宽度。

在放电/驱动阶段分六段进行监控：

（90%

在放电/驱动过程中逐段缩小PWM信号的宽度，保证足够亮度同时，以最长的点亮时间为控制目标。

10%