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1、 全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計 太陽能路燈的設(shè)計 THE DESIGN OF THE SOLAR LAMP 由于部分原因，說明書已刪除大部分，完整版說明書，CAD圖紙等，聯(lián)系153893706 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 年級專業(yè)及班級： 2008級機械設(shè)計制造及其自動 指導(dǎo)老師及職稱： 學(xué) 部： 理工學(xué)部 提交日期：20 年 月 目 錄 摘要…………………………………………………………………………………………1 關(guān)鍵字………………………………………………………………………………………1 1 前言…………………

2、…………………………………………………………………2 1.1 課題的提出及研究的意義……………………………………………………2 1.1.1 課題的提出……………………………………………………………2 1.1.2 研究的意義……………………………………………………………2 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………2 2 太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………3 2.1 太陽能路燈的組成………………………………………………………………3 2.2 太陽能路燈的工作原理………………………………………………………

3、…3 2.3 太陽能路燈的優(yōu)點………………………………………………………………3 2.4 與傳統(tǒng)路燈的比較………………………………………………………………3 3 太陽能路燈方案論證……………………………………………………………………4 3.1 太陽能路燈設(shè)計要求……………………………………………………………4 3.2 太陽能路燈方案選擇……………………………………………………………4 3.3 系統(tǒng)總體框圖……………………………………………………………………5 4 系統(tǒng)主體設(shè)計……………………………………………………………………………5 4.1 太陽能電池…………

4、……………………………………………………………5 4.1.1 太陽能電池的工作原理…………………………………………………6 4.1.2 太陽能電池的基本特性…………………………………………………6 4.1.3 太陽能電池的類型………………………………………………………7 4.2 蓄電池……………………………………………………………………………7 4.2.1 蓄電池工作原理…………………………………………………………8 4.2.2 蓄電池的使用及對其壽命的影響………………………………………8 4.2.3 蓄電池類型選擇………………………

5、………………………………8 4.2.4 鉛酸蓄電池充電特性……………………………………………………8 4.2.5 鉛酸蓄電池放電特性…………………………………………………9 4.3 照明負(fù)載…………………………………………………………………………9 4.3.1 太陽能燈具的選擇………………………………………………………9 4.3.2 LED的特性………………………………………………………………10 4.4 蓄電池、太陽能板和LED燈的選用……………………………………………11 4.4.1 太陽能板的選用……………………………………………………

6、…11 4.4.2 蓄電池選用……………………………………………………………12 4.4.3 LED燈型號的選擇………………………………………………………12 4.5 太陽能電池跟蹤系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………………13 4.5.1 單片機的選擇………………………………………………………15 4.5.2 光敏檢測電路………………………………………………………16 4.5.3 驅(qū)動電機的選擇………………………………………………………16 4.6 燈桿和燈具外殼………………………………………………………………18 4.7 太陽能路燈控制電路的設(shè)

7、計…………………………………………………18 4.7.1 蓄電池充放電控制基本原理……………………………………………18 4.7.2 蓄電池充放電保護(hù)電路………………………………………………19 4.7.3 控制電路…………………………………………………………………20 4.7.4 時鐘電路…………………………………………………………………22 4.7.5 鍵盤控制電路……………………………………………………………23 4.7.6 顯示電路…………………………………………………………………24 4.7.7 穩(wěn)壓電源電路……………………………………………………………

8、25 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計…………………………………………………………………………25 6 結(jié)束語…………………………………………………………………………………27 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………27 致謝…………………………………………………………………………………………28 附錄1……………………………………………………………………………………30 太陽能路燈的設(shè)計 摘 要：太陽能路燈作為新型高科技節(jié)能產(chǎn)品替代傳統(tǒng)路燈，可以實現(xiàn)路燈白天自身發(fā)電，晚上照明，路燈不耗能。具有環(huán)保節(jié)能，解決城市公共照明耗

9、能大的問題，節(jié)省電費開支，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。 本文綜述了太陽能電池，鉛酸蓄電池和LED燈具的工作原理、特性、類型及其相關(guān)知識。并介紹了鉛酸蓄電池的充放電控制電路。然后設(shè)計了一種時鐘型控制器，利用單片機AT89S52和時鐘芯片DS1302控制路燈照明時間，利用單片機AT89S52存儲路燈開關(guān)時間。文中詳細(xì)分析了控制器的電路組成和工作原理。 關(guān)鍵詞：太陽能電池；LED；鉛酸蓄電池；充放電控制器；時控電路 The design of the solar lamp

10、Abstract：Solar lamp products as a new alternative to traditional high-tech energy-efficient lighting, lighting can achieve their own electricity during the day, night lighting, street not energy. With environmental conservation and solve major problems of urban public lighting energy saving electric

11、ity costs, economic benefits and social benefits obvious. This article provides an overview of solar cells, and lead-acid batteries and LED lamp works, features, and types and their related knowledge. And the introduction of lead-acid battery charge and discharge control circuit. Then has designed

12、one kind of time-controller, using monolithic integrated circuit AT89S52 and the clock chip DS1302 control street light illumination time, uses the monolithic integrated circuit AT89S52 memory street light switching time.In this paper, a detailed analysis of the controller circuit component and work

13、 principle. Key words: solar cell; LED;lead-acid batteries;Charging and discharging controller;Time –control Circuit. 1 前言 1.1 課題的提出及研究的意義 1.1.1 課題的提出 隨著世界能源危機的加劇，各國都在尋求解決能源危機的辦法，一條道路是尋求新能源和可再生能源的利用；另一條是尋求新的節(jié)能技術(shù)，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。 太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽能作為一種巨量可再生能源，每天達(dá)到地球表面的輻射能大約等于2.5億萬桶石

14、油，可以說是取之不盡、用之不竭。太陽能作為一種安全、環(huán)保新能源越來越受重視。同時，隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，太陽能燈具產(chǎn)品在環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，太陽能路燈、庭院燈、草坪燈等方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模，太陽能發(fā)電在路燈照明領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。 全球性的能源短缺和環(huán)境污染在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國表現(xiàn)得尤為突出，節(jié)能和環(huán)保是中國實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展急需解決的問題。每年照明消耗電能約占全部電能消耗的12%～15%，作為能源消耗的大戶，必須盡快尋找可以替代傳統(tǒng)光源的新一代節(jié)能環(huán)保光源。據(jù)我國國家綠色照明工程促進(jìn)項目辦公室的專項調(diào)查顯示，我國照明用電每年在3000億度以上，道路照明用電量占1/3如用太

15、陽能取代，這相當(dāng)于總投資規(guī)模超過2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量[1]。 1.1.2 研究的意義 太陽能作為一種巨量的可再生能源，已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，是當(dāng)前能源利用的補充能源，并被認(rèn)為是未來人類生活的可替代能源。每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量，開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，可以對環(huán)境不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少污染，太陽能既是近期急需的能源補充，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。不論是從經(jīng)濟(jì)社會走可持續(xù)發(fā)展之路，還是保護(hù)人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境的高度來審視，還是從特殊用途解決現(xiàn)實能源供應(yīng)問題出發(fā)，開發(fā)利用太陽能都具有重大的戰(zhàn)略意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 太陽能是用之不

16、盡的清潔能源，當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對光伏發(fā)電特別重視。2011年世界太陽能光伏發(fā)電裝機總?cè)萘窟_(dá)到24Gw。目前，太陽能光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美國，其太陽能光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的80％。今后太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要圍繞高效率、低成本、長壽命、美觀實用等方向發(fā)展。專家們預(yù)測到2050年，太陽能光伏發(fā)電在發(fā)電總量中將占13％．15％，到2100年將約占64％。我國光伏組件生產(chǎn)能力逐年增強，裝機容量逐年增加，2007年累計容量達(dá)100MW。2005--2010年，我國的太陽能電池主要用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2010年將約為1．20元／(kw·h)；2010—2020年，太陽

17、能光伏發(fā)電將會由獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2020年將約為0．60元／(kw·h)。到2020年，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望達(dá)到世界先進(jìn)行列[2]。 2 太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.1 太陽能路燈的組成 太陽能路燈由以下幾個部分組成：太陽能電池組、光源、控制器、蓄電池、燈桿及支架。 2.2 太陽能路燈的工作原理 系統(tǒng)工作原理簡單，利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，但到達(dá)設(shè)定的開燈時間時，蓄電池對燈頭放電，開始照明。蓄電池放電到設(shè)定時間后，充放電控制器動作，切斷路燈供電電路，使

18、路燈熄滅蓄電池放電結(jié)束。 2.3 太陽能路燈的優(yōu)點 太陽能燈優(yōu)點有以下幾點： （1）節(jié)能：以太陽能光電轉(zhuǎn)換提供電能，取之不盡、用之不竭； （2）環(huán)保：無污染、無噪音、無輻射； （3）安全：絕無觸電、火災(zāi)等意外事故； （4）方便：安裝簡潔，不需要架線或“開膛破肚”挖地施工，也沒有停電限電顧慮； （5）壽命長：產(chǎn)品科技含量高，控制系統(tǒng)、國際系統(tǒng)、智能化設(shè)計，質(zhì)量可靠； （6）投資少：一次投資、長期受用； （7）適用廣：太陽能源于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用，特別適用于 綠地景觀燈光配備，高檔次住宅及室外照明，旅游景點海岸景觀照明及點綴，工業(yè)

19、開發(fā)區(qū)、工礦企業(yè)路燈，各大院校室外燈光照明[3]。 2.4 與傳統(tǒng)路燈的比較 （1）市電照明路燈安裝復(fù)雜：市電照明路燈工程中有復(fù)雜的作業(yè)程序，首先要鋪設(shè)電纜，這里就需要進(jìn)行電纜溝的開挖、鋪設(shè)暗管、管內(nèi)穿線、回填等大量基礎(chǔ)工程。然后進(jìn)行長時間的安裝調(diào)試，如任何一條線路有問題，則要大面積返工。而且地勢和線路要求復(fù)雜、人工和輔助材料成本高昂。太陽能路燈安裝簡便：太陽能路燈安裝時，不用鋪設(shè)復(fù)雜的線路，只要做

20、一個水泥基座，然后用不銹鋼螺絲固定就可。 （2）市電照明路燈電費高昂：市電照明路燈工作中需要支付固定高昂的電費，并且需要長期不間斷對線路和其它配置進(jìn)行維護(hù)或更換，維護(hù)成本逐年遞增。太陽能路燈具免電費：太陽能路燈是一次性投入，無任何維護(hù)成本，長期受益。 （3）市電照明路燈存在安全隱患：市電照明路燈在施工質(zhì)量、景觀工程的改造、材料老化、供電不正常、水電氣管道的沖突等方面都會帶來諸多安全隱患。 太陽能路燈沒有安全隱患：太陽能路燈是超低壓產(chǎn)品，運行安全可靠。太陽能路燈的其它優(yōu)勢：綠色環(huán)保[4]。 綜上對比所述，太陽能路燈具有安全無隱患、節(jié)能無消耗、綠色環(huán)保、安裝簡便、自動控制免維護(hù)等特性。 3

21、 太陽能路燈方案論證 3.1 太陽能路燈設(shè)計要求 （1）電池板功率的計算和選用； （2）蓄電池容量、充放電控制； （3）連續(xù)陰雨天七天路燈仍能照明； （4）系統(tǒng)斷電時可以保存用戶所設(shè)定的各種參數(shù)。 3.2 太陽能路燈方案選擇 太陽能路燈跟普通路燈控制電路功能基本一樣，都是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈的作用,還有就是對蓄電池的充電管理。國內(nèi)外常用的控制器有單獨的光控制型、時鐘控器型、經(jīng)緯型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點。 單獨的光控型一般采用感光探頭，當(dāng)晚上光線弱時，自動開啟路燈；早上光線較強時，自動關(guān)閉路燈，達(dá)到自動控制的作用。為節(jié)省電力，早期的光控開關(guān)，使用

22、分立半導(dǎo)體器件，電路復(fù)雜，元器件較多，體積也較大，并且故障率高。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了時基集成電路，如NE555等，使光控開關(guān)電路簡化。感光探頭是影響光控開關(guān)性能的關(guān)鍵元器件，同時對它安裝位置也有一定要求，力求避免各種干擾光線，但在實際使用中，感光探頭難以判斷各種干擾光線，經(jīng)常會產(chǎn)生誤動作[5]。 采用時鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時間，使路燈按時亮燈、準(zhǔn)時熄燈，從而達(dá)到自動控制的目的。優(yōu)點是定時開關(guān)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時間不受外界干擾，除本身故障外不會產(chǎn)生誤動作。缺點是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動變換開關(guān)時間，需人工經(jīng)常調(diào)整開關(guān)時間，費時費力，不利于節(jié)省電力。定時開關(guān)又分為

23、機械鐘表型和電子鐘表型，機械鐘表型以石英鐘為主，走時精準(zhǔn)，但是由于機芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導(dǎo)致停機現(xiàn)象。電子鐘表型定時開關(guān)使用的也較多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成塊為中心的電子鐘電路。近幾年還出現(xiàn)將電子鐘LED液晶顯示為一體的集成塊，體積小、外圍元器件少，可設(shè)六組開關(guān)點，有星期功能，許多廠家大量生產(chǎn)該產(chǎn)品，現(xiàn)在大多用于路燈控制中[6]。 經(jīng)緯型控制器采用單片機技術(shù)，模擬日照規(guī)律，晚上能自動開燈、早晨能自動關(guān)燈。它采取光控開關(guān)時間的優(yōu)點，克服了光控開關(guān)易受干擾的缺點，取鐘控器時間準(zhǔn)確之長處，克服了定時開關(guān)不會自動變換開關(guān)時間之短處。目前路燈控制常采用這種控

24、制方式，但其價格較高，在路燈中使用將會增加不必要的成本[7] 。 本設(shè)計采用的是單獨的時鐘控制的方式，實現(xiàn)太陽能路燈的設(shè)計。 3.3 系統(tǒng)總體方框圖 太陽能LED路燈在白天通過太陽能電池組件采集太陽光的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，即向蓄電池充電，在晚上光線較暗時由蓄電池經(jīng)路燈控制處理器控制，點亮LED燈用于路燈照明。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)總體方框圖 Fig1 The whole system is arrived 4 系統(tǒng)主體設(shè)計 4.1 太陽能電池 在新能源中，公認(rèn)技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的是太陽能發(fā)電。太陽能發(fā)電主

25、要有太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩種基本方式。 (1) 太陽能熱發(fā)電：將吸收的太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，可分為兩類：一類是太陽能熱電直接轉(zhuǎn)換，如溫差發(fā)電等，目前功率都很小，有的尚處于原理試驗階段；另一類是太陽能熱動力發(fā)電，是將太陽熱能通過熱機帶動發(fā)電機發(fā)電，其基本構(gòu)成包括集熱裝置、儲能系統(tǒng)、熱機和發(fā)電機等。有些國家正在研制較大功率的裝置，已達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電的實際應(yīng)用水平。由于太陽能熱發(fā)電技術(shù)復(fù)雜，商業(yè)應(yīng)用只適合比較大的容量，因此發(fā)展不快，實際應(yīng)用不多。 (2) 太陽能光發(fā)電：不通過熱過程，直接將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的利用方式，可分為光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電和光生物發(fā)電。目前應(yīng)用的光伏

26、發(fā)電，是將照射到太陽能電池上的光，產(chǎn)生光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成直流電能輸出，一般由太陽能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點：間歇性。受氣候條件影響；能量密度低；初始投資高。迄今已有100多個國家參與太陽能光電池的開發(fā)應(yīng)用。近年來，產(chǎn)量迅速增加．生產(chǎn)成本開始下降[7]。目前．光伏發(fā)電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產(chǎn)品。如各類太陽能充電器、太陽能燈具等；并網(wǎng)發(fā)電[8]。 4.1.1 太陽能電池的工作原理 太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體p—n結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，簡單地說，就是當(dāng)物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電

27、流的一種效應(yīng)。在氣體、液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)，但在固體尤其是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換為電能的效率特別高，因此半導(dǎo)體中的光電效應(yīng)引起人們的格外關(guān)注，研究得最多，并發(fā)明制造出了半導(dǎo)體太陽能電池。 可將半導(dǎo)體太陽能電池的發(fā)電過程概括成以下四點： （1）首先是收集太陽光和其他光使之照射到太陽能電池表面上。 （2）太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出非平衡載流子（光生載流子）— 電子－空穴對。這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在他們被分離之前不會復(fù)合消失。 （3）這些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子－空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在一邊，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)

28、生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動勢，即光生電壓。 （4）在太陽能電池p-n結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能（或其他光能）直接轉(zhuǎn)換成了電能[9]。 4.1.2 太陽能電池的基本特性 太陽能電池陣列的伏安特性具有強烈的非線性。太陽能電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當(dāng)日射S=l000W／m2；太陽能電池溫度T=25℃；大氣質(zhì)量AM=1.5時，太陽能電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽能電池陣列額定功率的單位為“峰瓦”，記以“Wp”。 為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，要為太陽

29、能電池組件選擇一個最佳傾角。關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。 通過Hay模型的計算，可以得到的不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。在不同角度傾斜面上，太陽輻照量差別較大，要為電池板選擇合適的傾角使其能獲得最大的太陽輻照量[10]。 4.1.3 太陽能電池的類型 太陽能電池是太陽能路燈中的重要部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽能輻射能轉(zhuǎn)換為電能，送到蓄電池中存存儲起來。 我們知道在太陽能光電池中，硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟，占主導(dǎo)地位的太陽能電池，它非常普遍而且實用，所以我們在大的范圍內(nèi)選擇硅太陽能電池。而硅太陽能電池又分為單

30、晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池以及非晶硅太陽能電池三種。這里對三種電池進(jìn)行比較： （1）單晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7％，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15％.在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但是單晶硅成本很高，大幅度降低其成本也很困難。單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定．適合在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)使用； （2）多晶硅太陽能電池 多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單，價格比單晶硅低，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18％，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10％.適合在太陽光充足、日照好的東西部地區(qū)使

31、用； （3）非晶硅太陽能電池 非晶硅太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，所以也就直接影響了它的實際應(yīng)用。其對太陽光照條件要求比較低，適合在室外陽光不足的地區(qū)使用[11]。 綜上所敘，本次設(shè)計我們選擇單晶硅太陽能電池。 4.2 蓄電池 蓄電池是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負(fù)載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。 蓄電池是一種化學(xué)電源，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。需要時

32、再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。能量轉(zhuǎn)換過程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池對系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲存和調(diào)節(jié)作用。由于光伏系統(tǒng)的功率輸出每天都在變化，在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時。蓄電池也能夠提供相對穩(wěn)定的電能[12]。 4.2.1 蓄電池的使用及對其壽命的影響 蓄電池的循環(huán)壽命主要由電池工藝結(jié)構(gòu)與制造質(zhì)量所決定。但是使用過程和維護(hù)工作對蓄電池壽命也有很大影響，有時是重大影響。首先，放電深度對蓄電池的循環(huán)壽命影響很大，蓄電池經(jīng)常深度放電，循環(huán)壽命將縮短。其次，同一額定容量的蓄電池經(jīng)常采用大電流充電和放電，對蓄電池壽命都產(chǎn)生影響。大電流充電，特

33、別是過充時極板活性物質(zhì)容易脫落，嚴(yán)重時使正負(fù)極板短路；大電流放電時，產(chǎn)生的硫酸鹽顆粒大，極板活性物質(zhì)不能被充分利用，長此下去電池的實際容量將逐漸減小，這樣使用壽命也會受到影響。 4.2.3 蓄電池類型選擇 蓄電池有種類很多，我們針對市面上常見的三種蓄電池進(jìn)行比較： （1）鉛酸(CS)蓄電池：適于低溫高倍率放電，比能量偏低，目前大部分太陽能路燈采用。密封免維護(hù)，價格低。注意防止鉛酸污染，應(yīng)逐步淘汰。 （2）鎳鎘(Ni-Cd)蓄電池：放電倍率高、低溫性能好，循環(huán)壽命長，小型系統(tǒng)采用。注意防止鎘污染。 （3）鎳氫(Ni-H)蓄電池：高倍率放電，低溫性能好，價格便宜，無污染，為綠色環(huán)保電池。

34、小型系統(tǒng)采用。要大力提倡[13]。 本電路采用鉛酸免維護(hù)蓄電池，不需專門的維護(hù)；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。 4.2.4 鉛酸蓄電池充電特性 鉛酸蓄電池充電特性見圖3。由充電曲線可以看出，蓄電池充電過程有三個階段，初期（OA）電壓快速上升，中期（ABC）電壓緩慢上升，延續(xù)較長時間，C點開始為充電末期，電化學(xué)反應(yīng)接近結(jié)束，電壓開始迅速上升，接近D點時，負(fù)極析出氫氣，正極析出氧氣，水分被分解。上述所有跡象表明，D點電壓標(biāo)志著蓄電池已充滿電，應(yīng)立即停止充電，否則將給鉛酸蓄電池帶來損壞 通過對蓄電池充電特性（圖2）的分析可知，在蓄電池充電過程中當(dāng)充電到D點

35、的電壓出現(xiàn)時就標(biāo)志著該電池已充滿。依據(jù)這一原理，在控制器的軟件中設(shè)置電壓值，通過檢測出D點電壓值，即可判斷蓄電池是否應(yīng)該結(jié)束充電。對于開口式固定型鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（25，0.1C充電率）下的充電終了（D點）電壓約2.5～2.6V。對于閥控密封式鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的充電終了（D點）電壓約2.35～2.4V。在控制器里比較設(shè)置的D點電壓稱為“門限電壓”或“電壓閾值”[14]。 圖2 鉛酸蓄電池充電特性 Fig 2 Lead-acid battery characteristics 4.2.5 鉛酸蓄電池放電特性 鉛酸蓄電池放電特性見圖3。由放電曲線可以看出，

36、蓄電池放電過程有三個階段，開始（OE）階段電壓下降較快，中期（EFG）電壓緩慢下降，延續(xù)時間較長，G點后放電電壓急劇下降。其原因首先是酸濃度降低，引起電動勢基地；其次是活性物質(zhì)的不斷消耗，反應(yīng)面積減小，使極化不斷增加。此外由于硫酸鉛的不斷生成，使電池內(nèi)阻不斷增加。上述使放電電壓急劇下降的所有跡象表明，G點電壓標(biāo)志著蓄電池已經(jīng)接近放電終了，應(yīng)立即停止放電，否則將給鉛酸蓄電池帶來不可逆轉(zhuǎn)的損壞。 圖3鉛酸蓄電池放電特性 Fig 3 Lead-acid battery discharge properties 通過上述對蓄電池放電特性（圖3）的分析可知，在蓄電池放電過程

37、中當(dāng)放電到相當(dāng)于G點的電壓出現(xiàn)時就標(biāo)志著該電池已放電終了。依據(jù)這一原理，在控制器中設(shè)置電壓測量和電壓比較電路，通過監(jiān)測出G點電壓值，即可判斷蓄電池是否應(yīng)結(jié)束放電。對于開口式固定型鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀太（25，0.1C放電率）下的放電終了（G點）電壓約1.75～1.8V。對于閥控密封式鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（25，0.1C放電率）下的放電終了(G點)電壓約1.78～1.82V。在控制器里比較器設(shè)置的G點電壓稱為“門限電壓”或“電壓閥值”[15]。 4.3 照明負(fù)載 4.3.1 太陽能燈具的選擇 此處已刪除

38、 圖 7 驅(qū)動電路 Fig 7 Driving circuit 4.6 燈桿和燈具外殼 燈桿的高度應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標(biāo)準(zhǔn)來確定。燈具外殼根據(jù)我們收集了許多國外太陽能資料，在美觀和節(jié)能之間，大多數(shù)都選擇節(jié)能，燈具外觀要求不高，相對實用即可。 4.7 太陽能路燈控制電路的設(shè)計 無論太陽能燈具大小，一個性能良好的充放電控制電路是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)中對蓄電池充電的控制要比普通蓄電池充電的控制要復(fù)雜些。對于太

39、陽能庭院燈的設(shè)計，沒有一個性能良好的充放電控制電路，就不可能有一個性能良好的太陽能燈具。 充電過程一般分為主充、均充和浮充三個階段，有時在充電末期還有以微小充電電流長時間持續(xù)充電的涓流充電。主充一般是快速充電，如兩階段充電、變流間歇式充電和脈沖式充電都是現(xiàn)階段常見的主充模式。以慢充作為主充模式的一般采用的是低充電電流的恒流充電模式。鉛酸蓄電池深度放電或長期浮充后，串聯(lián)中的單體蓄電池的電壓和容量都可能出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。為了消除這種不平衡現(xiàn)象而進(jìn)行的充電叫做均衡充電，簡稱均充。 為保護(hù)蓄電池不過充，在蓄電池充電至90％容量后，轉(zhuǎn)為浮充（恒壓充電）模式，以適應(yīng)充電后期蓄電池可接受充電電流的減小。

40、為防止可能出現(xiàn)的蓄電池充電不足，在此之后還可以加上涓流充電，使已基本充電的蓄電池極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，其充電比較徹底[19]。 4.7.1 蓄電池充放電控制基本原理 充放電控制電路是具有自動防止太陽能光伏電源系統(tǒng)的貯能蓄電池組過充電和過放電的電路，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要電路。控制器最重要的作用就是防止蓄電池過度充電和過度放電。由于蓄電池的投資在系統(tǒng)成本中占了較大的比重，而蓄電池過度充電和過度放電都將大大縮短蓄電池的使用壽命，為了最大限度延長蓄電池使用壽命，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)能長期可靠地工作，就需要對蓄電池的充放電進(jìn)行控制。 如圖5所示的電路是一個最基本的充放電控制器原理，在該

41、電路原理圖中由太陽能電池組件、蓄電池、控制器電路和負(fù)載（LED燈）組成了一個基本的太陽能光伏庭院燈系統(tǒng)。這里的開關(guān)K1、K2分別為充電開關(guān)和放電開關(guān)，它們均屬于控制器電路中的一部分，K1、K2的開合由控制電路根據(jù)系統(tǒng)充放電狀態(tài)來決定：等蓄電池充滿時斷開充電開關(guān)K1。否則閉合；當(dāng)蓄電池過放時斷開放電開關(guān)K2，否則閉合，開關(guān)K1、K2是廣義上的開關(guān)，它可能是各種開關(guān)元件或由電路組成。 圖8太陽能路燈充放電控制器基本原理圖 Fig 8 Solar street lamps charging and discharging controller basic pr

42、inciple diagram 4.7.2 蓄電池充放電控制電路 此處已刪除 下面是鍵盤控制電路圖： 圖12 鍵盤電路 Fig 12 Key board circuit 單片機應(yīng)用系統(tǒng)通常都需要進(jìn)行人—機對話，這包括人對應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入，還有應(yīng)用系統(tǒng)向人顯示運行狀態(tài)與運行結(jié)果等。如鍵盤就是用來完成人—機對話的人—機通道。在該系統(tǒng)的設(shè)計中采用的是獨立連接式鍵盤。它有四個按鍵，每個按鍵都是一個常開開關(guān)。在這四個按鍵中，每

43、個按鍵的分工各不相同，它們分別作為菜單鍵，加鍵，減鍵﹑確定鍵。當(dāng)任何一個按鍵按下時，與之相連的輸入數(shù)據(jù)線即被清零，而平時該線為高電平。要判別是否有按鍵按下，用單片機的位處理命令非常方便[22]。 4.7.6 顯示電路 顯示電路是為了讓使用者能夠很清楚的了解到所需要的信息,方便的對控制時間進(jìn)行調(diào)整。它可以采用液晶或者數(shù)碼管作為顯示器件，液晶顯示可以使顯示的內(nèi)容更清晰和豐富，但基于成本較高，該電路中選用數(shù)碼管作為顯示器件。電路圖如圖: 圖13 數(shù)碼顯示電路 Fig 13 Digital display circuit 數(shù)碼管顯示

44、的串口輸出電路，串口4位數(shù)碼顯示主要由供電電路、串并轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示電路組成(如圖9)。串并轉(zhuǎn)換電路主要由4塊移位寄存器74ALS164組成。當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)一組數(shù)據(jù)依次輸入時，寄存器中的數(shù)據(jù)在每個時鐘脈沖的作用下依次向下一個寄存器傳遞。最終在輸出端（QA－QH）得到八位并行輸出的數(shù)據(jù)。由于寄存器是級聯(lián)的，所以在時鐘脈沖的作用下依次為每個數(shù)碼管提供八位的數(shù)據(jù)。數(shù)碼顯示電路主要由八段數(shù)碼管組成，其電路是共陽的，當(dāng)輸出一定的編碼數(shù)據(jù)時顯示相應(yīng)的數(shù)字。二極管D1、D2和D3起降壓、保護(hù)數(shù)碼管作用，數(shù)碼管用四位，

45、前兩位顯示小時內(nèi)容，后兩位顯示分鐘內(nèi)容， 4.7.7 穩(wěn)壓電源電路 由于本方案采用單片機來完成對系統(tǒng)的控制，對單片機等芯片的供電電源質(zhì)量要求比較嚴(yán)格，因為蓄電池的端電壓會隨著充放電的深度而變化 ，所以不能直接從蓄電池端電壓進(jìn)行采取為芯片供電，所以要設(shè)計一個為芯片供電的電路。電源直接從蓄電池取電， 經(jīng)過MC34063穩(wěn)壓后， 所用的芯片提供5 V 的工作電壓， 其電路如圖14所示。 圖14 穩(wěn)壓電源電路 Fig 14 Stabilized voltage power supply circuit 5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包

46、括程序初始化、時間設(shè)定子程序、DS1302的讀寫程序、AT89S52的讀寫程序、時間比較子程序、按鍵子程序、顯示刷新子程序等共同組成。程序開始要進(jìn)行初始化，調(diào)用AT89S52內(nèi)部存儲的開關(guān)路燈時間點，程序每隔一段時間調(diào)一次DS1302中的時間。通過程序?qū)⒃O(shè)定的時間同系統(tǒng)當(dāng)前時間進(jìn)行比較，設(shè)定的比較間隔為1秒一次，當(dāng)時間相同時，則通過程序輸出控制信號，對驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動。系統(tǒng)總體程序流程圖如圖15所示。陳序見附錄。 圖15 系統(tǒng)總體程序流程圖 Fig15 The whole syste

47、m program flow chart 太陽能跟蹤系統(tǒng)的陳序流程圖： 圖16太陽能跟蹤系統(tǒng)陳序流程圖 Fig 126Solar energy tracking system Chen sequence flow chart 6 結(jié)束語 本系統(tǒng)采用MSC一51系列單片機AT89S52為中心器件來設(shè)計路燈控制器，實現(xiàn)了設(shè)置路燈燃亮?xí)r間的功能，顯示時間的功能。系統(tǒng)設(shè)計簡便、實用性強、操作簡單。同時，系統(tǒng)采用太陽能電池進(jìn)行供電，不僅環(huán)保節(jié)能，還省去了鋪設(shè)電纜的麻煩系統(tǒng)不足之處不能自動根據(jù)光照強度改變路燈開關(guān)等，如果需要亦可以擴充

48、原系統(tǒng)。硬件控制電路簡單，可降低生產(chǎn)成本， 采用單片機可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性, 縮小系統(tǒng)的體積，調(diào)試和維護(hù)方便，并可根據(jù)具體情況修改程序中的參數(shù)。 參考文獻(xiàn) [1] 劉樹民.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與施工［M］.科學(xué)出版社,2006:25-48 [2] 張正華.有機太陽電池與塑料太陽電池［M］.化學(xué)工業(yè)出版社,2006:22-35 [3] 張宏.單片機原理及應(yīng)用［M］.中國電力出版社,2009.2:210-250 [5] 李朝青.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京航空航天出版社,1999:34-64 [6] 凌玲.太陽能半導(dǎo)體照明的機遇及前景.新材料產(chǎn)業(yè)［M］.2003:

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51、大華.綠色照明LED實用技術(shù)［M］.科學(xué)出版社,2006.2：5-36 [20] 范風(fēng)強.單片機C51應(yīng)用實戰(zhàn)集錦［M］.電子工業(yè)出版社,2003：12-58 [21] Tomhiko Ikeya,Nobuyki Sawada,Ssakae Takagi,"Multi-step constantcurrent charging method for electric vehicle,valve-regulated,lead/acid batteries during night time for loadlevellin journal of Sources"IEEE 1998；21-56

52、 [22] C.S.Moo,K.S.Ng,Y.P.Chen,Y.C.Hsieh."State-of-Charge Estimation with open-Circuit-Voltage for leadacid Batteries"IEEE 2007：56-68 [23] James H.Aylor,AlfredThieme,"A Battery State-of-Charge Indicator for Electric Wheelchairs"IEEE 1992：24-65 致謝 首先在這里我要感謝四年來每一位給我們上課的任課教師。感謝你們不辭辛苦的給我們傳授知識。

53、 這次畢業(yè)設(shè)計能夠完成，在這里首先要感謝我的導(dǎo)師匡迎春老師，他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從外出實習(xí)到查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計，等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計較為簡單，陳老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯誤。除了陳老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。還有，就是幫助過我完成設(shè)計的同學(xué)，謝謝你們！ 在這里同時也感謝四年來教育我們的老師和那些默默耕耘著的老師們，正因為有你們昨天的付出才換來了我們今天的成就！在這里真心的說一聲：謝謝! 附錄 陳序清單：

54、 LCALL KEY-SET LCALL ALM-SET\ LCALL ALM MOV ADDR-1302, #85H LCALL READ-CLOCK MOV A, DATA-1302 ANL A, #10H MOV 36H, A MOV A, DATA-1302 ANL A,#0FH MOV 37H, A MOV ADDR-1302, #83H LCALL READ-CLOCK MOV A,DATA-1302 ANL A, #0F0H MOV 38H, A MOV

55、 A, DATA-1302 ANL A, #0FH MOV 39H, A MOV ADDR-1302, #81H LCALL READ-CLOCK MOV A,DATA-1302 ANL A, #70H MOV 3AH, A MOV A, DATA-1302 ANL A, #OFH MOV 3BH, A MOV R4, #6 ORG 0000H LJMP SETUP ORG 000BH LJMP INETP ORG 0000H 時鐘陳序： SETUP:

56、 MOV TMOD, #01 MOV TH0, #60 MOV TL0, #176 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA MOV 70#, #0 MOV 71#, #0 MOV 72#, #0 MOV 73#, #0 MOV 74#, #0 MOV 75#， #0 MOV R2, #0 MAIN: LCALL DIS SJMP MAIN DIS: MOV DPTR, #TA

57、B MOV A, 70H MOVC A, @A+DPTR MOV P0, A CLR P2.0 LCALL DEL SETB P2.0 …… MOV A, 75H MOVC A, @A+DPTR MOV P0, A CLR P2.5 LCALL DEL SETB P2.3 RET TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H DB 0F8H,80H,90H; DEL: MOV R7, #0 DJN

58、Z R7, $ RET END INETP: MOV THO, #60 MOV TL0, #176 INC R2 CJNE R2, #20 PP MOV R2 #0 INC 70H MOV R3, 70H CJNE R3, #20, PP MOV 70H, #0 INC 71H MOV R3, 71H CJNE R3, #3, PP MOV 71H, #0 INC 72H MOV R3,

59、 72H CJNE R3, #20, PP MOV 72H, #0 INC 73H MOV R3, 73H CJNE R3, #3, PP MOV 73H, #0 INC 74H MOV R3, 74H CJNE R3, #2, PP MOV 74H, #0 INC 75H MOV R3, 75H CJNE R3, #6, PP MOV 75H, #0 INC 76H PP: R

60、ETI END ；步進(jìn)電機點一位控制程序（東西向） RUBA:MOV R0,#20H ；指向狀態(tài)計數(shù)器 INC @R0 ；計數(shù)器加一，正轉(zhuǎn)一步 MOV P0,@R0 ；送輸出口 CLR EA ；關(guān)一切中斷 INC R0 ；指向指針21H INC @R0

61、 ；絕對坐標(biāo)加一 CJNZ @R0,#0DH,RUB1 ；不進(jìn)位則轉(zhuǎn) INC R0 ；進(jìn)位，則位加1 INC @R0 CJNZ @R0,#0DH,RUB1 INC R0 ；高位加1 INC @R0 RUB1:SETB EA ；開一切中斷 DEC RG

62、 ；增量坐標(biāo)減1 CJNZ R6,#0FFH,RUB2 ；查是否借位 DEC R7 RUB2:MOV A,R6 ；查增量坐標(biāo)是否為0 DRL A.R7 JNZ RUB ；不為0轉(zhuǎn)出繼續(xù)執(zhí)行 CLR TR0 ；為0則停計數(shù)器 SJMP READTIME2 ；轉(zhuǎn)出讀取當(dāng)前時間 RUB3:RETI ；返回 28