太阳能路灯控制系统的研究与设计
太阳能路灯控制系统的研究与设计[20191223142310]
摘 要
太阳能路灯控制系统由输出恒定的太阳能电池板供电部分以及以单片机为核心的太阳能控制器组成，在满足条件的情况下，实现智能控制。
设计中选用10W的多晶硅太阳能电池板，工作电压为18 ，峰值电流0.56 ，开路电压22.41 ，短路电流为0.62 。太阳能电池输出不稳定，易受到光照以及温度等影响，因此需要DC/DC变换电路，采用LM2577-ADJ/LM2596-ADJ升降压控制，令输出电压稳定在12V。
太阳能控制器由MEGA48PA单片机以及双数码显示构成，采用串联式PWM充电主电路，将使控制器充电回路的电压亏损较之利用二极管的充电电路下降近一半，充电效能较之非PWM高3%-6%，串联式PWM充电加长了用电的时间，直充、浮充的自动控制形式使系统具有更长的使用寿命。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:太阳能充放电控制电路保护功能单片机
目 录
1. 引言 1
1.1 太阳能路灯控制系统的产业概况 1
1.2 太阳能路灯控制系统的目的与意义 1
1.3 研究思路和技术方法 2
2.太阳能路灯控制系统总体设计方案 3
2.1 太阳能路灯系统的供电及DC-DC稳压设计 3
2.2 DC-DC升降压电路 3
2.3 本章小结 5
3. 太阳能路灯供电系统 6
3.1 太阳能电池的分类 6
3.1.1 太阳能电池的主要种类 6
3.1.2 太阳能电池工作原理 7
3.2 蓄电池的充电策略以及显示模块 8
3.2.1 蓄电池充电策略 8
3.2.2 充电显示模块 9
4. 太阳能路灯控制系统 7
4.1 PWM控制原理 7
4.2太阳能路灯控制的方案论证 7
4.3 太阳能路灯系统硬件电路的设计 7
4.3.1 单片机系统及显示电路 7
4.3.2 稳压电路 7
4.4 系统软件程序的设计 15
5. 实物设计与测试 16
5.1 DC/DC升降压变压器 16
5.2 路灯控制系统 16
结束语 19
参考文献 20
致谢 21
1. 引言
1.1 太阳能路灯控制系统的产业概况
太阳能路灯的控制系统(Solar Street Lamp Control System)在太阳能行业中的利用较为普遍，控制系统将协调太阳能路灯的电池板、蓄电池来提供负载输出所需的电压使其正常工作，是路灯系统非常重要的部分。能使太阳能光伏系统高效安全地工作。
太阳能路灯控制系统在人们日常的生活中如交通、通信以及工厂等方面都有应用，目前的太阳能路灯控制系统，应当具备以下功能：（1）过载保护（2）短路保护（3）反向放电保护（4）反向极性保护（5）防雷保护（6）低压防护（7）过充电防护[1]。
太阳能路灯控制系统中绝大部分具有：（1）12V电压自主判断功效（2）高效率的PWM控制充电形式，增加了蓄电池的使用时长，大大升高了系统的效率（3）利用MOSFET管当做供电的开关（4）自主判断白昼/夜晚的全面性（5）路灯的时段设置可调（6）全面的防水功能设计，该路灯充电控制系统可以应用于潮湿、灰尘以及严酷环境（7）自动调节充放电参数，增长了电池的使用寿命（8）控制器具备温度过高、放电过度、充电过度、超负荷以及短路自动防护功效（9）反接识别的自动保护功能[2]。
1.2 太阳能路灯控制系统的目的与意义
本设计的目的是将太阳能路灯控制系统运用于电力系统，弥补由于太阳能的分散性以及不稳定性造成的供电不稳定的缺点。太阳能路灯控制系统含有很多优点：如昼/夜的适用性，太阳能路灯的定时时间可调，自动调整充电和放电参数，延长了器件的使用寿命。太阳能控制系统有过充、过放以及过温、过载的保护功能，可实现更高效地利用太阳能的目的。
目前常用的太阳能路灯控制器有：MPPT路灯控制器、防水太阳能路灯控制器、太阳能路灯双路控制器、太阳能路灯半功率控制器等种类。太阳能路灯控制系统在本论文中是基于Mega48pa单片机的控制系统。太阳能电池组件通常选用单晶硅或者多晶硅太阳能电池作为材料；LED灯一般来说选用大功率的LED作为光源；控制器将具备灯光控制、时间控制、过充电和过放电的保护功效还有反接保护功效，更先进的控制器还有四个时令的时间设定、照明功能和智能充放电以及半功率作用等功效[3]；电池可以使用类似的阀控调节铅酸电池、凝胶蓄电池等。白天太阳能电池板给蓄电池充电作为供电电源，灯不点亮；在晚上，蓄电池对LED路灯放电，达到照明目的。太阳能路灯自动工作，保证阴雨天气持续供应[4]。
1.3 研究思路和技术方法
本论文中的太阳能路灯控制系统通过控制路灯的工作状态来实现智能控制，在白天，太阳能路灯不工作，光伏电池组件收集阳光的能量，同时将这股能量变化成电能并将其存放在蓄电池中，夜间光线昏暗时，蓄电池由控制系统控制输出电压，点亮路灯[5]。太阳能路灯控制系统具体可分成如下几个重要部分：太阳能电池板部分、过充以及过放的操控电路、单片机模块、蓄电池模块以及光控电路模块、照明负载LED等等。由光伏电池板转化的电力通过稳压电路给单片机供电，同时，为电池充电[6]。为了防止电池过充电或者过放电缩短其使用寿命，有必要设计一个过充电过放电的控制电路。控制器始终根据蓄电池的剩余容量自动调整负载的功率和工作时间，以达到使路灯能够可靠工作以及蓄电池不过放电的双重目的。
2.太阳能路灯控制系统总体设计方案
太阳能路灯控制系统主要由太阳能电池板、DC/DC稳压直流电路、控制电路部分（基于单片机）、过充电和过放电模块等组成。太阳能电池板经过阳光照射，产生直流电。由于电池板吸收太阳光而产生的电压不稳定，因此需要DC/DC稳压电路将电压稳定以便为后续电路供电[7]。当外界光照条件符合要求时，太阳能电池板接收太阳光照射将太阳能转化成电能，经过控制器给蓄电池充电；当光照条件变化，如黑夜或者自然照明条件差的情况下，路灯控制器将蓄电池存储的电能经过转换提供给照明灯具进行照明。系统设计框图如下图2—1所示：
图2-1系统设计框图
2.1 太阳能路灯系统的供电及DC-DC稳压设计
目前，由于市场上大部分太阳能路灯系统所需的电压为12 ，因此为了保证系统电压的充足供应，设计中选用18 的太阳能电池，但是由于太阳能电池板产生的直流电压与天气等不确定因素相关，为了保证蓄电池充电电压的稳定性，提高蓄电池的寿命，因此需要DC/DC稳压电路来维持。同时采用充电限压，电池温度检测策略，如蓄电池充电电压12 V， 充电截止电压为16V[8]。
现有的DC/DC稳压电路可分为：升压电路、降压电路、以及升降压电路等，由于太阳能电池板的特性，因此采用DC/DC升降压电路更为稳妥。为了保证电压的充足和稳定，采用的太阳能电池板满足蓄电池充电的电压乘1.5，势必有可能造成电压的过大，因此采用稳压电路就可以避免这个问题，另外考虑到阴天时阳光不充足，太阳能电池板不能提供充足的电力，所以使用升降压电路是最为稳妥的办法[9]。2.2 DC-DC升降压电路
由于设计中使用18V太阳能电池板，考虑到在不同光强下，有可能造成电压过大使负载烧毁，因此我们使用LM2577-ADJ/LM2596-ADJ升降压电路将太阳能电池的电力变换。出于安全考虑，使用DC-DC升降压电路最为稳妥。DC/DC升降压电路工作原理：太阳能电池输出电能送入DC/DC变换电路，由变换电路先进行升压，再进行降压，使得电压稳定。如图2-2所示。
图2-2 升降压变压器电路图
如图所示，当太阳电池方阵经过太阳光照射产生电流时，经过DC/DC升降压模块整流，整压，得到稳定输出的电压电流，同时应注意器件所能承受的最大电压，避免造成击穿以至于烧毁器件[10]。因此在设计太阳能电池方阵时也应考虑到这个问题。
图2-3 LM2577升压电路图
通过调节LM2596右边的可变电阻，达到输出电压在一定范围变化的效果。实现输出的可调节。若电压低于12V，则使用升压电路，将电压稳定。
LM2577-ADJ升压电路如上图2-3所示。其工作原理为：利用BOOST变换器升压原理，将5V电压升高到12V。 升降压的电路电压V其计算的式子是：VOUT=(1+R1/R2)*1.23V,R1为数字电位器，单片机作为控制其阻值大小以此来改变输出的电压[11]。经过升压处理后，LM2596进行降压处理，实现可调节电压，如图2-4为降压电路结构
图2-4 LM2596降压电路图
图2-4的开关电源调度是降压式的电源调节单片机电路，它能够供应3A的启动电流，而且含有相当良好线性及调节负载的能力。此器件以内部集成的补偿同时发生器的频率是固定的，开关频率约150千赫兹,它相较低频开关的调节器，能够利用更小的规格滤波。由于该装置采用四个外接器件，能够利用标准电感，从而优化器件的使用。
摘 要
太阳能路灯控制系统由输出恒定的太阳能电池板供电部分以及以单片机为核心的太阳能控制器组成，在满足条件的情况下，实现智能控制。
设计中选用10W的多晶硅太阳能电池板，工作电压为18 ，峰值电流0.56 ，开路电压22.41 ，短路电流为0.62 。太阳能电池输出不稳定，易受到光照以及温度等影响，因此需要DC/DC变换电路，采用LM2577-ADJ/LM2596-ADJ升降压控制，令输出电压稳定在12V。
太阳能控制器由MEGA48PA单片机以及双数码显示构成，采用串联式PWM充电主电路，将使控制器充电回路的电压亏损较之利用二极管的充电电路下降近一半，充电效能较之非PWM高3%-6%，串联式PWM充电加长了用电的时间，直充、浮充的自动控制形式使系统具有更长的使用寿命。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:太阳能充放电控制电路保护功能单片机
目 录
1. 引言 1
1.1 太阳能路灯控制系统的产业概况 1
1.2 太阳能路灯控制系统的目的与意义 1
1.3 研究思路和技术方法 2
2.太阳能路灯控制系统总体设计方案 3
2.1 太阳能路灯系统的供电及DC-DC稳压设计 3
2.2 DC-DC升降压电路 3
2.3 本章小结 5
3. 太阳能路灯供电系统 6
3.1 太阳能电池的分类 6
3.1.1 太阳能电池的主要种类 6
3.1.2 太阳能电池工作原理 7
3.2 蓄电池的充电策略以及显示模块 8
3.2.1 蓄电池充电策略 8
3.2.2 充电显示模块 9
4. 太阳能路灯控制系统 7
4.1 PWM控制原理 7
4.2太阳能路灯控制的方案论证 7
4.3 太阳能路灯系统硬件电路的设计 7
4.3.1 单片机系统及显示电路 7
4.3.2 稳压电路 7
4.4 系统软件程序的设计 15
5. 实物设计与测试 16
5.1 DC/DC升降压变压器 16
5.2 路灯控制系统 16
结束语 19
参考文献 20
致谢 21
1. 引言
1.1 太阳能路灯控制系统的产业概况
太阳能路灯的控制系统(Solar Street Lamp Control System)在太阳能行业中的利用较为普遍，控制系统将协调太阳能路灯的电池板、蓄电池来提供负载输出所需的电压使其正常工作，是路灯系统非常重要的部分。能使太阳能光伏系统高效安全地工作。
太阳能路灯控制系统在人们日常的生活中如交通、通信以及工厂等方面都有应用，目前的太阳能路灯控制系统，应当具备以下功能：（1）过载保护（2）短路保护（3）反向放电保护（4）反向极性保护（5）防雷保护（6）低压防护（7）过充电防护[1]。
太阳能路灯控制系统中绝大部分具有：（1）12V电压自主判断功效（2）高效率的PWM控制充电形式，增加了蓄电池的使用时长，大大升高了系统的效率（3）利用MOSFET管当做供电的开关（4）自主判断白昼/夜晚的全面性（5）路灯的时段设置可调（6）全面的防水功能设计，该路灯充电控制系统可以应用于潮湿、灰尘以及严酷环境（7）自动调节充放电参数，增长了电池的使用寿命（8）控制器具备温度过高、放电过度、充电过度、超负荷以及短路自动防护功效（9）反接识别的自动保护功能[2]。
1.2 太阳能路灯控制系统的目的与意义
本设计的目的是将太阳能路灯控制系统运用于电力系统，弥补由于太阳能的分散性以及不稳定性造成的供电不稳定的缺点。太阳能路灯控制系统含有很多优点：如昼/夜的适用性，太阳能路灯的定时时间可调，自动调整充电和放电参数，延长了器件的使用寿命。太阳能控制系统有过充、过放以及过温、过载的保护功能，可实现更高效地利用太阳能的目的。
目前常用的太阳能路灯控制器有：MPPT路灯控制器、防水太阳能路灯控制器、太阳能路灯双路控制器、太阳能路灯半功率控制器等种类。太阳能路灯控制系统在本论文中是基于Mega48pa单片机的控制系统。太阳能电池组件通常选用单晶硅或者多晶硅太阳能电池作为材料；LED灯一般来说选用大功率的LED作为光源；控制器将具备灯光控制、时间控制、过充电和过放电的保护功效还有反接保护功效，更先进的控制器还有四个时令的时间设定、照明功能和智能充放电以及半功率作用等功效[3]；电池可以使用类似的阀控调节铅酸电池、凝胶蓄电池等。白天太阳能电池板给蓄电池充电作为供电电源，灯不点亮；在晚上，蓄电池对LED路灯放电，达到照明目的。太阳能路灯自动工作，保证阴雨天气持续供应[4]。
1.3 研究思路和技术方法
本论文中的太阳能路灯控制系统通过控制路灯的工作状态来实现智能控制，在白天，太阳能路灯不工作，光伏电池组件收集阳光的能量，同时将这股能量变化成电能并将其存放在蓄电池中，夜间光线昏暗时，蓄电池由控制系统控制输出电压，点亮路灯[5]。太阳能路灯控制系统具体可分成如下几个重要部分：太阳能电池板部分、过充以及过放的操控电路、单片机模块、蓄电池模块以及光控电路模块、照明负载LED等等。由光伏电池板转化的电力通过稳压电路给单片机供电，同时，为电池充电[6]。为了防止电池过充电或者过放电缩短其使用寿命，有必要设计一个过充电过放电的控制电路。控制器始终根据蓄电池的剩余容量自动调整负载的功率和工作时间，以达到使路灯能够可靠工作以及蓄电池不过放电的双重目的。
2.太阳能路灯控制系统总体设计方案
太阳能路灯控制系统主要由太阳能电池板、DC/DC稳压直流电路、控制电路部分（基于单片机）、过充电和过放电模块等组成。太阳能电池板经过阳光照射，产生直流电。由于电池板吸收太阳光而产生的电压不稳定，因此需要DC/DC稳压电路将电压稳定以便为后续电路供电[7]。当外界光照条件符合要求时，太阳能电池板接收太阳光照射将太阳能转化成电能，经过控制器给蓄电池充电；当光照条件变化，如黑夜或者自然照明条件差的情况下，路灯控制器将蓄电池存储的电能经过转换提供给照明灯具进行照明。系统设计框图如下图2—1所示：
图2-1系统设计框图
2.1 太阳能路灯系统的供电及DC-DC稳压设计
目前，由于市场上大部分太阳能路灯系统所需的电压为12 ，因此为了保证系统电压的充足供应，设计中选用18 的太阳能电池，但是由于太阳能电池板产生的直流电压与天气等不确定因素相关，为了保证蓄电池充电电压的稳定性，提高蓄电池的寿命，因此需要DC/DC稳压电路来维持。同时采用充电限压，电池温度检测策略，如蓄电池充电电压12 V， 充电截止电压为16V[8]。
现有的DC/DC稳压电路可分为：升压电路、降压电路、以及升降压电路等，由于太阳能电池板的特性，因此采用DC/DC升降压电路更为稳妥。为了保证电压的充足和稳定，采用的太阳能电池板满足蓄电池充电的电压乘1.5，势必有可能造成电压的过大，因此采用稳压电路就可以避免这个问题，另外考虑到阴天时阳光不充足，太阳能电池板不能提供充足的电力，所以使用升降压电路是最为稳妥的办法[9]。2.2 DC-DC升降压电路
由于设计中使用18V太阳能电池板，考虑到在不同光强下，有可能造成电压过大使负载烧毁，因此我们使用LM2577-ADJ/LM2596-ADJ升降压电路将太阳能电池的电力变换。出于安全考虑，使用DC-DC升降压电路最为稳妥。DC/DC升降压电路工作原理：太阳能电池输出电能送入DC/DC变换电路，由变换电路先进行升压，再进行降压，使得电压稳定。如图2-2所示。
图2-2 升降压变压器电路图
如图所示，当太阳电池方阵经过太阳光照射产生电流时，经过DC/DC升降压模块整流，整压，得到稳定输出的电压电流，同时应注意器件所能承受的最大电压，避免造成击穿以至于烧毁器件[10]。因此在设计太阳能电池方阵时也应考虑到这个问题。
图2-3 LM2577升压电路图
通过调节LM2596右边的可变电阻，达到输出电压在一定范围变化的效果。实现输出的可调节。若电压低于12V，则使用升压电路，将电压稳定。
LM2577-ADJ升压电路如上图2-3所示。其工作原理为：利用BOOST变换器升压原理，将5V电压升高到12V。 升降压的电路电压V其计算的式子是：VOUT=(1+R1/R2)*1.23V,R1为数字电位器，单片机作为控制其阻值大小以此来改变输出的电压[11]。经过升压处理后，LM2596进行降压处理，实现可调节电压，如图2-4为降压电路结构
图2-4 LM2596降压电路图
图2-4的开关电源调度是降压式的电源调节单片机电路，它能够供应3A的启动电流，而且含有相当良好线性及调节负载的能力。此器件以内部集成的补偿同时发生器的频率是固定的，开关频率约150千赫兹,它相较低频开关的调节器，能够利用更小的规格滤波。由于该装置采用四个外接器件，能够利用标准电感，从而优化器件的使用。
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