1、长春工程学院毕业设计（论文）摘 要太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术。充分利用太阳能不仅可以节约日益减少的不可再生能源，又可以减少对环境的污染，这使太阳能成为现在社会的一种重要能源。太阳能 LED 路灯，是太阳能应用在现实生活中的实例，近几年受到普遍的关注与研究。本论文设计了一种智能太阳能 LED 路灯系统，以 AT89S51 单片机为核心，通过对光强的检测和蓄电池电量的检测，再由单片机实现设定功能。本文内容包括国内外太阳能发电现状及工作原理，方案选择，元器件选择，系统的硬件，软件设计及系统的改进方向。其中系统的硬件设计主要包括单片机最小系统、蓄电池充放电控制电路、主副电路
2、的电压变换电路、A/D 转换电路、主副电路切换电路、光强检测电路、电量检测电路、系统与上位机通信电路和温度检测等设计。关键词太阳能 LED 路灯 光强检测 电量检测Abstract：Solar photovoltaic power generation is a kind of dont need fuel, pollution-free electricity for high and new technology. Make full use of solar light can not only save increasingly reduce non-renewable energy
3、sources, and can reduce the pollution to the environment, which makes solar energy society be an important energy. Solar LED street light is a solar energy application examples in real life, so it is widely attention and research in recent years.This paper designs a kind of intelligent solar LED str
4、eet light system. It is based on AT89S51 as the core, through the optical detection and battery power, to set function by microcomputer. In this paper, the concrete content includes solar power at home and abroad present situation and the working principle, scheme selection, component selection, sys
5、tem hardware, software design and the improvement direction of the 长春工程学院毕业设计（论文）system. The systems hardware design mainly includes the SCM smallest system, storage battery charging and discharging control circuit, main circuit and assistant circuit voltage conversion circuit, A/D conversion circui
6、t, main circuit and assistant circuit of switching circuit, light intensity detection circuit, power circuit, communication circuit of system and the upper machine, temperature detection.Keywords: Solar energy LED street light Light intensity detection Capacity check长春工程学院毕业设计（论文）I目 录1 绪论 .11.1 前言 .
7、11.2 国内外发展现状 .21.3 研究的内容 .52 方案论证 .72.1 控制方式的选择 .72.2 蓄电池充电方式的选择 .72.3 电网电压的转换电路的选择 .92.4 电池电量检测方式的选择 .113 元器件选择 .133.1 太阳能电池的选择 .133.2 控制器的选择 .143.3 蓄电池的选择 .163.4 光强检测的选择 .173.5 LED 的选择 .193.6 以长春地区为例的设计举例 .204 硬件电路设计 .214.1 单片机简介 .214.2 时钟电路 .264.3 复位电路 .274.4 过充过放控制电路 .274.5 副电源电压变换电路 .284.6 报警电路
8、 .294.7 蓄电池电压变换电路 .294.8 A/D 转换电路 .304.9 光强检测及传感电路 .314.10 主副电源电路切换电路 .32长春工程学院毕业设计（论文）II4.11 电量检测电路 .324.12 系统与上位机通信电路 .334.13 温度检测电路 .335 系统软件设计 .345.1 路灯开关程序框图 .355.2 蓄电池充电程序框图 .355.3 主副电路切换程序框图 .366 系统设计展望 .377 总结 .38参考文献 .39致 谢 .40附录 .41附录一 主程序 .41附录二 原理图 .46长春工程学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 前言能源是当今世界存在和保
9、持发展的核心动力，随着社会生产的扩大、人口的增长、科技的发展等，对能源的需求也在不断增长，当今世界已经面临着能源需求量成倍增长的挑战，随之而来的是全球范围内的能源危机。在传统的能源消费结构中，以石油、天然气和煤炭为主的化石能源占有重要比例。随着人类近百年的消费，这些化石能源的消耗非常快，据专家预计地球上 25 亿年累积的化石能源，人类只要 400 年就可以消耗殆尽，因此能源危机在当代显得更加危机。不仅如此，化石能源的大量使用还造成了全球的环境恶化，引起气候异常、臭氧层空洞扩大、酸雨频发等恶果，由化石能源的消耗所产生的二氧化碳是导致地球温室效应的最主要原因，目前全世界每天产生的温室效应气体以亿吨
10、计，如果不加以控制，气温持续走高，会造成两极冰山融化、海平面上升，连人类生活的空间都将面临极大威胁。太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的新技术，具有安全可靠、无噪声、能量随处可得、不受地域限制、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便的与建筑物相结合等优点。因此，在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具潜力的研究领域。在光伏太阳能应用领域，太阳能照明占有重要的地位和份额，而 LED 太阳能路灯是一个具体而实际的应用。有资料显示，每年用于照明的电力在 3000 亿度以上，若采用 LED 照明
11、，每年就可以节约 1/3 的照明用电，基本上相当于总投资规模超过 2000 亿元的三峡工程的全年发电量。由于太阳能电池板输出的是直流电能，而 LED 也是直流驱动光源，两者的结合更是提高整个系统的效率，降低了市政成本，所以 LED 太阳能路灯越来越受到人们的重视。我国太阳能资源丰富，全国 2/3 以上地区年日照时间大于 2000h，其中西部较多地区日照时间超过 3000h。但是我国实际开发利用的太阳能资源还不到可开发利用的 1/1000，因此太阳能的发展潜力巨大。为了按照各地不同条件更好地利用太阳能，按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区，如下表 1-11所示。吉林地区属于太阳能辐射
12、量的三类地区，为中国太阳能资源的中等类型区，全年日照时数为 22003000h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为 50165852MJ，相当于 170200kg 标准煤燃烧所发出的热量。所以，如果把本地区的太阳能有效地利用起来，对于节约能源和环境保护都有着可预见的收益。长春工程学院毕业设计（论文）2表 1-1 我国太阳能资源分布情况地区类型年日照时数/(h/a)年辐射总量/MJ/(m2a)等量热量所需标准燃煤/kg包括的主要地区 备注一类 32003300 66808400 225285宁夏北部，甘肃北部，新疆东南部，青海西部，西藏西部太阳能资源最丰富地区二类 30003200 58
13、526680 200225河北西北部，山西北部，内蒙古南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部较丰富地区三类 22003000 50165852 170200山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部，福建南部，江苏北部，安徽北部，台湾西南部中等地区四类 14002200 41805016 140170湖南，广西，江西，浙江，湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，江苏南部，安徽南部，黑龙江，四川西部，台湾东北部较差地区五类 10001400 33444180 115140 四川东部，贵州，重庆 最差地区1.2 国内外发展现状1.2
14、.1 太阳能发电的国内外发展现状 太阳能发电主要利用光照的“光伏效应” 。1839 年，法国科学家 A.E.贝克雷尔发现光照能够使由两片金属侵入电解液结构的伏打电池产生额外的电位势，这种现象被称为“光生伏打效应” ，简称 “光伏效应” 。在所有能产生光伏效应的器件中，半导体 PN 结是迄今光电转换效率最高的器件，因此太阳能电池主要采用此结构。早期的太阳能电池光电转换效率低，生产成本高，阻碍了太阳能电池的使用。科学家们一直致力于太阳能电池的研究，以提高光电转换效率和降低生产成本。1954 年，美国贝尔实验室首次制成了单晶硅太阳能电池，其光电转换效率达到 6%，至此产生了太阳能转换为电能的实用光伏
15、发电技术。经过科学家的不断研究，太阳能电池的性能得到不断的提高，生产成本不断降低。近年来世界各国，特别是发达国家对光伏发电技术十分重视，世界太阳能电池年产量迅速增加，特别是在 1996 年到 2004 年期间，连续 8 年增速在 30%左右，在 2004年，达到 1200MW，在日常生活中得到普遍使用。图 1-1 所示为 19882004 年世界太阳电池的产量柱状图，具体数值见表 1-2。长春工程学院毕业设计（论文）3图 1-1 世界太阳电池的产量表 1-2 世界太阳电池产量具体数值1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004其他国家 3 4.7 4
16、.6 5.6 9.75 18.7 23.42 55 135美国 11.1 14.8 18.1 25.64 38.85 53.7 74.97 120 135欧洲 6.7 10.2 16.4 21.7 18.8 33.5 60.66 135 320日本 12.8 16.8 18.8 16.5 21.2 49 128.6 251 610合计 33.6 46.5 57.9 69.44 88.6 154.9 287.7 561 1200我国光伏产业在 2004 年之后飞速发展，年平均增长率超过 40%，如表 1-3 所示，尤其是在 20072009 年，太阳电池产量占居世界第一。通过自主创新和集成创新相
17、结合，我国光伏产业形成了具有自主知识产权的核心技术体系。目前我国千吨级多晶硅规模化技术已取得突破，2010 年基本实现自给，不再依赖进口；晶体硅太阳能电池已经占有技术和成本的绝对优势，2009 年产量已达世界产量的 40%。表 1-3 20042012 年累计安装容量项目 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012年度增加/MWP 10 27 38 52 75 105 138 180 320累计安装/MWP 55 65 92 130 182 257 362 500 680 1000注：平均年增长率 41%。随着我国光伏生产设备的国产化率的
18、不断提高，太阳能电池的成本会有很大的下降，将为太阳能在我国普及应用创造条件。太阳能未来在中国将有更大的发展空间，20132020 年规划安装容量如表 1-4 所示，其年平均增长率将超过 50%。表 1-4 20132020 年规划安装容量项目 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020年度增加/GMP 0.48 .075 1.17 1.82 2.84 4.42 6.87 10.65累计安装/GMP 1.00 1.48 2.23 3.40 5.22 8.06 12.48 19.35 30.00注：平均年增长率为 56%。长春工程学院毕业设计（论文）4
19、就长春地区来说，已有很多地方在使用太阳能路灯，下图 1-2 为位于长春高新区的长春北湖国家湿地公园的路灯。它充分利用自然资源，综合了风能发电和太阳能发电，具有巨大的实际使用价值。图 1-2 长春市太阳能路灯实例尽管太阳能光伏技术在最近几十年得到了很大的进步，但目前仍有一些问题需要克服，以更好地推动太阳能光伏的推广应用，主要问题有：太阳电池的效率还不够高，太阳电池成本下降不够，光伏发电受气候环境的影响较大，晶硅材料的能源消耗大。随着科技发展，未来光伏发电成本会继续降低。各种相关技术如晶体硅、薄膜及其他的太阳电池将逐步提高性能，模块的转换效率将进一步提高。若光伏模块的能源转换率达到 30%50%
20、，可以使太阳辐射能高效地使用，安装设计的成本会进一步降低，有利于太阳能的普及使用。尽管未来几十年，传统能源仍将是主要的能源，但可再生能源的使用比例会不断增加，发挥重要作用，这其中太阳能将成为首选。1.2.2 太阳能 LED 路灯控制器的国内外发展现状在太阳能 LED 路灯控制系统中，控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设备的充电和对负载的放电控制任务。目前日本、德国、美国等发达国家对于独立光伏系统电源控制器的研究主要侧重在以下三个方面：提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池充电策略和提高系统稳定性。通过研究不同的电路拓扑结构和先进控制算法，在太阳光强度、太阳能电池温度以及负载改变的情况下，
21、尽可能使太阳能电池时刻保持最大输出功率状态。即实现最大功率点跟踪。蓄电池充电策略直接影响到蓄电池的寿命，研究智能化的充电方法，提高蓄长春工程学院毕业设计（论文）5电池的充电接受率，减少充电时间，对于整个光伏系统的工作状态具有重要意义。独立光伏系统的应用环境一般比较恶劣，如何提高系统稳定性也是当前所有光伏电源控制器研究者最急需解决的问题之一。第三代控制器是具有两路调节功率的控制器，现已被广泛推广，在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明，节约用电，还可以针对 LED 灯进行功率调节，并具有对蓄电池等组件的保护功能。 1.3 研究的内容由于对光强使用较少，查找资料知，不同环境亮暗程度与光强对应
22、关系如下表 1-5 所示。所以，把路灯由开到关的光强设定在 40lux，把路灯由关到开的光强设定在 70lux。表 1-5（1） 不同环境对应光强所处环境 黑夜 月夜 阴天室内 阴天室外 晴天室内光强/lux 0.0010.02 0.020.3 550 50500 1001000表 1-5（2） 不同环境对应光强所处环境 阅读书刊时所需照度 家用摄像机标准照度 夏季中午太阳光下光强/lux 5060 1400 约为 109本次设计研究的系统如下：系统需要同时进行 3 个过程。一方面，通过光强监测电路实时检测当前的光强 l，路灯的开关与此时光强和此时路灯的亮灭有关，详见下表 1-6 所示。其次，
23、蓄电池的充电过程，当太阳能电量大于蓄电池电量且蓄电池电量在可充电范围内时，太阳能将给蓄电池充电。当太阳能电池的电量不足时，阻止蓄电池倒充到太阳能电池中。最后，要判断蓄电池的电量是否足够给路灯供电，在蓄电池电量不足时，要实现与电网电路的自动切换，并在蓄电池重新储存电量之后，再切换回蓄电池供电，实现资源的最大利用化。由于蓄电池在使用过程中对温度的要求比较高，太高或太低都会对蓄电池的容量产生不可恢复的影响，所以在整个过程中还要实现对蓄电池周围的温度实现实时监控。表 1-6 路灯开关判断此时路灯状态 光强 l/lux 路灯要实现的变化灭 l40 保持当前状态亮 l70 亮灭亮 l70 保持当前状态具体实现功能：（1）蓄电池储存电量足够连续三天阴雨天路灯照明；（2）当蓄电池电量不足时，电网自动接入，保证路灯的正常工作；（3）通过光线的亮暗实现路灯自动熄灭和自动点亮；长春工程学院毕业设计（论文）6（4）单片机始终处于工作状态。为了实现这些过程，具体实现步骤如下：（1）分析太阳能光伏发电技术和 LED 技术；（2）根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法；（3）设计 LED 和单片机供电电路；（4）设计电源控制电路；（5）根据系统方案设计控制器外围电路；（6）编写单片机执行程序。
