【正文】 現(xiàn)狀 光伏電源 路燈 控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理的設(shè)備。在歐美、日本和美國(guó)，并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對(duì)完善，對(duì)于光伏電源控制的研究主要集巾在改進(jìn)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化控制策略，孤島效應(yīng)的檢測(cè)和解決、降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng) _T作效率等問題上。國(guó)內(nèi)具有代表性的光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器制造商有合肥陽光、北京日佳、北京自動(dòng)化研究院、北京恒電、南京冠Ⅱ、北京計(jì)科等企 業(yè)。中科院電工所、北京自動(dòng)化研究院、北京索英、北京日佳、北京計(jì)科等氽業(yè)開發(fā)出的并網(wǎng)逆變器都在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，性能和效果良好。 在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電源控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ) 能設(shè)設(shè)備的充電和對(duì)負(fù)載的放電任務(wù)。目前日本、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家外對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)電源控制器的研究辛要側(cè)重在以下三個(gè)方面 ： 提高太陽能電池的輸出功率、完善蓄電池允電策略和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過研究不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和先進(jìn)的控制算法，在太陽光強(qiáng)度、太陽能電池溫度以及負(fù)載改變的情況下，盡可能使太陽能電池時(shí)刻保持最大輸出 功率狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)。蓄電池允電策略直接影響到蓄電池的壽命，研究智能化的充電方法，提高蓄電池的充電接受率，減少充電時(shí)問，對(duì)于整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作狀況具有重要意義。獨(dú)立光伏系統(tǒng)的慮川環(huán)境一般比較惡劣，如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性也是當(dāng)前所有光伏電源控制器研究者最急需解決的問題之一。 然而，現(xiàn)已研制出來的光伏電源控制器還存在許多急需解決的問題。實(shí)際上，在 MPPT技術(shù)的使用和蓄電池充電策略的優(yōu)化之問存在矛盾沖突，能源利用效率較低，蓄電池充放電方式的不合理，對(duì)蓄電池的保護(hù)不夠充分，這些都是目前市場(chǎng) 上電源控制器普遍存在的問題。為了對(duì)太陽能光伏資源進(jìn)行全面的開發(fā)和利用，控制器的穩(wěn)定性和可靠性也有待進(jìn) 一 步提高。 設(shè)計(jì)指標(biāo) 本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求指標(biāo)如下 : 鋰蓄電池電壓的檢測(cè) 太陽能 電池電流的檢測(cè) 充放電控制電路的檢測(cè) 自動(dòng)報(bào)警電路 設(shè)計(jì)思路 本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器。采用 PWM 脈沖調(diào)制控制保護(hù)技術(shù) 。充放電控制器是太陽能路燈的核心部 件，針對(duì)鋰蓄電池充電的特殊要求，本文 巧妙地采用簡(jiǎn)單電路檢測(cè)充放電電壓電 流、軟件補(bǔ)償用于檢測(cè)的小電阻的溫度效應(yīng)，省卻硬件 補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用，降低了成本。由 單片機(jī)根據(jù)采集到的充放電電壓電流參數(shù)，發(fā)出各種摔制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)充放電控制，使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定何效地運(yùn)行 。 為了保護(hù)電路本產(chǎn)品還利用二極管和蜂鳴器設(shè)計(jì)了報(bào)警電路。如果用戶把充電池接反了電路會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警來提醒用戶。 本章小結(jié) 通過查閱資料了解太陽能路燈充放電控制器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展前景。以及介紹課題的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)和設(shè)計(jì)思路等。 第 2 章 方案選擇及單元電路的設(shè)計(jì) 方案選擇及方框圖 方案選擇 由單片機(jī)根據(jù)采集到的控制器的充放電電壓電流參數(shù)，發(fā)出各種控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)充放電控制 ，是使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運(yùn)行。更好的保護(hù)了鋰電池。延長(zhǎng)整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。 方框圖 太陽能路燈充放電控制器的 電路框圖 21所示 。太陽能電池板接收光照并把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充放電控制器為鋰蓄電池充電。 圖 21 太陽能充電器電路原理 太陽能電池 （ 1）太陽能電池的種類 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的。太陽能電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元。它的尺寸約4 平方 厘米 到 100 平方厘米。太陽能電池單體工作電壓為 一 伏，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將姍能電池單體進(jìn)行串聯(lián)，并聯(lián)和封裝后，就成為太陽能電池組件。它的功率從幾瓦到幾百瓦，可以單獨(dú)作為電源使用。太陽能電池再經(jīng)過串聯(lián)，并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了大陽能電池方陣。它可以輸出幾百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏電站的電能產(chǎn)生器。常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。目前世界上有三種己經(jīng)商品化的硅太陽能電池 :單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。 單晶硅太陽電池是當(dāng)前開發(fā)最快的一種太陽電池，它的結(jié)構(gòu) 和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。這種太陽電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求 %。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽電池等采用太陽能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。單晶硅太陽能電池的制造成本最高，但光電轉(zhuǎn)化效率也最高，最高的達(dá)到 24%。目前多晶硅太陽電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅材料和冶金級(jí)硅材 太 陽 能 電 池 板 STC12c5408AD DC/DC 變換 顯示電路 手 機(jī) 電 池 電壓檢測(cè) 按 鍵 料熔化澆鑄而成，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。這種硅錠可鑄成立方體，以便切片加工成方形太陽電池片，可提高材料利用率和方便組裝。多 晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約 12%左右，稍低于單晶硅太陽電池，但其材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。 （ 2）太陽能電池的保護(hù) 光伏系統(tǒng)在運(yùn)行中要注意對(duì)太陽能電池組件 (俗稱太陽能板 )的保護(hù)。這種保護(hù)分為兩類機(jī)械化學(xué)方面的保護(hù)和電方面的保護(hù)。機(jī)械化學(xué)方面的保護(hù)是指在封裝及安裝太陽能板的時(shí)候要考慮其防腐，防風(fēng)，防雹，防雨的能力電方面的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成與基本原理保護(hù)是指連接旁路二極管，連接防反充二極管等。在一定的條件下，一個(gè)串聯(lián)支路中被遮蔽 的太陽能電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其它有光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的能量。被屏蔽的太陽能電池組件將發(fā)熱，這叫熱斑效應(yīng)。為 了防止太陽能電池組件由于熱斑效應(yīng)而受到破壞，需要在太陽能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管。在太陽能板的保護(hù)中還用到一種防反充二極管，又稱阻塞二極管，其作用是避免由于太陽能板在陰雨天和夜間不發(fā)電時(shí)，或太陽能板出現(xiàn)短路故障時(shí)，蓄電池組通過太陽能板放電。防反充二極管串聯(lián)在太陽能板中起單向?qū)щ娮饔?。大型系統(tǒng)中還要防雷。 單片機(jī)電路介紹 單片機(jī)控制電路圖 本次設(shè)計(jì)本人采用了 STC12C5408AD單片機(jī) .該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速低功耗超強(qiáng)抗干擾是新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍，內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，四路 PWM， 8 位高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，超強(qiáng)抗干擾。 STC12C5408DA 管腳圖 他的管腳說明圖、 具體的單片機(jī)說明我這就 不說了 .如果要對(duì)該單片機(jī)進(jìn)一步了解，請(qǐng)上宏晶官網(wǎng) 鋰 蓄電池的充電特性 鋰 蓄電池選用鋰離子電池。鋰電池具有重量輕容量大無記憶效應(yīng)等優(yōu) 點(diǎn)，因而得到普遍應(yīng)用。鋰電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的 倍，而且具有很低的自放電率。此 外，鋰電池似乎沒有記憶效應(yīng)以及不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)于鋰電池的充電過程，要求是比較嚴(yán)格的。 影響蓄電池壽命的因素有 :放電深度，過充電程度等。在光伏系統(tǒng)中蓄電池的放電深度不是恒定的，它隨天氣狀況和季節(jié)而變。在天氣晴朗的夏日，蓄電池放電深度小 。在天氣陰沉的冬日，蓄電池放電深度大。過充電程度也隨季節(jié)天氣變化，在冬季，蓄電池可能從沒充滿過，在夏天，蓄電池可能經(jīng)常是滿的。為了延長(zhǎng)蓄電池的壽命，必須合理的控制蓄電池的放電與充電。當(dāng)蓄電池放電到一定程度時(shí)，應(yīng)停止放電，防止過放電減少蓄電池壽命 。當(dāng)蓄電池充電到一定程度時(shí)要 停止充電和減小充電電流，防止不合理的過充電對(duì)蓄電池造成損害。 鋰蓄電池的充電曲線如圖 22 0 . 2 5 A0 . 5 A0 . 7 5 A1 A1 . 2 5 A1 . 5 A1 . 7 5 A最 大 充 電 電 流快 充 到 減 充 過 渡 點(diǎn)浮 充 電 壓充 電 終 止 電 流預(yù) 充 電 流預(yù) 充 到 快 充 過 渡 電 壓電 壓電 流1 3 V1 4 V1 5 V1 6 V 圖 22 鋰蓄電池充電曲線 鋰蓄電池的充電過程： （ 1）如果開始充電時(shí)，電池電量很低，那么必須用小電流（大概 ）開始充電，即涓流充電。如果電壓高于 5V就不必進(jìn)行這個(gè)步驟。 （ 2）當(dāng)電池電壓大于 5V可以開始大電流充電，恒流充電。隨著充電的進(jìn)行，電池電壓逐漸升高。 （ 3）當(dāng)電池電壓達(dá)到或接近充滿電壓（如 5V左右）時(shí)，則要開始轉(zhuǎn)入恒壓充電：當(dāng)電流減少到 大概 ，則停止充電。 控制器 充 放 電 電路 充放電 電路圖如圖 23。 圖 23 控制器充放電電路圖 單片機(jī) 的 PWM控制充，放電驅(qū)動(dòng) Q1和 Q2。 （ 1） 當(dāng)蓄電池電壓 處于正常情況下，單片機(jī)控制的充電驅(qū)動(dòng) 三極管 管 Q1（ 2N5551）為高電平 導(dǎo)通 ，三極管 Q1導(dǎo)通 ，此時(shí)太陽能電板想蓄電池恒流充電；當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到 5V時(shí)，單片機(jī)控制充電驅(qū)動(dòng) Q1為 低 電平時(shí)， Q1截止，通過控制占空比，使 Q1實(shí)現(xiàn)通斷控制，此時(shí)處于恒壓浮充狀態(tài)；當(dāng)電流下降到某值時(shí)，進(jìn)行恒流充電；但蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定的過充點(diǎn) 5V時(shí)，再進(jìn)行恒壓涓流充電；涓流小到某一值，單片機(jī)控制的充電驅(qū)動(dòng) Q1進(jìn)行短路保護(hù)；當(dāng)蓄電池電壓下降到某設(shè)定值時(shí)， Q1重新導(dǎo)通，恢復(fù)為正常充電狀態(tài)。 液晶 顯示電 路 液晶顯示電路圖 管腳功能 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中： 第 1 腳： VSS 為電源地 第 2 腳： VDD 接 5V 電源正極 第 3 腳： V0為液晶顯示 器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度）。 第 4 腳： RS為寄存器選擇，高電平 1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器。 第 5 腳： RW為讀寫信號(hào)線，高電平 (1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平 (0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端。 第 7～ 14 腳： D0～ D7為 8 位雙向數(shù)據(jù)端。 第 15～ 16 腳：空腳或背燈電源。 15 腳背光正極， 16 腳背光負(fù)極。 1602B 外觀如下圖所示： 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 為了能使有效地保護(hù)電路 .本產(chǎn)品還設(shè)計(jì)了蓄電池反接報(bào)警電路 .主要利用到二極管的單向?qū)щ娞匦詠韺?shí)現(xiàn) .該設(shè)計(jì)還有一個(gè)功能就是當(dāng)用戶把電充滿的時(shí)候他也會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警來提醒用戶電已充滿 .請(qǐng)用戶注意。具體電路圖如下 簡(jiǎn)介 PADS Logic 是一個(gè)功能強(qiáng)大的、多頁的原理圖設(shè)計(jì)輸入工具，為 PADS Layout（原 PADS Layout（ PowerPCB））提供了一個(gè)高效的、簡(jiǎn)單的、前端設(shè)計(jì)環(huán)境。PADS Logic 提供了在沒頁進(jìn)行快速的存 取、在線元件編輯和方便的庫(kù)管理，以及快速的幫助向?qū)АＥc PADS Layout 完全的集成提高了原理圖設(shè)計(jì)到 PCB 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化效率， PADS Logic 允許您快速地識(shí)別相應(yīng)的元件和放置和精確度。 1 印制線路板的設(shè)計(jì) （ 1）印制線路板的條件 1） 具備電路原理圖； 2） 已知印制線路板板面需要容納的電路以及該電路內(nèi)各種元器件的型號(hào)，規(guī)則及尺寸； 3） 明確各元器件和導(dǎo)線對(duì)印制板板面安排的特殊要求； 4） 確定印制線路板在總體布局中的位置及其連接形式以及對(duì)印制線路板板面的尺寸限制或是要求等； （ 2）元件布局： 就一 般情況而言，元件布局應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮： 1）面上的元件應(yīng)按原理圖順序成直線排列，并力求安排緊湊，密集，以縮短引線。這對(duì)高頻和寬帶電路更為必要。 2）能采用單面板的盡可能使用單面板，即元件盡可能布設(shè)在印制板不焊接的一面，以便加工和安裝。 3）對(duì)雙面板或是多面板，元件放置的位置應(yīng)與相鄰印制導(dǎo)線交叉，特別是電感器件，以防止電磁干擾。 4）元件表面溫度超過 125 攝氏度時(shí)，不應(yīng)與基板接觸。防止熱量通過傳導(dǎo)，對(duì)流及輻射等而影響其他元件，并注意加用散熱器和遠(yuǎn)離熱敏元件。 5）圓形元件不易跨在金屬化通信孔上，以利于焊接 時(shí)孔內(nèi)熱空氣的流通。 變壓器或是類似的大電感器件，應(yīng)定向放置或用屏蔽罩，以減少對(duì)臨近元件的干擾。 6）在保證電性能合理的原則下，元件應(yīng)相互平行或是垂直排列，以求整齊，美觀。一般不宜將元件重疊布置，如必須重疊跨接時(shí)，應(yīng)考慮加固措施。 2 布線 布線是實(shí)施印制板線路設(shè)計(jì)的最后階段，要使電子電路獲得可能的最佳性能，封裝期間的布置和導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了使設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出質(zhì)量好，造價(jià)低，加工周期短的印制板，特別提出下列原則和要求，供大家參考。