【正文】 D C 0 )37V C C5V C C17G N D18V C C38G N D39U9A T m e g a 1 6 1 6 A CCSD A T A I NC L O C KD A T A O U TO U T _ E NV C CS C KI / OR E TB A T _ s w i t c h 1B A T _ s w i t c hL I G H Tk e y 1k e y 2k e y 3k e y 4P 2 .2P 2 .3P 2 .4P 2 .5 圖 37 ATMEGA16 的引腳圖 2. 電流電壓采集 TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過程。 29A I N 01A I N 12A I N 23A I N 34A I N 45。其特點有： （ 1） 12 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器； （ 2）在工作溫度范圍內(nèi) 10μs 轉(zhuǎn)換時間； （ 3） 11 個模擬輸入通道； （ 4） 3 路 內(nèi)置自測試方式； （ 5）采樣率為 66kb/s； （ 6）線性誤差 +1LSB（ max）； （ 7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束（ EOC）輸出； （ 8）具有單、雙極性輸出； （ 9）可編程的 MSB 或 LSB 前導(dǎo)； （ 10）可編程的輸出數(shù)據(jù)長度。 ATMEGA16 使用內(nèi)建 PWM 模塊直接生成 PWM 波，在 8MHz 內(nèi)部 RC 振蕩器下， ATMEGA16 的內(nèi)建 PWM模塊能夠工作在 7 位精度下產(chǎn)生最高約 64KHz 的 PWM 波，精度和速度能滿足系統(tǒng)要求。 控制器需要實現(xiàn)的功能有：天黑時自動關(guān)燈；在蓄電池電量不足時，自動斷開負載，防止蓄電池過放電；并要具有短路保護，反接保護等。 第 5 步：計算空氣隙 Lg 通過查 TDK E128 型磁材的飽和系統(tǒng)密度 Bsat=4000104T， 100℃時，為了使變壓器工作在低磁損狀態(tài)，選工作最大磁通密度 Bmax=1100104T。采用單端反激設(shè)計，利用 Tl431 對 5V 進行反饋，實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。 [15] 以此套太陽能路 燈的方案為例，應(yīng)用地點溫度存在低于 10℃ 以下 的情況，蓄電池電壓為 24V， LED 功率為 18W，每天工作 10h，連續(xù)陰雨天為 5天，蓄電池組容量為： BC=AQLNLTO／ CC(Ah) =(18／ 24)105／ =72Ah 選用 24V， 80Ah 的鉛酸免維護蓄電池可滿足需求。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護及其環(huán)境污染較大，所以主要適于有維護能力或低檔場合使用?？烧{(diào)三端穩(wěn)壓器 LM317給 LM2903提供穩(wěn)定的 8V工作電壓。 IOCT 的選擇應(yīng)盡可能地使 VRLA 蓄電池接近 100％的充電。圖 32所示是一個充電器基本電路。因此，在很寬的溫度范圍(0~70℃ )內(nèi)，都能精確地檢測環(huán)境溫度，保證電池既充足電又不會嚴重過充電。 UC3906內(nèi)部框圖如圖 31所示。在常規(guī)的充電技術(shù)中，不能動態(tài)跟蹤蓄電池的實際狀態(tài)和 接受充電電流大小。當電流大時，其上的電壓降也大，從而減小了充電電壓；當電流小時，由于電阻上的電壓降也很小，充電器輸出電壓降損失就小。此方法比較簡單，充電過程中不需要調(diào)整電流。要使蓄電池放電慢，且其容量易于恢復(fù)，最好采用這種小電流長時間的充電模式。 7．蓄電池的輸出效率 蓄電池的輸出效率也稱為充電效率。常用單位為安培小時，簡稱安時 (Ah)。 11第 3章 蓄電池充電與 LED 路燈控制技術(shù) 蓄電池主要參數(shù) 了解蓄電池主要參數(shù)的物理意義是光伏照明系統(tǒng)中有效使用蓄電池的前提之一，其具體參數(shù)如下： 1．蓄電池體內(nèi)電動勢 電動勢為蓄電池在理論上輸出能量多少的亮度。 (3)太陽能電池組件 太陽能電池組件的作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化成電能后，輸出直流電存入蓄電池中。 (2)晶體硅太陽能電池方陣 太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，太陽能電池單體的工作電壓約為 ，工作電流為 20～ 25mA/cm2，一般不能單獨作為電源使用。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層，這就是 PN結(jié)。如果外接燈泡 (負荷 )，就有電流流動 [3]。 太陽能電池主要由半導(dǎo)體硅制成。 太陽能路燈采用高效單晶（多晶）硅太陽能電池供電，采用 VRLA蓄電池存儲電能，用高效節(jié)能燈照明，并采用先進的充放電和照明控制電路，具有性能可靠、發(fā)光效率高、亮度大、安裝方便、無須鋪設(shè)電纜電線、無須交流電能和電費、采用直流供電、光敏控制、安裝可靠、節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保、實用（根據(jù)配置和型號不同，充電一天可供 3～ 7個陰雨天使用），是未來戶外照明的發(fā)展方向。 6 太陽能電池是太陽能照明系統(tǒng)的輸入，為整個系統(tǒng)提供照明和控制所需電能。 系統(tǒng)不同工作狀態(tài)的控制轉(zhuǎn)換和蓄電池能量管理需要由以單片機為核心的控制電路實現(xiàn)。 DC/DC變換器采用降壓拓撲結(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)的選擇不僅考慮到太陽能電池組件最大功率點電壓和蓄電池最大電壓，還同時得兼顧效率和成本。 設(shè)計指標： 路燈功率為 18W和 9W，在不同時段可以選擇不同的功率輸出，不同時點亮，電池為一節(jié) 24V電池，在太陽能不足時采用市電供電，以 LED發(fā)光管為光源，變換器效率不低于 85%，切換可以人工也可以自動，成本低于市面相關(guān)產(chǎn)品價格。在奧地利等國 ， 自己動手建造集熱器的活動 ， 促進了太陽能裝置的主動發(fā)展。 歐洲各國都在開辟通向持久能源的通道 ， 影響他們決策的主要因素是環(huán)境保護、創(chuàng)造就業(yè)機會和能源供應(yīng)的安全可靠 ， 可再生能源技術(shù)在這些方面有著較大優(yōu)勢。 LED的響應(yīng)時間一般只有幾納秒至幾十納秒，使頻繁開關(guān)，調(diào)節(jié)明暗成為可能。 人類在開發(fā)利用能源的歷史長河中，以石油、天然氣和煤炭等化石能源為主的時期，僅是一個不太長的階段，它們終將走向枯竭而被新的能源所取代。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。試驗證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)按照預(yù)定參數(shù)在三個階段以不同方式對蓄電池充電，能夠準確控制路燈的開啟 。 為了解決傳統(tǒng)太陽能照明充電系統(tǒng)效率不高、蓄電池壽命短和智能化程度低等問題，本課題設(shè)計了一種新型的基于 AVR單片機的太陽能照明控制系統(tǒng)，采用 UC3906實現(xiàn)蓄電池充電電路，獨立的 BOOST電路分別驅(qū)動兩組 LED。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。隨著化石能源的減少，其價格也會提高，這將會嚴重制約生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高。傳統(tǒng)的光源功耗比 較大，而且大多在高壓下工作，使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率，而 LED采用低壓直流供電，安全而且光源控制成本低。國內(nèi)各大研究單位都對太陽能路燈作了詳盡的研究 ， 特別是近幾年來 ， 已經(jīng)初步形成在“產(chǎn)業(yè)上規(guī)模、技術(shù)上水平、產(chǎn)品上檔次和市場要規(guī)范”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路引導(dǎo)下 ， 太陽能產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展 ， 如太陽能熱水器、太陽能光伏電池技 術(shù)日趨成熟 ， 產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。在某些國家實行的電力公司私有化，可能提高他們將太陽能裝置推向市場的興趣。 本文的設(shè)計指標 設(shè)計目標： (1)完成電池電壓、 直流總電壓、溫度、電源狀態(tài)等相關(guān)信息的采集功能，采用 PWM技術(shù)實現(xiàn)充電控制； (2)掌握單片機的原理和使用方法，擴展電路的實現(xiàn)，編程方法，設(shè)計控制電路，保證電源 穩(wěn)定輸出電壓 ，電流、電壓等保護功能，并有好的人機界面，設(shè)置、顯示相關(guān)參數(shù)，抗干擾設(shè)計使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠； (3)給出相關(guān)的程序流程圖和程序。加上KCHG有兩個作用 :一是防止太陽能電池輸出較低時由蓄電池過來的反充電 4 流；二是當太陽能電池組極性反接時起到保護電路的作用。 為了解決傳統(tǒng)太陽能照明充電系統(tǒng)效率不高、蓄電池壽命短和智能化程度低等問題，要設(shè)計一種新型的基于控制器的太陽能照明控制系統(tǒng)，以滿足太陽能照明系統(tǒng)的高效率充電，蓄電池的安全運行，以及實現(xiàn)集中化的對區(qū)域內(nèi)路燈故障的準確診斷和調(diào)試。與照明負載配合，考慮到連續(xù)陰天的情況，對系統(tǒng)容量留出一定裕度。只有詳細了解了系統(tǒng)各部分的特性才可能對系統(tǒng)進行必要的控制和管理。將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱管可將太陽能傳輸?shù)绞覂?nèi)；將太陽能轉(zhuǎn)換為氫能或其它載能化學(xué)材料，通過車輛或管道等可輸送到用能地點；空間電站將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過微波或激光將電能傳輸?shù)降孛妗４藭r，如有光照射，則激發(fā)電子自由運動流向 N型半導(dǎo)體；正電荷則集結(jié)于 P型半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生了電位勢。 N區(qū)的電子會擴散到 P區(qū)， P區(qū)的空穴會擴散到 N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由 N指向 P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。 由于科技的進步，晶圓厚度、切割技術(shù)、晶圓尺寸，以及晶圓價格，均有了長足的改善。太陽能電 池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以減少太陽能的反射損失 [5]。 太陽能電池組件的電氣參數(shù)設(shè)定如下： 10LED按 5天每天工作十小時計算， 消耗能量： P1=18 50 3600=3240000J 太陽能電池板所需功率： P2=P1/=4050000J W=P2/6/3600= 組件選用 180W，可提供 30V充電電壓的排布方式 [7]。 3．蓄電池的容量 蓄電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為蓄電池的容量，該容量是蓄電池能放出電量的總和。蓄電池比功率越大，表示可以承受的放電電流越 12大。該充電方法特別適合于由多個蓄電池串聯(lián)的蓄電池 組。充電初期電流非常大，隨著充電進行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過。在光伏照明系統(tǒng)的充放電器與蓄電池之間串聯(lián)一個電阻。 5．智能充電 智能充電是動態(tài)地自動跟蹤蓄電池可接受的充電電流，使充電電流與蓄電池內(nèi)部極化電流相一致，也稱為最小損 耗充電模式。更重要的是它能使充電器各種轉(zhuǎn)換電壓隨VRLA蓄電池電壓溫度系數(shù)變化而變化，從而使 VRLA蓄電池在很寬的溫度范圍內(nèi)都能達到最佳充電狀態(tài)。 UC3906的一個非常重要的特 性是：基準電壓隨環(huán)境溫度而變，并且變化規(guī)律與鉛酸電池電壓的溫度特性完全一致。 表 31 UC3906 管腳功能 管腳 名稱 功能描述 1 腳 C/S OUT 電流取樣放大器輸出端 2 腳 C/S 電流放大器反相輸入端 3 腳 C/S+ 電流放大器同相輸入端 4 腳 C/L 限流比較器反相輸入端 5 腳 +Vin 輸入電源正極 6 腳 GROUND 接地端 7 腳 POWER INDICATE 電源指示 8 腳 OVERCHARGE TERMINATE 過充電終止 9 腳 OVERCHARGE INDICATE 過充電指示 1610 腳 STATE LEVEL CONTROL 狀態(tài)電平控制 11 腳 TRICKLE BIAS 涓流輸出 12 腳 CHARGE ENABLE 起動比較器反相輸入端 13 腳 VOLTAGE SENSE 電壓取樣 14 腳 COMPENSATION 補償 15 腳 DRIVER SOURCE 驅(qū)動電流輸出 16 腳 DRIVER SINK 驅(qū)動電流輸 表 32 UC3906 的電氣參數(shù) 輸入電壓 40v 集電極開路輸出電壓 40v 放大器和比較器輸入電壓 ～ 40v 過充電終止端輸入電壓 ～ 40v 電流取樣放大器輸出電流 40mA 涓流輸出端輸出電流 40mA 驅(qū)動級最大產(chǎn)生電流 40mA Ta=25℃ 1000mA 工作結(jié)溫 55～ 150℃ 焊接溫度 300℃ 使用 UC3906構(gòu)成的充電器只需很少的外部元器件就可以實現(xiàn)對 VRLA蓄電池的快速精確充電。雖然某些充電器有過充電保護電路，充電率可以達到甚至超過 2C ，但是鉛酸蓄 電 池廠商推薦的充 電率范圍 是 18C/20~C/3。電位器起設(shè)定過 19放電壓的作用 [14]。國內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護 蓄電池，因為其固有的 “ 免 ” 維護特性及對環(huán)境較少污染的特點，很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng)，特別是無人值守的工作站。 因此，蓄電池的容量 BC 計算公式為： BC=AQLNLTO／ CC(Ah) 式中： A 為安全系數(shù)，取 ～ 之間； QL 為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)； NL 為最長連續(xù)陰雨天數(shù)； TO 為溫度修正系數(shù)，一般在 0℃ 以上取 1， 10℃ 以上取 ， 10℃ 以下取 ； CC 為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取 ，堿性鎳鎘蓄電池取。設(shè)計功率輸出 20W， +15V 輸出 ， 15V 輸出 ， +5V 輸出1A。 選擇 TDK E128 型磁芯、其 Ae=（ cm2），可以滿足設(shè)計要求。所以設(shè)計功能完備，結(jié)構(gòu)簡單的智能光伏路燈控制器是非常重要的 [16]。 （ 3）片載功能單元方面： 89S52 不具備片 上 AD 和 PWM（脈沖寬度調(diào)制）單元； ATMEGA16 具備最高 10 位的片上 AD 和靈活的 PWM 單元，另外， ATMEGA16 具備的 SPI 接口方便了大容量存儲器 SD 卡的直接擴展，為本系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)存儲提供了方便。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機 I/O