【文章內容簡介】 22 附錄三 28 組員調試相關圖片 28 第 2 頁 共 31 頁 1 引言 項目概述 自哥本哈根氣候峰會召開以來，環(huán)保節(jié)能為當今世界熱點話題，節(jié)能減排，已不僅是政府的一個行動目標，而且還能給企業(yè)帶來經營上的收入 ，讓城市居民能獲得一個較好的生存環(huán)境。節(jié)能減排更是一個人類解決環(huán)境問題的必經之路。我國節(jié)電潛力仍很大。在工業(yè)領域，通過電力電子技術的開發(fā)和應用及對風機水泵等電力拖動系統(tǒng)進行優(yōu)化，可取得顯著的節(jié)電效果；在建筑物用電方面，全面實施建筑物的能效標準，特別是改進空調制冷和取暖技術和系統(tǒng)的能效，將有巨大的節(jié)電效果。高效照明和提高家庭、辦公用電器的能效也有巨大的節(jié)電潛力。采取多種措施，推動節(jié)能節(jié)電不僅可取得好的經濟效果，還可節(jié)約電力建設投資，減小電力建設風險。如果在產業(yè)產品結構調整方面加強引導，使我國的經濟結構盡快向低 能源強度方向轉變，同時加強節(jié)能，全面提高能效，我國可能以低得多的電力消費增長，達到 GDP 翻兩番的經濟增長目標，同時帶來環(huán)保、經濟效益、能源安全等一系列的效果。電力系統(tǒng)要全面開展以節(jié)電和負荷管理為目的的需求側管理。 太陽能不僅擁有良好的經濟前景，且隨其產業(yè)化的發(fā)展，將提供越來越多的就業(yè)機會。因此太陽能光伏發(fā)電市場發(fā)展前景相當廣闊，已經引起了世界發(fā)達國家的高度重視。 與發(fā)達國家相比，中國的光伏發(fā)電產業(yè)發(fā)展緩慢，各種光伏材料的發(fā)展也相對落后?，F有的路燈大多都是市電供電，以太陽能作為能源的路燈應用不夠廣泛?；谶@一 背景，設計了一款太陽能路燈智能控制系統(tǒng)，除了用太陽能供電外，還添加了在太陽能不足以供電時由市電提供電能的轉換模塊，方便路燈照明設備的功能控制和管路。 設計目的 隨著經濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，近年來能源供需矛盾突出，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。太陽光沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且勿須開采和運輸。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點： ； ； ； 用電處就近發(fā)電； ； 。 第 3 頁 共 31 頁 而在我們生活中，許多城市都需要路燈照明系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的需求也同時對電能提出了巨大的需求。在當今的社會，能源問題本已是人類當前一個迫不及待需要解決的問題?；谶@種背景下，設計一款能將太陽能轉換為路燈所需電能的新型路燈也是很有需要的。所以我們設計的這款路燈在滿足人們在生活中照明需求的同時，還將太陽能轉換為電能給路燈供電，同時也增加了太陽能不足供電時由市電供電的轉換裝置，并是智能轉換，方便了路燈的管理。這樣一來就能達到照明、節(jié)能兩不誤的目的。 設計任務 設計出一款能夠將太陽能轉化為電能并儲存在蓄電池中且能智能給路燈供電，智能轉換蓄電池和市電對路燈供電的一個控制系統(tǒng)。設計一個功能全面，能控制蓄電池充放電，轉換供電電源的實物控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)在太陽能不足時需轉變?yōu)槭须姽╇?，市?220V 經變壓器降壓到 9V 后經全橋整流穩(wěn)壓后保持7V的穩(wěn)定值。太陽能電池板給蓄電池以 的恒定電壓充電，并且在蓄電池兩端并聯一個電壓采集電路，采樣信息由 口輸入單片機，經 AD 轉化后由單片機處理識別，并控制兩個繼電器的動作，從而實現兩供電電源的轉換。同時，單片機的另外端 口也控制指示燈的狀態(tài)，在判斷符合某指示燈亮的條件時，單片機給出亮燈信號。另一方面，單片機的電源是從市電或者蓄電池處獲得，當蓄電池電量充足時，由蓄電池給單片機供電，不足時由市電給單片機供電，其條件如路燈的控制條件。最后，繪制原理圖和 PCB 板，做出實物，進行調試，使其能達到理想的功能狀態(tài)。 研究思路和方法 主要運用模擬電子技術制作系統(tǒng)的硬件控制部分，如蓄電池充電模塊和保護模塊、市電降壓整流穩(wěn)壓模塊、單片機電源和繼電器控制電路。又應用數字電路技術以及單片微型計算機原理及接口技術來設計程序和控制繼電器的工作狀態(tài)。同時，在市電模塊需要用到電力電子技術的 ACDC 轉換，使市電變?yōu)橹绷鳛槁窡艄╇姟Ｔ谶@些思路下，開始在實驗板上搭建每個模塊的電路，驗證思路中的想法是否正確，并尋找簡化電路以更有效的實現該模塊的功能。在找到各模合適的電路后，開始設計系統(tǒng)電路原理圖，制作相關的硬件電路，然后再次調試組合后的系統(tǒng)硬件電路，解決相關的問題，并尋找能簡化或較快捷的方法。一步一步的優(yōu)化系統(tǒng)，調試相關電路。在硬件調試好了后，軟件的程序設計業(yè)要跟上腳步，按照硬件的需求實現相關功能。程序設計完后，要和硬件一起配合調試，驗證其是否達到想要的 效果，并進行相關的修改和優(yōu)化。最后，軟件和硬件的完美搭配實現這個系統(tǒng)的整體運行，并具有相關功能。 第 4 頁 共 31 頁 2 項目總體方案設計 方案選擇 該項目主要考慮以下兩種方案： 方案一：系統(tǒng)完全使用純模電電路實現。 太陽能路燈智能控制系統(tǒng)主要由電源、蓄電池過充和過放保護電路、紅外控制及光控電路以及燈具組成?？傮w框圖如圖 1 所示。 電源分為電池電源和 220V市電經 ACDC 轉換電路后的穩(wěn)定電源。 ACDC轉換電路主要由變壓器及集成穩(wěn)壓管構成。蓄電池過充保護電路是一個簡單的由穩(wěn)壓二極管、三極 管及電阻構成的電路，而在太陽能板給電池充電時為防止電池對太陽能板反向充電，需在太陽能板和電池之間接一個二極管。蓄電池過放保護電路的主要元件為滯回比較器和繼電器。由滯回比較器來判斷電池是否達到過放狀態(tài)，由繼電器作為選擇開關，來選擇用電池供電還是后備電源供電（電池在過充狀態(tài)時和陰雨天氣時）。紅外控制和光控電路主要組成部分是紅外探頭、數字電路及光敏電阻，而紅外控制部分可以集成一塊芯片，即 BISS001芯片。燈具有照明燈 具及演示時的指示燈。由于設計的是路燈，照明燈具需要足夠的亮度，可以選用 LED 燈。指示燈用簡單的發(fā)光二極管即可。 圖 1 方案一結構圖 方案二：系統(tǒng)采用單片機 12C5A60S2 控制市電和蓄電池的供電情況，并用繼電器作為中間控制器。 該方案在太陽能電池板轉換能量后，經反充和過充保護對蓄電池進行充電，此時單片機對太陽能電池板電壓和蓄電池電壓進行采樣并分析，判斷選擇哪個電源進行供電，控制兩個繼電器的通斷情 況。而市電 220V經變壓器降壓到 7V后，進入整流穩(wěn)壓電路后對燈具進行供電。 方案最終選擇理由：經小組的激烈討論后，我們選擇了方案二進行設計、交流 220V ACDC轉換電路 低壓控制開關 太陽能 電池陣列 蓄電池過充過放保護 蓄電池 光控開關電路 紅外控制開關電路 燈具 延時電路 第 5 頁 共 31 頁 制作。原因在于方案一擁有復雜的電路模塊，在實現相同的功能模塊下，需要更多的電路，故需更多的電路器件，這樣增加了制作成本。另一方面，電路的復雜累贅會增加控制電路的誤差，使最終電路不能達到預期的理想效果。再一方面是純模電電路在實現智能切換供電電源和檢測方面比較困難。故選擇使用單片機來作為本項目的控制核心。 方案二框圖如圖 2 所示。太陽能電池板產生的電壓為 9V，經處理后以 6V給 蓄電池充電。市電模塊使用的變壓器為 220V/12V。經整流穩(wěn)壓后為 7V。在電源模塊增加滑變，設置相應的阻值，可得到 5V電壓作為單片機電源。 方案二工作原理：在有陽光時，太陽能電池板將太陽能轉換為電能并儲存 在蓄電池中。蓄電池對路燈進行供電，這個過程中，單片機一直在對蓄電池和太陽能電池板的電壓進行采樣分析。如果蓄電池的電壓不足以對路燈進行供電，此時單片機控制的兩個繼電器將會做出相應的動作，使蓄電池供電轉換為市電供電。而市電 220V是經過變壓器降壓然后全橋整流、穩(wěn)壓為 7V的直流電。單片機對采回的電壓樣本經 內置的 AD 轉換器轉換為數字信號，并作出相應的分析計算。在太陽能電池板對蓄電池充電的過程中，設置了防反充和過充保護。 圖 2 方案二結構圖 3 系統(tǒng)硬件設計 太陽能路燈控制系統(tǒng)的電路原理圖 太陽能路燈主控電路原理圖如圖 3 所示，市電開關電源電路如圖 4 所示。各部分工作原理在 節(jié)詳細介紹。 市電 變壓器 整流穩(wěn) 壓 太陽能電池板 反充保 護 太陽能電池板電壓采樣 穩(wěn)壓及過充保護 蓄電池 繼電器 繼電器 穩(wěn)壓 路燈 單片機 蓄電池電 壓采樣 第 6 頁 共 31 頁 圖 3 太陽能路燈主控電路 圖 4 市電開關電源電路 市電開關電源電路 圖 4 所示為市電部分開關電源，該部分是由市電 220V 進入經變壓器 T1后降壓到 9V，然后經全橋整流變?yōu)橹绷骱蠼浄€(wěn)壓芯片 LM2596 后過電感 L1 后輸出。而電路中的肖特基二極管 D5 的作用在于續(xù)流，使輸出電壓達到穩(wěn)定。 第 7 頁 共 31 頁 調節(jié)滑變 R0 的阻值大小可以調節(jié)輸出電壓的大小。二極管 D1D4 是整流全橋的四個橋臂，對交流進行全橋整流。 單片機電源 圖 5 單片機電源電路 單片機電源電路如圖 5 所示，此部分先是市電 IN 對單片機供電，是單片機工作，如果蓄電池電量充足，則改 為蓄電池對單片機供電。此部分使用 LM117進行穩(wěn)壓，達到穩(wěn)定值 5V。而 LED0 是用來指示單片機電源工作正常。 太陽能電池板 _蓄電池充電電路 圖 6 太陽能電池板 _蓄電池充電電路 圖 6 所示部分為太陽能電池板 _蓄電池充電電路，電壓由太陽能電池板輸出經 D1 后進入穩(wěn)壓芯片 317，然后對蓄電池充電， D1 的作用是防止蓄電池對太陽能電池板反充。而 D1 后的的電阻并聯電路是對太陽能電池板電壓進行分 第 8 頁 共 31 頁 壓，在滑變 R4 上用 進行電壓采樣，分析太陽能電池板的電壓情況?；僐13 和 R12 組成的電路可將電壓穩(wěn)定在 電池進行充電，這樣既可以對蓄電池恒壓充電也可以防止對蓄電池過充。所以這一模塊包含了防過充和反充保護電路。 蓄電池電壓采樣電路 圖 7 電池電壓采樣電路 圖 7 所示電路是電池電壓采樣電路，其功能是對蓄電池的的電量情況進行監(jiān)測，單片機采集電壓樣本進行分析，并控制兩個繼電器的動作情況。其主要結構是一個用電阻 Rf 和滑變 R6 串聯，然后與蓄電池并聯。滑變采樣的輸入電壓不能超過 5v，滑變使其最大保持在 3v 左右，以使單片機內部的 AD 轉換器進行轉換供單片機分析，作出準確的判斷。這里使用的單片機端口為 口對蓄電 池電壓進行采樣。 單片機主控電路 第 9 頁 共 31 頁 圖 8 單片機主控電路 圖 8 為單片機主控電路 ,包括單片機復位電路、繼電器控制電路、震蕩電路和工作狀態(tài)指示電路。指示電路部分，當 LED0 亮時，表示蓄電池電量充滿；LED1 亮表示蓄電池電量不足； LED2 亮表示市電供電； LED3 亮表示蓄電池供電。繼電器控制電路部分，當蓄電