【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 e Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM） ，其原理是 將電源方波數(shù)位化，并控制方波的占空比，從而達(dá)到控制電流的目的。第二種， 恒流電源調(diào)控 ，主要是 用模擬線性技術(shù)輕易調(diào)整電流 的大小 ，從而改變燈的亮度 。第三種， 分組調(diào)控 ， 將多顆 LED分組，用簡(jiǎn)單的分組器調(diào)控。 目前，針對(duì)光度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調(diào)節(jié) LED的電流（模擬調(diào)光）或在肉眼無(wú)法察覺(jué)的高頻下，讓驅(qū)動(dòng)電流從 0到目標(biāo)電流值之間來(lái)回切換（數(shù)字調(diào)光）。利用脈沖寬度調(diào)變來(lái)設(shè)定循環(huán)和工作周期可能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字電光的最簡(jiǎn)單的方法，原因是相同的技術(shù)可以用來(lái)控制大部分的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。 因此本課題選用 PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn) LED路燈的智能調(diào)光控制。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比 被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。 PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ ON），要么完全無(wú)（ OFF）。電壓或電流源是以一種通（ ON）或斷（ OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進(jìn)行編碼。 是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 在采樣光敏電阻兩端電壓 中，選用獨(dú)立的 模數(shù)（ A/D） 轉(zhuǎn)換芯片以及 單片機(jī)（ MCU）處理數(shù)字輸出 PWM的話需要接光耦進(jìn)行隔離來(lái)消除干擾，使電路變得更加復(fù)雜。所以對(duì)于電壓的采樣以及 PWM的輸出調(diào)節(jié)，使用內(nèi)置 10位 的 A/D轉(zhuǎn)換器以及帶 PWM輸出的 MCU同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，不僅 減少元器件的數(shù)量 ，而且 大大減少干擾 ， 在一定程度上減少功耗。 蓄電池容量的計(jì)算 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)采用的儲(chǔ)能裝置是蓄電池。與太陽(yáng)能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)配套的蓄電池通常工作在浮充電壓狀態(tài)下，其電壓隨太陽(yáng)能電池組件發(fā)電量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄 電池才能工作，基于如下原因。 （ 1） 太陽(yáng)能電池組件和風(fēng)力發(fā)電機(jī)只有在日照輻射和風(fēng)速大于風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)才能進(jìn)行光 /電和風(fēng) /電轉(zhuǎn)換。如果要在太陽(yáng)能電池組件和風(fēng)力發(fā)電不能進(jìn)行光 /電和風(fēng) /電轉(zhuǎn)換期間 為用電負(fù)載提供電能，離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄電池，而蓄電池必須儲(chǔ)備當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個(gè)陰雨與低于風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速天數(shù)差值期間的用電負(fù)載所需的電能。 （ 2） 太陽(yáng)能電池組件和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能極為不穩(wěn)定，配備蓄電池后，用電負(fù)載才能穩(wěn)定正常工作。 關(guān)于 蓄電池及 供電 負(fù)載的匹配 蓄電池的容量對(duì)保證連續(xù)供電是很重要的。其容量 由下列因素決定。 （ 1） 蓄電池單獨(dú)工作天數(shù)。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達(dá)到蓄電池所剩容量占正常額定容量的 20%。 （ 2） 蓄電池每天放電量。對(duì)于日負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場(chǎng)合，日放電周期深度可限制在蓄電池 所剩容量占額定電容的 80%。 （ 3） 蓄電池要有足夠的容量，以保證不會(huì)因過(guò)充電造成蓄電池失水。選擇的蓄電池容量大于太陽(yáng)能電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電峰值電流和的 25倍。 計(jì)算蓄電池容量的基本步驟如下。 （ 1） 將每天負(fù)載需要的用電量乘以根據(jù)實(shí)際情況給定的自給天數(shù)就可以初步得到蓄電池的容量。 （ 2） 將計(jì)算得到的蓄電池容 量除以蓄電池的允許最大放電深度（因?yàn)椴荒茏屝铍姵卦谧越o天數(shù)中完全放電，所以需要除以最大放電深度）得到所需的蓄電池容量。最大放電深度的選擇由廠商給定，一般有 80%放電深度（ DOD）和 50%DOD。設(shè)計(jì)中蓄電池容量的基本公式為 CB =24( 1P 1N )/( bK V ) 1P (21) 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 式中 1P 為日平均耗電量； 1N 為自給天數(shù) ； bK 為安全系數(shù)； V 為工作電壓。 CB =A 1Q 1N 0T / C (22) 式中 A 為安全系數(shù)，取 ~； 1Q 為日耗電量，即工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)； 0T 為溫度系數(shù)， 0℃以上為 1， 10℃以上取 ， 10℃以下取 ； C 為放電深度，一般鉛酸蓄電池 取 。 CB = 1Q ( 1N +1) (23) 1Q 為日平均耗電量； 1N 為自給天數(shù)。 式 (21)一般用于 24h工作的負(fù)載，式 (22)一般用于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站，式 (23)一般用于估算。 根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求， 模擬裝置中 LED路燈的 平均耗電量為 10W h（ 工作 5小時(shí)功耗 2W） 左右。由式 (23)得到蓄電池容量 BC=10*(1/8+1)= h。于是選定 容量 為 W h的鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能 設(shè)備 ，根據(jù)市面上所提供的蓄電池種類，只需一個(gè)蓄電池就足以滿足要求。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能電池組件的功率分配計(jì)算 例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用 50~200W系列的產(chǎn)品，太陽(yáng)能電池組件選用 3~120W非晶硅系列，其轉(zhuǎn)換效率取 6%，壽命 20年。蓄電池選用鉛酸蓄電池，壽命為 3~5年，放電率 30%。根據(jù)資料對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)力發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能電池組件的年發(fā)電量及二者互補(bǔ)的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)算，根據(jù)負(fù)載要求，選擇 可能的發(fā)電模式，設(shè)負(fù)載功率 130W，每天工作 5h，每年需要 240kW h。可以選擇 100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)單獨(dú)發(fā)電，或者兩組 100W太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)單獨(dú)發(fā)電，或者50W風(fēng)力發(fā)電機(jī)加一組 50W太陽(yáng)能電池板組件互補(bǔ)發(fā)電。 由于太陽(yáng)能電池板的價(jià)格較貴，目前 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)電與光電的匹配比例一般為 3:1左右。發(fā)電系統(tǒng)中各部分容量配置應(yīng)考慮的幾方面因素。 用電負(fù)荷的特征及設(shè)備日用電計(jì)算 發(fā)電系統(tǒng)是為滿足用戶的用電要求而設(shè)計(jì)的。用電負(fù)荷日用電量按下式計(jì)算 iQ = iP it (24) 式中， iQ 為用電負(fù)荷日用電量； iP 為用電設(shè)備額定功率； it 為日用電小時(shí)數(shù)。 系統(tǒng)的總用電量按下式計(jì)算 mQ =?iP iN it (25) 式中 mQ 為系統(tǒng)負(fù)荷最大用電量（ kW h）； iP 為每種相同設(shè)備的額定功率（ kW）； iN 為具有相同額定功率的設(shè)備的數(shù)量； it 為該類設(shè)備的日平均使用時(shí)間（ h）； i 為 1， 2，?， n個(gè)不同的設(shè)備數(shù)量。 太陽(yáng)能和風(fēng)能的資源狀況及發(fā)電能力的測(cè)算 依據(jù)太陽(yáng)能和風(fēng)能的資源狀況選擇太陽(yáng)能電池組件和風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量，一般是在按用戶的日用電量確定容量的前提下再考慮容量系數(shù)，而日平均量則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能組件的發(fā)電能力及當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源狀況決 定的。 Q = 1Q + 2Q (26) 式中， 1Q 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的日平均發(fā)電量； 2Q 為太陽(yáng)能電池組件的日平均發(fā)電量。 （ 1） 太陽(yáng)能電池方陣發(fā)電能力估算。影響太陽(yáng)能電池組件發(fā)電能力的因素很多，如五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 溫度、日照強(qiáng)度、陰影、晶體結(jié)構(gòu)以及負(fù)載阻抗等。為了計(jì) 算方便，可采用下述簡(jiǎn)易方式進(jìn)行估算。 太陽(yáng)能電池方陣提供給系統(tǒng)的電量用下式計(jì)算 Q =(~) PW Pt (27) 式中， Q 為日平均發(fā)電量， PW 為太陽(yáng)能電池組件峰值功率； Pt 當(dāng)?shù)胤逯等照諘r(shí)間數(shù)。 （ 2） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組供電能力的測(cè)算方法。在文中 研究部分已經(jīng)講述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能部分由直流穩(wěn)壓電流源替換，因此對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際電能計(jì)算就不在討論了。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與太陽(yáng)能電池組件功率的匹配設(shè)計(jì) （ 1） 匹配結(jié)果應(yīng)使發(fā)電量最低月的日平均發(fā)電量 Q大于或等于系統(tǒng)總用電量。 （ 2） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與太陽(yáng)能電池組件功率按 3:7~7:3的范圍進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。 （ 3） 以風(fēng)電、太陽(yáng)能分別單獨(dú)作為用戶提供日最低用電量估算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與太陽(yáng)能電池組件的功率。 綜合上面的討論， 根據(jù) 的計(jì)算 中關(guān)于蓄電池及供電負(fù)載的匹配的第（ 3） 點(diǎn)可知，太陽(yáng)能電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電峰值電流和 Im? ，即 Im? 576mA。由于 LED路燈的平均耗電量為 10W h，當(dāng)日照時(shí)間為 4小時(shí)（中午 12點(diǎn)左右至下午 4點(diǎn)左右）選定太陽(yáng)能電池板的 額定 功率為 ， 太陽(yáng)能日平均發(fā)電量 6 W h，其 開(kāi)路電壓為 20V，短路電流為 75mA；代替風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流電源的輸出功率 選定 為 4W， 工作時(shí)間 ，對(duì)應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓不 穩(wěn)定的情況， 電壓 范圍設(shè)定為 20V~30V。 本章通過(guò)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中效率轉(zhuǎn)換問(wèn)題的研究，采用了帶集成開(kāi)關(guān)電源功能的芯片來(lái)設(shè)計(jì)供電電源，對(duì)于鉛酸蓄電池的充電采用安全可靠的恒壓限流 法，利用目前成熟的 PWM技術(shù)來(lái)進(jìn)行 LED路燈調(diào)光，更加有效地實(shí)現(xiàn)智能控制。對(duì)于蓄電池容量的計(jì)算以及發(fā)電系統(tǒng)功率的匹配設(shè)計(jì)，由于本課題所設(shè)計(jì)的裝置僅僅是實(shí)現(xiàn)模擬的功能，因此在理論計(jì)算方面的誤差可能比較大，但是 對(duì)于模擬裝置的 影響不大。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 3 章 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電 LED 路燈控制 器 硬件設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括 風(fēng)光 發(fā)電 電 源電路 、 蓄電池 充電 電路和單片機(jī)控制LED路燈電路三部分 ，如圖 31所示 。風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中采用穩(wěn)壓芯片 LM2567ADJ輸出穩(wěn)定的電壓。蓄電池充電電路主要是由 NE555組成的“滯回比較器”。 LED路燈控制部分選用的單片機(jī)是 帶 10位 A/D轉(zhuǎn)換以及 PWM輸出的 STC12C5A60S2， LED驅(qū)動(dòng)電路由帶 PWM調(diào)光功能的驅(qū)動(dòng)芯片 PT4115組成。 圖 31 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 本模塊硬件電路的實(shí)現(xiàn)主要芯片是 LM2576ADJ。 LM2576系列 的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（ BUCK）的各種功能，這些器件的固定輸出電壓有 ，5V， 12V， 15V，還有可調(diào)輸出的型號(hào)。 這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器，將外部元件的數(shù)目減到最少，使用簡(jiǎn)單。已經(jīng)優(yōu)化可和 LM2576一起使用的標(biāo)準(zhǔn)系列電感由好幾個(gè)不同的電感生成商提供。次特征大大簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。其他特征包括：在指定輸入電壓和輸出條件下保證輸出電壓的 177。4%誤差，以及振蕩器頻率的 177。10%誤差。還包括外部的關(guān)斷電路，特征有 50181。A（典型值）待機(jī)電流。輸出開(kāi)關(guān)包括逐周限 流，以及在故障狀態(tài)下提供完全保護(hù)的熱關(guān)斷功能。 應(yīng)用范圍：簡(jiǎn)單高效的壓降（ BUCK）穩(wěn)壓器，線性穩(wěn)壓器的高效預(yù)穩(wěn)壓器，卡上開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，正到負(fù)的變換器（ BUCKBOOST），負(fù)升壓變換器，為電池充電器做電源，與 National Semi, On Semi的 LM2576完全互換。 LM2576ADJ 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31所示（其中 R1 = 開(kāi)路 ， R2 = 0? ） 。 LM2576ADJ的管腳 （ 1） VIN— 輸入電壓端 ， 最高輸入電壓： LM2576系列的輸入 范圍 是 ～ 37V，LM2576HV系列的輸入電壓 范圍是 ～ 60V， 為減小輸入瞬態(tài)電壓和給調(diào)節(jié)器提供開(kāi)關(guān)電流 ， 此管腳應(yīng)接旁路電容 CIN。 （ 2） OUTPUT— 穩(wěn)壓輸出端 ， 輸出高電壓為（ VIN－ VSAT） ， 輸出低電壓為 。 （ 3） GND— 電路地 ； （ 4） FEEDBACK— 反饋端 ； （ 5） ON——/OFF— 控制端 ， 高電平有效 ， 待機(jī)靜態(tài)電流僅為 50181。A 。 太陽(yáng)能發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電 鉛酸蓄電池充電以及欠壓保護(hù) 單片機(jī) STC12C5A60S2 控制 LED 燈亮度 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 31 LM2576ADJ 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 外圍元件的選擇： （ 1） 輸入電容 CIN 要選低 ESR（ Equivalent Series Resistance，譯為“ 等效串聯(lián)電阻 ”） 的鋁或鉭電容作為旁路電容，防止在輸入端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓。還有， 當(dāng)你的輸入電壓波動(dòng)較大，輸出電流有較高，容量一定要選用大些， 470μF10000μF都是可行的選擇；電容的電流均方根值至少要為直流負(fù)載電流的 1/2；基于安全考慮，電容的額定耐壓值要為最大輸入電壓的 。千萬(wàn)不要選用瓷片電容，會(huì)造成嚴(yán)重的噪聲干擾， Nichicon的鋁電解電容不錯(cuò)。 （ 2） 續(xù)流二極管 首選肖特基二極管，因?yàn)榇祟惗O管開(kāi)關(guān)速度快、正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短。 （ 3） 儲(chǔ)能電感 要求有高的通流量和對(duì)應(yīng)的電感值，電感的直流通流量直接影響輸出電流。LM2576ADJ既可工作于連續(xù)型也可非連續(xù)型，流過(guò)電感的電流若是連續(xù)的為連續(xù)型，電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)降到零為非連續(xù)型。 （ 4） 輸出端電容 COUT 使用 1μF~470μF之間的低 ESR的鉭電容。若電容值太大，會(huì)在某些情況（負(fù)載開(kāi)路、輸入端斷開(kāi)）對(duì)器件造成損害。 COUT用來(lái) 輸出濾波以及提高環(huán)路的穩(wěn)定性。如果電容的ESR太小，就有可能使反饋環(huán)路