【正文】 對(duì)其影響也很大，所以必須對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行最佳安裝傾角和太陽(yáng)能電池傾斜面上輻射強(qiáng)度的計(jì)算。對(duì)這兩方面的計(jì)算主要采用由各向異性Hay數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)的太陽(yáng)能電池板安裝最佳傾角的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)計(jì)算： (31)式中：Hb——水平面上直接輻射量Hd——散射輻射量Rb——傾斜面與水平面上直接輻射量之比H0——大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量β——太陽(yáng)能電池板傾角H——水平面上總輻射量ρ為地物表面反射率φ——當(dāng)?shù)鼐暥圈亍粘鰰r(shí)角以及各向異性Hay模型的推導(dǎo)所得的傾斜面上太陽(yáng)輻射量的公式：(32)式中：Hb——水平面上直接Hd——散射輻射量Rb——傾斜面與水平面上直接輻射量之比H0——大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量β——太陽(yáng)能電池板傾角H——水平面上總輻射量ρ為地物表面反射率 鉛酸蓄電池雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是一個(gè)比較復(fù)雜的儲(chǔ)電裝備。鉛酸蓄電池的容量檢測(cè)由于受到諸多因素(溫度、電壓、充放電電流及次數(shù)、放電深度、內(nèi)阻、溶液的密度、使用時(shí)間、自放電等)的影響,難以準(zhǔn)確進(jìn)行在線測(cè)量，因此對(duì)蓄電池剩余荷電容量的準(zhǔn)確測(cè)試提出了很高的要求。對(duì)蓄電池剩余容量的檢測(cè)，通常有電液比重法，開路電壓法，內(nèi)阻法等。電液比重法對(duì)于閥控式密封鉛酸蓄電池不適用。開路電壓法，是基于Nernst熱力學(xué)方程電液比重與開路電壓有確定關(guān)系的原理，對(duì)于新電池尚可采用。蓄電池使用后期，當(dāng)其容量下降后，開路電壓的變化已經(jīng)無(wú)法反映真實(shí)剩余容量。此外，開路電壓法還無(wú)法進(jìn)行在線測(cè)試。內(nèi)阻法，是根據(jù)蓄電池內(nèi)阻與蓄電池的容量有著更為確定的關(guān)系，但通常必須先測(cè)出某一規(guī)格和型號(hào)蓄電池的內(nèi)阻一容量曲線，然后采用比較法通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)阻得知同型號(hào)、同規(guī)格蓄電池的剩余容量，通用性比較差，測(cè)量過(guò)程也相當(dāng)復(fù)雜。綜合以上蓄電池荷電容量（SOC）測(cè)試法的缺陷，本文采用了綜合考慮鉛酸蓄電池充放電率、充放電過(guò)程中的端電壓、電液比重、內(nèi)阻等各個(gè)物理化學(xué)參數(shù)的蓄電池剩余荷電容量（SOC）的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型就能夠較為準(zhǔn)確地反映出各個(gè)物理化學(xué)參數(shù)的變化對(duì)蓄電池剩余容量的影響。有了這樣的通用性強(qiáng)的，能夠反映各個(gè)物理化學(xué)參數(shù)連續(xù)變化對(duì)蓄電池荷電狀態(tài)影響的數(shù)學(xué)模型，就可以很方便地在線測(cè)量蓄電池的剩余容量。蓄電池剩余容量充電和放電過(guò)程的數(shù)學(xué)模型如下。蓄電池充電過(guò)程數(shù)學(xué)模型： (33)式中：U——靜止電壓SOC——蓄電池剩余荷電容量DOD——放電深度（DOD=1－SOC）I——充電電流Ah——電池標(biāo)稱容量T——環(huán)境溫度a——由于反應(yīng)物和生成物比例的改變引起的電壓變化的常數(shù)，~；b——電化學(xué)極化項(xiàng)常數(shù)，~；c——內(nèi)阻極化項(xiàng)常數(shù)，~。蓄電池放電過(guò)程數(shù)學(xué)模型： (34) 式中：d——由于反應(yīng)物和生成物比例的改變引起的電壓變化的常數(shù)，~；e——電化學(xué)極化項(xiàng)常數(shù)，~；f——內(nèi)阻極化項(xiàng)常數(shù)，~。蓄電池的循環(huán)壽命與蓄電池的放電深度有著密切的關(guān)系，閥控式密封式鉛酸蓄電池在放電深度(DOD)為20%時(shí)，循環(huán)壽命大于1500次；當(dāng)放電深度為50%時(shí)，則循環(huán)壽命將降到500次左右，而當(dāng)放電深度為80%時(shí)，循環(huán)壽命將只有大約200次(見(jiàn)圖02)。由此可以看出放電深度在20%以下時(shí)的循環(huán)壽命分別是放電深度在50%時(shí)的循環(huán)壽命3倍以上，是放電深度在80%時(shí)的循環(huán)壽命5倍以上。 控制蓄電池盡量工作在淺放電狀態(tài)(SOC50%)，將有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。另外蓄電池如果經(jīng)常處于過(guò)放（SOC10%～20%）或者過(guò)充（SOC=100%，但仍充電），其壽命一般會(huì)比長(zhǎng)期處于相對(duì)飽和狀態(tài)的蓄電池壽命要縮短到正常壽命的1/3或者更短的1/5的時(shí)間。因此，在這些僅僅依賴太陽(yáng)電池對(duì)蓄電池充電的光伏系統(tǒng)，控制器對(duì)蓄電池的控制對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能及成本的作用是顯而易見(jiàn)的[9]。根據(jù)太陽(yáng)LED路燈控制器的功能框圖所示，需要對(duì)鉛酸蓄電池的電壓進(jìn)行采樣,為了保證準(zhǔn)確性,電壓基準(zhǔn)零點(diǎn)選在太陽(yáng)電池的負(fù)極。對(duì)于鉛酸蓄電池，我們測(cè)量其端點(diǎn)電壓，并根據(jù)我們?cè)谛铍姵匦阅芊治鏊玫臄?shù)學(xué)模型，可以判斷蓄電池的剩余荷電容量SOC。并依據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)控制電池的放電，避免電池的深度放電，盡量延長(zhǎng)蓄電池的正常使用壽命。在控制器設(shè)計(jì)中，我們選擇LM331芯片對(duì)太陽(yáng)能電池和蓄電池進(jìn)行電壓采樣。LM331把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成與電壓信號(hào)大小相對(duì)應(yīng)的一定頻率的方波信號(hào)，檢測(cè)頻率信號(hào)即可知道太陽(yáng)能電池和鉛酸電池的電壓的大小，另外當(dāng)太陽(yáng)能電池的電壓，即可斷定為環(huán)境光線暗弱（天黑、陰天或是大霧等等），需打開路燈照明[8]。 表31給出了12V蓄電池放電過(guò)程中其容量與電壓的對(duì)應(yīng)值，圖31給出了太陽(yáng)能電池與鉛酸蓄電池電壓采樣模塊電路設(shè)計(jì)原理圖。 表31 12V蓄電池放電過(guò)程容量－電壓對(duì)應(yīng)值電壓/V1211SOC/%959080706050電壓/VSOC/%403020105圖31 太陽(yáng)能電池與鉛酸蓄電池電壓采樣模塊電路設(shè)計(jì)溫度影響蓄電池的容量，溫度升高，其過(guò)充電電壓降低。例如太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電時(shí)，我們對(duì)過(guò)充點(diǎn)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償方式對(duì)于2V（鉛酸蓄電池每格的電壓）蓄電池，基準(zhǔn)溫度為25℃，溫度每變化1℃，電壓補(bǔ)償3mV，為實(shí)現(xiàn)溫度的采樣，可選溫度傳感器[5]。溫度傳感器的種類眾多，智能溫度傳感器DS18B20將溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、寄存器、接口電路集成在一個(gè)芯片中，具有直接數(shù)字化輸出、測(cè)試及控制功能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、微型化、微功耗的特點(diǎn)。在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場(chǎng)合時(shí)DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，使得DS18B20更受歡迎。DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)與接口編程單片機(jī)控制DS18B20完成溫度采樣與轉(zhuǎn)換兩個(gè)步驟，先啟動(dòng)DS18B20開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度值。DS18B20引腳功能：GND電壓地、DQ單數(shù)據(jù)總線、VDD電源電壓、NC空引腳DS18B20。工作原理及應(yīng)用：DS18B20的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。圖33是溫度傳感器與主控制芯片AT89C52的引腳34是其工作流程圖。圖33 多路DS18B20與TA89C52引腳連接圖圖34 DS18B20工作流程圖 DS1307芯片作用及其與系統(tǒng)連接圖時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，太陽(yáng)能路燈控制器一方面通過(guò)太陽(yáng)能電池的光控功能自動(dòng)提供天黑、天亮的時(shí)間點(diǎn)。但是采用時(shí)鐘電路能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供更多的時(shí)間點(diǎn)，例如，我們可以根據(jù)時(shí)鐘電路確定現(xiàn)在的準(zhǔn)確時(shí)間，可以確定四季、前后半夜。使控制器能根據(jù)季節(jié)的變化來(lái)確定燈每晚點(diǎn)亮的時(shí)間，來(lái)調(diào)整負(fù)載的工作時(shí)間，使路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更為合理。另外時(shí)鐘信號(hào)也成為了一個(gè)白晝與黑夜交替時(shí)間的另一個(gè)準(zhǔn)確參考，必免開燈時(shí)間的誤判斷而影響路燈正常使用。本控制器選用DALLAS的DS1307作為時(shí)鐘電路[6]。DS1307是低功耗、I2C接口、日歷和時(shí)鐘數(shù)據(jù)，按BCD碼存取的時(shí)鐘/日歷芯片。它提供秒、分、小時(shí)、星期、日期、月和年等時(shí)鐘日歷數(shù)據(jù)。它可獨(dú)立于CPU工作，芯片還具有主電源掉電情況下的時(shí)鐘保護(hù)電路，DS1307的時(shí)鐘靠后備電池維持工作，同時(shí)還具有備用電源自動(dòng)切換控制電路，因而可在主電源掉電和其他一些惡劣環(huán)境場(chǎng)合中保證系統(tǒng)時(shí)鐘的定時(shí)準(zhǔn)確性。由于DS1307的方波輸出腳為集電極開路，故要在外部加上上拉電阻！圖35給出了DS1307與系統(tǒng)的連接原理圖。同時(shí)，也對(duì)I2C的具體做了說(shuō)明。圖35 DS1307與單片機(jī)的連接 I2C總線的特點(diǎn)：它可用兩根線（SCL、SDA）連接多個(gè)具有I2C總線的接口的器件，每類I2C器件都有唯一確定的地址號(hào)，以便在器件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。I2C總線是同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線，其內(nèi)部為雙向傳輸電路，端口輸出為開漏結(jié)構(gòu)，故總線上必須有上拉電阻，總線上可以連接若干單片機(jī)和外圍器件，每一個(gè)器件有一個(gè)唯一的地址。 I2C總線虛擬技術(shù)普通的微處理器通常無(wú)I2C總線接口，這樣要驅(qū)動(dòng)DS1307，就必須采用單主方式下的I2C總線虛擬技術(shù)，在單主方式下的I2C總線虛擬系統(tǒng)中，總線上只有一個(gè)單片機(jī)，其余都是帶I2C總線的外圍器件，因此不會(huì)出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)，主節(jié)點(diǎn)不會(huì)有自己的節(jié)點(diǎn)地址，在這種情況下，單片機(jī)可以沒(méi)有I2C總線接口，但是可以用兩根I/O口線來(lái)虛擬I2C總線接口，DS1307在I2C總線上應(yīng)作為從器件[10]。 蓄電池的充電控制電路本論文設(shè)計(jì)的充電控制器采用了斬波式PWM原理，分三個(gè)階段，第一階段為快充階段，第二階段為慢充階段，第三階段為浮充階段?？斐潆A段(10%SOC40%)：充電電路的輸出方式相當(dāng)于電流源。輸出電流蓄電池最大可接受電流Imax。充電過(guò)程中，電路檢測(cè)蓄電池端電壓。當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限（SOC40%）值后，充電電路轉(zhuǎn)到慢充階段。慢充階段(40%SOC95%)：充電電路對(duì)蓄電池提供一個(gè)較高電壓Voc，同時(shí)檢測(cè)充電電流。當(dāng)充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值Ioct(SOC95%)時(shí)，認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。浮充階段(SOC95%)：蓄電池組充滿電后，保持電量的最好方法就是給蓄電池提供一個(gè)精確的、具有溫度補(bǔ)償功能的浮充電壓[8]。浮充電壓值既要足夠大，能補(bǔ)償蓄電池的自放電電流；又不能太大，以免導(dǎo)致蓄電池電池過(guò)充而損壞。在適當(dāng)?shù)母〕錉顟B(tài)下，全封閉免維護(hù)鉛酸蓄電池能夠穩(wěn)定工作6～10年，但是如果浮充電壓即使只有5%的偏差，也會(huì)使蓄電池的壽命至少減半，所有必須保證電壓測(cè)量的準(zhǔn)確及嚴(yán)格計(jì)算。三段式充電方案完全可以避免過(guò)充。 溫度補(bǔ)償