【正文】 第5章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 充電電路充電電路由BuckBoost型降升壓電路和環(huán)路開關(guān)組成。該電路可以在多變的情況下實現(xiàn)最大功率點跟蹤，充分利用太陽能電池的能量，提高太陽能電池的利用率，并且在不損壞蓄電池的前提下，加快充電速度。環(huán)路開關(guān)作用是接通或者斷開環(huán)路，控制開始或結(jié)束充電并防止蓄電池向太陽能電池反充。電路結(jié)構(gòu)如圖51所示。圖51 充電回路結(jié)構(gòu)圖（1）BuckBoost電路工作原理 降升壓變換器可以看作是由降壓（Buck）變換器和升壓（Boost）變換器組合演變而來的。它的電感器同時起著濾波和升壓的雙重作用。其電路組成如圖52所示。BuckBoost變換器開關(guān)閉合時的等效電路如圖53，開關(guān)斷開時的等效電路如圖54。開關(guān)閉合期間能量從電源注入并存于電感L，此時二極管被反偏截止，由濾波電容放電提供負(fù)載電流。開關(guān)斷開期間由于電感電流不能突變，電感反電勢呈現(xiàn)下正上負(fù)的極性，迫使二極管正偏導(dǎo)通，電感中的磁儲能經(jīng)二極管饋向輸出端，一方面向負(fù)載供電，一方面補充在開關(guān)閉合期間電容C泄放掉的電荷。圖52 BuckBoost變換器電路圖53 開關(guān)閉合時等效電路 圖54 開關(guān)斷開時等效電路如果開關(guān)閉合時間比較短，電感的磁儲能比較少，那么能向輸出端饋送的能量就少，穩(wěn)態(tài)時輸出端的電壓就維持在一個較低的數(shù)值之上；反之如果開關(guān)閉合時間比較長，閉合期間電感L的儲能比較多，則每個周期向輸出端饋送的能量就多一些，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓就可以維持在一個比較高的數(shù)值之上。因此調(diào)節(jié)占空比D就可以改變輸出電壓，并保持電壓穩(wěn)定。（2）主要參數(shù)計算 按照圖53和圖54的等效電路，利用變換器穩(wěn)態(tài)時一個周期內(nèi)電感電流凈波動量等于零的特點，建立開關(guān)閉合前后電感電流的關(guān)系式，得出電壓增益M的表達式為： (51)式中 ——輸出電壓值 ——輸入電壓值由上式得M的值為： (52)得 （53）電路中電感L的表達式為： (54)式中 R——負(fù)載阻值取45Ω ——開關(guān)頻率，取50KHZ δ——電感電流的相對波動度。，取1mH。電容C計算公式為： (55)式中 γ——輸出紋波系數(shù)。求得C的值為215F，取300μF。 放電電路系統(tǒng)的放電回路即LED路燈的供電電路，當(dāng)進入夜間時，充電回路斷開，蓄電池單獨為LED路燈供電，根據(jù)蓄電池及LED燈的參數(shù)關(guān)系，選擇Boost升壓電路作為放電回路的主電路，電流閉環(huán)為LED燈提供恒定的電流。電路結(jié)構(gòu)如圖55所示。其中VT1控制電路輸出電流，VT2控制LED燈的工作模式。圖55 放電回路電路結(jié)構(gòu)圖（1）Boost電路工作原理 Boost型變換器也叫并聯(lián)開關(guān)變換器。與串聯(lián)式開關(guān)變換器相比，并聯(lián)式升壓變換器有較小的射頻干擾和較低的噪音。其電路組成如圖56所示。開關(guān)閉合狀態(tài)和斷開狀態(tài)的等效電路如圖5圖58所示。開關(guān)閉合時能量從電源注入并存儲于電感L之中。由于二極管D被反偏，負(fù)載電流圖56 Boost變換器電路完全由濾波電容通過釋放電荷的形式提供。當(dāng)開關(guān)斷開后，由于電感中的電流不能突變，將產(chǎn)生左負(fù)右正極性的電勢，這個電勢與輸入電源疊加并迫使二極管導(dǎo)通將電感儲能饋送至輸出端。 圖57 開關(guān)閉合狀態(tài)等效電路 圖58 開關(guān)斷開狀態(tài)等效電路開關(guān)閉合的時間越長，電感中的電流也就越大，磁儲能也就越多，因此輸出端的電壓也就越高。這樣，調(diào)節(jié)占空比D就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，并可以在輸入變動時穩(wěn)定輸出電壓。（2）主要參數(shù)計算 根據(jù)文獻[27]中的分析方法，得出了計算Boost變換器的增益M的公式： (56)電路中電感L的計算公式為: (57)電容C計算公式為： (58)算得電容的值為280μF，取300μF。充放電電路閉環(huán)都采用PI調(diào)節(jié)，參數(shù)由仿真試湊得到。 信號采集電路（1）電壓采集電路 本系統(tǒng)需要采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，采集電路使用電阻分壓電路，阻值的選擇由被采電壓范圍及AD轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓決定，電容C起濾波作用。具體電路如圖59所示。圖59 電壓采集電路（2）電流采集電路 本文的電流采集電路使用串小電阻的方式，再用一級放大電路將信號處理為AD轉(zhuǎn)換芯片可接受的數(shù)值。 保護電路系統(tǒng)的保護主要靠單片機完成，在充電回路和放電回路的環(huán)路上都接有一個開關(guān)管，當(dāng)檢測信號超過保護設(shè)定值時芯片控制斷開開關(guān)，從而保護電路。同時在太陽能電池回路中串聯(lián)一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管應(yīng)該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低[28]。 本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設(shè)計思路，包括主控電路，充電電路，放電電路，信號采集電路及保護電路。第6章 控制器的軟件開發(fā) 系統(tǒng)軟件設(shè)計概述 總體設(shè)計本控制器以單片機為核心。首先完成系統(tǒng)初始化，包括對內(nèi)部資源模塊寄存器和對有關(guān)標(biāo)志位的初始設(shè)置。在白天，周期性的采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，系統(tǒng)根據(jù)不同的電壓組合狀態(tài)進入不同的控制流程。在夜間，周期性的采集蓄電池的端電壓及LED燈側(cè)的供電電流，完成路燈的不同功率控制以及蓄電池的放電保護。整個控制系統(tǒng)以兩種工作流程為主線，即白天的充電流程和夜間的放電流程。結(jié)合蓄電池的電壓狀態(tài)和充電電流情況，充電流程又分為MPPT、恒電壓充電和浮充三個子流程，給蓄電池快速而有效得補充能量。夜間放電流程主要實現(xiàn)LED的不同放電工作模式，即控制PWM占空比和放電時間的長短。負(fù)載工作時，還應(yīng)時刻檢測負(fù)載電路中電流，避免發(fā)生過載或短路，若發(fā)生過載或短路，系統(tǒng)會自動采取相應(yīng)的措施，保護電路。 總體軟件流程本系統(tǒng)包括三種工作狀態(tài)：太陽能對蓄電池的充電、蓄電池對LED的放電和系統(tǒng)等待狀態(tài)。系統(tǒng)等待狀態(tài)是指：太陽能既不滿足對蓄電池的充電條件，也沒有到照明設(shè)定時間，此時蓄電池只對控制系統(tǒng)供電。系統(tǒng)總體控制如下圖所示。系統(tǒng)上電后首先進行初始化，包括各存儲單元初始化、外部時鐘初始化和溫度傳感器初始化等。之后檢測當(dāng)前是否為照明設(shè)定時間，如果是照明時間，程序轉(zhuǎn)到LED燈照明控制子程序，否則檢測太陽能電池的端口電壓是否大于啟動電壓，若滿足充電條件，則系統(tǒng)對蓄電池充電，否則繼續(xù)對時鐘和太陽能電池輸出電壓進行檢測。流程圖如圖61所示。 系統(tǒng)軟件具體設(shè)計 充電控制程序?qū)τ谝粋€蓄電池，選擇適當(dāng)?shù)某潆姺椒?，不僅可以提高充電效率，而且能夠延長蓄電池的使用壽命。本文根據(jù)太陽能電池的輸出特性和蓄電池的輸入特性，采用最大功率充電(MPPT)、恒壓充電和浮充充電三種充電控制方式。其具體過程是：當(dāng)檢測到蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限Uc時，實施MPPT充電；當(dāng)檢測U=Uc時，如果此時充電電流大于轉(zhuǎn)換門限值Ic，則對蓄電池進行恒壓充電(CV)；若IIc，則轉(zhuǎn)換為浮充充電(VF)。，充電控制流程如圖62所示。 放電控制程序在LED工作的時候，需要實時檢測蓄電池的電壓，以免蓄電池過放電。進入放電子程序后首先點亮LED燈，然后判斷此時的蓄電池端口電壓是否大于最小閾值電壓U。= V，如果小于則關(guān)斷LED燈。流程圖如圖63所示。圖61 系統(tǒng)主程序流程圖圖62 充電控制程序流程圖圖63 放電控制流程圖結(jié)論本文對太陽能路燈系統(tǒng)的各部分工作原理及特性進行了介紹，對常用的充電方法、蓄電池保護方式以及LED 驅(qū)動作了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款集三階段充電法蓄電池充電、充放電保護和LED驅(qū)動控制的控制器。本文還對部分電路進行了仿真，結(jié)果基本符合要求，并設(shè)計了主要器件的硬件電路。參考文獻1 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applications．Solarenergy．2004，76：759～769致謝四年的大學(xué)生活接近尾聲，回首來時路，我深感自己收獲頗多。在畢業(yè)論文即將完成之際，謹(jǐn)向在此期間指導(dǎo)和幫助過我的老師、同學(xué)及朋友致以最崇高的敬意和深深的感謝！首先，要感謝***老師，閆老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、廣博的理論知識、豐富的實踐經(jīng)驗、踏實的工作作風(fēng)充分體現(xiàn)了師者風(fēng)范，從論文的選題到論文的撰寫，無不傾注著閆老師的細心指導(dǎo)和不懈的支持，導(dǎo)師的悉心培養(yǎng)和不倦教誨將使我受益終生。在此，謹(jǐn)向閆老師表示衷心的感謝和無比的敬意!再次，還要感謝在畢設(shè)工作中幫助過我的同學(xué)、朋友，他們的耐心幫助給了我很大的動力和支持。我還要感謝我的父母和家人，是他們在生活和學(xué)習(xí)上給予的關(guān)愛和支持，讓我能順利完成畢業(yè)論文的研究工作。最后，對在百忙中抽出寶貴時間來閱讀本文的各位評委老師表示衷心的感謝!附錄1燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱：太陽能供電LED路 燈智能控制器研究 學(xué)院（系）：里仁學(xué)院電氣工程系年級專業(yè)： 08級應(yīng)電2班 學(xué)生姓名： *** 指導(dǎo)教師： ***