【導(dǎo)讀】致充電電壓和充電電流不穩(wěn)定，甚至由此引起電池?fù)p耗過大、壽命變短等問題，系統(tǒng)不能正常工作。光伏發(fā)電LED控制系統(tǒng)主要闡述了整個(gè)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊。能電源電路、充電控制，功率管驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及光伏發(fā)電控制系統(tǒng)。出光強(qiáng)和LED溫度的檢測，實(shí)現(xiàn)LED的恒流驅(qū)動(dòng)、過壓保護(hù)和光衰補(bǔ)償?shù)墓δ埽恢甘拘盘?hào)，并且將外部采集的光強(qiáng)信息運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的智能控制。

　　

【正文】 的 BUCK 電路提供 9V 基準(zhǔn)電壓。因?yàn)樘柲馨l(fā)電系統(tǒng)主要用于電網(wǎng)未涉及的地域，并且由于本系統(tǒng)為獨(dú)立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)，所以整個(gè)系統(tǒng)的工作需要利用太陽能所存儲(chǔ)的電能，經(jīng)過變壓處理后提供電源支持，在本設(shè)計(jì)中欲得到 5V 和 9V 的電源來支持圖 67中各個(gè)電路模塊的工作。 蓄電池輸出 12V 電壓，經(jīng)過 9V（ D4）穩(wěn)壓二極管在 9Vout 端輸出 9V直流電壓，為 PID 反饋電路提供基準(zhǔn)比 較電壓。 9V 再經(jīng)過 LM7805 三端穩(wěn)壓集成電路 ，輸出 5V 直流電壓供單片機(jī)使用。 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)控制外接電路，因此必須要求系統(tǒng)高速率的采樣外接光照強(qiáng)度，并做出相應(yīng)的控制操作。 但由于實(shí)際外接光照并非理想，光強(qiáng)并不是連續(xù)的變化，外接的干擾（例如：人為的遮擋、烏云的遮擋），都會(huì)影響采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)的錯(cuò)誤操作，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在軟件編程中，本系統(tǒng)采用了“環(huán)路數(shù)據(jù)比較判定”的方法來減小外界干擾對系統(tǒng)的影響。 基本實(shí)現(xiàn)思想為，通過四路 AD 通道采樣光敏電阻的電 壓變化，得到 X1， X2，X3， X4四組數(shù)值， 四組數(shù)值輸入 PIC 單片機(jī)， CPU 對四路數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算 1 2 3 4 , / 4iiY X X X X X X Y? ? ? ? ? ?? （ 61） 由于 PIC 單片機(jī)不支持?jǐn)?shù)據(jù)的浮點(diǎn)運(yùn)算，因此可以先將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，然后判別。具體實(shí)現(xiàn)為： R e ( ) 5 1 0 / 2 5 6X i a d A D C c h a n n e lX? ? ? （ 62） 即將采樣的四組數(shù)值對 5進(jìn)行歸一化。 41( R e ( ) 5 1 0 / 2 5 6 ) / 4iY a d A D C X i?? ? ?? (63) “環(huán)路數(shù)據(jù)單元”的定義原理如圖 68。 環(huán)形數(shù)據(jù)單元可以實(shí)現(xiàn)判斷基準(zhǔn)光強(qiáng)的存儲(chǔ)，將采樣均值 Y和基準(zhǔn)電壓的均值 Y39。進(jìn)行比較 ?；鶞?zhǔn)電壓為 1 2 . . . ( 1 ) ( )iiY Y Y Y Y N Y N? ? ? ? ? ? ?? (64) 第六章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 圖 68 環(huán)形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 若 |YY39。|10 則認(rèn)為是干擾信號(hào)，忽略此次采樣值。 |YY39。|=10 則認(rèn)為采樣值有效，存入 Pointer 指針指向的“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元”，作為一個(gè)新的基準(zhǔn)參考電壓，同時(shí) Pointer 加 1，指向下一存儲(chǔ)單元。當(dāng)指針移動(dòng)至 N 單元時(shí)，下一次 Pointer指針重新指向單元首地址。因此運(yùn)用“環(huán)形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元”可以有效的節(jié)省系統(tǒng)的硬件存儲(chǔ)資源，并且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)對一定室間隔的數(shù)據(jù)區(qū)平均，有效的判別采樣電壓的可信性。 軟件中 PWM 信號(hào)通過 PIC 內(nèi)部的定時(shí)器 2提供，系統(tǒng)采用 1MHz 晶振，可通過軟件設(shè)置定時(shí)器 2 的分頻寄存器設(shè)置。 主程序流程圖如圖 69。定時(shí)器中斷流程圖如圖 610。詳細(xì)程序代碼如附錄A 和 B中說明。 程序流程圖主要包括兩個(gè)部分，第一部分（即流程圖一）為主程序流程圖，系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行各個(gè)寄存器 和標(biāo)志位的初始化，初始化階段完成的工作有：定時(shí)器 0、 2 完成初始設(shè)置，光強(qiáng)寄存數(shù)組初始化，各個(gè)控制標(biāo)志位初始化。之后程序開始不斷的對 AD 采樣值進(jìn)行處理分析，根據(jù)處理結(jié)果來設(shè)置控制位的狀態(tài)，若采集信息是干擾信息，則放棄此處采樣結(jié)果，等待下次信息到來，反之將采集結(jié)果寄存到光強(qiáng)數(shù)組中。當(dāng)沒有定時(shí)器中斷到來的情況下，主程序就連續(xù)不斷的對程序處理，并且設(shè)置控制位。 程序流程圖的第二部分是定時(shí)器中斷處理，程序中定時(shí)器主要負(fù)責(zé)提供 PWM控制信號(hào)以及定時(shí)信號(hào)，由于單片機(jī)采用 1MHZ 外部晶體，機(jī)器周期是 1us，因 N1 N 1 2 … … Pointe 第六章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 開始 初始化 檢測 ADC 轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位 置位 無置位 判斷是否是干擾信號(hào)？ 是 否 更新光強(qiáng)信息數(shù)組 處理光強(qiáng)信息數(shù)據(jù) 設(shè)置相應(yīng)片選信號(hào) 第六章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 圖 69 程序流程圖 此要產(chǎn)生 25KHz 的 PWM 信號(hào)需要 40 個(gè)周期，因此在定時(shí)器流程處理中，通過設(shè)置計(jì)數(shù)標(biāo)志就可以確定計(jì)時(shí)的時(shí)間，產(chǎn)生所需信號(hào)。 定時(shí)器中斷開始 重填初始化數(shù)據(jù) 計(jì)數(shù)加 1 計(jì)數(shù)達(dá)到 40？ RA4 取反輸出 計(jì)數(shù)清零 否 是 中斷返回 第七章 結(jié)論與展望 26 第七章 結(jié)論與展望 誤差分析與結(jié)論 本章主要分析各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)誤差。其中電源模塊使用 軟件進(jìn)行仿真，并通過 軟件分析結(jié)果，控制部分采用 和Proteus 實(shí)現(xiàn)仿真。 誤差分析 （ 1） 電源電路分析 實(shí)際的電源電路仿真使用元件的標(biāo)準(zhǔn)值。準(zhǔn)確值是 C1=， C2=，C3=， R1=1K， Rbias=1K， R2=34Ω， R3=。這里取標(biāo)準(zhǔn)值為 C1=80nF，C2=30pF， C3=68nF， R1=1K， Rbias=1K， R2=34Ω， R3=1450Ω，額定輸入電壓，額定負(fù)載下的仿真，電壓響應(yīng)如圖 71。 圖 71 電壓穩(wěn)定時(shí)間大約為 1 毫秒，穩(wěn)定時(shí) 18V，峰值電壓 36V，穩(wěn)定后的電壓紋波如圖 72。 圖 72 第七章 結(jié)論與展望 27 額定負(fù)載下，輸入電壓改變時(shí)的仿真 ，輸入電壓 30V 時(shí)的電壓響應(yīng)如圖 73。 圖 73 由圖 73可知，輸出電壓紋波系數(shù)為 6mV，而且穩(wěn)壓效果好。 由仿真結(jié)果可以知，電源電路設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。 （ 2） LED 功率驅(qū)動(dòng)能力分析 根據(jù)第五章設(shè)計(jì)論述，系統(tǒng)可以在 12V 蓄電池的輸入條件下，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在 12V，電流 320mA。 （ 3）抗干擾能力分析 系統(tǒng)抗干擾特性部分主要采用軟件實(shí)現(xiàn)?？紤]到外界光照強(qiáng)度時(shí)連續(xù)變化的量，因此對于劇烈變化外界變化，程序采用長度為 40 的環(huán)形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，寄存當(dāng)前時(shí)間的錢 40 秒鐘光強(qiáng)度信息。模塊采樣周期為 2秒 /次，初 始化需要經(jīng)過40 秒，之后對于外界的劇烈變化，系統(tǒng)將采樣值和寄存均值進(jìn)行比較，若小于閾值則認(rèn)為是干擾信息，系統(tǒng)放棄存儲(chǔ)本次采集信息，并且不會(huì)控制硬件動(dòng)作；若采樣值大于閾值，則認(rèn)為是正常數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)單元。同時(shí)判定當(dāng)前的環(huán)境光照強(qiáng)度，完成對各個(gè)模塊的控制。測試結(jié)果系統(tǒng)工作過程和預(yù)期一致，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。 結(jié)論 太陽能光伏發(fā)電 LED 控制系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，也是當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一，具有很高的實(shí)用價(jià)值。本論文首先介紹了該系統(tǒng)研究內(nèi)容和研究方法，然后分別分析和設(shè)計(jì)出太陽 能電源電路、充電保護(hù)電路、LED 驅(qū)動(dòng)電路和控制系統(tǒng)，對光伏發(fā)電 LED 控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的分析與第七章 結(jié)論與展望 28 研究。 綜合，論文主要完成了以下設(shè)計(jì)工作： (1)闡述了光伏發(fā)電的 LED 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。 (2)根據(jù)指標(biāo)要求完成了各個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)。 (3)完成了對軟件編程，并且進(jìn)行了大量的調(diào)試及修改完善工作，使整個(gè)系統(tǒng)能較穩(wěn)定的運(yùn)行。 (4)借助仿真軟件，進(jìn)行了系統(tǒng)部分模塊的模擬調(diào)試，驗(yàn)證了控制器的合理性和可靠性，基本完成了光伏發(fā)電 LED 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。 有待進(jìn)一步研究的問題 本論文雖然已基本完成 太陽能光伏發(fā)電 LED 控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，但由于學(xué)術(shù)水平、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及時(shí)間、條件等的限制，仍有很多不足的地方，與本文相關(guān)的問題還有大量工作需要進(jìn)一步深入進(jìn)行。 其中包括： (1) 電源電路的輸入電壓最高位 37V，高于 37V 時(shí)輸出特性明顯下降，其中PID 控制參數(shù)還可根據(jù)實(shí)際輸出效果做進(jìn)一步優(yōu)化。 (2)考慮到實(shí)驗(yàn)的可行性，本次設(shè)計(jì)中的 LED 燈設(shè)定的功率不是很大，只做到了幾十瓦，在實(shí)際應(yīng)用中需要更大功率的 LED 燈。所以在 LED 驅(qū)動(dòng)電路方面還有待更加深入的研究。 參考文獻(xiàn) 29 參考文獻(xiàn) [1] 趙明 ,楊勁松 ,錢偉 ,曹剛 .大功率 LED 路燈驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) .照明工程學(xué)報(bào) ,20xx,22,6669 [2] 陳尚伍 ,陳敏 ,錢照明 .高亮度 LED太陽能路燈照明系統(tǒng) .電力電子技 ,20xx,(6):4345 [3] 鄧超平 ,凌志斌 .新型的單相 Buck 電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正 . 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào) .20xx, 38(8). 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