【正文】 Y14MC1 22pC2 22pRESETVCCR110kVCCC3104L1C4104SW1J3PD3(INT1)1PD4(XCK/T0)2GND3VCC4GND5VCC6PB6(XTAL1/TOSC1)7PB7(XTAL2/TOSC2)8PD5(T1)9PD6(AIN0)10PD7(AIN1)11PB0(ICP1)12PB1(OC1A)13PB2(SS/OC1B)14PB3(OC2A/MOSI)15PB4(MISO)16PB5 (SCK)17AVCC18ADC619AREF20GND21ADC722PC0 (ADC0)23PC1 (ADC1)24PC2 (ADC2)25PC3 (ADC3)26PC4 (ADC4/SDA)27PC5 (ADC5/SCL)28PC6 (RESET)29PD0 (RXD)30PD1 (TXD)31PD2 (INT0)32U1 ATMEGA8_32P 圖 51 ATmega8最小系統(tǒng)原理圖 由于 ATmega8 是低電平復位，所以本設計采用自動上電復位方式。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 27 （ 8） 工作電壓： （ ATmega8L）， （ ATmega8）。有三通道 PWM， TQFP 與 MLF 封裝的8 路 ADC， 8 路 10 位 ADC。 512K 字節(jié)的 EEPROM，壽命： 100000 次寫 /擦除周期。其產品具有以下產品特點： （ 1） 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 25 i / A0u / VUI 圖 46 變電壓加些充電方法 基于用 PWM 充電法對蓄電池充電，簡單、方面及便于控制的優(yōu)勢，本次設計中對蓄電池的充電方法就采用 PWM 充電法。 PWM 調制充電方式首先對電池充電一段時間，然后讓電池停止充電一段時間，如此循環(huán)往復。理論上經過 5 小時的充電，蓄電池就能達到 99%以上的荷電狀態(tài)。三階段充電就是恒壓充電致電流降至某一閾值后，再以恒微電流充電，其充電特性曲線如圖 44 所示。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經常用到，因為這種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流不會 太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必調整電流。這種方法適合于多個鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢 復，最好用于小電流長時間的充電模式，其充電電流和電壓關系如圖 42 所示。 常用充電方法 在獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池的充電控制方對系統(tǒng)性能有至關重要的影響?？刂破魍ㄟ^微處理器對蓄電池的端電壓、放電電流、環(huán)境溫度等涉及蓄電池容量的參數(shù) 進行采樣，通過專用控制模型計算，實現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率、溫度補償?shù)母呔瓤刂?，并采用了高?PWM 蓄電池充電模式，保證蓄電池工作在最佳的狀態(tài)，有效地延長了蓄電池的壽命。本文設計的控制器采用 PWM 充電技術為核心，具備蓄電池過充、過放保護、太陽能電池過壓保護、負載短路保護等多種保護功能。單管功率的提高取決于器件將熱量從 PN 結導出的能力、在保持現(xiàn)有芯片材料、結構、封裝工藝、芯片上電流密度不變及等同的散熱條件下，單獨增加芯片的尺寸，結區(qū)溫度將不斷上升。統(tǒng)計資料表明，元件溫度每上升 2℃ ，可靠性下降 10%。 影響 LED 光源工作的因素 一般來說， LED 燈工作是否穩(wěn)定，品質好壞，與燈 體本身散熱至關重要，目前市場上的高亮度 LED 燈的散熱，常常采用自然散熱，效果并不理想。還有，高壓鈉燈的顯色指數(shù)差，只有 20 到 40，感覺昏暗；而 LED 的顯色指數(shù)高，可以達到 7580。 目前來說， LED 的發(fā)光效率從數(shù)字上來看的確不如高壓鈉燈。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 18 011 01 0 01 1 0 1 0 0/PW?/I m A 圖 31 發(fā)光亮度與驅動 電流關系 LED 亮度正比于電流強度這種特性，對于采用脈沖驅動的方式來說是很有利的，可以在直流脈沖有效值電流值不超出額定直流電流的情況下，使用高于額定電流的直流脈沖驅動而獲得更高的脈沖亮度，因為肉眼視覺暫留效應的緣故，可得到更高的主觀亮度。開啟狀態(tài)的 LED 管壓降微小變化會導致較大的電流變化，或者說 LED 是一種電流型器件，流過 LED 的電流 I 與其兩端電壓 V 的關系如式 31。值得注意的是， LED 屬于電流型器件，實際使用中通常以控制其工作電流為主。在實際使用中應根據(jù)需要選擇 FI 在 FmI 以下。 光譜半寬度 ?? ： 1/2 峰值光強所對應兩波長之間隔，表示發(fā)光管的光譜純度。低于或高于此溫度范圍會導致 LED 不能正常工作，通常發(fā)光二極管發(fā)光效率隨溫度 的升高而降低。超過此值可能損壞二極管。 LED 光源的特性可分為極限參數(shù)和一般參數(shù) [16]。當在 LED 的 PN 結上加正向電壓時， PN 結勢壘降低，載流子的擴散運動大于漂移運動，致使 P 區(qū)的空穴注入到 N 區(qū)， N 區(qū)的電子注入到 P 區(qū)，這樣相互注入的空穴與電子相遇后會產生復合，復合時產生的能量大部分以光的形式出現(xiàn)，因此而發(fā)光。復合發(fā)光根據(jù)能帶結構，帶間的復合可分為直接躍遷和間接躍遷兩種。它由管芯即發(fā)光半導體材料和導線支架組成，管芯周圍由環(huán)氧樹脂封裝，以保護管芯。 (7) 亮度調節(jié)方便 由于 LED 的工 作電流范圍較大，其光輸出和工作電流成正比，因此，可以用改變電流的方法來調光。而點 光源的光源輻射模型是最簡單的，這有利于 LED 燈具的設計。 (4) 響應時間短 氣體放電光源從啟動至光輻射穩(wěn)定輸出，需要幾十秒至幾十分的時間，這是由氣體放電光源本身的特性決定的，因為多數(shù)氣體放電燈的工作物質在常溫下是液體或固體，啟動后需要一個加熱 氣化的過程，才能達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。普通白熾燈的壽命約為一千小時，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命不超過一萬小時，高壓鈉燈壽命也不超過二萬小時。 LED 的光效經改良后可達到50～ 200Lm/W。 3 LED 固態(tài)光源 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 14 隨著白光 LED 光效的提高和成本的降低， LED 作為一種新型的綠色光源產品，被公認為將成為二十一世紀的新型照明光源。運行期間酸霧和可燃氣體逸出少。 （ 5）不需加水、補酸。 （ 3）改進的板柵材料。由于采用特殊結構設計，控制氣體的產生，所以正常使用時，蓄電池內部不產生氫氣，只產生少量氧氣，且產生的氧氣可以在蓄電池內部自行復合，由電解液吸收。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 13 在幾種可作為光伏系統(tǒng)選擇配套對象的蓄電池體系中，鋰離子蓄電池價格太高，且單體大容量技術并未完全成熟，并存在一些安全性問題；鎳氫電池和鎳鎘電池價格較高，并有一定的記憶效應，不利于 容量恢復；而鉛酸蓄電池價格低、單體電壓高、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬，應成為光伏系統(tǒng)配套蓄電池的首選。 從前面可知，蓄電池的使用壽命除了它本身內在的因素影響外，還受到溫度、放電深度 DOD、過充電程度等的影響，因此，為了延長蓄電池的使用壽命，節(jié)約系統(tǒng)的成本，在光伏系統(tǒng)中，應使蓄電池在淺放電、不過充過放電以及適合 的溫度下工作。過充電時有大量氣體析出，氣泡會損耗極板的外部，可以加速極板上活性材料的腐蝕，減少蓄電池的壽命；在過充期間過量產生的熱量會加速自然的腐蝕過程，在蓄電池中，支撐活性材料柵極的腐蝕是一種不斷進行的過程，也 許最終會決定蓄電池的使用壽命。蓄電池的循環(huán)壽命與蓄電池的放電深度有著密切的關系，閥控密封式鉛酸蓄電池在放電深度（ DOD）為 20%時，循環(huán)壽命大于 1500 次；當放電深度為 50%時，則循環(huán)壽命 將降到 500 次左右，而當放電深度為 80%時，循環(huán)壽命將只有大約 200 次。各個廠家所標注的壽命一般很長，如華達蓄電池和美國的 GNB 蓄電池為 20 年，日本的 GS 為 15 年等，其它大容量 VRLA 蓄電池一般也稱其壽命可達到 10 至 20 年，太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 12 但實際使用時，壽命僅為 7～ 8 年或更短 [13]。蓄電池的使用壽命包括使用期限和使用周期，使用期限是指蓄電池可供使用的時間，使用周期是指蓄電池可供重復使用的次數(shù)，蓄電池每經過一次全充電和全放電叫做一個周期或一個循環(huán)，蓄電池的壽命有效期包括所經受的循環(huán)壽命或使用期限。主要以鉛酸蓄電池為例來說明蓄電池的 原理。鎂儲備型電池的結構根據(jù)所需電壓及電流的大小有所不同。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 11 釩電池是目前發(fā)展勢頭強勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一，它具有特殊的電池結構，可深度大電流密度放電；充電迅速；比能量高；價格低廉；應用領域十分廣闊：如可作為大廈、機場、程控交換站備用電源；可作為太陽能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配套儲能裝置；為潛艇、遠洋輪船提供電力以及用于電網調峰等。不含有毒有害物質，被稱為綠色電池。沒有記憶效應。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上 正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。氫鎳電池在20℃ 時可以用比較大的電流放電，足以滿足動力輸出的需要。氫鎳電池由于采用高導電性電解液，電池內阻較小，可以適應大電流放電，因此它可分為低倍率、中倍率、高倍率電池。由于廢棄鎘鎳電池對環(huán)境的污染，該系列的電池將逐漸被性能更好的金屬氫化物鎳電池所取代。鎘鎳電池標稱電壓為 ，具有使用溫度范圍寬、循環(huán)和貯存壽命長、能以較大電流放電等特點，但存在“記憶”效應，常因規(guī)律性的不正確使用造成電性能下降。普通鉛酸蓄電池由于使用壽命短，效率低、維護復雜、所產生的酸霧污染環(huán)境等問題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被淘汰。 常見的蓄電池 對于蓄電池的種類，就市場上 主流產品而言，主要有四類：鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋰離子蓄電池。此外，無論在任何溫度和日照強度下，太陽能電池總有一個最大功率點，溫度 (或日照強度 )不同，最大功率點位置也不同。 （ 10）電池的旁路電阻。 （ 6）太陽能的電池的轉換效率 (η )：太陽能電池接到電路時轉換 (從吸收光的電能 ) 和收集功率的百分比。 （ 2）短路電流 (Isc)：負載電阻為零時從電池流出的電流。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低，目前國際先進水平為 10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減，直接影響了它的實際應用。非晶硅太陽能電池的結構各有不同，其中有一種較好的結構叫 PiN 電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的 N 型非晶硅， 再沉積一層未摻雜的 i 層，然后再沉積一層摻硼的 P 型非晶硅，最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。 目前太陽能電池使用的多晶硅材料，大多是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅材料和冶金級硅材料融合澆鑄而成，然后注入石墨鑄模中，即得多晶硅錠。目前單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為 15%左右，最高的達到 24%，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，技術也最為成熟但制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。從對太陽能光吸收效率、能量轉換效率、制造技術的成熟與否以 及制造成本等多個因素來看，每種光伏材料各有其優(yōu)缺點。實際中使用的太陽能電池是若干個太陽能電池單體經過串并聯(lián)并封裝后形成的太陽能電池組件，是可以單獨作為電源使用的最小單元，其功率一般為幾瓦至幾十瓦、百余瓦。當 PN 結受到光照時，硅原子受光激發(fā)而產生電子空穴對，在勢壘電場的作用下，空穴向 P 區(qū)移動，電子向 N 區(qū)移動，從而 P 區(qū)就有過剩的空穴， N 區(qū)就有過剩的電子，這樣便在 PN 附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動勢。光伏陣列就是由許多太陽電池組件經過相應的串、并聯(lián)后構成。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應直接將光能轉化為電能的裝置， 1954 年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，并首先應用于空間技術。除此三大版塊之外，未涉及到的部分地區(qū)還有著其它零星的光電企業(yè)，他們以外貼牌加工模式來運作。根據(jù)目前太陽能光電行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，按區(qū)域特性可分為三大版塊：珠江三角版塊、長江三角版塊和華北版塊。隨著太陽能電池各種新型材料的不斷開發(fā)及成功問世，且太陽能電池成本逐年下降，所以太陽能光電的應用也將日趨廣泛，它的發(fā)展已經逐漸成為一種必然趨勢。加上目前能源緊張已經逐步影響到人們日常生活的方方面面，太陽能將以其它能源無可比擬的優(yōu)勢在實際應用領 域取得舉足輕重的地位，其市場前景十分廣闊。但是，令人欣慰的是，新興市場的快速崛起將填補傳統(tǒng)光伏大國留下的空白。在世界各國尤其是美、日、德等西方發(fā)達國家先后發(fā)起的大規(guī)模國家光伏發(fā)展計劃和太陽能屋頂計劃的刺激和推動下，世界光伏工業(yè)近年來保持著年均 30%以上的高速增長勢頭，是目前發(fā)展最快的產業(yè)之一。太陽能LED 照明產業(yè)必將是一個大有發(fā)展前途的高新技術產業(yè)，不僅是經濟的一個新的增長點，更將給社會和人類帶來巨大的變革。故而利用清潔的、取之不盡用之不竭的太陽能為能源，與功