电气工程及其自动化毕业论文

SJ005-1

毕 业 设 计 说 明 书

2013年6月

摘 要

随着可持续发展的不断深入，人们在积极开发各类可再生新能源的同时也在倡导节能减排的绿色环保技术。太阳能作为一种清洁的优秀的可再生能源，已成为最有价值的新能源。而在照明领域，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的LED固态照明也已被公认为一种节能环保的重要途径。

本设计围绕太阳能光伏发电技术和LED照明技术，本文设计了一个太阳能LED灯控制系统，介绍了LED灯的原理和选择方法、太阳能电池的原理以及功率的选取原则、蓄电池的原理和容量的匹配方法、单片机的原理和应用以及各部分电路的设计过程，重点分析研究了基于TA89C51单片机和TLC549转换器结合，利用TLC549测量蓄电池端电压，将模拟信号转换成数字信号，数字信号传送给单片机，然后通过单片机检测控制MOS管通断，进而控制蓄电池的充放电，同时还保证了电池不过充也不过放，大大的延长了台灯的使用寿命。所设计的太阳能LED灯控制系统照明良好、环保节能，满足家庭所需照明的要求。太阳能LED照明集成了太阳能、LED的优点和单片机的应用。

关键词：太阳能， LED灯，节能，单片机，蓄电池

Abstract

Along with the deepening of the sustainable development, people are actively developing various renewable new energy at the same time advocating energy conservation and emission reduction of green technology. Solar energy as a clean renewable energy, new energy has become the most valuable. And in the field of lighting, long life, energy saving, safety, green environmental protection, color is rich, the miniaturization of LED solid-state lighting have been recognized as an important way ofenergy conservation and environmental protection

Around the solar photovoltaic technology and LED lighting technology, designed a solar LED lighting control system, this paper introduces the principle of LED lights and selection method, the principle of solar cell and power selection principle, the principle and the capacity of the battery matching method, the single chip microcomputer principle and application, and each part of circuit design process, focus on analysis based on TA89C51 microcontroller and eight bits converters are studied and measured by eight bits voltage of the battery, to convert analog signal to digital signal, digital signal transmitted to MCU, and controlled by single-chip microcomputer testing MOS tube make-and-break, solar lamp to control charging and discharging, but also to ensure the battery charge but also discharge, however, greatly extend the service life of the lamp. The designed solar LED lighting good, environmental protection and energy saving lamp control system, to meet the requirements of the family needed for lighting. Solar energy LED lighting integrated with the advantages of solar energy, LED and application of single-chip microcomputer.

Key words: solar energy, LED lights, energy saving, single-chip computer, battery

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 课题来源及现状 1

1.2 课题研究的的目的和意义 2

1.3 存在的问题和发展 3

1.4 小结 3

第二章 各组成部分概述 4

2.1 太阳能电池概述 4

2.1.1 太阳能电池的原理 4

2.1.2 太阳能电池的分类 4

2.2 蓄电池概述 6

2.3 LED概述 7

2.3.1 发光原理 7

2.3.2 LED激励方式 8

2.4 小结 8

第三章 设计方案 9

3.1 太阳能台灯设计方案 9

3.1.1 设计方案一 9

3.1.2 设计方案二 9

3.1.3 控制方案论证与选择 10

3.2 方案描述 10

3.2.1 总体部分 10

3.2.2 控制部分 11

3.3 方案配置与计算 12

3.3.1 LED灯的选择 12

3.3.2 蓄电池的选择 13

3.3.3 太阳能电池的选择 14

3.3.4 控制芯片的选择 15

3.4 小结 18

第四章 系统硬件设计 19

4.1 单片机震荡复位电路 19

4.2 电源电路 19

4.3 A/D转换器基准电压连接电路 20

4.4 电池端电压测试电路 21

4.5 开关电路设计 21

4.6 LED指示电路 22

4.7 小结 23

第五章 系统软件设计 24

5.1 系统工作原理 24

5.2 控制过程流程图 24

5.3 端电压测试设计 28

5.4 充电控制设计 30

5.5 放电控制系统 32

5.6 小结 33

第六章 安装与调试 34

6.1 模拟调试 34

6.2 系统电路的仿真 37

6.3 测试结果与存在不足 39

6.4 小结 39

第七章 小 结 40

第八章 致 谢 41

第九章 参考文献 42

附 录 43

附录1：控制原理图 43

附录2：元件清单 44

附录3：功能程序 45

第一章 绪 论

1.1 课题来源及现状

随着科学技术的不断发展和进步，生产与自动化的观念逐渐深入人心。生产与加工过程离不开产品的开发与设计，在生产自动化大幅度提升生产效率的同时，设计自动化也正迎头赶上。

单片机是个嵌入式系统独自发展的道路，是向MCU期段发展的主要的原因，便是寻找实用系统在芯片上最大化决策；所以，只用单片机的发展很明白的形成了SOC化局势。随着IC设计、微电子技术和EDA工具的退出，基于单片机的实用系统设计便会有着很大的发展。所以，对于单片机的了解能通过对单片微控制器和单片微型计算机延伸至单片实用系统中去。

人们进入21世纪以后，人们担当着实现社会和经济能够可持续发展之巨大的困难，怎么样能在能源限制与保护坏境的两重约束下发展社会已经变成地球的热点话题。然而能源的问题更为显著，不单单表现为普通能源的缺乏，更重要的是化石能源的利用更恶化了环境。主要表现为以下几个方面：

(1)短缺的能源。普通能源的不均匀分布和局限性，酿造了地球上大部分国家能源提供短缺，不能满足经济的发展需要。从长远角度来观察，世界已表明石油能源的储备只能使用至2020年，天然气也只能持续至2040年左右，即便储蓄富有的煤炭能源也只能维系二到三百年。所以，人们迟早是要面对化石燃料的枯竭危机的局势。

(2)对环境的污染。燃烧石油和煤等化石燃料，每年就有数十万吨硫等有害气体和物质排放到空中，是大气的环境遇至严重的污染，直接危害人们的生活质量和身体健康；更可能在有些地方形成酸雨，严重的污染了水土资源。

(3)带来温室效应。化石资源利用不仅仅能造成污染环境，并且还会排放出许多的二氧化碳气体，产生温室效应，是的地球的气候改变。

近年来随着太阳能光伏发电技术和LED照明技术的发展，太阳能LED发光灯已进入了城市照明领域。LED作为照明光源与传统的照明光源相比具有直流低电压驱动、耗电量少、抗振动、寿命长、纳秒级的响应速度、设计空间大、环保、可连续开关闪断。能轻松实现0—100％调光功能等优点，被认为是新一代的绿色照明设备。太阳能LED节能灯是以太阳能作为能源。每个路灯均是独立的，安装方便，无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光控定时控制，安全可靠、节能、经济、环保，实用。

在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。国内各大研究单位都对太阳能LED灯作了详尽的研究，特别是近几年来，在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场上规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。

近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，全国数千万盏LED灯的节电问题已引起政府部门的关注。在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。为此，明确提出城市照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能LED灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。我国太阳能台灯首先在沿海发达地区使用。

欧洲地方各个国家都已经在开辟出了一条能够通向长久能源的道路，然而影响到他们的决定的主要原因在于制造就业机遇、保护环境和能源提供的安全可靠，所以可再生资源技术就可以在这几个方面存在着较大优势。同时它对于环境的污染最小、可以取代一些常规的能源以及增加了能源提供的可靠性和安全性。它也要求有较大的设备进行投资、去制造了更多的就业机遇、同时有助于经济的发展。

在欧洲的局大部分地区，这环保的想法推进着替换能源技术的研究，太阳能能够被大家认为是一种非常好的代替能源。太阳能的使用有利于减少CO2的释放，所以能够起到保护环境的作用，在很多国家，比如芬兰、丹麦、瑞士和德国，他们都以为气候的变暖是推进太阳能开发研究、发展以及销售活动的最主要的原因。这尽管受着常规能源的低价影响，而在欧洲局大部分国家中，太阳能LED台灯在市场上仍然陆续增加。

1.2 课题研究的的目的和意义

由于环境、能源不断的恶化，人类世界必将走进恶性循环，所以可再生能源在人类中必定会得到很好的发展。而自动化控制系统的太阳能台灯系统的研究，给人类带来了许多方便，目的在于代替了传统插电式灯具，并且还具有一下优点和意义：

（1）点灯不花钱――太阳能供电

清洁环保超节能，采用高亮度低功耗的高科技散光LED灯作为光源。太阳能发电板或市电作为电源供应。不但移动方便，而且几乎不耗市电。经气象部门不完全统计（这个根据地方不同，也有很大的差异），一般一年晴天占总天数的65％，用户在白天出门时将电池盒取出并放置在阳台上，当傍晚回来再将电池盒插入台灯，供晚上使用。在充裕的太阳下光照一天，台灯能连续使用3.5个小时以上，完全满足用户使用一个晚上。

（2）护眼保健灯－直流照明无频闪无辐射

提至台灯的护眼和保健功能，就必须先了解“频闪”和“电磁辐射”的含义以及对人体产生的危害。简单的说，直接使用交流电的光源必然存在频闪，发热量大的光源也必然存在热辐射。而本产品是使用低压直流供电，发热量极低（LED是低功耗产品），即便本台灯用交流电供电，也是使用了适配器，已经将交流电变成了直流低压电，这样才能真正做至零频闪和零辐射。

（3）停电长明灯――完全具备应急照明功能

产品带有充电功能，当连续停电无法实现使用照明灯时，能够直接将该太能能台灯放置在太阳下暴晒自动充电，就能让用户使用。本台灯即可提供长时间的高效照明。

（4）超长寿命灯――低电压小电流供电，光衰系数远小于荧光灯

采用低功耗高亮度散光的LED灯是环保高科技产品，只需低电压小电流供电即可，它的使用寿命要比日光灯长10倍、比白炽灯长100倍。

（6）环保

内部使用的是锂离子电池，符合国际环保公约要求，能反复使用。使用取之不尽，用之不绝的清洁能源—太阳能，节能环保，无二次污染。

1.3 存在的问题和发展

尽管太阳能台灯技术在最近得到了飞速的发展，但是仍然有许多问题需要进行克制，以便能够很好的推进太阳能的发展和使用。

（1）太阳能电池的成本太高

（2）制造材料消耗严重

（3）技术受到环境的影响较大

随着科技的不断发展，未来太阳能台灯会继续降低成本。不断的会推出新型材料，降低坏境和损耗。

1.4 小结

本章主要从世界上能源现状和课题设计现状，揭露了世界能源短缺和环境的污染问题，进而提出了太阳能台灯的课题研究，并阐述了其特点和研究的意义，最后，还说明了目前该研究存在的问题和发展。

第二章 各组成部分概述

2.1 太阳能电池概述

2.1.1 太阳能电池的原理

作为一种辐射能的太阳能，想变成电能必须通过能量转换器，这个可以将太阳能转变成为电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。它的工作原理的基础是半导体p-n结的光生伏效应。光生伏也就是，如果物体受至太阳光照射的时候，它体内的电荷分布状态就会有变化，如图2.1所示然后生成电流和电动势的一种效应。

图2.1 P-N结

太阳光照射到太阳能电池板后，有少量透过太阳电池，还有一部分让太阳电池表面上反射掉，另一部分让太阳电池吸收。其中，在让太阳能电池板上吸收的光中，那些可以大于半导体宽度的光，可以使半导体中的原子价电子受至激发，空间电荷区、P区以及N区都能够产生光生空穴-电子对，也可以称之为光生载流子。这样形成的空穴-电子对通过热运动，会向不同方向移动。光生空穴-电子对在空间电荷区中生成后，就会即刻被内建电场分离，然后光生空穴被送进P区，光生电子被送进N区。在空间电荷区边界的地方总的载流子浓度相当于为0。在N区地方，光生空穴-电子生成后，光生空穴就会向P-N结边界散发，一旦达到P-N结的边界后，便会即刻受至内电场作用，于是在电场力的作用下产生漂移运动，然后超越空间电荷区从而进P区，然而多数载流子则停留在N区。但是P区中的光生电子也将向P-N结边界散发，并且在达到P-N结边界后，也受至内建电场作用后在电场力的作用下做漂移运动，然后到了N区后，多数载流子则被放在P区。所以，在P-N结两侧就会生成正、负电荷积累，形成和内建电场方向不同的光生电场。它除了一部分消除内建电场以外，还可以使的P层带有正电荷，N层带有负电荷，所以生成了光生电动势，这就是光生伏特的效应。

2.1.2 太阳能电池的分类

根据太阳能电池的材料不同，太阳能电池可以分为：多元化合物薄膜电池、硅太阳能以及聚合物多层修饰的电极型太阳能电池等。

（1）硅成分的太阳能电池板

硅成分的太阳能电池可以分为单晶硅成分的太阳能电池板、多晶硅薄膜成分的太阳能电池以及非晶硅薄膜成分太阳能电池板这三种。其中单晶硅成分的太阳能电池转换电能的效率是最高的，他的技术也可以说是最为成熟的。然而，在实验室里太阳能最高的转换效率差不多为24.7%，大规模生产的时候太阳能的效率就下降到了15%。在大规模的使用以及工业上的生产中仍然占据着主导的地位，但是因为单晶硅的成本价格比较高，去过多的压低其成本是比较困难的，而为了能够节省硅的材料，所以就发展了像非晶硅薄膜成分和多晶硅薄膜成分做成的单晶硅成分的太阳能电池的代替品。多晶硅太阳能和单晶硅的相比较,价格比较低，但是效率要比较非晶硅成分的电池高一些，其实验室的太阳能最高光电转换率就为18%,工业的正常生产的太阳能转换效率就是10%。所以，多晶硅成分的电池不久以后将会必成国际空间站上的太阳能板，可以在太阳能的市场上占据主导地位。然而非晶硅成分的太阳能可以说是成本低而重量轻，转换效率也比较高，所以利于大规模的制造，有着极大的潜力。但是受制在他的材料所引发的光电效率有着减退的效应，稳定性能也不是很高，这直接的影响到了它在生活中的实际应用上。如果能够进一步的消除稳定性问题以及能够提高他的转换率问题，那么，非晶硅成分的太阳能电池当然无疑是太阳能电池上主要的生产产品之一。

（2）多元化合物的薄膜成分的太阳能电池板

多元化合物成分的太阳能电池的原料是无机盐，他主要是包含硫化镉、铜锢硒薄膜成分的电池、砷化镓III-V族化合物以及硫化镉等。碲化镉、硫化镉的多晶薄膜成分的电池效率比较高于非晶硅薄膜成分的太阳能电池的电能转换效率，他的成本也比单晶硅的电池成本较低，而且也有利于在大规模中生产，但是因为镉有剧毒，能够严重的照成环境的污染，所以，晶体硅成分的太阳能电池并不能够成为最为合适的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物成分的电池的光电转换效率可以达到28%左右，GaAs的化合物原料，他具有非常好的光学带隙以及比较高的阳光吸收利用率,他的抗辐照的能力也比较强,对与热不敏感，这就适合于生产高效单结的电池板。但是GaAs的材料，他的的价格不便宜,所以在许多程度上就限制了普及的使用GaAs电池板。铜铟硒薄膜成分的电池比较合适光电的转换，他不会存在光弱减退的问题，转换效率和多晶硅的差不多。而且还具有价格便宜、性能较好和工艺简单等特点，这将成为以后发展太阳能电池的又一个比较重要的方向。但是唯一的问题就是材料的生产来源，因为铟和硒两个都是比较少有的元素，所以，这一类电池的发展又必然的受到了限制。

（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池

用有机聚合物进而取代无机材料是最近开始的一个太阳能电池研究制造的新方向。因为有机材料的柔性比较好，制作起来也比较容易，材料的来源也比较广泛，成本又比较低，所以对大规模的利用太阳能，提供价廉电能就具有了重要的意义。但是用有机材料制造太阳能电池的研究才刚刚起步，不管是使用的寿命，还是电池效率上都不可以和无机材料的特别是硅电池去相比较。可不可以发展成为有实用意义的产品，还是有待于去进一步的研究和探索的。

2.2 蓄电池概述

以铅酸电池为例。所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。

在铅酸蓄电池充电的时候，正极板上的二氧化铅（），他在硫酸溶液中的水分子的作用下，具有少量的二氧化铅和水产生可离解的具有不稳定性的物质也就是氢氧化铅（），而氢氧根离子他在溶液当中，铅离子（）残留在正极上，所以正极板上就缺少了电子。铅酸蓄电池在充电后，负极板上是铅（），他和电解液当中的硫酸（）起化学反应，就变成了铅离子（），而铅离子之后移动到电解液当中，负极板上就残留下多余的两个电子（2e）。这样，在还没有连接外电路的时候（电池是开路的），因为化学的作用，正极板上就缺少了电子，负极板上就多余了电子，如图2.2所示，这时候两极板之间就生成了一定的电位差，这电位差就是电池的电动势。

图2.2 铅酸蓄电池电动势产生原理

其原理可通过下面的反应方程式来表示：

负极： (2-1)

正极： (2-2)

总反应： (2-3)

1.放电中的化学变化

蓄电池在连接到外部电路进行放电的时候，稀硫酸就会和阴、阳两个极板上的活性物质去发生反应,能够生成新的化合物叫做“硫酸铅”。通过放电，硫酸的成分可以从电解液中释放出来，放电越久，硫酸的浓度就越稀薄。他所损耗的成份和放电量是成比例的，只要是能够检测到电解液中的硫酸的浓度，也就可以测他的比重，也就可以知道放电量或者残余的电量。

2.蓄电池在充电时候的化学变化

由于在放电的时候是发生在阳极板上，所以阴极板上所生成的硫酸铅也就会在充电时被分解进而还原成了硫酸,铅以及过氧化铅,因此，电池内的电解液浓度就会不断的增加,也就是说电解液的比重在不断的上升，并且渐渐的回复到了放电前的浓度了，这样的变化能够突出蓄电池当中的活性物质是已经还原到了可以再次供电的状态了，当两极间的硫酸铅已经被还原成了原来的活性物质的时候，也就是等于充电已经结束，而阴极板上就会生成氢，阳极板上则会生成氧，当充电到最后的阶段的时候，电流也就几乎上都已经用在了水的电解中了，所以电解液也就会减少，此时应用纯水来补充。

太阳能的综合供电系统中，蓄电池是主要用浮充的方式来运行的。一般的说来，当有日照的时候，蓄电池同光伏发电的装置并联去运行，这时的蓄电池从放电或者是瞬间放电而失去的容量可以通过浮充的电流来补足；当在无日照的时候，通过蓄电池单独的向负载供电。当蓄电池组的电量没有饱和的时候，系统便通过输入变换的单元对蓄电池组进行补充充电。伴随着充电的过程的进行，蓄电池组的端电压也将渐渐的升高，控制单元在同时检测蓄电池组的端电压状态，当蓄电池组的端电压达到需要做充电保护电压的时候，充电过程就结束。在浮充方式运行下的蓄电池，其充放电循环次数较少，自放电和瞬间放电后的电量能够很快恢复，因此蓄电池的使用寿命可以得到延长。

2.3 LED概述

2.3.1 发光原理

1.P-N结电子注入发光

P-N结结电压形成了一定的势垒；然而，如果在结上施加正向的电压时，势垒就会降低，此时的n区以及p区的多数的载流子就会向对方去扩散。可是，以为电子的迁移速度μ比空穴的迁移速度要大很多，所以就会出现大部分电子去向P区去扩散，形成对P区有着少数的载流子的进入。这些电子与价带上的空穴相结合，结合的时候产生的能量就会通过光能的形式释放出来。

2.异质结注入发光白光

为了能够提高载流子的注入速度，可以通过使用异质结（两种不同的材料半导体相互接触进而形成的界面区域）。对于电子和空穴而言，他具有不同的高度势垒。加正向偏置后，这两个势垒都会减小。但是空穴的势垒相比较而言要小得多，并且空穴不断的从P区向n区去扩散，能够得到较高的注入速度，N区的电子去注入到P区中的速率却比较慢。这样以来，n区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，进而发射出由n型的半导体能隙所确定的辐射。而因为p区的能隙较大，光的辐射也不能够把点集中，所以就不发生光的吸收，从而可以直接透射出发光二极管外，减少了光能的损失。这时，发光二极管和半导体二极管同样的加在正向电压上，但是效果是不同的。发光二极管是把注入其中的载流子转换成了光子，从而辐射出光。一般的半导体二极管注入的载流子就构成了正向电流，必须严格的加以区别。

2.3.2 LED激励方式

(1)用蓝色LED激励发黄光的荧光体。这种白光构就是将蓝光LED与YAG荧光物质放在一起，用蓝光激发荧光物质，这样它发出的光谱就是白光。在这方面日亚化学公司拥有世界性的专利。

(2)用紫外LED激励RGB荧光体。激励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组拿来不同可发射白光以外的各种顏色的光，因而可广泛应用于照明。用R.G.B三基色LED开发了白色LED，现实验室水准的发光效率已超过50 lm/W，近几年内可望超过100 lm/W，而红光部份最佳的发光效率已超过100 lm/W。

(3)利用红、绿、蓝3种发光二极体调整其个别亮度来达到白光，一般来说，红、绿、蓝的亮度比应为3：6 ：1 ，或者只用红、绿或蓝、黄两颗LED调整其个别亮度来发出白光，这样的白光结构最大的缺点就是造价较高，不利于商品化发展。

2.4 小结

主要介绍了太阳能台灯个部分的概述，进而简单的了解了太阳能、LED以及蓄电池的原理和分类。通过这些初步的认识到太阳能控制系统各硬件的原理。

第三章 设计方案

3.1 太阳能台灯设计方案

理论上能将太阳能电池与LED灯直接连接，用太阳能电池直接给LED供电，系统就能正常工作，但是因为太阳能转换的电能是不稳定的，这表现在两方面：一是它的供电时间和LED灯工作时间有可能不是在同一时间；二是LED灯可能要在一定的电压下方能正常工作。太阳能就不具备提供稳定电压的能力，所以当今一切太阳能供电系统都需要配合蓄电池来一起工作。

3.1.1 设计方案一

图3.1 方案一系统结构示意图

利用稳压电路将太阳能转换的电压稳定输出，继电器选用12V继电器，当光照强度达到一定值后或转换输出电压达到12V后，继电器1自动接通充电电路，太阳能对蓄电池进行充电。同时利用继电器控制放电电路，当蓄电池充满达到12V后，继电器2自动接通放电电路为晚上提供照明。

3.1.2 设计方案二

可以采用两个A/D转换器测量太阳能两端电压和蓄电池两端电压，通过电压的比较，达到需要的电压值后转换成数字信号传送给单片机。此时，充电电路的开关和放电电路的开关都采用MOS管。

正常光照下，光照强度越大，太阳能转换的电压越大，这样可以保证达到蓄电池的额定电压后在接通蓄电池充电，起到保护且正确充电的作用。控制结构图如下：

太阳能

图3.2 方案二控制过程

MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源、马达驱动和照明系统。

3.1.3 控制方案论证与选择

方案一采用继电器开关分别作为充电电路开关和放电电路开关，虽然达到了太阳能台灯白天充电晚上放电的最基本的要求，但是没有考虑到蓄电池是否需要充电、能否充满等问题，继电器虽然能够起到开关的作用，但是在放电电路中没有进行对电池电压的测量，也就是说如果时间用的长，电池将一直处于放电状态，可能会造成电池电压亏损而损坏电池。

方案二对太阳能电池板和蓄电池都采用了端电压测试，这样就可以很清楚的知道蓄电池是满电或亏损，太阳能是否转换需要的电压，这样就能够在正确的时间上做正确的事情，同时MOS管控制电路的开关，在充电过程中还可以利用PWM充电方式对蓄电池充电，又进一步得到了好的效果。

按照系统要求，不仅仅要能达到白天充电晚上放电的作用，还要对蓄电池进行保护，利用单片机的控制，能够自动的开关和断开电路，保护和使用电路。方案一没有做到蓄电池保护，而且不能保证电池充满就不能保证晚上台灯可以满足照明时间，使用不稳定。而方案二在充电放电之前都能对电池和太阳能的端电压进行测量，所以能够保护电池过充或过放而带来的损失，并且MOS关的通断效果好，有能够满足使用脉宽调制充电，是蓄电池进一步的到了保护和最大程度的使用。

按照系统的要求和太阳能台灯的使用寿命这里选择方案二作为该系统的最终设计方案。

3.2 方案描述

3.2.1 总体部分

第一部分是太阳能电池模块，能用来将光能转换成电能；第二部分是控制电路，控制太阳能发电、蓄电池对灯供电并且能控制保护系统工作安全等；第三部分是蓄电池，是用来收集太阳能转变的电能的；第四部分是LED台灯。白天正常太阳光下，太阳能电池将光能转换为电能，并且在控制电路的作用下收集至蓄电池内，以备晚上对LED灯的正常供电。

（1）太阳能电池

太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，但因制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。

从世界产生生物后便主要是用太阳供给的光和热生活，然而古人们也是知道用太阳光晒干物体，并且用作保存食物的用途，如造盐与晒咸鱼等。但是在化石燃料的降低下，才去故意将太阳能来进一步的利用。太阳能的使用具有光电转化和被动式两种方式。太阳能发电是一种新的能再生的能源。普遍上将太阳能是世界上许多能量的出处，比如化学能，风能以及水的能量等。

（2）控制电路

控制电路系统工作的核心，它的主要功能如下：

a、工作时间保护 能自动控制时间，如果蓄电池放电过多导致电压不足，控制电路会自动切断电路的通断。

b、控制系统的充放电 正常太阳光时控制电路接通充电电路对蓄电池充电，晚上控制电路接通放电电路，对LED灯放电使其正常工作。

c、保护功能 一但电路出现故障如接点短路、断路，电池错接等等情况下，控制电路将直接切断电路开关，得至保护作用。

（3）蓄电池

因为太阳能不能直接给LED灯供电照明，需要将其转化的电能收集起来，这里蓄电池就起至保存电能提供随时放电的可能。并且需要确保的是太阳能和蓄电池直接是单项充电的。

（4）LED灯

LED发光二极管，它以一种可以把电的能量转变成光能的固体半导体器件存在，能直将电能转变成光能。LED的核心是一个半导体芯片，芯片一端存在一个支架上，一端是负极，另一端接到电源正极，可以使整个芯片利用环氧树脂装起来的。半导体芯片是由两个结构组成，一部分是N型半导体，在这里重要是电子。另一部分是P半导体，在它里面占主要地位的是空穴，当电流经过导线作用在这个芯片上的时候，电子就会被送到P区，在P区里空穴和电子结合，就会用光子的方式发出能量，但这两种半导体结合起来的时候，它们中间就会产生一个P-N结。这是LED灯的工作原理。然而光的波长也是光的颜色，是由产生P-N结的材料来确定的。

3.2.2 控制部分

控制方案结构图如图3.2所示，控制电路由DC/DC转变、A/D转换电路、继电器控制电路、AT89C51单片机等电路组成。

首先检测电路是否故障，只有在无故障的情况下才可进行充放电。当遇到正常光照下检测蓄电池两端电压，当达到充电电压时充电电路的开关闭合，接通充电电路进行充电，否则充电电路开关断开同时放电电路的开关闭合，接通放电电路随时提供LED的照明使用。同时放电过程中检测电池两端的电压，电压过低或达到充电电压时，放电电路开关断开充电电路开关闭合，随时准备太阳能充电。这样循环进行充放电，实现太阳能台灯的特点。

本设计以AT89S51单片机为控制中心的软硬件的结合，使用并联在电池两端的两个串联电阻，以分压方式对蓄电池、太阳能电池的电压进行采样，送至A/D转换得至一个数字信号的电压值，再将信号送入至单片机中进行处理。单片机输出经光耦电路控制MOSFET管。控制MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM)，根据程序设计的载荷变化来调制MOSFET管栅的偏置，达至实现开关功能。按程序设计当检测至蓄电池的电压低于9V，为均充充电电模式，S1为完全导通状态；也就是导通的脉冲占空比最大；当检测到蓄电池的电压为10.5V时，充电模式为浮充，S1导通与不导通的占空比例变小；当检测到蓄电池的电压等于12V，S1截止充电停止。晚上放电，在放电过程中对电池端电压进行检测，当检测到蓄电池的电压低于9V，S2关闭停止放电。

3.3 方案配置与计算

在众多太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能台灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天的情况下更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味的降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天路灯无法提供照明。

3.3.1 LED灯的选择

从依据用电的规则以及LED驱动的特性要求来看，在选择以及设计LED驱动的时候需要考虑到以下的问题。

a．高效率；所谓的效率高，就是它的耗损功率比较小，所以在灯具内发出的热量也就比较小，所以也就可以降低了灯具的温度。对与延长LED的寿命有作用。

b.高可靠性；特别的，像LED台灯的驱动，维修也不是很方便，维修的花费当然也比较大。

c．驱动方式；现在通行驱动方式的有两种：一种就是一个恒压源提供多个的恒流源，而每个恒流源却单独的给每路LED提供电源。另一种就是直接使用恒流来供电，LED串联或者并联来运行。怎样去选择启动的方式，这就需要根据实际的要求。多路恒流输出的供电方式，在成本以及性能上比较好。也可能会成为以后的主流方向。

d．其他要素:比如，去提高功率因数；增加LED的温度负反馈的功能；还有外部的防护方面，需要能够防水和防潮，外壳也要耐晒；驱动的寿命当然也要和LED的寿命相匹配；需要符合规定和电磁兼容的要求。

e.浪涌保护；LED的抵抗浪涌能力可以说是比较差的，特别的，抗反向电压能力更差。由于负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

大功率LED灯具主要性能特点

1、创建安全工作环境

（1）LED光源，确保灯具瞬间冷启动和热启动；

（2）一体化铝合金型材结构，轻便，抗冲击性能好，可在震动、冲击等环境下可靠稳定工作；

（3）优质的配光设计及防眩设计，有效避免工作人员的视觉疲劳。

2、轻松实现节能指标

（1）高功率的大功率LED光源，精确的配光设计，配合99.99%的高纯铝反光杯以及透光率高达93%的进口PC透明件，灯具效率高达79%，高出行业水平40%以上；

（2）先进合理的电路设计，配合优质的元器件，电器效率高达90%，高出行业6%以上。

3、减少维护工作量

（1）连续7年不间断工作无需更换光源，寿命是荧光灯的近10倍；

（2）外壳防腐等级WF2，确保灯具在恶劣环境中不腐蚀、不生锈；

（3）防护等级可达IP65；

（4）按照国家军标质量控制体系，经过严格的可靠性、老化测试，灯具故障率更低；

（5）LED灯具背面采用凹槽设计，增大散热面积，延长使用寿命。

系统要求12V/3W的LED照明，额定电压12V，额定功率3W。按目前市场产品的输入功率对LED分类，其中输入功率为几十MW的，称为传统的小功率芯片；其输人功率小于1 W的，为功率LED：输入功率等于1 W 或大于1 W 的，则为W级功率(大功率)LED。目前大功率比较常见的有1，3，5，8，10 W。已批量应用的有1 W 和3 W LED，并正朝大电流(300 mA～1．4 A)、高效率(60～1 204 in1，)、亮度可调的方向发展。大功率LED节能灯采用单颗功率大于1W以上的LED。

将多个LED集中在一起设计台灯照明，除足够的光通量和合理的光学设计保证合理的光分布外，更为重要的是散热问题。由于台灯基本都是在夜间使用，散热面位于侧上面以及体型受限制较小等特点。有利于空气自然对流散热。所以LED灯选择自然对流散热方式。同时整灯采用高导热系数铝作为散热主体，解决了LED的散热问题。

根据系统要求，蓄电池电压为12V，为了检修方便采用1个12V/3W的LED灯泡作为台灯照明。

3.3.2 蓄电池的选择

独立光伏系统蓄电池的选择过程主要包括三个方面：蓄电池种类、蓄电池的容量和蓄电池组串并联的确定。

蓄电池种类很多，主要有铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢电池等。目前，由于产品技术的成熟性和成本等因素，一些小型简单的独立光伏系统中使用镍氢电池，但应用较少；多数的独立光伏系统中使用铅酸蓄电池，应用广泛。国家还制定了GB/T22473-2008《储能用铅酸蓄电池》标准，用以规范该类铅酸蓄电池产品的要求。本文以下的内容均以铅酸蓄电池为基础。

蓄电池的容量选择与很多因素有关，主要有日负载需求、蓄电池最大放电深度、独立运行天数、安装地环境温度。

独立光伏系统的蓄电池容量，要保证系统在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以在一定时间内持续正常工作。在光照度低于平均值的情况下，太阳能电池组件产生的电能，不能完全补充每日负载需求从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样蓄电池就会处于亏电状态。如果在一定时间内光照度始终低于平均值，蓄电池持续放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态持续下降。但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达安全的最低值，即蓄电池的最大放电深度。这里我们将持续放电时间称为：独立运行天数，即光伏系统在没有任何外来能源的情况下蓄电池供给负载正常工作的天数。

独立运行天数的确定主要与两个因素有关：光伏系统安装地点的气象条件（最大连续阴雨天数）、负载对应用场合的重要程度。通常我们将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为光伏系统的独立运行天数，同时还要综合考虑负载对应用场合的重要程度。对于应用场合重要的光伏应用系统，如通信、医院等重要部门，必须考虑系统的独立运行天数较长，一般考虑为（6～14）天，相对应的电池容量也需较大。对于其他应用场合的光伏应用系统，系统的独立运行天数、以及对应的电池容量大小可以根据实际情况确定。

由于负载LED灯泡为12V/3W，每天晚上的工作时间10h，考虑到可能有6天的连续阴雨天气，所以至少要能持续10*6h。

日负载需求（Ah）=负载功率*工作时间/工作电压

=3*10/12Ah=2.5（Ah）

蓄电池容量=（日负载需求*独立工作时间）/（放电深度*容量修正系数）（放电深度选80%，修正系数为0.7）

=（2.5*6）/（80%*0.7）≈27（Ah）

另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90％左右；放电余留20％左右。根据上式能估算出蓄电池的容量，同时蓄电池的充电效率的高低取决于充电的方式。

根据要求和对各种指标的核定，这里选用容量为12V/30Ah的蓄电池。

3.3.3 太阳能电池的选择

其中每一片的单体硅太阳电池工作电压差不多是0.45-0.50V，这个数值的大小同电池片的尺寸没有关系。而且太阳能电池的输出电流则同自身的面积的大小和日照的大小以及温度的高低等因素有一定的关系。在其他条件都相同的时候，该面积较大的电池能产生比较强的电流，所以它的功率也比较大。

单晶硅太阳能电池在目前的光电转换效率约为15％，最高达至24％。在所有种类的太阳能电池板中它的光电转换效率最高，技术也最为成熟。使用寿命一般可达15A，最高可达25A。多晶硅的太阳能电池要比单晶硅的太阳能电池的光电转换效率要降低不少，其光电转换效率约12％，同时多晶硅额太阳能电池的使用寿命也是要比单晶硅的太阳能电池短。非晶硅的薄膜太阳能电池的光电转换效率比较低。

首先计算出电流：

$$I=\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\text{12}$}\right.A=0\text{.}\text{25}A$$；

计算出电池板的需求峰值（WP）：

台灯每夜累计照明时间10小时（h）；电池板平均每天接受有效光照时间为4.5小时（h）；最少放宽对电池板需求20％的预留额。

$$\raisebox{1ex}{$\text{WP}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\text{17}\text{.}4$}\right.V=\raisebox{1ex}{$(0\text{.}\text{25}\ast \text{10}h\ast \text{120}\text{\%})$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4\text{.}5h$}\right.$$

$$\raisebox{1ex}{$\text{WP}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\text{17}\text{.}4V$}\right.=0\text{.}7$$

表 3-1 太阳能电池组件参数表

峰值电压选择12V以上，所以选择12( 17 )P430×300的太阳能电池板。

3.3.4 控制芯片的选择

一、单片机选择

单片机的的选型是一件重要而费心的事情,如果单片机型号选择合适,单片机应用系统就会经济,工作可靠;如果选择不合适,就会造成经济浪费,影响单片机应用系统的正常运行,甚至根本就达不到预先设计的功能。

只是需要能够了解和使用单片机的正确选择的规则,就能够选出最能够使用于应用系统上的单片机,能够保证单片机，要在使用系统中具有最好的可靠性能,最刘秀的性能价格比,以及使用的寿命也要最长和跟新换代的可能性最好。

在单片机的芯片选择的时候,具体的规则是:选择名牌不选杂牌,不选知情况的厂家，“选大生产家不选小的,选择供应量多的不选少的”，“设计的要求尽可能只是用芯片独立的完成”,“单片机的芯片要具有功能或数量要略大于设计的要求”,选择便宜的但是要质量好的。

对单片机选型,主要应从单片机应用系统的技术性,实用性和要开发性三方面来考虑。

(1)实用性:需要通过单片机的信誉的程度以及供货的渠道等角度，来对单片机的提供厂家进行选择，从而确保单片机的应用系统可以比较长时间而且可靠的运行；

(2)技术性:需要通过单片机所有的技术方面的指示角度,对单片机的芯片进行挑选,能够确保单片机在应用系统的确定的技术指示下可靠的运行；

(3)可开发性：选择的单片机芯片需要具有比较可靠的能开发的过程，比如，程序开发的工具、仿真调试的过程等

AT89C51是一种带4K字节闪烁，可编程可擦除只读存储器，它具有低电压、高性能的CMOS 8位微处理器的特点，简单的称为单片机。AT89C2051是一种带有2K字节闪烁的，可编程也可擦除的只读存储器的单片机。其单片机的可擦除、只读存储器可以反复的擦除100次。这个器件是使用了ATMEL的高密度的非容易丢失存储器的制造技术创造，和工业的标准上的MCS-51的指令集和输出管脚是相兼容的。由于将多功能的8位CPU和闪烁的存储器组合在了单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一个高效的微控制器，AT89C2051是它的一种简练版本。AT89C单片机为很多的嵌入式控制系统提供了一种灵活性高的且价低的方案。

二、A/D转换器选择

TLC549芯片是 TI公司的生产，他是一种高性能的、低价位的8位 A/D转换器，是用8位开关电容，并且依次逼近的方法来完成 A/D转换的，然而它的转换速率小于17微秒，具有4MHZ典型的内部系统时钟，其中的电源是 3V到6V的。它还可以快捷地采用三线串行接口方法和各种微处理器相互连接，可以组成各种便宜的测控应用的系统。

TLC549CD的引脚和他的功能

图3.3 TLC549CD引脚

VCC：系统的电源3V≤Vcc≤6V。

I/O CLOCK：外接输入/输出的时钟输入端，并且同于同步芯片的输入和输出的操作，不需要与芯片内部的系统时钟同步。

DATA OUT：转换的结果数据输出端，同TTL 的电平是兼容的，输出额定值时候高位在前低位在后。

/CS：芯片的选择输入端，他要求输入高电平VIN大于等于2V，输入低电平VIN小于等于0.8V。

GND：接地端。

REF－：负基准电压额定输入端。

ANALOGIN：模拟信号的输入端，0≤ANALOGIN≤Vcc，如果当 ANALOGIN≥REF+电压时，转换的结果为全“1”(0FFH)，ANALOGIN≤REF-电压时，转换的结果为全“0”(00H）。

REF+：正基准电压的输入。

该设计采用TLC549CD转换电路，将测得的电压差以数字电位信号输送给单片机。

三、

MOS管开关的选择

为设计选择正确器件的第一步就是确定采用N型沟道的MOS管还是选择P型沟道的MOS管。然而在普遍的功率使用当中，当其中一个MOS管连接地，但是负载却连接到电压上的时候，这个MOS管也就形成了低压侧的开关。在低压侧的开关电路当中，应使用N型沟道的MOS管，这就是想到对关断或者接通元器件所需要的电压来考虑的。当一个MOS管他连接到了总线以及他的负载连接到地面的时候，就需要使用高压侧的开关了。通常情况下会在这个拓扑当中去采用P型沟道的MOS管，这个也是看在对电压的驱动方面的思考。

如果需要选择合适使用的元件，必须决定驱动的器件他所需要的使用电压，以及在设计工程中最简单使用的方法。下一步就是决定所需要的额定电压了，或是元件可以承载的最大电压。当额定电压越大的时候，元件的成本也就相应的越高。然而依据实践的经历来看，额定电压应该比干线上的电压或者说是总线上的电压要大。这个样子才可以为此提供有足够的保护功能，使MOS管不会失去作用。就选择什么型号的MOS管来说，需要确定他的漏极和源极间的最可以承受的最大电压是多少，也就是最大的VDS。要知道MOS管所能够接受的最大电压是会根据温度的变化而变化的这知识点是十分必要的。

选择MOS管的最后一步是决定MOS管的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。MOS管的开关速度因此被降低，器件效率也下降。

POWER MOFFETIRF4905是P沟道的MOFFET管，具有小导通电阻，RON=20mΩ，最大通态电流ID=74A (条件温度25℃，VGS=-10V)，开关速度快，具有很好的开关性能。当此管栅源电压VGS<-8.0V 时，此管作为开关管就有很好的开关性能。又因为此管为P沟道，很容易把基准电压选在一个点上，则系统的可靠性会得到较大提高。

最终选择POWER MOFFETIRF4905的P型MOS管。

3.4 小结

本章主要从方案入手，提出了两种控制方案，一个是较为普通简单的控制方案，另一个是利用单片机等芯片控制，前者简单容易控制，但达不到要求，后者全面具体，有能够实现设计要求，通过方案论证，最终选择后者方案。对方案配置选择做出了具体介绍。

第四章 系统硬件设计

4.1 单片机震荡复位电路

本设计主要采用AT89C51单片机来实现其要求功能的，外围电路有复位电路和振荡电路组成，它是整个交通灯控制系统的核心部分。通过编写的程序可以达到所需要的要求。电路图如图4.1所示。

图4.1 震荡复位电路

AT89C51芯片他的内部结构里存在着一个具有高效益的反相放大器，是用在形成振荡器的。其XTAL1是作为反相放大器的输入端的，XTAL2是作为反相放大器的输出端的，这两端连接着石英晶体的振荡器以及接有两个电容，这样单片机就能够构成一个较稳的自动激励的振荡器。电容C6和C7通常取100pF左右，可稳定频率并且能够微调振荡频率，振荡脉冲频率范围为Y1=24MHZ。复位是作为单片机芯片必须有的初始化作用，他的功能主要是把PC初始化为0000H，使单片机执行程序能够从0000H单元开始，除了能够正常的进入系统初始化之外，如果，因为程序的运行错误或是使用错误而到时系统处于死机的状态，然而为了解决这个现状，也可以通过复位按键初始化电路，因此，复位电路也是单片机必不可少的组成部分。本设计采用手动复位和上电式自动复位组合。

上电复位是在加电瞬间电容通过充电来实现的。在通电瞬间，电容通过电阻充电，在RST端有高低电频的脉冲用做复位。只要是电频的上升时间小于1ms，这样就能够出现自动上电复位；而手动复位则是来接通手动复位按钮，来实现手动复位的。

4.2 电源电路

因为单片机在工作的时候需要+5v的电压控制，所以，在设计电源电路的时候，需要通过电子元件来提供+5v的电压，由于7805可以提供5V的电压，而且是三端稳压电源，在实际的电路控制过程中，使用他来作为电源电路也比较广泛，在普通的电子市场上都是有售出的，所以容易购买，并且他的技术也是比较成熟的。7805一脚是电源输入端，二脚是公共接地端，三脚就是我们所需要的+5V电压的输出端。

因为太阳能电池产生的电流是直流电,因此对于直流负载,可以不用通过逆变器,直接接在太阳能控制器的后面,但考虑到,单片机的的工作电压为+5V,因此这里还需要7805进行稳压,输出+5V的直流电压供单片机工作，7805具有输出交流噪声小，温度温定性好等优点。电路图如图4.2所示：

图4.2 电源电路原理图

4.3 A/D转换器基准电压连接电路

图4.3 TLC549基准电压连接图

基准电压采用TL431精密稳压器稳压后连接。TL431是TI公司的一种可调式精密并联型三端基准稳压器，由2．5V精密电压基准、误差放大器、NPN型电流扩展三极管、保护二极管等4部分组成。

稳压值的精确计算公式：

V0=(1+R02/R03)*2.5V+R02*Iref

其中，Iref是参考端的输入电流，在0.8～1.5uA之间，当R1的值不太大时，可以忽略。

简化后的使用公式为：

V0=(1+R02/R03)*2.5V

当R02和R03的阻值确定时，两者对V0的分压引入反馈，若V0增大，反馈量增大，TL431的分流也增大，从而导致V0下降，显见，这个深度的负反馈必然在参考端的电压等于基准电压处的稳定电源。选择不同的R02和R03值可以得到从2.5V到36V范围内的任意输出电压。

这边基准电压REF+=5v,REF-=3v,也就是：

V0=(1+R02/R03)*2.5V=5V，V0=(1+R02/R03)*2.5V=3V；

算出R02/R03和R04/R05的比例分别为1和1/5，按照比例选取了相应的电阻值。

4.4 电池端电压测试电路

图4.4 蓄电池端电压测试电路

当/CS变为低电的时候，TLC549芯片就被选中然后开始工作，而且这个时候前次转换的结果的最高有效位MSB(A7)从DATAOUT端输出，然后就要求从I/OCLOCK端输入8个外部时钟的信号，但是前7个的I/O CLOCK信号是用来配合TLC549的输出叫输出结果的A6-A0位，并且为本次转换做了准备：在第4个I/OCLOCK的信号由高到低的跳变之后，它片内的采样/保持电路对输入模拟量的采样开始工作，第8个I/O CLOCK 信号的下降沿，让片内的采样/保持电路进入保持状态，并且启动A/D开始转换。转换时间是36个系统时钟的周期，最大为17us。直到A/D转换完成前的这一段时间内，TLC549的控制逻辑要求：或者/CS持续高电平，或者I/OCLOCK时钟端持续36个系统时钟周期的低电平。所以，在从TLC549的I/OCLOCK端的输入8个外部时钟信号期间，需要完成以下工作：读入前次额A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号进行采样并保持；启动本次A/D转换开始。

REF+和REF-分别用两个电阻分压的方式接入，m1等于5v，m2等于3V。ANLGIN端口也是通过分压的方式接入太阳能和蓄电池两端，AD1端电压为1/3的太阳能转换电压，当太阳能电压等于12v时，AD1端电压为4V，此时,MOS管1导通，太阳能充电。

蓄电池检测也是同样的原理，另一个TLC549以分压方式接入，REF+=5V、REF-=3V、AD2=1/3蓄电池端电压，当蓄电池端电压为12V时，AD2=4V，所以,MOS管1断开，MOS管2导通，停止充电接入放电电路；当蓄电池端电压小于9V时，AD2就小于3V，所以，MOS管1导通，MOS管2断开，停止放电接通充电电路。

4.5 开关电路设计

本文所设计的充电控制器采用了脉宽调制充电原理，分两个阶段，第一阶段为快充阶段，第二阶段为脉宽调制充点阶段，利用软件实现脉冲调控。

图4.5 充电开关控制电路

利用肖特基二极管，正向的导通电压为0.3V，最大的通过电流是20A,完全满足系统的设计需求。充电电路中连接有二极管，此时这个二极管具有的作用是能够防止反充电现象的发生。就是如果太阳能电池的电压比蓄电池的电压低的时候，二极管就会处于截止状态。这就防止了蓄电池向太阳电池反充电现象。

当单片机(P1.O)绘出充电的控制信号，即P1.0=1，这时候Q5三极管是导通的,Q6连接在Q5的发射机，Q5导通时该点为地点为，所以Q6的基极接收到低频信号，则Q6三极管处于截至状态，Q6的集电极处于高电平状态，此时Q8的基极接在Q6的集电极端，正好处在高电平，所以Q8导通，则MOS管接收到高电压，根据MOS管导通特性，处于高电压下导通，这就接通了充电电路。反之，当单片机绘出停止充电控制信号时，即P1.0=0，这时候Q5基极接收到单片机给的低电平，则Q5处于截至状态，现在的集电极端就处在了高电压状态，Q6的基极连接Q5的集电极上，所以Q6的基极接收高电平，则Q6处于导通状态，所以Q6的集电极就处在了低电压下，然而Q8的基极接在了Q6的集电极端，所以Q8的基极接收低电平，则Q8就处于截至状态，此时的MOS管接收到低电压，当然就处于断开中，断开了充电电路，所以太阳能电池不能向蓄泡池充电。

4.6 LED指示电路

蓄电池充电、满电压、欠电压以及亏损电压，都需要通过指示灯显示，以此可以让使用者很显然的了解到现在所处的状态，以便特殊情况下可以做出相应的处理工作。

LED指示电路设计中采用了4个发光二极管，其中三个发光二极管（DS03、DS04、DS05）作为蓄电池电压显示灯，采用下拉电阻是为了保护发光二极管，当亏损电压时，指示灯DS05亮，DS03和DS04灭；当欠电压时，指示灯DS04和DS05亮，DS03灭；当满电压时，DS03、DS04和DS05都亮；还有两个发光二极管DS01是充电指示灯，如图4.6所示：

图4.6 LED指示灯电路

4.7 小结

本章对设计电路各个硬件连接电路做出了详细设计，包括单片机震荡复位电路、电源电路、A/D转换器基准电压电路、蓄电池端电压测试电路以及控制充放电开关电路，每个部分电路的控制过程做了解释。

第五章 系统软件设计

5.1 系统工作原理

太阳能电池板接收太阳光照，将光能转化成电能，再由AD转换电路接收转化，传递给单片机，对应的单片机端口接收的上电位后，控制开关接通充电电路，此时蓄电池进入充电状态。同时接在蓄电池两端的AD转换电路进行对蓄电池两端电压的测量，当达至设定的满值后将信号传递给单片机，单片机控制开关接通至放电电路同时断开充电电路，此时只要打开LED灯开关，就能正常照明。照明过程中，AD转换器对蓄电池两端电压检测，当电压低于欠压状态时，传递信号给单片机，单片机控制开关断开放电电路同时接通充电电路。这样循环充放电，实现循环利用正常照明。整个过程中一旦出现电压异常，表明有故障出现，单片机则立即断开所有开关，使每个电路呈现断开状态，从而保护电路。

系统的工作原理很简单，通过光生伏的效应原理做成的太阳能电池，在正常光照下太阳能电池板吸收太阳能，并且转变成电能然后输出，再通过充、放电控制电路存储在蓄电池中，蓄电池充满后，充放电控制电路检测至这个满电压值后工作，接通放电电路，蓄电池对LED放电。检测到蓄电池欠压后，充放电控制电路工作，接通充电电路，蓄电池结束放电。充放电控制电路的主要的作用就是对蓄电池进行保护作用。

5.2 控制过程流程图

AT89S51单片机为控制中心的软硬件的结合，使用并联在电池两端的两个串联电阻，以分压方式对蓄电池、太阳能电池的电压进行采样，送至A/D转换得至一个数字信号的电压值，再将信号送入至单片机中进行处理。

检测电路是否故障，只有在无故障的情况下才可进行充放电。当遇到正常光照下检测蓄电池两端电压，当达到充电电压时充电电路的开关闭合，接通充电电路进行充电，否则充电电路开关断开同时放电电路的开关闭合，接通放电电路随时提供LED的照明使用。同时放电过程中检测电池两端的电压，电压过低或达到充电电压时，放电电路开关断开充电电路开关闭合，随时准备太阳能充电。这样循环进行充放电，实现太阳能台灯的特点。

流程图如下：

图5.1 整个控制流程图

由太阳能端电压测试电路测试，正常光照（太阳能两端的端电压达到12V）的时候，检测蓄电池端电压，当蓄电池电压不小于9V时，跳到下个循环，判断是否大于10.5V，若大于10.5V则开启PWM充电，充电指示灯DS01亮，电量指示灯DS04、DS05亮，往下如果检测到蓄电池电压大于12V，则断开充电电路，充电指示灯DS01灭，电量指示灯DS03、DS04、DS05亮，停止充电；刚才第一个循环，如果蓄电池电压小于9V，则接通充电开关进行对蓄电池快速充电，充电指示灯DS01亮，电量指示灯DS05亮，一段时间后，检测到蓄电池电压大于10.5V，开启PWM充电，充电指示灯DS01亮、电量指示灯DS04、DS05亮，当蓄电池电压大于12V时，断开充电电路停止充电，充电指示灯DS01灭、电量指示灯DS03、DS04、DS05亮。

晚上的时候，如果蓄电池电压小于9V也就是亏损状态，则不接通放电电路，接通充电电路；如果蓄电池电压不低于9V，接通放电电路放电指示灯DS02亮。放电中检测到蓄电池电压小于9V后，断开放电电路接通充电电路，此时充电指示灯DS01亮，电量指示灯DS05亮。

主程序如下：

void main(void)

{

init();

while(1)

{

if(data1=1) // 太阳能电压大于12V

{

While(1)

{

if(data2==0) // 蓄电池电压小于9V

{

PWM=1; // MOS管1导通

FuZai=0;

DS01=DS05=1;

DS02=DS03=DS04=0;

}

Else if (data_out3==1) // 蓄电池电压大于10.5V

{

DS01=DS04=DS05=1;

DS02=DS03=0;

TR0=1; // 开启固定PWM充电

if(t0==5)

{

PWM=1;

}

if(t0==12)

{

t0=0;

PWM=0;

}

continue;

}

}

}

While (1)

{

If (data_out2==1) // 蓄电池电压大于等于12V

{

PWM=0; // 断开MOS管1

DS01=0;

DS02=DS03=DS04=DS05=1;

FuZai=1; // 导通MOS管2

}

}

}

Else

continue;

While (1) // 晚上循环检测电池电压

{

if (data_out2==1) // 蓄电池电压大于等于12V

{

PWM=0; // 断开MOS管1

FuZai=1; // 导通MOS管2

DS01=0;

DS02=DS03=DS04=DS05=1;

}

Else

Whlie(1)

{

IF (data_out3==0) // 电池电压小于10.5V

{

DS02=DS04=DS05=1;

DS01=DS03=0;

}

Continue;

}

Else

Whlie(1)

{

If (data_out2=0) // 电池电压小于9V

{

PWM=1;

FuZai=0;

}

Break;

}

}

}

}

5.3 端电压测试设计

该设计采用TLC549CD转换电路，将测得的电压差以数字电位信号输送给单片机。利用单片机的P0.1和P0.4口接收A/D转换的数字信号

REF+接外界电源+10V，REF-接地，ANLG IN口接收太阳能电池板两端的电压差，当ANLG IN>=REF+时（太阳能在正常光照下），D0输出数字信号1，单片机P0.1=1，控制MOS管导通，否则MOS断开。

图5.2 TLC549工作流程图

单片机管脚定义编程：

#includ

#include//51芯片管脚定义头文件

#include//内部包含 _nop_();

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned Int

sbit data_out1 = P0^1; // 数据输出

sbit CLK1 = P0^2; // AD时钟信号

uchar adc_549(void) // AD转换

{

uint data_out1=0;

uchar i;

CS1 = 1;

_nop_();

CS1 = 0;

for (i=0; i<8; i++) // 读取8位数据

{

CLK1 = 0;

data_out1 = (data_out1<<1)|DOUT1;

CLK1 = 1;

_nop_();

}

CLK1 = 0;

CS1 = 1;

delay(3); // 延时21us以上

return(data_out1);

}

定义单片机P0^1引脚连接TLC549的DOUT引脚，接收数字信号。单片机的P0^2引脚连接TLC549的CLK时钟信号引脚，为AD提供时钟信号。芯片CS脚接地为0信号，TLC549开始工作，先读取8位数据用来作为比较电压，在CLK=0时端电压与比较电压比较，CLK=1不做处理，CLK=0调用延时并且返回data_out数值给单片机，由单片机做出判断。

5.4充电控制设计

本文所设计的充电控制器采用了斩波式PWM原理，分两个阶段，第一阶段为快充阶段，第二阶段为PWM 阶段(慢充阶段)。

PWM脉宽调制充电程序流程图如下：

图5.3 脉冲宽度调制子程序流程图

当检测到蓄电池的电压小于9V时，开关管始终接通，即采取全通充电方式，如果检测到蓄电池电压大于9V并小于12V时采取脉宽调制方式充电，随着蓄电池电压的增加，脉宽不断的变窄，直到蓄电池端电压上升为12V时，脉宽检校为0，停止充电。脉宽调制方式由软件来实现。

我们取脉冲的周期为2ms，MOS管的开关频率为500Hz。

#define PWM_PERIOD 100 // 100%占空比时标数

sbit PwmOut = P1^0; // 占空比输出I

sbit CLK3=P0^7;

sbit data_out3=0^6;

unsigned char PwmPeriodCont; // PWM 占空比计数器

void timer0() interrupt 1 //定时器0，用来产生PWM

{ TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

t0++; }

battery_v=adc3_549();

While(1)

{

if(data_out2=0) //蓄电池电压小于9V

{

if(data_out3=1) //蓄电池电压大于等于10.5V

{

TR0=1; //开启固定PWM充电

if(t0==5)

{

PWM=1;

}

if(t0==12)

{

t0=0;

PWM=0;

}

}

else

TR0=0;

}

}

定义占空比输出为单片机的P1.0引脚，A/D转换器3的CLK脚接单片机的P0.7，data_out脚接单片机的P0.6，首先A/D转换器2测的电池端电压与比较电压比较，小于比较电压时，data_out2=0，接通充电电路开关关闭放电电路开关，充电过程中，A/D转换器3检测电池电压，当电池电压大于比较电压11V时，data_out3=1，开启PWM充电模式，随着时间计算占空比，不断减小脉冲宽度。

当蓄电池电压为V=11V时，他的脉宽波形如图所示，占空比=ton/T=1/2。

图5.4 蓄电池电压为11.5V时的脉宽波形

当蓄电池电压为V=11.5V时，他的脉宽波形如图所示，占空比=ton/T=1/4。

图5.5 蓄电池电压为12V时的脉宽波形

5.5 放电控制系统

与充电控制同样原理，控制的开关管(斩波管)选用POWER MOFFETIRF4905。其控制程序流程图如下：

图5.6 放电控制子程序流程图

此处A/D转换的数字信号作出判断后，利用单片机的P1.1引脚连接MOS管2，直接控制其通断控制放电电路的通断。

功能子程序：

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit data_out2 = P0^4; // 数据输出

sbit CLK2 = P0^5; // AD时钟信号

sbit FuZai = P1^1

uchar adc2_549(void) // AD转换

While(1)

{

If (data_out2=1)

FuZai=1; // 打开负载

Else

FuZai=0 // 关闭负载

}

由于放电电路无需通过脉冲调节，直接可以通过P1.1引脚输出0或1信号控制MOS管通断，定义A/D转换器2的data_out脚接单片机P0.4，CLK脚接单片机P0.5，LED灯接单片机P1.1。测的电压与比较电压比较后，大于比较电压12V时，data_out=1，打开LED灯；如果小于比较电压，data_out=0,关闭LED灯。

5.6 小结

本章着重在控制上介绍出了流程图，每个不同控制电路的流程图都做出了介绍，并且附带说明。软件方面，主要的程序在流程图说明下也给出了介绍，以程序的形式进一步将控制过程详细介绍。

第六章 安装与调试

6.1 模拟调试

1）工程建立

键入用户的应用程序了，首先要保存这个空白的文件，单击菜单上的“File”，然后在下啦菜单中选择“Save As”选项后单击，在“文件栏”中右侧的编辑框，键入欲使用的文件名，同时，还必须要键入正确的扩展名。最后保存。

图6.1 工程新建

图6.2 工程另存

2）选择所要的单片机，常用Ateml 公司的AT89C51。

图6.3 单片机选择

3）

在项目中创建新的程序文件。点击新建文件的快捷按钮，出现一个新的文字编辑窗口，这个操作也可以通过菜单File－New 或快捷键Ctrl+N 来实现。

图6.4 新建程序文件

4）

前面工程和文件都建好后，可以编写程序了。

图6.5 程序编写

5）点击保存新建的程序，台灯.c，保存在项目所在的目录中，这时会发现程序单词有了不同的颜色，说明KEIL的C 语法检查生效了。

图6.6 保存程序

6)设定创建HEX文件选项。上一步建立了单片机C语言项目，但为了让编译好的程序能通过编程器写入51芯片中，要先用编译器生成HEX文件。HEX文件格式是Intel公司提出的按地址排列的数据信息,数据宽度为字节,所有数据使用16进制数字表示, 常用来保存单片机或其他处理器的目标程序代码。它可以保存物理程序存储区中的目标代码映象。一般的程序编辑软件都支持这样的格式。我们先来打开这个项目，打开它的所在目录，去找到台灯.Uv2的文件，然后就可以打开先前建好的项目了。然后右击此项目的文件夹，就会弹出项目的功能菜单，这里选Options for Target’Target1’,然后弹出项目选项的设置窗口，同样的先选中项目文件夹图标，这时在Project菜单中也有一样的菜单可选。打开项目选项窗口，转到Output选项页。设定：1选择编译输出的路径，2编译输出生成的文件名，3决定是否要创建HEX文件，选中就可以输出HEX文件到指定的路径中。

图6.7 Options for Target’Target1’

图6.8 创建HEX文件

7）编译运行。

8）查错并直至无错误。

6.2系统电路的仿真

Proteus仿真步骤：

1）

创建文件并命名“台灯.dsn”。

图6.9 创建文件

2）

放置元件，设定好参数，并连接电路图。

图6.10 元件连接图

3）

双击单片机芯片，添加“台灯.hex”文件。

图6.11 芯片设置

图6.12 源程序选择

4）

仿真运行，“debug”---“execute”

图6.13 仿真状态

5）检查错误直至达到项目要求。

6.3测试结果与存在不足

连接好的电路经过测试、调试，充电控制电路没有问题，能正常向锂电池充电，LED灯泡能正常点亮，并且满足照明的要求。

但是从中也发现了存在的一些不足，例如，本次设计中某些电阻的精度不够，会影响欠压值和浮充电压值的精度，使欠压值和浮充电压值出现误差。

6.4小结

本章简单仿真了太阳能控制系统的程序，按照软件的仿真步骤仿真。对设计的电路进行了测试，并且发现其中的不足也得到了解决。

第七章 小 结

通过此次毕业设计，它锻炼了我的思考能力，用所学知识设计生活中常见的小小设备，加深了对单片机的了解和利用。也认识单片机技术对人们生活的影响，假如，社会都进入了一个全自动化的时代，繁重的人力能源将得到解放。

在本次设计中，设计过程中感受到了科学的严谨性。还需要大量的以前没有学过的知识，于是图书馆和Internet成为了我思路的源泉并成为了我很好的助手。我在设计的过程中发现了很多自身存在的不足之处，对以前上课的知识不能很好的融会贯通。证明了一切理论知识都必须与实践相结合才能深入得理解和掌握该方面的知识。在查询的过程中，要并不是将所查阅至的资料都一一采纳的，要判断优劣、适当的取舍相关知识。就这样，在不知不觉中我查阅资料的能力也得至了很好的锻炼。知识的学习是有限的，与具体项目相结合从而设计产品，不仅让我懂得了怎样把理论应用与实际，更让我懂得了在实践中遇至的问题是怎样用理论去解决的。这对于即将步入社会的我，对解决在未来的工作所遇至的许许多多问题的能力打下扎实的基础。

在设计过程中，总是遇至这样、那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐性便在其中建立起来了。这为我往后的工作积累了一定经验，增强了自信心。

人的一生有许许多多、形形色色的经历。然而每种经历都会给人留下各种各样的所思所想。你所经历的，你所感受的，都会为你将来的生活的前进起至了推波助澜的作用。这次课程设计让我感受至了在平时生活中所不能感受的许多东西，它不能用学至了什么东西来衡量，应该是留给了我什么，带给了我什么，这是我这次毕业设计后所值得思考的。

第八章致 谢

在做毕业设计期间，一直得到老师的悉心指导和关怀，特别是在课题的设计过程中，对论文的技术要求，导师都花费了大量的心血，并且每周都抽出时间为我们做专门的指导，询问我们在制作的过程中遇到了什么困难以及有没有解决方法等等，使我的专业知识、实践能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！还有老师在我做设计期间为我提供很大的帮助，在这里对庄老师表示深深的谢意。在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习环境的设计环境，为了让我们做好毕业设计，学院专门把创新实验室为我们开放。在课题的研究和进展中，同组成员以及同学也给与了很大的帮助，这里也献上我最诚挚的谢意！

由于时间和知识水平有限，论文中还可能会有许多纰漏和错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。

第九章 参考文献

[1] 武家胜、李珂、杨泽伟 太阳能发电应用的研究[C] 北京：华北电力大学出版

社，2009

[2] 吴理博、赵争鸣、刘建政 清华大学学报[C] 北京：自然学科出版，2003

[3] 李俊峰、王斯成 中国光伏发展报告［R］ 北京：中国环境科学出版社，2007

[4] 中投顾问 2020年中国太阳能产业规模将达20GW[J] 中金在线，2009，2

[5] 佚 名 太阳能发电工作原理[C] 电子发烧友网，2009

[6] 王春鹏、王岩、萧大卫、赵勇等 绿色新能源光电成就建筑之美[M]，2009 23

[7] 陈国庆、韦抒、李捷 太阳能自动跟踪系统的设计与实践[C] 电子世界

2012，11

[8] 刘 鹏 中国光伏产业链将迎来小阳春[C] 中国经济网，2010

[9] 舒海静李永安许开颜 济南地区太阳能发电能源潜力分析[J] 中文科技期刊

数据库，2005，1

[10] 韩 伟 太阳能发电在广电中应用的可能性[J] 有线电视技术，2005，22

[11] 赵国靖、赵敏荣 上海世博会太阳能光伏建筑[J] 建设科技，2010，12

[12] 胡忠文、张明锋、郑继华 太阳能发电研究综述[J] 能源研究与管理，2011

[13] 赖江轶 太阳能发电监测系统的设计与实现[M] 北京邮电大学出版，2010

[14] 叶诠之 太阳能住宅与太阳能社区[J] 中等职业教育，2006，17

[15] 程必忠 太阳能产业破局[J] 南风窗，2006，5

[16] 黄女瑛 太阳能发电上下游冷热不同调[N] 电子资讯时报，2006

[17] 贾明兴 太阳能发电的研究和应用[D] 华南理工大学，2011

[18] 徐 丽 线路板电镀过程监测系统的实现[D] 苏州大学，2009

附 录

附录1：控制原理图

附录2：元件清单

附录3：功能程序

#include // 51芯片管脚定义头文件

#include // 内部包含 _nop_();

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit CLK1 = P0^2; // AD1时钟信号

sbit DOUT1 = P0^1; // 数据输出

Sbit CLK2 = P0^5;

Sbit DOUT2 = P0^4;

Sbit CLK3 = P0^7;

Sbit DOUT3 = P0^6;

sbit FuZai = P1^1 ;

sbit PWM = P1^0 ;

uchar t0,battery_v;

void delay(uint n) // 延时函数

{

while(n--)

{

_nop_();

}

}

/*************************************/

void init() // 初始化函数

{

TMOD=0x01;

TH0=(65536-50)/256;

TL0=(65536-50)%256;

EA=1;

ET0=1;

PWM=0;

}

/***********************************/

uchar adc_549(void) //AD转换

{

uint data_out=0;

uchar i;

CS = 1;

_nop_();

CS = 0;

for (i=0; i<8; i++) // 读取8位数据

{

CLK = 0;

data_out = (data_out<<1)|DOUT;

CLK = 1;

_nop_();

}

CLK = 0;

CS = 1;

delay(3); // 延时21us以上

return(data_out);

}

/**********************************/

void timer0() interrupt 1 // 定时器0，用来产生PWM

{

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

t0++;

}

/**********************************/

void main(void)

{

init();

while(1)

{

if(data1=1) // 太阳能电压大于12V

{

While(1)

{

if(data2==0) // 蓄电池电压小于9V

{

PWM=1; // MOS管1导通

FuZai=0;

DS01=DS05=1;

DS02=DS03=DS04=0;

}

Else if (data_out3==1) // 蓄电池电压大于10.5V

{

DS01=DS04=DS05=1;

DS02=DS03=0;

TR0=1; // 开启固定PWM充电

if(t0==5)

{

PWM=1;

}

if(t0==12)

{

t0=0;

PWM=0;

}

continue;

}

}

}

While (1)

{

If (data_out2==1) // 蓄电池电压大于等于12V

{

PWM=0; // 断开MOS管1

DS01=0;

DS02=DS03=DS04=DS05=1;

FuZai=1; // 导通MOS管2

}

}

}

Else

continue;

While (1) // 晚上循环检测电池电压

{

if (data_out2==1) // 蓄电池电压大于等于12V

{

PWM=0; // 断开MOS管1

FuZai=1; // 导通MOS管2

DS01=0;

DS02=DS03=DS04=DS05=1;

}Else

Whlie(1)

{

IF (data_out3==0) // 电池电压小于10.5V

{

DS02=DS04=DS05=1;

DS01=DS03=0;

}

Continue;

}

Else

Whlie(1)

{

If (data_out2=0) // 电池电压小于9V

{

PWM=1;

FuZai=0;

}

Break;

}

}

}

}

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