〔大学论文〕基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现(含word文档) .pdf
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1、2009200920092009 届本科毕业论文(设计)届本科毕业论文(设计)届本科毕业论文(设计)届本科毕业论文(设计) 论文题目论文题目论文题目论文题目:基于单片机的基于单片机的基于单片机的基于单片机的太阳能草坪灯的设计太阳能草坪灯的设计太阳能草坪灯的设计太阳能草坪灯的设计与实现与实现与实现与实现 摘摘摘摘要要要要 太阳能作为可再生能源的一种,指太阳能的直接转化和利用, 通过转换装置把太阳辐射能转换成热能,再利用热能进行发电。本 设计是对目前草坪灯存在的抗干扰性低,不能自动化控制,且寿命 短等缺陷进行改进与创新。 本设计首先采用了太阳能电池作为能源,以达到环保节能的目 的;利用单片机技术实
2、现草坪灯的光电控制、定时控制和节能控制, 其次内部设置有蓄电池,用于保证在阴雨天气对蓄电池进行充电, 以给草坪灯供电。控制电路分析和讨论了各个部分的电路原理、控 制策略,能根据光线和定时控制的要求决定草坪灯的点亮和关断。 系统有很好的抗干扰性,断电时可以保存用户所设定的各种参数。 关键词:关键词:关键词:关键词:太阳能光电池,控制器,蓄电池,草坪灯,单片机 1 TheTheTheThe designdesigndesigndesign ofofofof SolarSolarSolarSolar lawnlawnlawnlawn lamplamplamplamp AbstractAbstract
3、AbstractAbstract Solar energy as a renewable energy that the direct conversion of solar energy and use, through the conversion device to convert solar radiation into heat, and then use heat to generate electricity. This design is the existence of the current anti-lawn lamp low, can not be automatic
4、control, and defects such as short life improvements and innovation. First of all, the design of solar cells used as a source of energy in order to achieve the purpose of environmental protection and energy saving; Lawn lamp single-chip technology using opto-electronic control, time control and ener
5、gy-saving control,followed by internal battery set up for wet weather to ensure that the battery charger to power supply to the lawn.Control circuit analysis and discussion of the various parts of the circuit principle and control strategy, based on the control of lighting and timing requirements of
6、 the decision of the lawn lamp lit, and turn-off. Have a good anti-jamming system, the power can be saved when the user set various parameters. KeyKeyKeyKey words:words:words:words: Solar PV,Controller,Batteries,Lawn lamp,Single-chip 目目目目录录录录 1 引言.2 1.1 国内外太阳能的发展现状 3 1.2 太阳能的利用 5 2 方案论证.5 2.1 设计要求.5
7、 2.2 方案选择.6 3 系统整体电路.7 3.1 太阳能电池板 8 3.2 太阳能控制器.11 3.3 蓄电池的选择 12 3.4 单片机介绍 14 3.4.1 主要特性 14 3.4.2 管脚说明 14 3.4.3 振荡器特性 17 3.4.4 芯片擦除 17 3.4.5 结构特点 18 4 系统单元电路的设计.18 4.1 照明负载.18 4.2 充放电控制原理 21 4.3 太阳能供电系统容量的计算 23 1 4.4 控制器电源电路 24 4.5 光控电路.24 4.6 系统时钟电路 25 4.7 掉电存储电路 28 4.8 数码管显示电路 30 4.9 单片机硬件电路 31 5 系
8、统程序设计.32 6 结束语.32 致谢.34 参考文献.35 附录 1 总体电路图38 附录 2 程序39 2 1 1 1 1 引言引言引言引言 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,生物质能、风 能、海洋能、水能等都来自太阳能,广义地说,太阳能包含以上各 种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种,则是指太阳能的直 接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于 太阳能热利用技术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电,也 属于这一技术领域;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的 属于太阳能光发电技术,光电转换装置通常是利用半导体器件的光 伏效应原理进行光电转换的,因此又称太
9、阳能光伏技术。 70 年代以来,鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加, 世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973 年,美国制定了政府级的阳光发电计划,1980 年又正式将光伏发电 列入公共电力规划,累计投入达 8 亿多美元。1992 年,美国政府颁 布了新的光伏发电计划,制定了宏伟的发展目标。日本在 70 年代制 定了“阳光计划”,1993 年将“月光计划”(节能计划) 、“环境计划”、 “阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中 国家也纷纷制定了相应的发展计划。90 年代以来联合国召开了一系 列有各国领导人参加的高峰会议, 讨论和制定世界太阳能战
10、略规划、 国际太阳能公约,设立国际太阳能基金等,推动全球太阳能和可再 生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的 一大主题和共同行动,成为各国制定可持续发展战略的重要内容。 自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源 3 技术列入国家科技攻关计划,大大推动了我国太阳能和可再生能源 技术和产业的发展。二十多年来,太阳能利用技术在研究开发、商 业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展,成为世界快速、稳定 发展的新兴产业之一。 1.11.11.11.1 国内外太阳能的发展现状国内外太阳能的发展现状国内外太阳能的发展现状国内外太阳能的发展现状 国际光伏工业在过去 15 年的平
11、均年增长率为 20。90 年代后 期,世界市场出现了供不应求的局面,发展更加迅速。以美国为代 表,政府(能源部)在 1990 年起动了 PVMaT(光伏制造技术)的 产业化计划,通过国家可再生能源实验室(NREI实施,并成立了 国家 PV 中心,联合产业界、大学和研究机构共同进行攻关,以求 大幅度降低成本。这一计划的实施已经产生了非常明显的效果,使 商品化电池效率提高到 12-15。 市场发展将逐步由边远地区和农村 的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到下世纪中叶,太阳能 光伏发电将达到世界总发电量 15-20,成为人类的基础能源之一。 第二届世界太阳能光伏会议主席 Jurgen Schmi
12、dt 在大会上说到:“作 为全球一种能源,光伏发电在下世纪前半期将超过核电,是 2030 年 还是 2050 年的最后几年超过,只是个时间问题。” 我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近 20 年的努 力, 已经奠定良好的基础。 目前有 4 个单晶硅电池及组件生产厂和 2 个非晶硅电池生产厂。但在总体水平上我国同国外相比还有很大差 距,主要表现在以下几个方面: (1)生产规模小。目前 4 个单晶硅电池生产厂基本上保持在 4 1986-1990 年引进时的规模和水平。 各厂家在引进时标称生产能力为 1MW年,但在不同的工艺环节上都存在着“瓶颈”,实际生产能力 都在 05MW年左右,所以我国
13、太阳电池总的实际生产能力约 2MW年, 1998 年我国太阳电他的产量为 2MW, 约占世界产量的 1 3。 生产的规模化程度比国外 5-20MW 生产规模低一个数量级。 目前各厂都在努力扩大生产能力,可望在 1-2 年内将各厂的实际生 产能力扩大到 1MW年,总能力达到 4MW年。多晶硅电池有利 于进一步降低成本,目前我国还是空白。国家已将多晶硅电他的产 业化作为“九五”计划的重点进行了安排,可望在 2000 年形成规模化 生产。 (2)技术水平较低。我国太阳电他的效率较低,平均在 14-16 ;组件封装水平低,工程现场证明,部分产品大约 3-5 年就出现 发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问
14、题,近几年产品质量有提高, 但同国外仍有一定差距。 (3) 专用原材料国产化程度不高。 专用材料如银浆、 封装玻璃、 EVA 等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料 国产化列入“八五”计划,并取得一定成果,但性能有待进一步改进, 各厂家部分材料仍然采用进口品。 (4)成本高。目前我国电池组件成本约 35 元Wp(42 美元 Wp) ,平均售价 44 元Wp(53 美元Wp),成本和售价都高 于国外产品。 我国地域广大、人口众多,7000 万人生活在无电地区,光伏发 5 电的潜在市场非常巨大。但由于光伏发电成本高,目前尚不能与常 规发电相比。尽管如此,我国的光伏市场仍在逐年地发展
15、和扩大, 1998 年的安装容量约 25MW。到 1998 年底,光伏发电系统总保 有量约 12MW。面对这样一个将被开发的巨大市场,我国的光伏发 电产业必须加快发展步伐。 1.21.21.21.2 太阳能的利用太阳能的利用太阳能的利用太阳能的利用 人类对太阳能的利用有着悠久的历史。 我国早在两千多年前的战 国时期,就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火;利用太阳能来 干燥农副产品。发展到现代,太阳能的利用已日益广泛,它包括太 阳能的光热利用,太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太 阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。使用 太阳电池,通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电
16、能,使用 太阳能热水器,利用太阳光的热量加热水,并利用热水发电,利用 太阳能进行海水淡化。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式 18。 本课题将充分利用太阳能资源、 太阳能电池和光电转换技术给 草坪灯提供电力,利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控 制和节能控制。 2 2 2 2 方案论证方案论证方案论证方案论证 2.12.12.12.1 设计要求设计要求设计要求设计要求 (1)电池板面积、功率的计算和选用; (2)蓄电池容量、恒流充放电控制和充放电状态显示; 6 (3)光电控制要求光线较暗、路灯未点亮时草坪灯开始照明草 坪,天亮后自动关断; (4)定时控制要求晚上 12 点时关断草坪灯
17、电源,早上 6 点接 通、天亮后自动关断; (5)系统有很好的抗干扰性,断电时可以保存用户所设定的各 种参数。 2.22.22.22.2 方案选择方案选择方案选择方案选择 太阳能草坪灯控制与路灯控制电路功能一样,都是为了完成晚 上亮灯,早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常 用的控制器有光控制开关,钟控器、经纬型控制器等,但由于其工 作原理不同,各有优缺点。 单独的光控开关一般采用感光探头,当晚上光线弱时,自动开 启草坪灯;早上光线较强时,自动关闭草坪灯,达到自动控制的作 用。为节省电力,早期的光控开关,使用分立半导体器件,电路复 杂,元器件较多,体积也较大,并且故障率高。随着半
18、导体技术的 发展,出现了时基集成电路,如 NE555 等,使光控开关电路简化。 感光探头是影响光控开关性能的关键元器件,同时对它安装位置也 有一定要求,力求避免各种干扰光线,但在实际使用中,感光探头 难以判断各种干扰光线,经常会产生误动作1。 采用钟控器的草坪灯控制器,要预先设定开关时间,使草坪灯 按时亮灯、准时熄灯,从而达到自动控制的目的。优点是定时开关 预先设定的开关时间不受外界干扰, 除本身故障外不会产生误动作。 7 缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间,需 人工经常调整开关时间,费时费力,不利于节省电力。定时开关又 分为机械钟表型和电子钟表型,机械钟表型以石英钟为主,
19、走时精 准,但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形,从而导致停机 现象。电子钟表型定时开关使用的也较多,常用 LR6818、LM8650、 LM8561等集成块为中心的电子钟电路。 近几年还出现将电子钟LED 液晶显示为一体的集成块,体积小、外围元器件少,可设六组开关 点,有星期功能,许多厂家大量生产该产品,但现在大多用于路灯 控制中,草坪灯控制中尚未大规模使用5。 经纬型控制器采用单片机技术,模拟日照规律,晚上能自动开 灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点,克服了光控开 关易受干扰的缺点,取钟控器时间准确之长处,克服了定时开关不 会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制
20、方式, 但其价格较高,在草坪灯中使用将会增加不必要的成本。灯箱的智 能控制这一课题己有研究者,但目前尚未有成熟的产品上市。本设 计是结合以上几种控制方式的优点,综合从节电、经济和实用等方 面考虑,利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式,来实现根据 天气状况自动控制灯箱电源的目的。经过综合考虑,决定采用光控 和定时控制相结合的控制方式。 3 3 3 3 系统整体电路系统整体电路系统整体电路系统整体电路 8 单 片 机 系 统 时控电路 光控电路 掉电存储 充 放 电 总 电 路 太阳能电池板 LED 负载 蓄电池组 图 1 总体方框图 太阳能草坪灯由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)、 灯
21、源等组成。利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控制和 节能控制,其次内部设置有蓄电池,用于保证在阴雨天气对蓄电池 进行充电,以给草坪灯供电。总体设计电路图见附录 1。 3.13.13.13.1 太阳能电池板太阳能电池板太阳能电池板太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发 电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能力转换为电能, 或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池板的质量 和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池方阵一般由 多块太阳能电池组件串并联而成,每个支路通过防反充二极管、充 电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为若干个子
22、阵列, 每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最 电高压时,自动依次切断一个或数个子阵列,以限制蓄电池的充电 电压继续增长确保蓄电池的寿命,并最大限度地利用和储存太阳能 电池发出的电能。晴天时,太阳能电池为蓄电池充电,在夜幕来临 充放电控制 9 时通过定时装置为太阳能草坪灯供电。 太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光伏 效应。其转换过程由以下三个阶段组成: (1)光的吸收和空穴电子对的产生4 在外部不给半导体任何能量的状态(绝对零度)下,电子充满介 电子带, 而导带则不存在电子。 在这种状态下, 半导体不显示导电性, 而是绝缘体。当具有一定能量的光入射半导体时
23、,如果光子的能量大 小比特定值Eg大时,那么,这种光就被半导体吸收。如果半导体晶格 吸收的光足够大,能够解除半导体晶格对电子的约束,就产生自由电 子,留下空穴。为使被晶格约束的电子变为自由电子,光子的能量必 须等于或大于该半导体的禁带宽度, 即Eg电子伏。 若比携带能量 Eg 小的光子被半导体吸收,那么它仅能透过半导体晶格,而对光电转换 没有作用。 (2)电子空穴对的分离 当半导体中没有电场时, 光激发的电子空穴对均匀的分布在半 导体中,但在外电路中并不能得到电流。只有以某种方法在半导体中 形成势垒, 才能使受激发的电子空穴对分开, 从而可向外电路供电。 这种势垒常用PN结实现。 PN结产生的
24、电子空穴对的分离是有限的, 但如果没有连接外部电路,则被分离的电荷不能消失,从而电荷蓄积 在PN两层,使PN结正向,即向着电位势垒变小的方向偏转,结果分 离过程停止,得到正常状态。这时,把PN结两端产生的电压叫开路 电压。若考虑使电荷短路状态,则分离的电荷在外部回路中流动而形 10 成短路电流。因此,短路电流与照射的光量成正比。 (3)过剩载流子的移动 图2 太阳能电池的发电原理图 吸收入射光能产生的电子空穴对也不一定全部分离, 电子空 穴对产生的数目与分离的数目之比叫做收集效率。 半导体中产生的电 子空穴对借助存在于半导体中的电场产生的偏移效应和电荷的浓 度梯度产生的扩散而移动。 过剩载流子
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