基于单片机的太阳能路灯控制系统设计学士学位论文

基于单片机的太阳能路灯控制系统设计学士学位论文内容摘要：

的大小也即电动势的大小与电流是直接相关的，虽然电动势是以“伏特”为单位来表示的，但其“实力”是由内部电流的强弱决定的，实践中我们经常能遇到这样的情况，一节（块）电池的电压还很高，但是电流特别小，电压再高也是虚的。 那什么是电流呢。 电流就是电子的定向移动。 回路中电流的方向永远与电子流动的方向相反。 对太阳能电池来说，光生电流的方向就是“空穴”移动的方向，也就是电子流的反方向。 光生电流决定了太阳能电池的发电效率，因此光电产品和光伏发电工程特别要注意光电池组件板的安装角度。 角度偏差一点，光生电流都会下降很多。 光生电流的产生，表面上看是“空穴导电”形成的，但实质上还是电子的“定向填充空穴”形成的。 那么“空穴移动”和电子“填充空穴”又是怎么回事呢。 先看看太阳能电池的制作材料单晶硅的内部结构。 单晶硅内部的分子结构是四价电子结晶形态。 硅原子靠这四价电子相互间形成强劲有力的离子键从而即相互吸引、又相互排斥，所有的硅原子都形成有规则的排列，竖看成列，纵看成行，美丽而神奇。 原子间的空格也叫晶格，是自由电子活动的空间。 P型半导体就是在美丽的四价单晶硅中掺杂了三价的硼原子，结果，某一个硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因为硼原子周围只有三个电子，必定有一对离子键因失配而呈现“空缺”（缺少单价电子相配），这就存在了一种不稳定或者说不平衡的趋势，“空穴”的形象化比喻由此而来，“空穴”时时表现出使晶格趋于稳定的态势。 这就是P型半导体的特性。 再说N型半导体。 与P型半导体相类似，单晶硅在高温高压下形成结晶态之前，在纯硅当中掺杂了五价的磷原子，结晶形成后，某一个磷原子吉林工程技术师范学院毕业论文占据了硅原子的位置混在晶格中，结果必定有一价电子找不到配对、无家可归因而成为不安定因素。 N型半导体就形成了。 现在要做一件好事，就是把P型半导体与N型半导体贴合在一起。 结果在接触面上就形成了很薄的半导体膜层，这个膜层被科学家称为PN结，PN结是一个内建电场，具有单向导电性，即加上正向电场就导通，加上反向电场就截止。 PN结是半导体器件技术和电子科学发展的关键基础。 目前实验室内的PN结可以细微到纳米级。 这意味着超大规模集成电路的开发应用会来一次历史性的飞跃，带给我们的好处是最高档的PC机可以制作得很轻、很薄、很小巧。 太阳能电池的外表面——向阳的一面是富空穴的P型半导体，紧贴下面的就是富电子的N型半导体。 在太阳光子的激发下，N区的自由电子异常活跃，终于冲破PN结的阻挡，逐次开始填充P区中的空穴。 有意思的是，这些空穴由下向上依次被电子填充，就好像空穴由上而下在悄悄移动。 这就是“空穴的移动”，这个移动是虚拟移动，晶格中的每个原子都在各自的位置上纹丝不动，动的只是与正电荷相配对的电子而已。 太阳能电池的电动势由此而生。 但是，空穴的虚拟移动和电子的实际定向移动还都只是带有电荷的载流子向电池上下两面的聚集，只能形成电动势，还不能形成电流。 要形成电流还得怎么样。 还要在电池的两端加上导线使其构成回路才行。 控制器设计的理论基础太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最为重要的部件，也是各种路灯系统最大的区别所在。 可以说，光伏路灯系统的不同，其实质就是控制器的不同。 其设计的好坏，决定了一个太阳能光伏发电系统运行情况的优劣。 所以设计功能完备，结构简单的智能光伏路灯控制器是非常重要的。 第三章 系统设计的理论分析 太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。 为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。 在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。 同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能,具有光控、时控的功能,并应具备夜间自动切断负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。 控制模块的基本思想是检测太阳能电池板电压，若白天到，封锁控制电路，LED灯关闭；夜晚，太阳能电池板电压较低，开启控制电路，LED灯点亮。 同时检测蓄电池端电压，判断其充电方式、以及对负载LED的供电方式。 控制器结构电路主要由充电电路、放电电路、单片机外围电路和LED驱动电路等几部分组成。 太阳能控制器功能：；；。 、蓄电池的反接保护；；：增加浮充功能，即恒压控制。 蓄电池的充放电原理以铅酸电池为例。 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。 铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质—氢氧化铅（），氢氧根离子在溶液中，铅离子（）留在正极板上，故正极板上缺少电子。 铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（），与电解液中的硫酸（）发生反应，变成铅离子（），铅离子转移到电解液吉林工程技术师范学院毕业论文中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。 可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如图32所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。 图32 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： (31)正极： (32)总反应： (33) 1. 放电中的化学变化 蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物“硫酸铅”。 经由放电，硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。 所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。 2. 充电中的化学变化 由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还第三章 系统设计的理论分析 原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充。 太阳能综合供电系统中的蓄电池主要以浮充方式运行。 一般来说，当有日照时，蓄电池与光伏阵列发电装置并联运行，此时蓄电池自放电或瞬间放电所损失的容量由浮充电流补足；在无日照时，则由蓄电池单独向负载供电。 当蓄电池组电量未饱和时，系统通过输入变换单元对蓄电池组进行补充充电。 随着充电过程的进行，蓄电池组端电压将逐渐上升，控制单元适时检测蓄电池组的荷电状态，当蓄电池组端电压达到充电保护电压时，充电过程终止。 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。 蓄电池充电技术研究蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法 恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。 这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。 吉林工程技术师范学院毕业论文这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。 为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。 具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏蓄电池。 充电过程中电压、电流变化关系如图33所示。 图33 恒流充电曲线 图34 恒压充电曲线 恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。 因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。 在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。 相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。 此法的充电特性曲线如图34所示，此法也有其不足之处：第三章 系统设计的理论分析 ① 在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤。 ② 如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。 ③ 蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。 这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。 恒压限流充电恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。 它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在蓄电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。 这种采用串电阻限流的方式对于光伏系统来说，肯定是不实用的，因为串联电阻将消耗掉有限的电能。 但如果采用其它非能耗限流方式，还是有其优越性。 两阶段、三阶段充电这种方式是以克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。 它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，吉林工程技术师范学院毕业论文然后采用恒压方式进行充电。 这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。 其充电特性如图35所示。 在两阶段充电完毕，即蓄电池容量到达其额定容量(当时环境条件下)时，许多充电控制器允许对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。 这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。 如图35的虚线段。 图35 两阶段、三阶段充电曲线 快速充电正常充电方式蓄电池从0%到100%容量比，一般需要820小时，充电时间长。 在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池有损害，且电流利用率也下降。 快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在12小时内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气和使蓄电池电解液温度过高(一般在45℃以下)。 这种方式解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法是采第三章 系统设计的理论分析 用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合方法。 短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。 这样就可以大大地提高充电速度，缩短充电时间。 当然脉冲充电电流、持续时间和放电电流以及持续时间必须根据蓄电池的要求进行。 智能充电（马斯）研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础。 它是以最低析气率为前提，找出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。 1967 年美国学者麦斯(J. A. Mas)经过大量试验提出了电池充电可接受电流定律，如式34 所示 (34)上式中：——电池可接受的充电电流；——开始充电(t=0)时电池可接受的最大充电电流；a——充电可接受电流衰减常数(接收率)，与电池的结构和状态有关，a=I /C，其中I 为任意充电状态下蓄电池可接受的充电电流，C 表示蓄电池的容量。 由此可见，a 的数值越大则表示蓄电池的充电接受能力越强，其充电时间也就越短。 电池在充电过程中其充电可接受电流按图36所示，具有指数规律下降的可接受电流特性。 当充电电流大于充电可接受电流时，即处在1 区域时则会导致部分电流消耗于电离电解液中的水，使电池电解液产生析气反应；当充电电流在可接受电流曲线以下时，即处在2 区域时，不产生析气，此时充入的电量几乎都转变为电池的化学能量。 在1 区域时，充电电流越大，电解水反应就越剧烈，并使电池内部的压力增大、温升加速，使得电池的充电效率下降，且很容易损害电池影响电池的使用寿命。 吉林工程技术师范学院毕业论文图36充电可接受电流曲线图虽说按照图36所示的特性曲线进行充电，可以使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的附近，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小。 但是在光伏系统中因为充电电源本身并不是真正意义上的“无限电源”，而是来自太阳能光伏阵列这个“有限电源”，对蓄电池充电的同时还必须考虑电源电流的“来源”是否足够。 LED的发光及驱动原理 发光原理发光二极体是一种将电流顺向通到半导体PN结处而发光的器件，通常采用双异质结和量子阱结构。 LED发光的原理如下：如图37所示。 PN结结电压构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。 由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。 这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。 第三章 系统设计的理论分析 图37 PN结发光的原理图为了提高载流子注入效率，可以采用异质结（两种不同材料的半导体相接触所形成的界面区域）。 图38左图表示未加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高度的势垒。 右图表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。 但空穴的势垒小得多，而且空穴不断从P区向n区扩散，得到较高的注入效率，N区的电子注入P区的速率却较小。 这样n区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n型半导体能隙所决定的辐射。 由于p取得的能隙大，光辐射无法把点自己发到导带，因此不发生光的吸收，从而可直接透射处发光二极管外，减少了光能的损失。 发光二极管与半导体二极管同样加正向电压，但效果不同。 发光二极管把注入的载流子转变成光子，辐射出光。 一般半导体二极管注入的载流子构成正向电流。 应严格加以区别。