(强烈推荐)太阳能路灯控制系统_毕业论文设计

《工程实践》设计任务书题目 太阳能路灯控制系统项目综述由于现在的能源短缺问题，新能源供电对于在生活中实现照明要求有较好的效果。在设计该系统过程中，考虑到利用太阳能照明，此系统必须包含充放电的保护、电能强弱的检测和供电能源的切换等功能。因此设计的主要内容是研究太阳能路灯供电的控制，在太阳能足够对路灯进行供电时，使用太阳能对蓄电池充电；如果太阳能不足以提供充足的能源，那么转为市电对路灯进行供电。这样，通过对供电电源的切换达到节能并智能选择供电电源。其意义在于实现智能供电的同时，达到节能的目的。工作任务及要求任务：设计太阳能路灯控制系统， 该系统完成蓄电池过充、 过放保护以及蓄电池电源和市电电源自动切换等功能。要求：（ 1）查阅资料，完成系统设计整体方案；（ 2）太阳能电池板容量与蓄电池容量匹配的分析计算；（ 3） 蓄电池充放电控制器的设计， 绘制电路原理图和 PCB 图，完成软件编程并调试；（ 4）太阳能逆变电源的设计，绘制电路原理图；（ 5）完成各部分功能的软、硬件联调。查阅文献[1]Sanjaya maniktala. 精通开关电源设计 . 人民邮电出版社，2008(1). [2] 周志敏， 纪爱华 . 太阳能光伏发电系统设计与应用实例 . 电子工业出版社， 2010 [3] 成都信息工程学院电子实验中心，模拟电子技术基础 . 高等教育出版社 . [4] 成都信息工程学院电子实验中心，数字电路基础 . 高等教育出版社 . [6] 俞志根 . 小功率太阳能电源逆变装置的设计 [J]. 电力电子术 ,2009(7). [7] 郑郁正 . 单片微型计算机原理及接口技术 . 高等教育出版社，2012.7 指导老师审核年 月日《工程实践》设计方案报告题 目太阳能路灯控制系统主要研究思路和方法：基本思路：利用太阳能电池板来获取太阳能，转化为电能并储存在蓄电池，然后在蓄电池中的电能不足以供电时，通过单片机的对蓄电池和太阳能电池板的电压监测、分析判断来控制两个继电器的通断情况，从而实现蓄电池电源和市电电源的转换。工作重点：对市电 220V 交流转换为 7V 直流的电路制作，以及太阳能电池板采集太阳能转换为电能的电路及相关保护，对单片机 12C5A60S2学习和它对电路的控制以及相应程序的编写。技术路线：首先解决硬件电路各个功能的实现，电能存储，过充保护，过放保护，市电转换的硬件电路设计。单片机的采样分析控制功能，以及其 AD转换模块的程序编写。系统原理框图和工作原理：（ 1）系统原理框图：（ 2）工作原理：在有阳光时，太阳能电池板将太阳能转换为电能并储存在蓄电池中。蓄电池对路灯进行供电，这个过程中，单片机一直在对蓄电池和太阳能电池板的电压进行采样分析。如果蓄电池的电压不足以对路灯进行供电，此时单片机控制的两个继电器将会做出相应的动作，使蓄电池供电转换为市电供电。而市电 220V 是经过变压器降压然后全桥整流、稳压为 7V 的直流电。单片机对采回的电压样本经内置的 AD 转换器转换为数字信号，并作出相应的分析计算。在太阳能电池板对蓄电池充电的过程中，设置了防反充和过充保护。工作进度安排：第一阶段： 学习单片机以及相关知识， 相关软件以及基本的硬件知识；（大二上学期： 2011 年 9 月至 2012 年 3 月）第二阶段：研究讨论计划方案，并研究方案可行性，确定最终方案；绘制相应的电路图，并且 PCB制版；（大二下学期： 2012 年 3 月至 2012 年 7 月）第三阶段：根据实验原理，制作电路板，编写程序，调试电路板。（大三上学期： 2012 年 7 月至 2012 年 11 月）第四阶段：完善硬件后期制作，能演示该控制系统基本功能，同时完成项目总结及报告。（大三上学期： 2012 年 11 月至 2012 年 12 月）指导教师审核意见签名： 年月 日《工程实践》论文论 文 题 目 太阳能路灯控制系统学 生 姓 名 许言午、 王浩、 杨航、 谭全、李源、 阎胜蓝、 胡春梅、 练胜、刘洋、 黄开创、 代雪峰、 王一良4、 09、 07、 14、 23、 22、 24）专 业 电气工程及其自动化班 级 电气 101 班指 导 教 师 张绍全职 称二 O 一二 年 十二 月成都信息工程控制工程学院制太阳能路灯控制系统的设计摘 要常用的太阳能路灯控制系统大都采用定时器或者光电控制来实现太阳能路灯的开关控制，很难根据实际情况和需要进行及时调整，巡检和维修等工作也是人工完成的，需要花费大量的人力和物力。本课题设计主要针对目前太阳能路灯落后的管理方式，设计一种新型的太阳能路灯监控方式，本太阳能路灯控制器以 12C5A60S2单片机，并用继电器作为中间控制器为核心，主要负责各种数据的采集处理，自动对蓄电池进行充电并且有过充电过放电保护。 单片机对采回的电压样本经内置的 AD转换器转换为数字信号作出相应的分析计算和执行相应的操作（开关灯，报告路灯的供电状态以及蓄电池充放电状态） ，当蓄电池处于过放状态，进行供电能源的切换转换为市电为太阳能路灯供电，具有智能化和自动化较高的水平，安全可靠，适用范围广泛。本文还说明了太阳能路灯的基本原理，完成了系统相应功能和相关程序的编写。关键词 ：太阳能路灯；路灯控制系统；蓄电池保护；单片机编程The Design of Solar Streetlight control System Abstract The Scheme of Solar Street Lamp System SchemeAbstractThe methods of time-control and optical-control are in common used to control solar street lamp,based on the actual situation it is difficult to adjust the lamps status in time, it also need manpower to inspect and repair, it takes a lot of manpower and material resources.To change this backward management, we desigen a new wireless control system, which is based on the 12C5A60S2 MCU , and relay as intermediate controller as the core.,and it is responsible for a variety of datas acquisition and processing,according to the degree of illumination to switch lights automatically, charging the the battery with over-discharge protection,With the chip to adopt the voltage sample the built-in AD converter is converted to a digital signal to the corresponding calculation and implement corresponding operation (open to turn off the lights, the report the lamp power supply condition and battery charging and discharging state),When the battery in the discharge state, to supply energy for mains switch conversion for the solar energy street light power supply, with intelligence and automation .This article also describes the basic principles of solar lights, completion of system selection and program.Key words: customer satisfaction; evaluation quota system; the construction of Electronic Resources; university library; five point Likert scale Key words: solar street lamp; Street lamp monitoring system;storage battery protecting;MPU programming目 录论文总页数： 31 页1 引言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21.1 项目概述 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21.2 设计目的 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21.3 设计任务 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 31.4 研究思路和方法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 32 项目总体方案设计 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42.1 系统原理框图和工作原理 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42.1.1 方案选择 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 43 系统硬件设计 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 53.1 太阳能路灯控制系统的电路原理图 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 3.2 各个单元电路的工作原理和实现的功能 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 3.3 印制板电路 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 3.4 产品材料清单 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 134 系统软件设计 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 134.1 各个单元的设计思路和实现的功能 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 134.2 软件程序流程图 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 134.3 程序源代码 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 155 调试运行 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 155.1 硬件调试 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 155.2 软件调试 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17参考文献 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19附录一 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20会议记录 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20附录二 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22程序源代码 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22附录三 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 28组员调试相关图片 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 281 引言1.1 项目概述自哥本哈根气候峰会召开以来，环保节能为当今世界热点话题，节能减排，已不仅是政府的一个行动目标，而且还能给企业带来经营上的收入，让城市居民能获得一个较好的生存环境。节能减排更是一个人类解决环境问题的必经之路。我国节电潜力仍很大。在工业领域，通过电力电子技术的开发和应用及对风机水泵等电力拖动系统进行优化，可取得显着的节电效果；在建筑物用电方面，全面实施建筑物的能效标准，特别是改进空调制冷和取暖技术和系统的能效，将有巨大的节电效果。高效照明和提高家庭、办公用电器的能效也有巨大的节电潜力。采取多种措施，推动节能节电不仅可取得好的经济效果，还可节约电力建设投资，减小电力建设风险。如果在产业产品结构调整方面加强引导，使我国的经济结构尽快向低能源强度方向转变，同时加强节能，全面提高能效，我国可能以低得多的电力消费增长，达到 GDP 翻两番的经济增长目标，同时带来环保、经济效益、能源安全等一系列的效果。电力系统要全面开展以节电和负荷管理为目的的需求侧管理。太阳能不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。因此太阳能光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。与发达国家相比，中国的光伏发电产业发展缓慢，各种光伏材料的发展也相对落后。现有的路灯大多都是市电供电，以太阳能作为能源的路灯应用不够广泛。基于这一背景，设计了一款太阳能路灯智能控制系统，除了用太阳能供电外，还添加了在太阳能不足以供电时由市电提供电能的转换模块，方便路灯照明设备的功能控制和管路。1.2 设计目的随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，近年来能源供需矛盾突出，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。太阳光没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：1.无枯竭危险；2.干净无公害；3.不受资源分布地域的限制；4.可在用电处就近发电；5.能源质量高；6.获取能源花费的时间短。而在我们生活中， 许多城市都需要路灯照明系统， 这一系统的需求也同时对电能提出了巨大的需求。在当今的社会，能源问题本已是人类当前一个迫不及待需要解决的问题。基于这种背景下，设计一款能将太阳能转换为路灯所需电能的新型路灯也是很有需要的。所以我们设计的这款路灯在满足人们在生活中照明需求的同时，还将太阳能转换为电能给路灯供电，同时也增加了太阳能不足供电时由市电供电的转换装置，并是智能转换，方便了路灯的管理。这样一来就能达到照明、节能两不误的目的。1.3 设计任务设计出一款能够将太阳能转化为电能并储存在蓄电池中且能智能给路灯供电，智能转换蓄电池和市电对路灯供电的一个控制系统。设计一个功能全面，能控制蓄电池充放电，转换供电电源的实物控制系统。此系统在太阳能不足时需转变为市电供电，市电 220V 经变压器降压到 9V后经全桥整流稳压后保持 7V 的稳定值。太阳能电池板给蓄电池以 6.5V的恒定电压充电，并且在蓄电池两端并联一个电压采集电路，采样信息由 P1.1 口输入单片机，经 AD 转化后由单片机处理识别，并控制两个继电器的动作，从而实现两供电电源的转换。同时，单片机的另外端口也控制指示灯的状态，在判断符合某指示灯亮的条件时，单片机给出亮灯信号。另一方面，单片机的电源是从市电或者蓄电池处获得，当蓄电池电量充足时，由蓄电池给单片机供电，不足时由市电给单片机供电，其条件如路灯的控制条件。最后，绘制原理图和 PCB 板，做出实物，进行调试，使其能达到理想的功能状态。1.4 研究思路和方法主要运用模拟电子技术制作系统的硬件控制部分，如蓄电池充电模块和保护模块、市电降压整流稳压模块、单片机电源和继电器控制电路。又应用数字电路技术以及单片微型计算机原理及接口技术来设计程序和控制继电器的工作状态。同时，在市电模块需要用到电力电子技术的AC-DC 转换，使市电变为直流为路灯供电。在这些思路下，开始在实验板上搭建每个模块的电路，验证思路中的想法是否正确，并寻找简化电路以更有效的实现该模块的功能。在找到各模合适的电路后，开始设计系统电路原理图，制作相关的硬件电路，然后再次调试组合后的系统硬件电路，解决相关的问题，并寻找能简化或较快捷的方法。一步一步的优化系统，调试相关电路。在硬件调试好了后，软件的程序设计业要跟上脚步，按照硬件的需求实现相关功能。程序设计完后，要和硬件一起配合调试，验证其是否达到想要的效果，并进行相关的修改和优化。最后，软件和硬件的完美搭配实现这个系统的整体运行，并具有相关功能。2 项目总体方案设计2.1 系统原理框图和工作原理2.1.1 方案选择该项目主要考虑以下两种方案：方案一：系统完全使用纯模电电路实现。太阳能路灯智能控制系统主要由电源、蓄电池过充和过放保护电路、红外控制及光控电路以及灯具组成。总体框图如图 1 所示。电源分为电池电源和 220V 市电经 AC-DC 转换电路后的稳定电源。AC-DC 转换电路主要由变压器及集成稳压管构成。蓄电池过充保护电路是一个简单的由稳压二极管、三极管及电阻构成的电路，而在太阳能板给电池充电时为防止电池对太阳能板反向充电，需在太阳能板和电池之间接一个二极管。蓄电池过放保护电路的主要元件为滞回比较器和继电器。由滞回比较器来判断电池是否达到过放状态，由继电器作为选择开关，来选择用电池供电还是后备电源供电（电池在过充状态时和阴雨天气时） 。红外控制和光控电路主要组成部分是红外探头、数字电路及光敏电阻，而红外控制部分可以集成一块芯片，即 BISS001 芯片。灯具有照明灯具及演示时的指示灯。由于设计的是路灯，照明灯具需要足够的亮度，可以选用 LED 灯。指示灯用简单的发光二极管即可。图 1 方案一结构图方案二： 系统采用单片机 12C5A60S2 控制市电和蓄电池的供电情况，并用继电器作为中间控制器。该方案在太阳能电池板转换能量后， 经反充和过充保护对蓄电池进行充电，此时单片机对太阳能电池板电压和蓄电池电压进行采样并分析，判断选择哪个电源进行供电，控制两个继电器的通断情况。而市电 220V经变压器降压到 7V 后，进入整流稳压电路后对灯具进行供电。方案最终选择理由： 经小组的激烈讨论后， 我们选择了方案二进行设计、制作。原因在于方案一拥有复杂的电路模块，在实现相同的功能模块下，需要更多的电路，故需更多的电路器件，这样增加了制作成本。另一方面，电路的复杂累赘会增加控制电路的误差，使最终电路不能达到预期的理想效果。再一方面是纯模电电路在实现智能切换供电电源和检测方面比较困难。故选择使用单片机来作为本项目的控制核心。方案二框图如图 2 所示。太阳能电池板产生的电压为 9V，经处理后以 6V 给蓄电池充电。市电模块使用的变压器为 220V12V。经整流稳压后为 7V。在电源模块增加滑变，设置相应的阻值，可得到 5V 电压作为单片机电源。方案二工作原理： 在有阳光时， 太阳能电池板将太阳能转换为电能并储存 在蓄电池中。蓄电池对路灯进行供电，这个过程中，单片机一直在对蓄电池和太阳能电池板的电压进行采样分析。如果蓄电池的电压不足以对路灯进行供电，此时单片机控制的两个继电器将会做出相应的动作， 使蓄电池供电转换为市电供电。 而市电 220V 是经过变压器降压然后全桥整流、稳压为 7V 的直流电。单片机对采回的电压样本经内置的AD 转换器转换为数字信号， 并作出相应的分析计算。 在太阳能电池板对蓄电池充电的过程中，设置了防反充和过充保护。图 2 方案二结构图3 系统硬件设计3.1 太阳能路灯控制系统的电路原理图太阳能路灯主控电路原理图如图 3 所示，市电开关电源电路如图 4所示。各部分工作原理在 3.2 节详细介绍。图 3 太阳能路灯主控电路图 4 市电开关电源电路3.2 各个单元电路的工作原理和实现的功能1、市电开关电源电路图 4 所示为市电部分开关电源，该部分是由市电 220V 进入经变压器 T1 后降压到 9V，然后经全桥整流变为直流后经稳压芯片 LM2596 后过电感 L1 后输出。而电路中的肖特基二极管 D5 的作用在于续流，使输出电压达到稳定。 调节滑变 R0 的阻值大小可以调节输出电压的大小。 二极管 D1-D4 是整流全桥的四个桥臂，对交流进行全桥整流。2、单片机电源图 5 单片机电源电路单片机电源电路如图 5 所示，此部分先是市电 IN 对单片机供电，是单片机工作，如果蓄电池电量充足，则改为蓄电池对单片机供电。此部分使用 LM117 进行稳压，达到稳定值 5V。而 LED0 是用来指示单片机电源工作正常。3、 太阳能电池板 _蓄电池充电电路图 6 太阳能电池板 _蓄电池充电电路图 6 所示部分为太阳能电池板 _蓄电池充电电路，电压由太阳能电池板输出经 D1 后进入稳压芯片 317，然后对蓄电池充电， D1 的作用是防止蓄电池对太阳能电池板反充。 而 D1 后的的电阻并联电路是对太阳能电池板电压进行分压，在滑变 R4 上用 P1.0 进行电压采样，分析太阳能电池板的电压情况。滑变 R13 和 R12 组成的电路可将电压稳定在 6.5V对蓄电池进行充电，这样既可以对蓄电池恒压充电也可以防止对蓄电池过充。所以这一模块包含了防过充和反充保护电路。4、蓄电池电压采样电路图 7 电池电压采样电路图 7 所示电路是电池电压采样电路，其功能是对蓄电池的的电量情况进行监测，单片机采集电压样本进行分析，并控制两个继电器的动作情况。 其主要结构是一个用电阻 Rf 和滑变 R6 串联， 然后与蓄电池并联。滑变采样的输入电压不能超过 5v， 滑变使其最大保持在 3v 左右， 以使单片机内部的 AD 转换器进行转换供单片机分析，作出准确的判断。这里使用的单片机端口为 P1.0 口对蓄电池电压进行采样。5、单片机主控电路图 8 单片机主控电路图 8 为单片机主控电路 ,包括单片机复位电路、继电器控制电路、震荡电路和工作状态指示电路。指示电路部分，当 LED0 亮时，表示蓄电池电量充满； LED1 亮表示蓄电池电量不足； LED2 亮表示市电供电；LED3 亮表示蓄电池供电。继电器控制电路部分，当蓄电池电量不足时，单片机将 P1.5 口置成低电平，将 P1.6 置成高电平，三极管 Q1 导通，三极管 Q2 关断， 使市电部分继电器动作通电给路灯供电， 蓄电池部分继电器动作不导通；当蓄电池电量充足时，单片机将 P1.6 口置成低电平，将P1.5 置成高电平，三极管 Q2 导通，三极管 Q1 关断，使蓄电池部分继电器动作导通给路灯供电，3.3 印制板电路主控电路 PCB 如图 10 所示，市电开关电源电路 PCB 如图 9 所示。图 9 开关电源 PCB 图图 10 主控部分 PCB 图图 11 主控电路部分印制板电路图图 12 开关电源部分印制板电路图图 13 系统总图3.4 产品材料清单该系统的产品材料清单如表 1 所示。