太阳能公路照明系统设计

电子科技 Electronics Technology012 电子制作【文章摘要】设计了一种太阳能公路照明系统， 白天接收太阳光能为蓄电池充电， 夜间再由蓄电池给路灯供电， 整个系统消耗的电能全部由太阳能提供， 无需任何外部电源。【关键词】太阳能 ; 充放电 ; 照明1 方案和功能总述系统选用两片 6V/3.5W 的太阳能电池板串联， 总功率为 7W， 在不同的光强条件下输出电压在 12V 到 13.6V 之间变化。蓄电池选用免维护铅酸蓄电池， 其参数为6V/4.5AH(20HR) ，表示该蓄电池的额定电压为 6V， 充满电后若以 0.1C（即 0.45A ）的电流放电， 可以放电二十小时， 根据电量的不同， 其输出电压在 5.25V 到 7.05V 之间变化。 路灯选用 6V/1.5W LED 灯， 根据厂家提供的参数， 其亮度与 25W 的白炽灯亮度相当。系统的主要功能如下 ： 1） 能自动检测当前时间， 当时间处于晚上 19:00-24:00时， 启动供电模块， 点亮路灯 ； 当时间处于 0:00-6:00 时， 系统进入空闲模式以降低功耗 ； 当时间处于 7:00-17:00 时， 启动充电模块。 2）要能自动检测太阳能电池板电压是否高于蓄电池电压， 若高于蓄电池电压， 则可开启充电 ； 若低于蓄电池电压， 则不能开启充电， 否则蓄电池电流会太阳能公路照明系统设计陈本源 谢 淼 钱 超 湖北工业大学理学院 湖北武汉 430068反向流向太阳能电池板而造成电量损耗。3） 当蓄电池电压高于 5.25V 而低于 6.2V时采取直充充电方式， 到当电池电压高于6.2V 而低于 7.05V 时采用 PWM 脉冲调制充电方式给蓄电池充电直到充满。 4）当蓄电池电压低于 5.25V 时， 自动关断负载（欠压关断） ， 同时有报警功能 ； 当从低于5.25V 回升到 5.8V 时才能再次接通负载。5） 当蓄电池电压高于 7.05V 时， 自动关断负载 （过压关断） 和充电电路， 同时有报警功能 ； 当从高于 7.05V 回落到低于 6.75V时才能接通负载。 6）当蓄电池处于浮充充电状态时电压值控制在 6.75V 左右。 7）当用户将太阳能电池板接反至控制器时，蜂鸣器报警， 并且具有保护控制器不被毁坏的功能。 8）当用户将蓄电池接反至控制器时， 蜂鸣器报警， 并且具有保护控制器不被毁坏的功能。2 硬件设计系统硬件电路可以分为以下几个模块 ： 充放电模块、 光耦连接模块、 系统工作状态指示模块、 实时时钟模块、 单片机最小系统。 各个模块的具体电路如下 ：2.1 充放电模块充放电模块主要实现太阳能电池板、蓄电池、 负载三者之间的连接， 稳压及电源电压转换。 电路图如图 1 所示。这一模块包括太阳能电池板输出电压稳压部分、 路灯供电部分、 单片机系统供电部分。太 阳 能 电 池 板 输 出 电 压 稳 压 部 分电路的主要功能是将太阳能电池板输出的变化的电压稳定下来， 给蓄电池充电。其 中 header2接 太 阳 能 电 池 板， 输 出 电压 在 12V 到 13.6V 之 间 变 化， LM7805、AD8615、 R1、 R2 组成可调稳压电路， 通过调节变阻器 R2 的阻值就可以改变输出电压， 本系统中将输出电压稳定在 6.75V ，给蓄电池充电。 R3和 R4 组成分压电路，用于检测充电电压。 Q1为充电控制开关。路灯供电部分电路 ： R5 和 R6 组成分压电路， 用于检测蓄电池电压。 lamp为路灯， Q2为路灯亮灭控制开关。单片机系统供电部分的主要作用是将太阳能电池板和蓄电池输出的变化的电压稳定在 5V， 给单片机和其他的芯片提供电源。 由于 LM7805 的输入电压需大于 7V， 否则不能工作在稳压状态。 而蓄电池输出电压范围在 5.25V 到 7.05V 内变化，不能直接输入到 LM7805 的输入端。 为了解决这一问题， 我们先对蓄电池输出电压进行了升压处理， 图中的 555 定时器， 二极管 D2、 D3 和电容 C6、 C7 组成升压电路， 将蓄电池电压升为两倍， 在 10.5V 到14.1V 范围内变化， 这个电压就可以输入到三端稳压电源 LM7805 进行稳压， 经过倍压和稳压处理后， 就可以得到非常稳定的 5V 电压。2.2 光耦连接模块为了提高系统的可靠性， 本系统中用光电耦合器将单片机系统与充放电电路隔离开来， 光耦电路如图 2 所示。这两个光耦分别用来驱动控制充电的 MOS 管和控制路灯的 MOS 管， 通过控制 Charge的电平高低就可以控制充电的启动与停止， 同样， 控制 Lamp 的电平高低就可以控制路灯的点亮与熄灭。2.3 系统状态指示模块系统状态指示电路用于指示电路的虚拟仪器系统， 以形成用户自定义的解决方案。 利用 NI 的虚拟仪器技术， 让以往复杂的数据采集工作变得异常简单， 让人们有足够时间集中精力用于实验的执行， 数据的分析及结论的总结上， 而不用将大量的时间花费在实验系统设备的搭建中。4.2 串口通信MAX232 芯片包含两路的 IC 芯片， 它的内部有一个电源电压变换器， 可以把输入的 +5V 电源电压变换成为 RS-232 输出电平所需的 +10V 电压。 MAX232 串口电路图如图 4-1 所示。 如图 M232 芯片中两路发送， 接收中任选一路作为借口。 发送， 接收的引脚要对应。 诺 PC 机的 232 发送端 TXD， 要对应 PC 机的 RS-232 串口的接收端 RXD。4.3 LABVIEW 在本设计中的应用以串口 232 模块为中间介质， 用计算机与单片机进行数据流控制。 LABVIEW如图 4-2 ， 4-3 所示。 在图 4-2 中我们可以看到 5 个按键，6 个指示灯，1 个调速开关，9 个数值控件和 1 个 COM 口配置。在选择 COM 口后， 配置好串口波特率， 这时已经可以由计算机向单片机发送指令。用前后左右停控制小车的移动方向。 用旋转转盘控制小车前进的速度， 并用刻度板表示。 整体执行命令要有 WHILE 循环， 里面分为 5 个 IF 语句进行判端， 将 8 个数值控件中数据转换成数组后发送给 VISA 写入控件， 写入控件将数据发给串口 SBUF寄存器， 寄存器再将数据写入单片机， 单片执行控制命令。5 总结本设计以 52 单片机为核心， 传感器为辅助， 上位机软件为控制平台， 模拟实现了清洁机器人在大酒店中由人工控制，进行清洁工作。【参考文献】[1]Peter Prinz 机 械 工 业 出 版社 ,2007:11 — 30.[3] 彭伟 . 单片机 C语言程序设计实例 100 例——基于 AVR+Proteus[M].北 京 航 空 航 天 大 学 出 版社 ,2010.5:55 — 60.[4] 谢 龙 汉 , 鲁 力 , 张 桂 东 .Altium Designer 原理图与 PCB设计及仿真[M].2012.12 — 22.[5] 潘勇雄 , 纱河 . 电子线路 CAD实用教程 [M]. 西安电子科技大学出版社 ,2007:106 — 200.[6] 董建军 , 机车车顶人孔盖高压告警联动接地装置的研制 [C]. 东南大学 ,2010:88 — 96.[7] 陈 锡 辉 , 张 银 鸿 .LABVIEW 8.20 程序设计从入门到精通 [M]. 清华大学出版社 ,2007:12 — 22. 网络出版时间： 2014-09-28 10:01网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3571.TN.20140928.1001.008.html电子科技Electronics Technology013电子制作图 2 光耦连接模块电路图当前工作状态， 本系统中用发光二极管和蜂鸣器来指示电路状态。 当太阳能电池板被反接至控制器时或当蓄电池被反接至控制器时， 报警并切断负载。 本系统中还设置了三只发光二极管来指示蓄电池充电状态， 三支发光二极管分别用于指示正在充电、 蓄电池欠压、 蓄电池过压三种状态。 如图 3 所示。其中 DS3 有三种状态 ： 熄灭、 闪烁、常亮， 分别用于表示未充电、 正在充电、 已充满。 这样根据三个指示灯的亮灭就可以知道系统的当前工作状态。2.4 实时时钟模块由于路灯只是在晚上的某一个时间段内点亮， 因此需要采集当前时间。 本系统中选用高精度实时时钟芯片 DS12C887来提供当前时间。 该芯片能够自动产生世纪、 年、 月、 日、 时、 分、 秒等时间信息， 芯片内部自带锂电池， 在芯片外部电源掉电后， 其内部时间信息还可以保存 10 年之久。 因此该芯片非常适合用在太阳能系统中， 为系统提供准确的当前时间。2.5 单片机最小系统本系统中需要采集两路电压信号， 控制两个 MOS开关， 控制追日系统中的舵机并实现复杂追日算法， 本系统选用了一款功能较为齐全的单片机 STC12C5A60S2，该单片机具有以下特点 ： 高速、 低功耗、 强抗干扰 ； 指令代码完全兼容 8051 ； 系统内部程序存储空间高达 60K ； 自带 8 路高速10 位 A/D 转 换 ； 2 路 PWM 输 出 口 4 个16 位定时器， 三个时钟输出口。3 软件设计充放电控制系统软件算法主要是实现对蓄电池的智能充放电， 提高电池充电效率， 延长蓄电池使用寿命。 控制系统软件算法可以分为以下几个模块 ： 主程序、电池充电模块、 路灯供电模块。3.1 充放电控制系统主程序在本系统中， 根据不同的时间段让系统进入不同的工作模式。 主程序流程图如图 4 所示。3.2 蓄电池充电模块本系统中为了提高充电效率并延长蓄电池寿命， 充电时采用二阶段充电法。第一阶段是恒压直充充电。 恒压直充充电是直接用恒定电压对铅酸蓄电池进行充电。 在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低， 充电电流较大， 随着铅酸蓄电池电压逐渐升高， 电流逐渐减少， 所以充电过程中析气量小， 对电池的伤害较小， 但是在充电后期电流太小， 充电时间较长。 因此在充电后期需采用其他的方式充电。 第二阶段是 PWM 脉冲充电， 采用间歇的电压脉冲给蓄电池充电。 电压脉冲中的高电平到来时给蓄电池充电， 低电平到来时，蓄电池内部经化学反应产生的氧气和氢气重新化合被吸收掉， 从而减少了充电时的析气量， 降低了了蓄电池的内压， 使下一轮的充电能够更加顺利地进行， 使蓄电池可以吸收更多的电能。具体的程序流程如图 5 所示。3.3 路灯供电模块路灯供电模块的主要作用是保护蓄电池不至过充或者过放， 延长蓄电池使用寿命。 供电模块的程序流程如图 6 所示。在用蓄电池给路灯供电时， 当检测到蓄电池的电压小于 5.25V 时， 说明蓄电池的剩余电量很低， 不能再放电， 否则会对蓄电池寿命造成很大影响， 所以此时需要切断负载， 保护蓄电池不至太过放电。 当检测到蓄电池电压高于 7.05V 时， 电池电压大于路灯的额定电压， 可能会把路灯烧坏， 所以此时要切断负载。4 小结设计了一款太阳能公路照明系统， 系统包括充放电模块、 指示模块、 主控单元模块等， 无需任何外加电源。 充放电控制器提高了蓄电池充电效率、 延长了蓄电池寿命并保护负载。【参考文献】[1] 苗洪利 . LED太阳能路灯的优化设 计 与 实 现 [D]. 中 国 海 洋 大 学 . 2007.[2] 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 . CJJ45-2006 城 市 道 路 照 明 设 计 标 准 . 中 华 人 民 共 和 国 行 业 标 准 . 2006.12.19 发布 .图 1 充放电模块总体电路图图 3 充电状态指示灯电路图 4 充放电控制系统主程序流程图图 6 路灯供电模块程序流程图图 5 电池充电模块程序流程图