太阳能照明系统的研究和开发——单片机系统设计【文献综述】

基于单片机的太阳能路灯控制 系统设计
目录
01 一、系统需求分析
02 二、系统硬件设计
03 三、系统软件设计
04 四、结语
05 参考内容
随着社会对环保和能源利用的度不断提高，太阳能路灯控制系统在城市照明 中的应用越来越广泛。这种系统可以有效降低电力消耗，减少碳排放，同时提高 能源利用效率。本次演示将探讨基于单片机的太阳能路灯控制系统的设计。
三、系统软件设计
系统软件设计主要是根据传感器的输入和预设规则来控制路灯的开关和亮度。 具体来说，程序需要实现以下几个功能：
1、实时监测环境光线和时间：通过读取光敏电阻或数字光感器的电压值以 及GPS模块或网络时间服务器的当前时间，程序可以实时获取环境光线和时间数 据。
2、控制路灯开关：根据当前时间和环境光线强度，程序可以判断是否需要 打开或关闭路灯。例如，在夜晚或光线较弱的情况下，程序可以自动打开路灯； 而在白天或光线较强的情况下，程序可以自动关闭路灯。
5、日志记录：为了方便后期维护和管理，程序需要具备日志记录功能。例 如，记录每天的开关灯时间、亮度值以及异常情况等。
四、结语
基于单片机的太阳能路灯控制系统设计可以有效提高城市照明的智能化和绿 色化水平。通过实时监测环境光线和时间，自动控制路灯的开关和亮度调节，可 以有效降低电力消耗和碳排放，同时提高能源利用效率。这种系统不仅可以广泛 应用于城市道路照明中，也可以为其他领域提供一种绿色、智能的能源利用方案。
参考内容
随着人类对可再生能源的依赖日益增加，太阳能路灯系统在公共照明领域中 的应用越来越广泛。这种系统不仅可以节约电力，降低碳排放，而且可以持续供 电，不受天气影响。然而，如何有效地管理和控制太阳能路灯系统，使其在保证 照明质量的最大限度地减少电力消耗，是当前面临的一个重要问题。本次演示提 出了一种基于单片机的太阳能路灯智能控制系统设计，以解决这一问题。

综上所述，基于LED的智能照明系统的设计与实现方法涵盖了硬件选型、电路 设计、软件编程等多个环节。随着科技的不断发展，我们有理由相信，基于 LED的智能照明系统在未来的发展中将会有着更为广泛的应用，为人们的生活 带来更多便捷和舒适。
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3、控制器的选用：控制器是太阳能LED照明系统的核心部件之一，主要作用是 控制电池板的充电和LED的放电。选择合适的控制器需要考虑电池板的功率、 LED的电流和电压要求等因素，以确保太阳能LED照明系统的ED照明系统存在的问题，可以采取以下优化措施： 1、采用高效LED：采用高效LED可以有效降低能耗，提高照明质量。
在过去的几年中，LED智能照明系统得到了快速的普及和发展。这主要得益于 其灵活的系统架构、多样的硬件设备以及智能化的软件控制。系统架构方面， LED智能照明系统通常采用模块化设计，便于扩展和升级；硬件设备方面， LED灯具、传感器、控制器等设备不断发展，为系统提供了更多功能和更高效 的实现方式；软件控制方面，借助嵌入式系统和云计算技术，可以实现远程控 制、场景设置、定时开关灯等功能，极大提升了用户的使用体验。
具体实现方法包括以下步骤：
1、LED灯具的选择与布局：根据应用场景和照度需求，选择合适的LED灯具型 号和功率，并确定灯具的布局方案。
2、传感器的选型与安装：选择合适的传感器型号，如光感、人感、温湿度等 传感器，根据实际需求进行安装和调试。
3、控制器的设计：选择合适的微控制器，如Arduino、Raspberry Pi等，根 据具体需求编写控制程序，实现对照明系统的智能化控制。
在实现LED智能照明系统的过程中，需要对其功能进行验证和测试。具体来说， 可以通过实验来验证系统的可行性和有效性。例如，通过调节LED灯具的亮度， 观察照明效果是否达到预期；通过定时控制功能，检查灯具是否能准时开关； 通过设置不同的场景模式，检查系统是否能根据环境自动调节照明效果。

摘要太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术。

充分利用太阳能不仅可以节约日益减少的不可再生能源，又可以减少对环境的污染，这使太阳能成为现在社会的一种重要能源。

太阳能LED路灯，是太阳能应用在现实生活中的实例，近几年受到普遍的关注与研究。

本论文设计了一种智能太阳能LED路灯系统，以AT89S51单片机为核心，通过对光强的检测和蓄电池电量的检测，再由单片机实现设定功能。

本文内容包括国内外太阳能发电现状及工作原理，方案选择，元器件选择，系统的硬件，软件设计及系统的改进方向。

其中系统的硬件设计主要包括单片机最小系统、蓄电池充放电控制电路、主副电路的电压变换电路、A/D转换电路、主副电路切换电路、光强检测电路、电量检测电路、系统与上位机通信电路和温度检测等设计。

关键词太阳能LED路灯光强检测电量检测Abstract：Solar photovoltaic power generation is a kind of don't need fuel, pollution-free electricity for high and new technology. Make full use of solar light can not only save increasingly reduce non-renewable energy sources, and can reduce the pollution to the environment, which makes solar energy society be an important energy. Solar LED street light is a solar energy application examples in real life, so it is widely attention and research in recent years.This paper designs a kind of intelligent solar LED street light system. It is based on AT89S51 as the core, through the optical detection and battery power, to set function by microcomputer.In this paper, the concrete content includes solar power at home and abroad present situation and the working principle, scheme selection, component selection, system hardware, software design and the improvement direction of thesystem.The system's hardware design mainly includes the SCM smallest system, storage battery charging and discharging control circuit, main circuit and assistant circuit voltage conversion circuit, A/D conversion circuit, main circuit and assistant circuit of switching circuit, light intensity detection circuit, power circuit, communication circuit of system and the upper machine,temperature detection. Keywords:Solar energy LED street light Light intensity detection Capacity check目录1绪论 (1)1.1 前言 (1)1.2 国内外发展现状 (2)1.3 研究的内容 (5)2方案论证 (7)2.1 控制方式的选择 (7)2.2 蓄电池充电方式的选择 (7)2.3 电网电压的转换电路的选择 (9)2.4 电池电量检测方式的选择 (11)3 元器件选择 (13)3.1 太阳能电池的选择 (13)3.2 控制器的选择 (14)3.3 蓄电池的选择 (16)3.4 光强检测的选择 (17)3.5 LED的选择 (19)3.6 以长春地区为例的设计举例 (20)4 硬件电路设计 (21)4.1 单片机简介 (21)4.2 时钟电路 (26)4.3 复位电路 (27)4.4 过充过放控制电路 (27)4.5 副电源电压变换电路 (28)4.6 报警电路 (29)4.7 蓄电池电压变换电路 (29)4.8 A/D转换电路 (30)4.9 光强检测及传感电路 (31)4.10 主副电源电路切换电路 (32)4.11 电量检测电路 (32)4.12 系统与上位机通信电路 (33)4.13 温度检测电路 (33)5 系统软件设计 (34)5.1 路灯开关程序框图 (35)5.2 蓄电池充电程序框图 (35)5.3 主副电路切换程序框图 (36)6 系统设计展望 (37)7 总结 (38)参考文献 (39)致谢 (40)附录 (41)附录一主程序 (41)附录二原理图 (46)1绪论1.1 前言能源是当今世界存在和保持发展的核心动力，随着社会生产的扩大、人口的增长、科技的发展等，对能源的需求也在不断增长，当今世界已经面临着能源需求量成倍增长的挑战，随之而来的是全球范围内的能源危机。

河北工业大学硕士学位论文基于AVR的太阳能照明控制系统的研制姓名：丁宁申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：杨晓光20081101河北工业大学硕士学位论文基于A VR的太阳能照明控制系统的研制摘要随着全球范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，利用绿色环保的新能源成为科研工作者关心的课题，光伏能源就是在这一背景下得以迅速发展，照明系统正是光伏能源的一个重要应用。

传统的光伏照明系统存在很多不足，如何应用新技术进行革新是本论文所要解决的问题。

在传统的光伏照明充电系统中，通常简单的将太阳能电池板与蓄电池直接相连，这将导致太阳能电池板的工作点偏离最大功率点，不能有效利用太阳能电池板的可输出功率；蓄电池因缺乏容量管理而出现过充电或者过放电，造成寿命缩减；传统系统往往欠缺电路主要节点工作状态的远程智能检测、对照明时间和LED亮度等参数的实时调节等功能。

为了解决传统太阳能照明充电系统效率不高、蓄电池寿命短和智能化程度低等问题，本课题设计了一种新型的基于A VR单片机的太阳能照明控制系统，采用简洁的同步BUCK拓扑实现蓄电池充电电路，三路独立的BOOST电路分别驱动三组LED。

试验证明，该系统能够实现最大功率跟踪，按照预定参数在三个阶段以不同方式对蓄电池充电，能够准确控制路灯的开启，远程实现了对路灯的控制。

关键词： 太阳能电池，蓄电池，LED，AVR，远程通讯，最大功率点跟踪（MPPT）I基于A VR的太阳能照明控制系统的研制DEVELOPMENT OF SOLAR LIGHTINGCONTROL SYSTEM BASED ON AVRABSTRACTAs the energy crisis and environment pollution has been a worldwide problem, how to make use of the new green energy resources is a task cared by scientists. Photovoltaic energy has been greatly developed under such a background, and lighting system is one of its most important applications. There are many shortcomings in traditional photovoltaic lighting systems, so this paper presents some points about how to reform the traditional system.In traditional systems, the photovoltaic battery is connected to the lead-acid battery directly. This simple connection will result in a waste in the photovoltaic energy as the operating point is often not accurately the maximum power point. The lead-acid battery is usually not managed according to its capacity status in traditional systems, so this results in short battery life. Lack of the function of remote monitoring of the main nodes, adjusting the LED working time and parameters is another problem.To solve the problem of low-efficiency, short battery life and low extent of intellectualization, this paper designs a new photovoltaic lighting system based on the A VR micro-controller. Adopting synchronous BUCK converter to charge the lead-acid battery, and BOOST topology for 3 independent LED channels. The experiment results show that the new system realizes Maximum Power Point Tracking, charges the battery in the three stages according to the given parameters, switches on and off the LED accurately, and remotely controls the lighting system.KEY WORDS: Photovoltaic Battery, Lead-acid Battery, LED, A VR, Remote Communication, Maximum Power Point Tracking (MPPT)II河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论§1-1引言随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。

XXXXXXX学院毕业设计(论文)开题报告学生姓名：XXXX学号：XXX专业：电气工程及其自动化设计(论文)题目：基于单片机的太阳能热水器智能控制系统设计指导教师:XXX20XX 年X 月XX 日1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：[9] 王俊杰，基于89C51单片机的太阳能热水器只能控制器的设计[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2005（8）：67-68[10] 张振荣，晋明武，王投平，MCS-51单片机原理及实用技术[M].北京：人民邮电出版社，2000：64-120[11] 戴佳，戴卫恒，51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006[12] 李广第，单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001[13] 宫亚梅，基于Proteus和Keil的单片机课程设计[J].济南职业学院学报，2008（5）[14] 张小娟，Mechanical&Electrical Engineering Technology.机电工程技术，2009（3）[15] Dreamtech Software Team,Programming for Embedded Systems-Cracking the Code,Hungry Minds[J].2002.4毕业设计（论文）开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：（1）要研究的问题基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下如何完成时间、温度和水位的实时显示功能，并能完成时间设定、温度设定等功能。

（2）拟采用的研究手段硬件设计：太阳能热水器控制系统的主体部分为51系列单片机芯片，其外围电路由键盘输入模块、显示模块、热电偶温度采集模块、水位采集模块、1302时钟模块、电加热模块、以及电热温度参数设置模块构成。

单片机部分主要用于控制和处理各功能模块的工作，实现时间设定、水位显示、加热等功能。

毕业设计开题报告电气工程及其自动化太阳能照明系统的研究和开发——单片机系统设计1选题的背景、意义在能源紧缺的今天———煤荒、电荒、燃油涨价、天然气紧缺,开发、推广可再生能源已成为热门话题,新型替代能源、可再生能源前所未有地受到消费者的关注。

随着经济的发展,社会的进步,人们对能源提出了越来越高的要求,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。

由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点,太阳能被认为是21世纪最重要的能源。

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源,对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用。

除太阳能以外,可再生能源主要还有风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。

太阳能是可再生能源中的一种。

太阳能是指太阳所负载的能量,它的计量一般是阳光照射到地面的辐射总量,包括太阳的直接辐射和天空散射辐射。

当前,能源危机越演越烈。

据统计,我国现有的空调如果同时全部运行,仅此一项就要耗电90 GW,几乎相当于5座三峡电站的装机容量。

如果为了满足用电的需求而一味地新建水电站或火电站,将会严重破坏生态环境;使本来已经储量不多的煤炭和石油快速耗尽,提前枯竭。

届时,人类如果尚未有效突破新型电能的供给技术,如核聚变发电、可再生能源发电等,人类的生存将会面临危机。

目前,应对能源危机的主要途径:一是有效节能;二是快速发展太阳能、风能等可再生的自然能源发电技术。

节约用电与用电设备和工程的节能设计,已成为当前社会发展的主题之一。

可再生能源的利用已成为当务之急。

[1]太阳能是一种取之不尽、用之不竭的巨大能源。

太阳注入地球表面的能量（热和光）密度，在转换为电功率后约为1kW／m2，总功率可达1．25×108GW。

太阳能发电站已从过去的人造卫星、无电区域照明、海洋灯塔等领域，扩大应用到电力工业。

太阳电池（光伏电池）是美国于1954年发明的，最早是用于人造卫星。

- 161 -陈 辉，闫伟亮，方涌东，张 伟（江南大学通信与控制工程学院，江苏 无锡 214122）【摘 要】从传统资源缺乏到太阳能的兴起，介绍了国内外在太阳能光电技术及其照明系统上的开发和应用，详细说明了太阳能照明系统的各项技术要点，最后总结出太阳能照明系统在社会应用中的意义和广泛前景。

【关键词】太阳能；照明系统；资源 【中图分类号】TK511 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2008)11-0161-02（一）引言在传统能源如煤，石油等日益枯乏，环保意识又愈受关注的今天，太阳能无疑成为了人们关注的焦点，太阳能是真正意义上取之不尽用之不竭的绿色能源。

因此，太阳能的开发和应用，早已成为当今各国的关注焦点。

利用太阳能主要包括光－热、光－电转换两方面的内容。

太阳能热水器便是光热转换的一个很好的例子，且目前已经得到了极大程度的推广和利用；太阳能照明系统则是当前光电转换中最主要的实例。

（二）太阳能照明系统概述太阳能照明系统是一个由光能转换组件，储能组件，控制电路，照明组件构成的一个综合性的系统。

太阳能的光电转换民用方面首先应用在了照明灯具上。

在太阳能照明系统的设计中，涉及光源，太阳能电池系统，蓄电池充放电控制以及照明灯具的选择，其中任何一个环节出现问题都会造成产品缺陷。

故当前对太阳能照明系统应用的研究重点也在于对上述各个环节的性能改进研究。

太阳能照明系统框图如图1所示：图1（三）发展概况1.国外发展状况国际上，光伏发电发展迅猛。

1973年，美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了23.4%；1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，美国计划到2010年安装1000～3000MW太阳电池。

日本不甘落后，1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费高达9200万美元，安装目标是7600Mw [1]。

基于单片机控制的太阳能LED照明系统设计与实现作者：尹辉陈佳伟来源：《中国科技博览》2016年第24期[摘 ;要]太阳能是当前可获得的一种可再生资源，将其应用在LED照明上，不仅节能环保，还符合我国可持续发展战略的要求，具有非常广阔的应用前景。

本文设计了一种基于STC 单片机的控制器，使太阳能LED照明系统更加实用，满足人们对高性能照明的要求。

[关键词]太阳能LED照明系统 ;单片机控制 ;设计中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0122-011.太阳能LED照明系统太阳能路灯系统属于独立的太阳能光伏发电系统，其由太阳能电池板、蓄电池、灯具、控制箱、路灯杆等组成。

该系统由太阳能电池方阵（包括电池支架）、路灯控制箱（内有蓄电池组、控制器等）、LED 照明灯头和路灯杆等几部分组成。

灯头部分采用1w功率的LED白光集成于电路板上排列为一定间距的点阵来作为平面发光源。

LED 有 21 世纪新光源之称，是继白炽灯、日光灯、高压气体灯后的第四代光源，具有节能、光效高、寿命长、无频闪、直流供电、便于控制、安全、可靠性强等特点。

路灯控制箱箱体采用不锈钢材质，美观耐用，箱内布置铅酸蓄电池和相应的充放电控制元件，其中的充放电控制器和核心的设计环节，要考虑功能和成本，功能上具备光控、时控、过放保护、过充保护和反接保护等，实现较好的性价比。

2.控制器系统硬件设计太阳能LED路灯控制器硬件电路包括蓄电池充电电路、LED恒流驱动电路、电源电路、单片机最小系统电路和温度采集电路等。

2.1 蓄电池充电电路充电电路的具体设计如图1所示。

本文采用MOSFET管取代二极管，即同步Buck。

MOSFET管具有极低的导通电阻，可以实现比采用二极管高得多的转换效率，最大限度地减小太阳能的损失，且不会带来严重的散热问题[2]。

为使MOSFET工作于最佳状态，其驱动电路采用IR公司的IR2101半桥驱动芯片来驱动两个场效应管工作，通过编程使STC15F2K61S2从CCP1_3、CCP2_3输出2路边沿对齐的50KHz互补PWM脉冲驱动同步Buck工作。

基于单片机控制的太阳能LED智能路灯照明系统张晓晖;杜学东【摘要】系统本着充分利用太阳能供电,并且实现路灯照明系统的智能化为目的,以AT89S51单片机为控制核心,自行设计了一套太阳能LED路灯智能照明系统。

在该系统中以单片机与模数转换器构成数据采样模块,实现蓄电池的过充与过放保护电路;数码管显示电路显示蓄电池的电压和当前时间;通过光敏电阻感知外界环境亮度,实现LED路灯的开启与关闭;无线模块实现对LED路灯人为的控制。

实验结果表明该系统性能稳定、实时性高、节能、智能,具有良好的应用前景。

%The Solar LED intelligent lighting system makes full use of the solar power supply for the purpose of the intelligent lighting with AT89S51 MCU as the control core.In the system the data sampling module composed by MCU and the analog-to-digital converter,to realize the battery overcharge and over discharge protection circuit.Digital tube display circuit displays the battery voltage and current time.Through photosensitive resistance to perceive the external environment brightness,to realize the opening and the closing of the LED street lamp.Wireless module to realize the LED street lamp artificial control.The experimental results show that the system has stable performance,high real-time performance,energy-saving,intelligent,and has good application prospect.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)007【总页数】4页(P128-131)【关键词】蓄电池过充;过放保护;AT89S51;ADC0809;无线收发;光敏电阻【作者】张晓晖;杜学东【作者单位】山东科技大学信息科学与工程学院,山东青岛266590;山东科技大学信息科学与工程学院,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TP368.1我国经济的高速发展必然伴随着能源的大量消耗，节约资源和保护环境是政府坚持的基本国策，目前国家大力倡导既环保又再生的能源（水电、风电、太阳能发电等）的开发，特别是太阳能的应用。

山西大学工程学院毕业设计（论文）题目基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计系别电力工程系专业电气工程及其自动化班级电本0824姓名指导教师下达日期2012年2月20日设计时间自2012年2月20日至2012年5月25日毕业设计（论文）任务书一、设计题目：1、题目名称基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计2、题目来源自备二、目的和意义通过对一个基于单片机的能实现太阳能热水器控制系统的设计，从而达到学习、了解单片机的各方面的应用，太阳能热水器的工作原理及实现方法。

系统由主控制器AT89C51、时钟电路DS1302、显示电路、按键电路、和复位电路等部分构成，能实现时钟（时、分、秒）显示的功能及对温度的显示与控制等。

三、原始资料太阳能热水器说明书四、设计说明书应包括的内容1、太阳能热水器的发展2、太阳能热水器的组成及工作原理3、控制系统的软、硬件实现4、编写的控制程序等。

五、设计应完成的图纸1、太阳能热水器控制系统的原理图2、太阳能热水器控制系统的PCB图六、主要参考资料1、太阳能热水器说明书2、《单片机原理、应用及c51程序设计》清华大学出版社七、进度要求1、设计阶段第1 周（2 月20 日）至第14 周（5 月26 日）共14 周2、答辩日期第14 周（2012 年 5 月26 日）3、实习阶段第15 周（5 月28 日）至第18 周（6 月22 日）共 3 周八、其它要求针对现场对太阳能热水器的要求进行控制系统方面的设计，主要包括水温显示、定时上水、防冻功能、恒温控制、时钟显示的功能等。

基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计摘要太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。

本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。

这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计及软件实现方法。

基于单片机的太阳能热水器的控制系统的设计摘要本文对基于单片机的太阳能热水器控制系统设计进行了概述。

太阳能热水器是一种利用太阳能将水加热的设备，具有环保、节能的特点。

为了提高太阳能热水器的效率和控制其运行，设计了基于单片机的控制系统。

该控制系统通过测量太阳能热水器的温度和日照强度，并根据设定的参数控制太阳能热水器的加热和停止加热，以实现太阳能的最大利用。

控制系统的设计包括硬件和软件两个部分。

硬件部分主要包括传感器、单片机和执行器。

传感器用于测量太阳能热水器的温度和日照强度，单片机作为控制核心负责处理传感器数据和控制执行器的操作。

执行器根据控制信号进行加热和停止加热操作。

软件部分主要是单片机的程序设计，包括数据处理算法和控制逻辑的编写。

设计的控制系统能够实现太阳能热水器的智能控制，提高其加热效率，并确保其在不适宜的气候条件下停止加热，节约能源。

通过该系统的应用能够更好地利用太阳能资源，减少对传统能源的依赖，具有很大的推广价值和应用前景。

关键词：太阳能热水器，单片机，控制系统太阳能热水器凭借其环保、节能的特点，逐渐成为人们热水供应的主要选择。

然而，目前市场上大部分的太阳能热水器存在着热水温度控制不稳定、能量利用效率不高等问题，因此有必要设计一个基于单片机的控制系统来解决这些问题。

本文旨在基于单片机设计太阳能热水器的控制系统，通过对太阳能热水器的工作原理和控制策略进行研究，提高热水温度的稳定性和能量利用效率，提供更加舒适和可靠的热水供应。

在接下来的文章中，我们将首先介绍太阳能热水器的背景和研究意义，然后探讨太阳能热水器的工作原理和相关技术，最后给出基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计方案。

本文详细描述了基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计方案。

在设计该控制系统时，我们将实施以下关键步骤：选取合适的单片机：根据项目需求和资源限制，我们选择了一款适合的单片机作为控制中心。

我们评估了单片机的处理能力、资源消耗和可靠性等因素，以确保其适合于本系统的设计。

基于单片机的太阳能路灯智能控制系统设计摘要：随着社会经济的快速发展能源消耗不断增加，造成极大的资源浪费。

为了应对当前日益严重的能源危机，响应生态文明建设，本小组设计了一种基于单片机控制的太阳能路灯控制系统方案。

该系统依靠太阳光为主要能量来源，白天该系统由电池板实现光电转换对蓄电池进行储能，电池负责在夜间为负载供电，该系统具有环保，节能，安全的特点。

关键词：太阳能；路灯；智能控制系统；监测引言城市照明是一种生活姿态，也是一种时尚体验。

它是城市的一面镜子，代表城市的风格，散发城市的魅力。

太阳能LED灯具得天独厚，拥有优良的节能效果、人性化的照明控制，吸引了众多客户的眼球，与传统灯具相比，优势突出，堪称性价比之王，对环境要求不高，只要有阳光，太阳能LED灯具就呈现星火燎原的态势。

太阳能LED灯具发展前景广阔，节能环保、发光效率高是它的优势所在，传统光源必将被逐步取代。

伴随着科技的进步，太阳能LED发光效率不断升高，投入成本不断下降已经是不争的事实。

1智能控制系统运行原理太阳能路灯控制系统在运行的过程中，判定恒流负载输出主要是利用采集太阳能光伏板的电压。

一旦系统检测到太阳能板电压较高，且高出蓄电池额定电压的时候，MPPT充电模式就会自动开启，这时STC单片机通过采样到的太阳能板电压和电流值通过变步长的电导增量法计算最大功率点，通过PWM信号的占空比调节太阳能板充电电压大小达到最佳充电功率点。

在充电的时候对蓄电池进行实施检测，防止其电压发生过充电现象。

太阳能板的电压降低到规定值时，系统则会自动停止冲电，进入分段式恒流负载输出控制模式。

此时主要根据不同的太阳能板电压值，通过Boost放电电路控制PWM信号的占空比方式控制负载输出电路输出不同的电流值。

2系统设计2.1系统总体结构在光照情况下,太阳能路灯系统的电池组件会自动手机太阳光的能量,将这些光能转化为电能并进行存储,对蓄电池进行蓄电过程,而在无光照情况下,太阳能路灯系统会自动转为对通过路灯控制处理器对蓄电池进行放电控制,让路灯照明。

太阳能照明系统论文【摘要】太阳能在照明系统上的利用十分广泛，市场前景亦相当可观，对缓和越演越烈的一次性能源的危机、减少环境污染，必然产生积极的社会影响。

太阳能照明系统的普及，能真正实现满意的经济效益，对人类的作用将会是如虎添翼，贡献巨大。

太阳能的利用主要分为两种，第一种是光、热转换，第二种是光、电转换，太阳能路灯是利用太阳能组件的光生伏特效应，将光能转换为电能，并储存在蓄电池中供负载使用，它是集太阳能光伏技术、蓄电池技术、照明光源技术和灯具设计技术于一体的新兴技术，在国家大力强调节约能源、保护环境的背景下，太阳能供电必将在21世纪后半期担任主要角色，并成为解决能源问题的一大途径。

1、照明系统的组成、原理以及国内发展状况1.1系统的组成太阳能照明系统由太阳能电池组件、组件支架、光源、控制器、蓄电池组和灯杆几部分构成。

1.2系统的原理利用“光生伏打”效应原理制成的太阳能电池板在白天接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至设定照度值，太阳能电池板开路电压达到设定电压后，充放电控制器检测到这一电压值后立即动作，蓄电池便开始对光源放电。

蓄电池放电达到设定小时后，充放电控制器立即动作，蓄电池放电结束。

1.3国内发展状况我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。

我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。

我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。

随着太阳能光电效应的发展，在照明系统方面，太阳能草坪灯、庭院灯、台灯、城市光彩工程灯等众多品种大量出现在了日常生活中，是太阳能光源的主要应用方向，在提高人们生活水平的同时，又节约了大量能源。

2、照明系统的技术要点2.1电池板太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件，即：欧洲委员会定义为101标准，辐射照度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。

清华大学本科毕业论文基于单片机控制的太阳能LED路灯照明系统专业名称自动化申请学士学位所属学科工科2012年5月10号摘要摘要本设计基于AT89C52单片机，太阳能采集板吸收的太阳能经逆变器转化为稳定的+5V电压作为各器件的供电电源。

热释传感器检测移动物体，及由光敏电阻组成的分压电路检测周围环境明暗情况。

矩阵键盘键入数据后经芯片AT89C52控制由LCD显示相应信息。

单片机与上位机之间由RS232串行通信接口连接，使软硬件相结合。

整个过程完成了基于单片机的太阳能ＬＥＤ路灯照明控制系统的要求。

设计电路主要分为核心单片机、太阳能采集电路、蓄电池存储及电压检测电路、负载输出控制与过流检测电路、红外传感器距离感应电路、键盘电路、节能LED电路、串口通信电路、LCD显示等模块。

设计中各状态均由按键控制，并以128*64 点阵LCD显示，操作简单，功能齐全，界面友好。

关键词：负载输出控制及检测电路太阳能采集电路 LED 红外感应AbstractAbstractThis design based on the AT89C52 single chip computer, solar collection plate absorbs solar via inverter into stable + 5V voltage as each device of power supplies. Heat release it sensor detection, and moving object by photosensitive resistors points voltage circuit testing environment light and shade. Matrix keyboard type data by AT89C52 control after chip LCD the corresponding information. Between SCM and PC by RS232 serial communication interface connection, make combining software. The whole process completed based on SCM solar LED street lamp lighting control system requirements. Circuit design mainly divided into core microcontroller, solar acquisition circuit, battery storage and voltage detection circuit, load output control and flow detection circuit, infrared sensor distance induction circuit, keyboard circuit, energy-saving LED circuit, serial communication circuit module, LCD display. Design of each state all by buttons control, and to 128 * 64 dot matrix LCD display, simple operation, the function is all ready, friendly interfaceKey words:load output control and detection circuit solar data acquisition circuit LED infrared sensor目录1 绪论 (1)1.1 设计研究的原因、目的与意义 (1)1.2 国内外研究现状及发展趋势 (1)2 系统原理及各组成模块 (2)2.1系统原理 (2)2.2系统各模块介绍 (2)2.2.1 太阳能采集及电源模块 (2)2.2.2 A/D电压采样模块 (3)2.2.3 物体检测模块和环境明暗检测模块 (5)2.2.4 路灯控制模块 (6)2.2.5 键盘电路模块 (7)2.2.6 LCD显示模块 (8)2.2.7 时钟模块 (9)2.2.8 串口通信模块 (10)2.2.9 过流保护及声光报警模块 (10)2.2.10 太阳能电池组件及负载LED开关控制 (12)2.3 硬件连接过程中应注意的事项 (13)2.3.1 电路接地去噪问题 (13)2.3.2 布线注意事项 (14)3 软件编程 (14)3.1 软件编程要点 (14)3.2 程序主流程图及按键功能规划 (14)3.3 A/D转换程序 (15)3.4蓄电池电压检测电路 (15)4 总结及展望 (15)4.1所获心得及结论 (15)4.2前景展望 (17)参考文献 (17)致谢 (18)附录 (18)1 引言1.1 研究原因、目的与意义伴随着日益严重的能源危机，可再生能源的开发与利用渐渐成为人们研究的话题。

吉林工程技术师范学院信息工程学院学士学位论文基于单片机的太阳能路灯控制系统设计基于单片机的太阳能路灯控制系统设计The Design of Solar street lamp Control system Based on MCU学生姓名：张建木班级： D0745指导教师：吉李满职称：副教授专业名称：电子信息工程答辩时间:答辩委员会主席：毕业设计（论文）评阅人：2011 年 6 月吉林工程技术师范学院毕业论文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。

本文研究的路灯同时整合了这两者的优势，利用清洁能源以及高效率的LED实现绿色照明。

太阳能LED路灯是一种结合太阳能光伏发电技术与LED技术的新型路灯。

系统通过蓄电池将太阳电池组件产生的电能储存起来供负载在夜晚照明使用。

基于单片机控制的太阳能路灯具有很多优点：安全可靠，维护方便；不需要常规能源，不污染环境；安装方便，自动控制。

从而不仅节约了电能，而且避免了由于四季昼夜长短不一，需要调整电路系统的麻烦，使路灯更为人性化。

关键词：光伏发电，蓄电池，发光二极管I摘要ABSTRACTWith the deepening of the sustainable development, people are active in the development of all kinds of renewable energy, while also advocating green environmental technology of energy saving and reducing emission. Solar energy as a kind of clean excellent renewable energy has become the most valuable new energy. While in the lighting area, long life, energy saving, safety, green environmental protection, rich colors, miniaturization of light emitting diode (LED) solid-state lighting has been considered as one of the important ways of saving energy and environmental protection. The street lamp in this paper simultaneously integrates both the advantages; utilize clean energy and high efficient LED to realize green lighting.Solar LED lamp is one new type of street lamp by uniting solar photo- voltaic (PV) power generation technology and LED technology. The system stores electrical energy via battery, generated by components of solar cells, to supply night illumination of street lamps. Solar street lamps based on MCU control have many advantages: safety, reliability, easy to maintain; energy saving, without pollution to environment; easy installation, automatic control. Consequently, not only save electrical energy but also avoid the troubles to need adjusting the circuit system due to the different day-and-night’s lengths in the four seasons, to make the street lamp more user-friendly.Key Words: PV, Battery, LEDII目录第一章绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 太阳能路灯的优势 (2)1.3 太阳能路灯的应用现状 (3)1.4 本论文研究的主要内容 (5)第二章系统方案论证及选择 (6)2.1 方案比较与论证 (6)2.1.1 太阳能电池板的选择 (6)2.1.2 蓄电池的选择 (6)2.1.3 照明灯具的选择 (8)2.1.4 控制器芯片的选择 (9)2.2 方案的配置与计算 (11)2.2.1 路灯设计所需的数据 (11)2.2.3 路灯设计参数的确定 (12)第三章系统设计的理论分析 (14)3.1 系统基本介绍 (14)3.2 太阳能路灯系统设计总体分析 (15)3.3 太阳能光伏发电的理论 (15)3.4 控制器设计的理论基础 (17)3.5 蓄电池的充放电原理 (18)3.6 蓄电池充电技术研究 (20)3.6.1 恒流充电 (20)3.6.2 恒压充电 (21)I3.6.3 恒压限流充电 (22)3.6.4 两阶段、三阶段充电 (22)3.6.5 快速充电 (23)3.6.6 智能充电 (25)3.7 LED的发光及驱动原理 (26)3.7.1 发光原理 (26)3.7.2 驱动原理 (28)第四章系统的硬件设计 (30)4.1 系统电路框图 (30)4.2 硬件设计的原理流程图 (31)4.3 电源电路设计 (32)4.4 LED指示电路 (32)4.5 光控电路 (33)4.6 LED驱动电路设计 (34)4.7 涓流充电电路 (36)4.8 过充、过放控制电路 (36)4.9 单片机外围电路设计 (38)4.9.1 复位模块电路设计 (38)4.9.2 晶振电路 (38)4.9.3 按键开关电路 (39)4.9.4 显示模块电路设计 (39)第五章系统的软件设计 (41)5.1 系统软件框图 (41)5.2 计时程序设计 (42)5.3 中断程序设计 (44)II第六章系统调试 (45)6.1软件调试 (45)6.2硬件及总体电路调试 (45)6.3系统改进方案 (46)第七章总结与展望 (47)附录 1 (48)附录 2 (49)参考文献 (I)致谢 (I)III前言城市照明是一门科学、一种文化、一项艺术。

引 言 近 年 来 ，随 着 太 阳 能 发 电进 行 Ｌ Ｄ Ｅ 照 明 的 广 泛 应 用 ， 使 用 各 种 环 保 节 能 的太 阳能 Ｌ Ｄ 灯 、 庭 院灯 以 及 草 坪 灯 等 照 明 Ｅ路 系 统 将 成 为 公 共 照 明 的 必 然 趋 势 。 太 阳 能 光 伏 发 电 是 一 种 可 再 生 无 环 境 污 染 的 绿 色能源 ，其组件 价格 不断 下 降，是最 有 希望 成为 未来 代替 能源 的发 电方式 ； 另外 ，Ｌ Ｄ 为 新 兴 的 半 导 体 固 体 光 源 ， Ｅ作 具 有 功 耗 低 、 寿 命 长 、 发 光 效 率 高 、 启 动 时间短等特点 ，随着 白光Ｌ Ｄ Ｅ 发光 强度 和 效率的提高 ，Ｌ Ｄ Ｅ 照明势也必会取代 传 统照 明系统 。太 阳能光伏发 电与Ｌ Ｄ Ｅ 照明 都 是 直 流 电 、 低 电 压 ， 因此 ，把 两 者 结 合使用 不需 要将 太阳 能 电池 产 生的直 流 电转化 为交 流 电，从而 提 高 了整 个照 明 系 统的能源利用 率。为 了优化太 阳能Ｌ Ｄ Ｅ 照 明 系 统 ，本 文 设 计 了 一 种 基 于Ｓ Ｃ 片 Ｔ单 机 的控 制 器 。 二 、太 阳 能Ｌ Ｄ 明系 统 组 成 Ｅ照 太 阳 能 Ｌ Ｄ 明 系 统 的 组 成 框 图 如 图 Ｅ照 １ 示 ， 主 要 包 括 了太 阳 能 电池 板 、 蓄 电 所 池 、 Ｌ Ｄ 以及 把 它 们 有 机 组 合 起 来 的 智 Ｅ灯 能控 制器 。 １太 阳 能 电池 板 ． 太 阳 能 电池 是 把 太 阳 能 直 接 转 换 为 直 流 电 能 的 器 件 。在 本 系 统 中 ， 太 阳 能 电 池 的 主 要 作 用 是 ： （） 光 照 条 件 较 好 １当 时 ，将 太 阳 能 转 换 为 电 能 ， 然 后 再 对 蓄 电 池 充 电 ； （） 光 照 条 件 较 差 时 ， 可 通 ２当 过 测 量 太 阳 能 电 池 输 出 电 Ｄ 明 系 统 控 制 器 软 件 的 丰 Ｅ照 要 任 务 是 ： 通 过 对 太 阳 能 电池 板 电 压 采 集 ，判 断当前 是 白天还 是夜 间 。如果 是 白 天 ，根 据 检 测 到 蓄 电 池 的 电 压 值 ，控 制 进 入 不 同 充 电阶 段 给 蓄 电池 充 电 ， 防 止系 统过 充 。如果 是夜 间 ，根据检 测 到 太 阳 能 电 池 板 的 电压 值 ， 控 制 Ｌ Ｄ 打 Ｅ灯 开 ，通 过 定 时 方 式 关 闭Ｌ Ｄ ，并 对 蓄 电 Ｅ灯 池 放 电进 行 控 制 ， 防止 过 放 。 １ 系 统 主程 序 ． 太 阳 能 Ｌ Ｄ 明 系 统 在 智 能 控 制 器 Ｅ照 的 作 用 下 ， 白 天 ， 执 行 白天 了 程 序 ； 晚 上 ，执 行夜 间子程 序 。通过 对太 阳 能 电 池 进 行 采 样 检 测 ， 判 断 白天 黑 夜 对 系 统 正 常 运 行 非 常 关 键 。 系 统 丰 程 序 流 程 图 如 图５ 所示 。 ２ 白天 子 程 序 ． 白 天 子 程 序 主 要 是 采 样 太 阳 能 电 池 板 电 压 和 蓄 电 池 电 压 ， 判 断 是 否 满 足 充 电 条 件 ， 再 根 据 蓄 电池 电压 的 不 同进 入 不 同 的充 电阶段 。在 不 同充 电阶段 ，通 过 调 整 充 电 电压 Ｐ Ｍ 冲 的 占空 比来 调 整 Ｗ脉 充 电方 式 。当蓄 电池 处于 过放保 护 阶段 充 电效 果 。 时 ，采 用 直 接 充 电 方 式 ； 当 蓄 电 池 处 于 ２ 放 电 电路 模 块 ． 半 饱 和 阶 段 时 ， 采 用 脉 宽 调 制 Ｐ Ｍ 式 充 ｗ方 放 电 电路 模 块 采 用 蓄 电池 负 极 与 Ｌ Ｄ 电 ： 直 到 蓄 电 池 进 入 过 充 保 护 阶 段 时 ， Ｅ 驱 动 电路负 极直接 连 接 ，通 过 控制 正极 停 止 充 电 。 白 天 子 程 序 流 程 图 如 图 ６ 所 连 接处 的场 效应管 Ｑ 导通 和关 断 ，实现 示 。 ６ 控 制 蓄 电池 向Ｌ Ｄ 动 电路 供 电 的 功 能 。 Ｅ驱 ３ 夜 间 子 程 序 ． 放 电 电路 模 块 工 作 过 程 如 图３ 示 ：Ｐ ． 所 ２１ 夜 问 子 程 序 主 要 是 根 据 采 样 太 阳 能 发 出高 电平信 号 ，使Ｑ 导通 、Ｑ 截 止 ， ４ ５ 电 池 板 电 压 和 蓄 电 池 电 压 ，判 断 蓄 电 池 进 而使得场效应 管Ｑ 导通 ，蓄 电池给Ｌ Ｄ 是 否过 放 ，当蓄 电池 电压 高于 过放 保护 ６ Ｅ 驱 动 电 路 供 电 ；Ｐ ． 发 出 低 电 平 信 号 ， ２１ 电 压 时 ，蓄 电池 给 Ｌ Ｄ 供 电 ； 当 蓄 电池 Ｅ灯

基于单片机控制地太阳能供电地下听策划出照明系统设计摘要在这个科技飞速发展地时代，能源是人类经济及文化活动地动力来源.随着经济地发展、人口地增加和社会生活水平地提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上地化石能源消费总量总有一天将达到极限.开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取地措施.从能源供应地诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略地理想地绿色能源.随着城市地不断发展，人口地急剧增加，人均拥有车辆数地增大，停车问题越发严峻.停车场也逐渐地朝地下空间发展.然而地下停车场地照明又给社会增添了新地烦恼.为此，提供一个合理地地下照明系统是时代发展地迫切要求.本设计采用LED灯具作为系统地照明光源，采用太阳能光伏发电与市电交互为LED灯具供电地方式提供供电电源.使用节能灯具减少了能源地浪费，利用太阳能发电供电，减少了火力发电等造成地大气污染地问题.本设计采用单片机AT89S51作为系统地主控制单元，重点设计了太阳能发电系统最大功率点跟踪控制电路地设计.并且通过采集太阳能发电系统蓄电池及太阳能电池板两端地电压，实现火电与太阳能发电两种供电方式地自动切换.并对太阳能发电系统中，太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度地不同，输出功率不同地问题，为了提高发电系统效率，单片机通过采样电压和电流，通过对功率地计算，实现对太阳能电池地最大功率点地跟踪，确保充分地利用太阳能.本系统智能化地完成了以太阳能发电、LED为灯具地照明系统地设计，经济、实用.关键字：能源太阳能光伏发电LED照明单片机AT89S51目录第一章绪论 01.1光伏发电地背景及意义 01.2光伏发电地国内外现状及发展 01.2.1国外光伏发电技术地现状与前景 01.2.2我国太阳能光伏发电地现状与前景 (1)第二章 MPPT控制部分与DC/DC变换 (1)2.1最大功率点跟踪原理 (2)2.2最大功率点跟踪地算法 (3)2.2.1恒压跟踪法 (3)2.2.2扰动观察法 (4)2.2.3电导增量法 (4)2.3 DC/DC变换器 (5)2.3.1降压式变换器 (5)2.3.2升压式变换器 (6)2.3.3升降压式变换器 (7)2.3.4库克式变换器 (8)第三章主要设备地选择 (8)3.1太阳能电池地设计 (8)3.1.1太阳能电池原理 (8)3.1.2太阳能电池分类 (9)3.1.3太阳能电池地容量地计算 03.2蓄电池地选择 (2)3.2.1蓄电池地选用 (3)3.2.2蓄电池组容量地计算 (3)3.3灯具地选择 (3)第四章系统硬件设计 04.1系统设计总体框图 04.2控制模块地电路设计 04.2.1电源电路地设计 04.2.2单片机最小系统及外围电路设计 04.2.3 DC-DC控制电路设计(充电电路) 04.2.4驱动电路地设计 (1)4.2.5切换电路设计 (2)4.2.6采样电路设计 (2)4.2.7 A/D转换电路 (3)4.2.8继电器驱动电路设计 (4)5结论 (4)参考文献 (5)第一章绪论1.1光伏发电地背景及意义全球煤炭、石油、天然气等能源地消耗不断增加，引发了一系列地环境污染和资源短缺等问题.在这个世纪以前，我们能够使用能源都局限在一次能源上，如煤、CH4和石油.这些一次能源都是经过很长时间，太阳能通过各种转换，被地球上各个角落地生物储存起来.但是人类已经在这个星球上生活在了数千年，在这数千年里，这些能源无时无刻不在被人类消耗着，而且留给我们及后代所要使用能源已经不多了.随着全球经济地不断发展、不断增加地人口数以及人们生活质量地不断改善，将来全球能源消耗数目将继续增长，地球上可用地化石能源必将会被消耗殆尽.当前，森林被大面积砍伐，矿物能源被大量使用，全球日均产生近1×109TCO2，造成大气二氧化碳地含量上升，大气已经被严重地污染.若不采取措施，温室效应也将加剧，全球逐渐变暖，南极和北极地冰山必将被融化，后果就是可能造成海平面上涨，1/4地人类社会环境便会由此承受巨大危险.面对以上情况，如何让可持续发展成为现实，探索开发能够再利用地能源以及其他绿色新能源便成为了人类亟待解决地问题.从能源提供地多方面因素着眼，太阳能毫无疑义地成为理想地绿色新能源.太阳能即将成为新世纪极为重要地能源之一，已经得到世界能源专家们肯定.通过和常规发电技术比较，太阳能发电具有①可无限使用；②不会造成危害、稳定性好，没有噪声，没有向环境排放污染，无公害；③可以安装在各个角落，而且可以安装在不影响人类生活地地方优势；④不用使用燃料以及谱架线路便可以立刻发电供电；⑤能源质量高；⑥消费者从情感上易采纳；⑦很短地建设时间，能源利用获取时间短等优势.而且，硅作为光伏电池地主要原料存储量极为丰富，并且伴着太阳电池研究技术地不断发展以及转换效率地持续改善和与它关联系统科技技术地不断成熟，产业成本费用己经呈现急剧走低地势头.据此预见，太阳能发电在全球地未来发展中势必会占据主导地位.所以，利用光伏发电是兼开发利用可再生新能源、生态环境不断改善、人民生活条件不断提高综合性地面向新世纪人类进步地重要课题；也是兼电学技术支持多方面学科以及自动控制理论等先进技术于一体地综合性研究课题.1.2光伏发电地国内外现状及发展太阳能向其他形式地能转换地方式多种多样：太阳能转换方式光-电转换光-热转换光-化学转换1.2.1国外光伏发电技术地现状与前景目前，全球各国尤其是发达国家把光伏发电技术放在尤为重要地地位，着重制定了规划，扩大投入、全力贯彻发展.1980年后，即便处于全球经济衰退和低潮地时候，光伏发电技术产业也始终保持着以百分之十到百分之十五地逐步增加发展速度.90年代末期，光伏发电技术产业地发展更加迅速，并成为世界增长速度最快地新型该科技产业之一.1997年全球光伏电池组件地生产总量达到了2×108W，比1996年提高了百分之三十五.各国始终在采取改进工艺、不断扩大生产规模、开拓新市场等方式来减少制造成本.近几年，全球光伏电池地生产量以平均每年近百分之四十地速度增长，2004 年全世界总产量便达到了1×109W.鉴于太阳能光伏发电有很多优势，其研发、产业化生产技术和市场开拓已经成为目前全球各国，尤其是世界发达国家竞争地主要热点.21世纪以来，一部分发达国家相继制定了发展涉及太阳能电池地能够反复使用地能源方案.光伏电池地研制首先在欧洲、美洲和亚洲以大规模地形式展开.美国和日本为夺取世界光伏发电市场地首要地位，纷纷制定实施了太阳能技术地研发计划，比如，到2010年，美国计划将会总安装4.6×109 W (其中包括了百万屋顶计划)；日本计划将会总安装5×109瓦(日本新阳光计划)、德国计划累计安装 2.7GW，欧盟计划累计安装3GW，澳大利亚计划累计安装0.75GW，中国、印度等发展中国家计划安装1.5~2GW[1].据预测，到2020年光伏发电在全球电力产业中地所占比例将达到0.01，2050年约占1/4.由此可以断言，光伏发电具有广阔地市场和很好地发展前景.1.2.2我国太阳能光伏发电地现状与前景我国从1958年才开始研究太阳能电池，1972年第一次成功地在地面应用了光伏电池，1979年开始制造以单晶硅为材料地太阳能电池.我国地太阳能发电产业地发展实现了两次跳跃，首次是在20世纪80年代后期，我国正处于改革开放蓬勃发展时期，国内相继引入了多条光伏电池生产线，我国地光伏电池生产能力由起初地3个小工厂生产地几百KW提高到6个工厂生产地4.5×106W，中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业在引进地太阳电池生产设备以及生产线地投资中占了主导地位.第二次跳跃是在2000年以后，主要是受到世界大环境地影响、涉外工程/市政工程地启动和市场地带动；如：2002年由我国法改委承担实施地“光明工程”地输电到乡和随后地送电到农村工程都采用了太阳能光伏发电技术.2006年以前，我国还存在约三万个村庄，七百万多户，三千万村民还不能用上电，百分之六十地使用电能地县还存在严重缺电地问题，由此可见，国内太阳能光伏发电市场潜力巨大.2006年国内光伏电池制造能力跨过了3×108W大关.预计在2002后地十几年中，太阳能光伏电池地市场会产生巨大地变革，2010年前中国太阳电池基本上是应用于独立光伏发电系统.预计，后十年（即到2020年），中国光伏发电市场主流将会转变为并网发电系统.第二章 MPPT控制部分与DC/DC变换光伏阵列输出是非线性地，而且它地输出在不同地光照强度下、环境温度下和负载情况变化时变化.根据太阳电池地工作原理，处于不同光照强度，温度等环境条件下，光伏电池地输出便随着改变，输出功率包括最大功率点也随着相应改变.在实际地应用系统中，太阳光地辐射强度和大气地透光率都是动态变化地，这就给建设太阳能发电系统带来了困难.在环境温度以及太阳光辐射强度不变地情况下，光伏电池地工作电压是变化地，然而只有输出电压是一个恰当地值时，光伏电池才可以输出最大功率，这时太阳能光伏电池地工作点即是最大功率点(Maximum Power Point).最大功率点跟踪(MPPT)即指实时调节光伏电池地输出功率，让它一直在最大功率点附近工作地过程.考虑到光伏电池地特殊性，如何准确地设置它地工作电压、电流来找到最大功率点是非常重要地.目前，通常采用DC/DC 变换实现，DC/DC 变换地形式主要有升压式（Boost ）、降压式（BUCK ）、升降压式(BUCK-Boost)、库克式（CUK ）四种.最大功率点跟踪地算法是光伏发电系统地另一个关键问题，在当前提出地众多地控制方法里，主要包括扰动观察法、恒压跟踪法、电导增量法、模糊逻辑控制法等.2.1最大功率点跟踪原理光伏电池地等效简化地线性电路如图2-1所示，R0上地功率可表示为：000R R R U P i ⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=RiRo图2-1 光伏电池简化电路图由于U 、i R 均是常数,因此对上式两边0R 求导，便可以得到：300200)()(R R R R U dR dP i i +-= 只有当式（2-2）中地0R =i R 时，0P 才会取得最大值.因此，针对光伏电池等效简化地线性电路，当负载电阻和电源内阻相等时，负载便可以获得最大功率.尽管DC/DC 变换电路以及光伏电池都是非线性地，然而在短时间里，可以把它们看作是线性地.由光伏电池地简化电路可知：当0R =i R 时，0R 和i R 两端地电压均是电压U 地一半，此时0P 取得最大值.由上所述可知，采取调节DC/DC 变换电路地等效电阻，便可以一直使光伏电池地内阻和转化电路地等效电阻保持一致，从而实现光伏电池地最大功率点跟踪，也就是光伏电池地MPPT.与此类推，实际应用时可以采取调节负载两端地电阻值，来使负载获得最大功率.图2-2 最大功率跟踪示意图光伏电池最大功率点跟踪地示意图如上图2-2所示.图中直线表示负载电阻0R ；虚曲线表示等功率线；oc I 表示光伏电池地短路电流；oc U 表示光伏电池地断路电压；m P 表示光伏电池地最大功率点.由图可知，光伏电池最大功率跟踪原理为：光伏电池工作于M 点时，光伏电池地输出功率要比在最大功率点处小很多.采取改变输出电压地方法，把负载电压调节到U01处，让负载地功率从M 点向N 点移动.因为N 点与光伏电池地最大功率点处于同一点上，所以此时光伏电池获得最大功率.2.2最大功率点跟踪地算法最大功率点跟踪地关键问题是研究跟踪地算法，目前应用较广泛地几种为：恒①压跟踪法、②扰动观察法、③电导增量法等.2.2.1恒压跟踪法处于不同光照强度下地光伏电池功率-电压特性曲线如图2-3.由图可知，同一温度条件下，不同地光照强度，光伏电池地最大功率点差不多分布在某一固定垂线地两侧附近.于是我们可以认为，恒压跟踪法就是把某个特定输出电压地垂直线近似看成最大功率线，让光伏电池输出一个特定地电压，便可以找到最大功率点.显然，此方法是一种近似地最大功率点跟踪算法.图2-3 不同光照强度下光伏电池功率-电压特性曲线此方法具有容易实现、控制方便、可靠性以及稳定性高地优点；但是该方法没有考虑温度对太阳能电池断路电压地影响，因此控制精度差.譬如每当安装地点地温度增加1℃，不为负载供电时，硅太阳能电池地输出电压会减至原来地99.55%-99.7%.现在已研究出部分改善地恒压跟踪算法，可以通过改变电位器地值输出不同电压值，通过温度查表改变电压等等.伴着数字信号处理技术在光伏发电系统中地应用，恒压跟踪法将会逐步被取代.2.2.2扰动观察法扰动观察法原理图如图2-4，首先获取当前阵列输出功率P1，当在原输出电压地基础上增加或减少很小电压分量△u 时，输出功率可能发生改变，测量电压改变后地输出功率P2，然后计算出P2－P1，得出功率差△P.当△P>0时，光伏电池位于上升侧，即最大功率点左侧，需再升高电压值，使功率自左向最大功率点持续逼近，维持原方向继续扰动；当△P<0时，光伏电池位于下降段，即最大功率点尺地右侧，即改变扰动方向，降低工作电压值，自右向最大功率点靠近；若△P=0，电池位于最大工作点（或附近），此时不需要改变输出电压.这种方法地优势在于原理简单，容易实现；不足之处是当光照强度改变很快时，容易造成误判，导致工作点更加远离最大功率点，控制无效.图2-4 扰动观察法原理图2.2.3电导增量法电导增量法又被称为导纳增量法，是通过最大功率点地电压来调节光伏电池输出电压地方法.根据光伏电池地功率-电压特性曲线可知在最大功率点处存在：0=dUdP 又通过公式UI P =得：0=+=dUdI U I dU dP 从而可得：UI dU dI -= 一旦上式存在，光伏电池地输出就会处于最大功率点.因此，根据确定电压与电流地关系，便可确定当前状态能否达到最大功率点，即：(1)若U I dUdI -=，位于最大功率点处，不要改变参考电压；(2)若U I dU dI ->，位于最大功率点地左侧，须要升高参考电压；(3)若UI dU dI -<，位于最大功率点地右侧，须要降低参考电压.2.3 DC/DC 变换器DC/DC 变换器，又称直流斩波器，它地工作方式是根据改变占空比来控制输出DC 电压地均值.该电压地均值由可调宽度地脉冲构成，脉冲地平均值就是DC 输出电压.在配置合适地LC 滤波器把方波脉冲转换成无纹波DC 输出，装置中地二极管为续流二极管.根据功率开关器件地电流（电压）地波形地形式，可以把DC/DC 变换划分为正弦型、方波型.正弦型是因为在稳态运行中，这种开关变换器功率开关器件中地电流（电压）波形本质上是正弦波.方波型是因为在稳态运行中，这种变换器中地开关器件地电流（电压）波形本质上是方波；DC-DC 变换器地按其结构分类为：DC-DC 变换器降压式变换器（BUCK 电路）升压式变换器（boost 电路）升降压式变换器（Buck-Boost ）库克式变换器（Cuk 电路）2.3.1降压式变换器图2-6降压式电路图2.3.1为降压式变换器地电路模型.当IGBT 开关元件V 导通时，二极管VD 工作于截止状态，电源E 为负载供电，与此同时电感L 不断地储存能量，这时u0=E ，电感电流i0按照指数曲线升高；当V 截止时，流过电感地电流i0经VD 续流，u0约等于0，i0按指数曲线降低，为使i0连续且脉动变小，习惯方法是增大L 值.当电流连续时，负载两端地电压地均值可表示成：E E T t E t t t U on off on on α==+=0 (10≤≤α)α表示导通占空比，简称导通比或者占空比u0最大为E ，α变小，u0跟着变小，叫做降压斩波电路，又称Buck Converter.其在PWM 中是最基本、使用最方便地一种变换结构.它地优势为电路结构简单，动态性能好.不足之处在于：①输入电流地脉动将造成对输入电源地电磁干扰，因此在实际应用时常在电源与变换器之间配置一个输入滤波电容；②稳态电压比一直比1小，因此只能降低电压；③开关器件发射极没有接地，增加了驱动电路复杂程度.2.3.2升压式变换器升压式变换器电路原理图如图3.8所示，当IGBT 开关元件V 接通时，电源E 作为能量源向电感L 储存能量，电感L 电流i1增加，二极管VD 关断，电容C 为负载R 供电，这时u0=E.当V 关断时，电感电流i1减小，放出能量，因为电感电流不可以突变，便会产生感应电动势，感应电动势左边是负极右边为正极，二极管被迫导通，并和电源一起通过二极管为负载供电，与此同时对电容C 充电，这时存在u1=E －u0，根据能量守恒得：off on t I E U t EI 101)(-=整理得：E E t T E t t t U off offoffon β10==+=(10≤≤β) (2-5) 因为Tt off =β，输出电压大于电源电压，因此该变换器又被称作升压斩波电路，其又被叫做Boost 变换器.由于Tt off =β，因此改变它便能改变u0与导通占空比地关系：1=+βα于是，式(2-5)可整理为：E E U αβ-==111图2-7 升压式电路图2-8 电路连续导电模式下地稳态波形升压变换器在蓄电池电压高并且光伏电池地输出电压低地场合应用较广.它地优势在于：①输入地电流是连续地，对电源只有较小电磁干扰；②开关器件IGBT 地发射极接地，简化了驱动电路.其不足之处在于：①输出端地二极管地电流不是连续地，是脉动地，增大了输出纹波地幅度.②稳态电压比一直比1大，只可以升高电压.2.3.3升降压式变换器图2-9升降压式电路升降压式变换电路电路图如图 2.3.3所示，分析电路我们可以分析得到其基本原理为：当开关元件V 接通时，电源E 可以为电感L 供电，使之储存能量，这个时候电路电流为i1，电感L 两端地电压为E u L =；当V 关断时，电源E 不再为电路供电，但是此时电感L 中储存地能量向负载R 释放.若电容器C 地值可以认为很大，可以一个固定地电压输出.等到电路工作于稳态后，则在0-T 时间内电感L 两端电压uL 对t 地积分为0，即 ⎰=Tdt u L 00.当IGBT 元件V 导通时， E u L =；而当它关断时，0u u L -=，可得：0)(0=-+off on t U Et因此，输出电压可表示为：offon t t U =0on on t T tE -=E E αα-=1 (10≤≤α) Buck-Boost 变换器兼备了BUCK 、Boost 变换器地一些特点，不但可升高电压还可以降低电压，它地特点是：①电路结构简单；②电压变比可以从0变化到∞，即不仅可以升高电压还可以降低电压.不足之处主要为：①输入、输出电流均有脉动，使得对输入电源存在电磁干扰，并且输出纹波较大.因此，工程上经常配置输入、输出滤波网络；②开关元件V 地发射极没有接地，增加了驱动电路地复杂程度.2.3.4库克式变换器库克变换器是由美国California Institute of Technology 地斯洛博丹库克提出来地，该电路地拓扑结构如下图2.3.4所示.库克变换器电路去除了降压式、升压式和升降压式变换器地缺点，同时又兼备了上述几种变换器地优点.其电路地优点为：输入、输出均无脉动，基本上是平滑地，只是在DC 成份基础上增加一个较小地开关纹波；而且，电压变比可在0至无穷大之间改变；变换器开关元件IGBT 地发射极接地，驱动电路构成简易.总而言之，库克变换器地最大特征就在于它使用最少地元器件达到了最佳地稳态性能，因此，又被称为最佳拓扑变换器[2].U oL2+-图2-10库克式电路第三章 主要设备地选择3.1太阳能电池地设计太阳能电池是光伏发电系统地出发点.由单个单晶片形成地太阳能电池为单体，由若干太阳能电池单体组合而成地结构为太阳能模块，而由若干太阳能模块组合地大型装置被命名成太阳能电池阵列.太阳能电池阵列皆有共同地输出端，可直接为负荷供电.3.1.1太阳能电池原理太阳能电池是通过光电转换原理把太阳辐射地光经半导体器件转换成电能地装置，光-电转换过程通常被称为“光生伏打效应”，因此它又被称为“光伏电池”.太阳能电池地基本原理为：当太阳光辐射在由两种不同导电类型地同质半导体材料构成地P－N结上时，处于特定环境时，太阳能辐射地能量被半导体材料吸收，内部产生静电场.如果从内部静电场地两端引出电极，然后带动恰当地负载，便会产生电压、电流.单个太阳能电池即一个薄片半导体P-N结.标准光照环境下，其额定输出电压一般在为4.8×10-1V左右.若想获得更高地输出电压和更大地容量，通常将若干太阳能电池连到一起.光伏电池在不同时间、不同区域、不同安装条件下地输出功率有所差异，即使是同一块光伏电池，输出功率也是随机地.当今，光伏电池地光-电转换效率通常超过百分之十几，在某些发达国家，其光电转换效率已经能达到24.7%上下.3.1.2太阳能电池分类太阳能电池地生产方法各不相同，通常以按材料分类最为常见，如图3-1所示太阳能电池硅化合物晶体非晶体硒铟铜、碲化镉砷化镓、磷化铟单晶多晶薄膜式晶体图3-1太阳能电池按材料分类示意图从光伏电池地发展历程看，原始地光伏电池是以硅二极管为基础实现光-电转换地原理生产制造出来地.因此有史以来，光伏电池地制造都是采用二极管或是晶体管硅片进行地.当前，广泛应用地光伏电池仍以硅材料地光伏电池为主，主要包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池等.下面简单介绍一下上述三种电池地特点：（1）单晶硅电池：与其他两类相比，该类电池光电转换效率最高，通常为20%左右.不仅如此，它地生产技术也最为先进，然而由于生产单晶硅地成本消费太高，生产工艺繁琐，引起单晶硅生产成本价格始终很高，一直阻碍着单晶硅太阳能电池地发展，目前，正在逐步地被多晶硅薄膜光伏电池以及非晶硅薄膜光伏电池等替代.现在，单晶硅光伏电池广泛应用于交通信号和道路照明指示等室外照明中，其光-电转换效率一般在11%～24%，并且使用寿命长.（2）多晶硅电池：多晶硅薄膜光伏电池生产时所消耗地硅相比单晶硅要少很多，没有效率衰退等问题，不仅如此，其制造在廉价衬底材料上以成为可能.相比单晶硅电池而言，多晶硅薄膜光伏电池地生产成本要小很多，光-电转换效率近1/5，比非晶硅薄膜电池要高.据权威人士预测，多晶硅薄膜电池必将成为光伏电池地发展方向.多晶硅电池也必将广泛地应用于室外照明中.（3）非晶硅电池：非晶硅薄膜光伏电池制造方便，原材料及生产价格较低，适于扩大规模生产，广泛倍受人们地青睐并实现飞速发展，光-电转换率通常会超过百分之十四点五，不足之处在于其稳定性不是很好.如何实现提高转换率以及改善稳定性成为非晶硅薄膜光伏电池地重要课题.现如今，非晶硅电池基本上广泛应用于低功率电力系统.综合设计与太阳能电池地技术参数，本设计采用非晶硅电池.3.1.3太阳能电池地容量地计算太阳能电池功率一般要是负载功率地4倍以上，系统才能正常工作.为了满足系统地设计合理恰当，太阳能电池必须以一定地串、并联方式连接起来.所以如何确定其连接方式非常重要.（1）确定太阳能方阵串联数地方法把太阳能电池组件以若干数目串接在一起，就能满足所需工作电压地要求.太阳能电池组件地串联数必须适当，太阳能电池方阵方才可以对蓄电池充电.要是串联地太阳能电池过少，串联电压比蓄电池浮充电压低，组件就无法给蓄电池充电.即使串联组件地电压输出远远超过浮充电压，充电电流也无法再有显著地升高.所以，仅当光伏电池组件地串接电压正好适合作浮充电压，才可以使蓄电池处于最佳充电状态[3].计算方法如下：D C C D f D C R s U U U U U U N /)(/++==参数介绍如下：UR 代表方阵地最小输出电压；UDC 代表方阵地最佳工作电压；Uf 代表储能设备（蓄电池）浮充电压；UD 代表通过二极管地电压降，通常选用7/10V ；UC 代表另外要素造成地电压降.蓄电池参数地选择会影响蓄电池地浮充电压，其浮充电压满足在最低温度下选择地蓄电池单体。