基于单片机的太阳能供电地下停车场照明控制系统设计.doc

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毕业设计〔论文〕开题报告

基于单片机控制的太阳能
供电地下停车场照明系统设计

学生

专业名称
电气工程及其自动化
指导教师

2012年4月12日

毕业设计开题报告
题目名称：基于单片机的太阳能供电地下停车场照明控制系统设计
1.课题背景
1.1背景
随着全球工业化进程的逐步展开，世界对能源的急剧膨胀，而煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球面临着严重的能源危机。因此，全球都在积极开发利用可再生资源。
自20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏已经走过了近半个世纪的历史。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有简洁、平安、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被默认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。再在世界各国尤其是美、日、德等兴旺国家先后发起的大规模国家光伏开展方案和太阳屋顶方案的刺激和推动下，光伏工业近几年保持着平均30%以上的高速增长。其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场已经超过离网应用，近几年的增长速度都在40%以上，成为世界光伏工业的最主要发动机，并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究与开展的最新亮点。
1.2国外太阳能光伏发电应用的现状
随着科技的进步和环保意识的增强，清洁的绿色能源逐渐受到了人类的重视。其中，太阳能无疑成为最受青睐的绿色能源。太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能可以转换成多种其它形式的能量，比方热能、氢能、机械能、生物能、电能等等，由于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此由太阳能直接转化成电能是太阳能利用中最具有前景的方式。
1.2.1世界太阳能光伏发电的开展现状
20世纪90年代，由于太阳电池本钱的持续降低，太阳电池实行并网发电，建立太阳能电站已经成为可，并在全世界围逐渐开展。近年来，与住宅屋顶相结合的太阳电池并网发电也成为重要的应用方向。美国、欧洲和日本先后制定了太阳能开展方案，由政府提供局部研究开发资金和相关的产业扶持政策，众多国家纷纷制定雄心勃勃的开展规划，推动光伏技术和产业的开展。日本通产省第二次新能源分委会提出，2010年光伏发电装机到达5GW；欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动〞2010年的目标是，光伏发电装机到达3GW；美国能源部国家光伏规划的目标是，光伏发电装机到达4.7GW；澳大利亚提出，2010年光伏发电装机到达0.75GW。因此，世界光伏产业有了突飞猛进的开展，从1997年至2001年，年的平均年增长率达35.5%。2004年世界光伏电池组件的生产量到达1194MW，比2003年的744.26MW增长60.46%。到2004年底，世界光伏发电的累计装机容量到达4330MW。近几年各国可再生能源法的公布、快速开展的光伏屋顶方案、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的开展提供了良好的根底。光伏发电的应用领域将逐步由遥远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预计今后十年，太阳能光电工业将以20%～30%的速度增长，成为世界上最具开展前景的工业之一。
1.2.2国太阳能光伏发电的开展现状
中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，1980年以前，应用工程十分有限功率很小，光伏电池年销售量不超过10KW。20世纪80年代后期，随着几条光伏电池生产线的引进，光伏电池价格大幅度下降，产量大大提高，应用领域不断开辟市场大为拓展。90年代以来，改革开放的大好形势为光伏技术的广泛应用和市场开拓创造了有利条件，光伏电池用量每年在以20%以上的速度递增。经过30多年的努力，已迎来了快速开展的新阶段。进入21世纪后，在“光明工程〞先导工程和“送电到乡〞工程等国家工程及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛开展。2003年底，中国光伏发电的累计装机容量约达55MW。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量到达100MW，2008年太阳能电池的产量到达了2000MW虽然近几年我国太阳能发电产业取得了巨大的进步，但是，与兴旺国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比拟小、产业链不完整，自动化水平低。其次，平衡设备薄弱落后，特别是并网逆变器和智能控制器差距更大。而且，专用材料的国产化程度不高，性能有待改良，光伏电池本钱价格尚高，标准规也不够健全。因此，我国光伏产业在国外市场上仍面临着非常严峻的考验。
1.3太阳能光伏发电系统
太阳能光伏发电系统是在白天光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压到达系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进展充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进展供电。蓄电池组的放电情况由控制器进展控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的平安使用。
太阳能光伏发电系统一般由蓄电池、太阳能电池方阵、控制器、逆变器、交流配电设备等组成如图1所示。其各局部设备的作用是：
太阳能电池方阵：在有光照〔无论是太，还是其它发光体产生的光照〕情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生"光生电压"，这就是"光生伏特效应"。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。
蓄电池组：其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
充放电控制器：是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。

图1太阳能光伏发电系统框图
2.开发设计的根本容及预期设计效果
1.MPPT控制器：主要负责检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能电池阵列的输出功率，实现最大功率点的跟踪。如图4所示
扰动电阻R和MOSFET串联在一起，在输出电压根本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时光伏电池的输出电流和输出电压亦随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和输出电压变化，决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期沿同一方向扰动，反之，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率减少，下一周期朝反方向扰动。通过反复进展扰动与观察太阳能电池板输出达最大功率点。

图4 MPPT控制器
2.单片机电源电路的设计
由于单片机AT89S51需要+5V供电电压，采用三端稳压器设计的单片机系统电源电路，可以提供+5 V的数字电路电源，而且电路简单。

图5单片机电源电路
3.单片机及外围电路

图6单片机及外围电路
4.充放电控制电路
电路由防反充二极管D1、滤波电容C1、续流二极管D2、MOSFET管Q1、滤波电容C2、MOSFET管Q1等构成。二极管D1是为了防反充，当阴天或晚上蓄电池的电压高于太阳能电池的电压时，D1就生效。通过控制开关闭合跟断开的时间〔即PWM—脉冲宽度调制〕，就可以控制输出电压。所使用的MOSFET是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管，所需驱动功率较小。而且MOSFET只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复合时间，因而开关频率可以很高，非常适合作控制充放电开关。设计中采用IRF9540N P沟道MOSFET管，P沟道MOSFET的导通电压Vth<0，由下列图可以实现MOSFET的驱动。当光耦U5导通时，由于Q1的G极电压很小，G极近似接地，Vgs<0，当S极电压到达一定值时，Q1导通。Q2的原理类似。电路如图7。

图8 充放电电路
5.A/D转换电路
AT89S51单片机没有置的A/D转换模块，因此采集的电压需要经A/D转换才可接入单片机。此设计采用8位串行A/D转换器芯片TLC549〔如图7〕。需要采集的信号从2管脚AIN输入，1管脚的基准电压使用5V，5、6、7三管脚连单片机。

图9 A/D转换电路
6.电压采集电路
如图4所示，电压采集电路使用两个串联的电阻，大小比例为10:1，然后并联在需要检测的电压两端，从两个电阻中间采集电压。由分压公式得出采集的电压为VR1R21/11，当蓄电池充满电时电压大概为14.5V，计算出采集到的电压为1.3V，符合A/D转换芯片的TLC549的输入值。

图10电压采集电路
3.开发设计方案
系统框图如图7，单片机作为主控制器可通过采样电路得到的电压进展分析，可实现对采用光伏发电供电系统还是采用市电供电对地下停车场进展照明。即白天由光伏电池供电，晚上由蓄电池供电，当蓄电池电量缺乏以维持供电时切换到市电供电。并且作为控制单元控制步进电机实现对太阳能电池的最大功率点的跟踪，以便充分利用太阳能进展光伏发电。

图9开发设计方案系统设计框图
4.设计进度安排
2012年3月26日—2012年4月2日确定论文题目；查阅相关资料；对课题有一个初步认识
2012年4月2日—2012年4月26日提出初步方案，撰写开题报告，提交开题报告
2012年4月27日—2012年5月20日画系统原理图，完成调制系统设计及硬件电路设计、完成毕业论文初稿
2012年5月20日—2012年5月31日修改论文初稿，并完成最终定稿
2012年6月1日上交毕业设计电子档，等待核查，准备辩论
5.参考文献
[1]迟荣强:?单片机原理及接口技术?[M]，高等教育，第1-56页。
[2]文涛:?单片机语言C51典型应用设计?[M]，人民邮电，第1-102页
[3]谭浩强:?C语言程序设计?[M],清华大学,2007.11.。
[4]沙占友:?单片机外围电路设计?[M]，电子工业，第1-53页。
[5]金生、小利:?元器件?[M],电子工业,第1-72页。
[6]及力、马东升:?Protel99SE原理图与PCB设计教程?[M],电子工业, 2007.6.
[7]邱关源:?电路?[M]，高等教育，2009.7.
[8]黄继昌:?电子元器件应用手册? [M],人民邮电，第1-52页。
[9]何立民:?单片机应用技术选编?[M],航空航天大学，第79页。
[10]王煜东:?传感器应用技术?[M],电子科技大学，2007.1.
[11]朝青:?单片机原理与接口技术?，：航空航天大学，2008.7.
[12]辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].:化学工业;2005
[13]黄海宏，黄长杰，王海欣著.太阳能控制器设计[J].电子技术应用，May 2006

指导教师意见〔对本课题的深度、广度、工作量、设计方案及进度安排的意见〕

    指导教师〔签字〕：    年   月   日
教研室审查意见〔是否同意指导教师意见〕

教研室/系主任〔签字〕：   年   月   日
设计〔研究〕进度方案表
序号
起止日期
方案完成容
实际完成情况
检查人签名检查日期
1
3.26~4.6
〔2周〕
熟悉任务书和指导书，明确设计任务；搜集设计资料；阅读相关文献。
完成 □
根本完成□
未完成 □

2
4.9 ~4.13
〔1周〕
确定设计方案。
完成 □
根本完成□
未完成 □

3
4.16 ~4.20
〔1周〕
进展方案可行性的论证，结合设计任务的具体要求，进展初步设计的扩展和修正。
完成 □
根本完成□
未完成 □

4
4.23 ~5.11
〔3周〕
根据设计方案，进展硬件局部的设计
完成 □
根本完成□
未完成 □

5
5.14 ~5.25
〔2周〕
根据设计方案，进展软件局部的设计
完成 □
根本完成□
未完成 □

6
5.28~6.1
〔1周〕
整理论文等相关容；制作
PPT，答疑。
完成 □
根本完成□
未完成 □

7
6.4~6.15
〔2周〕
教师批阅，准备辩论。
完成 □
根本完成□
未完成 □

8
6.18 ~6.22
〔1周〕
毕业辩论、交成果。
完成 □
根本完成□
未完成 □

指导教师批准，并签名： 2012 年 6 月 19 日

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