基于单片机的太阳能路灯控制系统设计毕业论文.doc

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

II
摘 要
ABSTRACT
With 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, LED

目录
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
3.6.3 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 24
3.7 LED的发光及驱动原理 25
3.7.1 发光原理 25
3.7.2 驱动原理 27
第四章 系统的硬件设计 29
4.1 系统电路框图 29
4.2 硬件设计的原理流程图 30
4.3 电源电路设计 31
4.4 LED指示电路 31
4.5 光控电路 32
4.6 LED驱动电路设计 33
4.7 涓流充电电路 35
4.8 过充、过放控制电路 35
4.9 单片机外围电路设计 37
4.9.1 复位模块电路设计 37
4.9.2 晶振电路 37
4.9.3 按键开关电路 38
4.9.4 显示模块电路设计 38
第五章 系统的软件设计 40
5.1 系统软件框图 40
5.2 计时程序设计 41
5.3 中断程序设计 43
第六章 系统调试 44
6.1软件调试 44
6.2硬件及总体电路调试 44
6.3系统改进方案 45
第七章 总结与展望 46
附录 1 47
附录 2 48
参考文献 I
致 谢 I

III
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前 言
城市照明是一门科学、一种文化、一项艺术。城市照明体现了一个城市的形象，反映了一个城市的科学管理，是一项社会系统工程。太阳能LED灯具以其优越的节能效果、人文的光源照明控制，倍受客户青睐，其性价比与工频交流电灯具基本持平，且具有不破坏环境、不消耗不可再生能源的特点，易于客户接受，所以只要光源充足的地方就有太阳能LED灯具开发应用的市场。
太阳能LED照明是未来照明的方向，其最大的特点：环保、节能、发光效率高，因此使它将会逐步取代传统光源。更值得一提的是，LED发光效率是以每十年提高十倍的速度来提高，成本也将逐年下降。
1.系统技术指标：
(1)太阳能板：18V，110Wp
(2)输出电压：12V
(3)输出电流：恒流
(4)灯具：6支1W大功率白光LED
(5)控制器：光控，时控，防止蓄电池过度充放电
(6)阴雨天连续工作时间：7天
2.系统用途：
(1)安装在公园、小区等小路两旁当路灯使用。
(2)安装在交通路段、港口等作为指示灯，保证交通航海的安全有序。
(3)安装在繁华闹区或旅游景区作为装饰照明，营造气氛。
(4)应用于果园，种植园，草坪等场所，既可以照明又可以杀虫。

I
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第一章 绪论
1.1 概述
跨入21世纪后，人类面临着实现经济和能源可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。
主要表现为以下几个方面：
(1)能源短缺。常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。
(2)环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。
(3)温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。
太阳能作为可再生能源，很早就被人们开发和利用了。随着科学和技术的迅速发展，世界能源危机的日益严重，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。同时，以煤、石油等作为燃料油面临严重的环境污染，再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。为贯彻落实科学
61
第一章 绪论
发展观，把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济与人口、资源、环境相互协调发展的要求。因而，可再生、无污染的太阳能利用在世界各国崛起，世界光伏产业迅猛发展。根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。
目前太阳能企业面临新机遇，由于光伏发电技术的逐渐成熟，成本不断下降，太阳能的利用无处不在。各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速。
1.2 太阳能路灯的优势
太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。基于单片机的太阳能控制系统很好的把太阳能光伏发电技术与单片机智能控制技术结合了起来。而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。
综上，太阳能路灯较传统路灯的优势有如下几点：
1.节能环保：据统计，所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。有关数据表明太阳能路灯每年可以减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本！
2.可靠耐用：太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。
3.成本低廉：就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能路灯比普通路灯造价要高。若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进
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去的话，太阳能路灯在寿命周期内所发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。且规模越大，普通路灯安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于预计费用。
4.安全稳定：运行维护费用低，普通路灯明显高于太阳能路灯，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。太阳能路灯免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。
5.自主供电：离网运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。
但是太阳能LED路灯的优势远远不只这些。一般认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还节能1/4，这是固体光源伟大的革新。除此之外，LED还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。由于LED具有发光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。
太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。
1.3 太阳能路灯的应用现状
在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发
第一章 绪论
展起来。国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场上规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。
近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节电问题已引起政府部门的关注。在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。为此，建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用，上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。
欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长。
在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。尽管受到常规能源
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的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能路灯市场仍然持续增长。
1.4 本论文研究的主要内容
1.分析太阳能光伏发电技术和LED技术
2.根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法。
4.根据LED驱动原理设计LED驱动电路
3.设计电源控制电路。
5.根据系统方案设计控制器外围电路。
6.编写单片机执行程序。
7.调试、实验硬件电路，保证可以实现既定功能。

第二章 系统方案论证及选择
第二章 系统方案论证及选择
2.1 方案比较与论证
2.1.1 太阳能电池板的选择
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳光电池中比较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。
(1)单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区使用；
(2)多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；
(3)非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合在室外阳光不足的地区使用。
太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。如6V蓄电池充电需要用8~9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15~18V太阳能电池。
2.1.2 蓄电池的选择
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。
铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为：恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。一般来讲，这种蓄电池充电时，应外接直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，
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并把外界的电能转变为化学能储存起来。其过充电时间与充电速率有关，实际工作中可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。
镍镉（Ni-Cd）蓄电池的正极为氧化镍，其负极为海绵状金属镉，电解液多为氢氧化钾，氢氧化钠碱性水溶液。小型密封镍镉电池的结构紧凑，坚固，耐冲击，震动，成品电池自放电小，在使用上适合大电流放电，使用温度范围广，零下40度到零上60度。
镍氢（Ni-H）蓄电池镍氢电池的设计源于镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上，有极大的发展。其主要的改变，在于以储氢合金取代负极原来使用的镉，因此镍氢电池可以说是材料革新的典型代表。镍氢电池所造成的污染，会比含有镉的镍镉电池小很多。
蓄电池是太阳能灯具的核心部件，它储存、并释放电能，功能等同于电能仓库。蓄电池容量的选择一般遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件吸收的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常供电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
蓄电池结构分为：板栅（正极板栅、负极板栅）、隔板、电解质及其它部件（外壳、电气盖等）。目前市场上蓄电池因酸液不同分为铅酸蓄电池和胶体蓄电池（固体蓄电池）。
铅酸蓄电池因其维护复杂（酸液因为析氢的损耗，需要补充酸液），使用寿命短（3年左右），自恢复能力差等因素，正逐渐被胶体蓄电池所
第二章 系统方案论证及选择
替代。
胶体蓄电池的特点：
1.深度放电后回充电性能强，甚至在放电后未及时补充电的情况下容量也能100％得到回充；
2.循环使用寿命长达8～10年，适合每天使用；
3.适合用于较长时间的放电使用；
4.工作环境温度更高；
5.优越的耐低温性能；
6.适合在电力干线不稳定的环境下使用；
7.无流动的胶体电解液使电解液在电池内部不产生分层现象；
8.自放电小，很小均衡充电；
9.内阻低，充电接受能力强；
10.与普通铅酸蓄电池相比较，电池内部水分损耗小。
综上对比，以及客观条件的要求可得，太阳能灯具优先采用胶体蓄电池。
2.1.3 照明灯具的选择
太阳能路灯采用何种光源，是判断太阳能灯具能否正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
1.低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命在2000小时左右，电压低，灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。
2.低压钠灯：低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造价高，采用较少。
3.无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，但在太阳能灯具上使
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用寿命大大减少，与普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、相位、电压都是不能和普通市电相比的）。
4.LED：LED灯光源，寿命长，可达100000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。
因此，为达到最佳性能要求，选择LED灯具作为光源。
2.1.4 控制器芯片的选择
智能化控制芯片中，单片机凭其体积小、封装形式简单、易于焊接、功能齐全、功耗较小等优点不失为最佳选择。利用单片机完全可以实现路灯亮度的自动调节并能达到节省能源的目的，并且一旦开机就可以智能地持续工作，减少了工作人员的维护量。
在光伏发电系统中，充电器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，能快速、平稳高效的为蓄电池充电，同时保护蓄电池，避免过充现象的发生，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命。选择控制器的关键取决于芯片的不同和电路的不同，以下从三个方面进行对比论证。
首先是简易并联调节的控制器，其近似可以看作是恒流源对蓄电池充电。因此，当在蓄电池达到浮充电压点时，蓄电池并没有充满，切断电源后，蓄电池电压会有很大的降落。如果将浮充电电压点值设定得太高，欲使蓄电池尽量充满，这样又会导致蓄电池的过早损坏。其充放电曲线不是很好，因此只适用于小功率的用户和要求不高的场合，特别适用于12V和24V输入的220W以下的用户系统。
其次是PIC1F6716，众所周知的PIC系列单片机具有的特点有，哈佛
第二章 系统方案论证及选择
总线结构，精简指令集技术，寻址方式简单、寻址空间独立，代码压缩率高、程序保密性强，功耗低，驱动力强，拥有两种串行总线端口，外接电路简洁，开发方便，运用C语言编程，程序存储器版本齐全等。具有性能完善，功能强大，学习容易，开发应用方便等优点。
最后，对于芯片AT89C51的单片机。AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。功能强大的AT89C51单片机可为用户提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51的芯片管脚图如图2-1.
其主要特性为：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
鉴于对AT89C51比较熟悉，而且对于应用大型功率无人看守的光伏发
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电系统，直接关系到运行、维修的成本及系统的可靠性因此选择此款芯片。

图2-1 AT89C51芯片管脚
2.2 方案的配置与计算
在众多太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能路灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天的情况下更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味的降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天路灯无法提供照明。
2.2.1 路灯设计所需的数据
1.太阳能路灯使用地的经度与纬度。通过地理位置可以了解并掌握设备使用地的气象资源，比如月（年）的平均太阳能辐照情况、平均气温、
第二章 系统方案论证及选择
大气质量等，根据这些条件可以确定当地的太阳能标准峰值时数(h)和太阳能电池组件的倾斜脚与方位角。
2.路灯所选用光源的功率。光源功率大小直接影响整个系统的参数。
3.太阳能路灯每天晚上工作时间(H)。这是决定系统组件大小的核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗和与之对应的太阳能电池组件的充电电流。
4.太阳能路灯需要保持的连续阴雨天数(d)。此参数决定了蓄电池容量大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳能电池组件功率。
5.确定两个连续阴雨天之间的间隔天数(D)。这是决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。
2.2.3 路灯设计参数的确定
以某市为例，安装一批太阳能路灯，光源功率8W，要求路灯每天工作11小时，保证连续7个阴雨天能正常工作。当地东经114度，北纬23度，年平均日太阳辐射为3.82KW.h/m2，年平均月气温为20.5度，两个连续的阴雨天间隔时长25天。根据以上资料，计算出光伏组件倾斜角26度，标准峰值时数约4小时。
(1) 负载日耗电量：
(2-1)
式中U为系统蓄电池标称电压
(2)满足负载日用电的光伏组件的充电电流：
(2-2)
式中系数分别为太阳能充电综合损失系数，蓄电池充电效率和控制器效率
(3)蓄电池容量：
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(2-3)
式中0.75为蓄电池放电深度，1.2为蓄电池安全系数
(4)连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量的太阳能电池组件充电电流： (2-4)
式中0.75为蓄电池放电深度
(5)太阳能电池组件的功率为：
(2-5)
式中18为太阳能电池工作电压

第三章 系统设计的理论分析
第三章 系统设计的理论分析
3.1 系统基本介绍
系统由太阳能电池组件部分(包括支架)、LED光源、控制箱(内有控制器)等几部分构成,太阳能电池板的设计对系统的抗风设计非常有利。蓄电池采用地埋式，蓄电池箱采用防腐材料加工而成，可有防盗、防水、易于维修等作用。如图3-1所示。
·太阳能电池：吸收太阳能，将光能转换成直流电能。
·控制器：控制蓄电池的充放电的深度，延长蓄电池寿命，控制负载运行时间及状态。
·蓄电池：储存太阳能电池板产生的电能，在夜晚为负载提供电力。

图3-1 系统组成

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3.2 太阳能路灯系统设计总体分析
太阳能路灯以控制、工作方式的不同，可分为两种系统：
1、光控开－光控关
原理：白天，太阳光照射到太阳电池组件表面时，光伏效应产生电能，并通过控制器对蓄电池进行充电；随着光线逐渐减弱，太阳电池组件产生的电压不断下降，当电压值低于控制器设置的启动电压值时，控制器启动负载工作。光线逐渐增强，电池组件产生的电压增大并达到控制器设定关断电压值时，控制器切断负载。
 2、光控开－时控关
原理：白天，太阳光照射到太阳电池组件表面时，光伏效应产生电能，并通过控制器对蓄电池进行充电；随着光线逐渐减弱，太阳电池组件产生的电压不断下降，当电压值低于控制器设置的启动电压值时，控制器启动负载工作。当负载工作时间达到控制器预先设定时间时，控制器切断负载，负载停止工作。
由于单片机程序设计十分灵活，所以可由软件设计选择控制方式。本系统的程序采用第二种方案。
3.3 太阳能光伏发电的理论
为什么半导体PN结经由太阳光一照就有电呢?
科学家们将这种光照生电的现象叫做“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。光伏效应的核心原理就是PN结的“空穴导电”。空穴代表着正电荷，正电荷的移动就形成了电流，这个电流就叫“光生电流”，它与光电池板的面积、光照度、光电池板表面温度等因素有关。
实验证明，光生电流的大小，受光电池板安装角度偏差的影响也是非
第三章 系统设计的理论分析
常大的而且变化迅速，在相同实验条件下，光伏电压对安装角度的偏差变化则反应迟钝，受其影响很小。电池的驱动能力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
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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。
3.4 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：
1.电池组件防反充保护；
2.蓄电池过充保护；
3.蓄电池的过放保护。
4.电池组件、蓄电池的反接保护；
5.负载过压保护；
6.智能充电：增加浮充功能，即恒压控制。
3.5 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
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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3-2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3-2 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： (3-1)
正极： (3-2)
总反应： (3-3)

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。
3.6 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