100W太阳能移动式交通灯设计

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  辽宁工业大学 光伏发电及并网技术 课程设计(论文) 题目: 100W太阳能移动式交通灯设计 学 院: 专业班级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 教师职称: 起止时间: 课程设计(论文)任务及评语 院(系): 教研室: 本科生课程设计(论文) 学号 学生姓名 专业班级 课程设计 (论文) 题目 100W太阳能移动式交通灯设计 太阳能交通信号灯就是靠太阳能电池供电的信号灯,它自身具备发电、储电 的能力,安装时还不需要铺设电缆,能够任意安装在太阳能够照到的路段,它特 别适用于新建成的路口,可满足交警应对紧急停电、 限电以及其他突发情况的 课 需要。 要求:1、采用太阳能源发电,可 24 小时全天候工作。2、采用超高亮 程 LED,视角大,视距远。3、灯具采用 PWM 恒流输出最大功率 100W,保证其寿命 设 计 和亮度不受电压波动影响。4、特殊阴雨天气,可连续工作 3 天。 ( 论 文 主要设计内容: ) 1. 太阳能电池板设计及选择 任 务 2. 储能蓄电池设计及选择 3. 4 个方向交通指示灯电路设计 4. 充放电电路设计 第1天 查阅收集资料 第2天 总体设计方案的确定 第4天 太阳能电池板设计及选择 进 度 第5天 储能蓄电池设计及选择 计 第 6、7 天 4 个方向交通指示灯电路设计 划 第8天 充放电电路设计 第 9、10 天 设计说明书完成 指 导 教 师 评 平时: 论文质量: 答辩: 语 及 成 总成绩: 指导教师签字: 绩 年月日 注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 I 本科生课程设计(论文) 摘要 在光伏发电应用领域,太阳能交通灯作为一种独立的光伏发电系统具有重要的 地位,它具有安全、环保、节能的特点。白天日照充足时,光伏电池发电,给蓄 电池充电,蓄电池放电,向交通灯提供电能。典型的太阳能交通灯系统是由光伏 电池、蓄电池、负载和控制器组成,其中蓄电池是最容易受损和消耗的环节。从 一定程度上来讲,太阳能交通灯系统的优劣是由蓄电池的好坏决定的。为了更好 的保护蓄电池,最大限度的延长蓄电池的使用寿命,本文研究设计了一种基于单 片机的太阳能交通灯充放电控制器。白天在控制器的作用下,光伏电池给蓄电池 充电,根据蓄电池电压采样数值,自动调整充放电方式,控制充电电路的通断, 防止过充。在控制器的作用下蓄电池给交通灯提供电能,控制放电通路的通断, 防止过放。 本系统采用 VRLA 蓄电池专用充电芯片 UC3096 将太阳能电池板的输出电能存 储在 12V 的蓄电池中作为系统总电源。89C51 通过人机界面得到两相位交通信号 灯的控制参数,经过处理之后,完成对交通信号灯的控制。 关键词:单片机;太阳能;蓄电池;交通灯 II 本科生课程设计(论文) 目录 第 1 章 绪论 .......................................................... 1 1.1 光伏发电系统概况 .............................................. 1 1.2 本文研究内容 .................................................. 2 第 2 章 光伏发电装置总体结构设计 ...................................... 3 2.1 总体设计方案 .................................................. 3 2.2 CPU 的选择 .................................................... 3 2.3 CPU 最小系统图 ................................................ 6 2.4 交通指示灯电路设计 ............................................ 7 第 3 章 发电装置功能电路设计 .......................................... 9 3.1 太阳能电池板的选择 ............................................ 9 3.2 蓄电池参数计算及选择 ......................................... 10 3.3 充放电电路设计 ............................................... 11 第 4 章 总结 ......................................................... 13 参考文献 ............................................................ 14 III 第1章 绪论 本科生课程设计(论文) 1.1 光伏发电系统概况 在太阳能发电应用领域,太阳能交通灯具有重要的地位。太阳能交通灯系统 采用“光伏+储能”的模式,是一种典型的独立太阳能发电系统。白天日照充足时, 光伏电池发电,给蓄电池充电,晚上蓄电池放电,向交通灯提供电能。太阳能交 通灯最显著的特点是安全、环保、节能,不需要铺设复杂昂贵的管线,无需人工 操作自动运行。典型的太阳能交通灯系统是由光伏电池、蓄电池、交通灯和控制 器组成。在系统构成中,光伏电池的使用寿命一般在 20 年以上;质量好的 LED 交通灯可以工作 50000 个小时,每天 10 个小时,理论上可以使用 10 年以上;铅 酸蓄电池工作在浅充浅放的模式中,循环使用寿命约 2000 次,使用年限 5~7 年, 在深度放电的模式下,循环使用寿命约 200 次,使用年限 1~2 年。 可以看出,从一定程度上来讲,太阳能交通灯系统的使用寿命是由作为储 能的铅酸蓄电池好坏决定的。在实际应用中,铅酸蓄电池是最容易受损和消耗的 环节,必须对其充电和放电过程进行合理的控制,充电方式不当、过充和过放都 会影响铅酸蓄电池的使用寿命。所以为了更好的保护蓄电池,最大限度的延长蓄 电池的使用寿命,延长系统的使用寿命,降低系统维护成本,系统需要对蓄电池 进行能量管理,以有效的方式对蓄电池进行充电,防止过充的同时也要防止其过 度放电。 太阳能交通灯控制器就是系统中配合蓄电池特性,对蓄电池充电和放电过 程进行控制的设备。白天,它控制太阳能电池给蓄电池充电,通过采样蓄电池的 电压,调整充电方式,优发中心避免对蓄电池过充;夜晚,它控制着蓄电池给负载提供电 能,防止蓄电池过放,保护蓄电池,最大限度的延长蓄电池的使用寿命。由此可 见,太阳能交通灯控制器在系统中起着枢纽的作用。蓄电池的充电过程是一个复 杂的非线性过程,为了实现最优的充电过程,更好的延长蓄电池的使用寿命,蓄 电池的充电控制采用智能控制是非常必要的,本文设计了一种成本较低、稳定可 靠且可以对蓄电池进行有效保护的智能型太阳能 LED 交通灯控制器。 1 1.2 本文研究内容 本科生课程设计(论文) 89C51 通过人机界面得到交通信号灯的控制参数,经过处理之后,完成对交 通信号灯的控制。太阳能电池板及蓄电池均为直流器件,考虑到太阳能电池板及 蓄电池的这一特性,我们选择直流 12V/8W,200mm 的交通信号灯,这样就减少 了电路设计的复杂性。 系统的具体设计如下: 1、采用太阳能源发电,可 24 小时全天候工作。 2、采用超高亮 LED,视角大,视距远。 3、灯具采用 PWM 恒流输出最大功率 100W,保证其寿命和亮度不受电压波 动影响。 4、特殊阴雨天气,可连续工作 3 天。 2 本科生课程设计(论文) 第2章 光伏发电装置总体结构设计 2.1 总体设计方案 根据设计要求太阳能 LED 交通信号灯由光伏极板、充放电控制器、蓄电池、LED 交通信号灯系统构成。系统框图如图 2.1 所示。 图 2.1 总体设计方案图 其中,光伏极板是用来将太阳能转换成电能,为系统供电。 充放电控制器是将太阳能产生的电存储到蓄电池中,同时将蓄电池中的电能 供给 LED 交通信号灯系统,并对蓄电池的过流、过充等起到保护作用。 LED 交通信号灯系统是由中央控制器、LED 信号灯模块、信号灯模块控制系 统等组成。 2.2 CPU 的选择 CPU 能够完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基 3 本科生课程设计(论文) 础,它的选择直接关系到整个系统的工作。选择通用性强、功耗小、性能稳定良 好的 8 位 CMOS 微处理器芯片 AT89C51,它与常用 MCS-51 型单片机兼容,工作电 压为 2.7V~6.OV,具有 32 条可编程 I/O 端口,3 个 16 位定时计数器,256×8 位 内部 RAM,内带 8K 字节快闪 EEPROM 的特点,大大简化了电路的设计。 1 P 1.0 2 P 1.1 3 P 1.2 4 P 1.3 5 P 1.4 6 P 1.5 7 P 1.6 8 P 1.7 9 RES ET 10 RX D 11 TXD 12 INT0 13 INT1 14 T0 、P3 .4 15 T1 、P3 .5 16 WR 、P3 .6 17 RD 、P3 .7 18 X2 19 X1 20 VS S . 8 9C 51 VC C P 0.0 P 0.1 P 0.2 P 0.3 P 0.4 P 0.5 P 0.6 P 0.7 P 2.0 P 2.1 P 2.2 P 2.3 P 2.4 P 2.5 P 2.6 P 2.7 P SEN ALE/P EA/VP P 40 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 . 图 2.2 89C51 引脚图 部分引脚功能说明: RST:89C51的复位信号输入引脚,高电位工作,当要对芯片复位时,只要将 此引脚电位提升到高电位,并持续两个机器周期以上的时间,89C51便能完成系统 复位的各项工作,使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 XTAL1:接外部晶振的一个引脚。在单片机内部,它是一反相放大器输入端, 这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时,此引脚应接地。 XTAL2:接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和 内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时,则此引脚接外部振荡信号的输入。 PSEN :访问外部程序存储器选通信号,低电平有效。在访问外部程序存储器 4 本科生课程设计(论文) 读取指令码时,每个机器周期产生二次 PSEN 信号。在执行片内程序存储器指令 时,不产生PSEN 信号,在访问外部数据时,亦不产生 PSEN 信号。 ALE/ PROG :ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时,ALE 信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如74LS373),将端口P0 的地址总线) 锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间,ALE引脚的输出频率是系统工作 频率的1/16,因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。 P0:P0口(P0.0~P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口,当访问外部数据 时,它是地址总线位)和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时,则作一 般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。 P2:P2口(P2.0~P2.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口), 当访问外部程序存储器时,它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时,则作一般 双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。 P1:P1口(P1.0~P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O 口),其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3:P3口(P3.0~P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O 口),它还提供特殊功能,包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随 机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下: P3.0 RXD 串行通信输入 P3.1 TXD 串行通信输出 P3.2 INT 0 外部中断0输入,低电平有效 P3.3 I N T1 外部中断1输入,低电平有效 P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端 P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端 P3.6 WR 外部随机存储器的写选通,低电平有效 P3.7 RD 外部随机存储器的读选通,低电平有效 在设计中用到了多片串行通信的芯片,但选用的单片机AT89C51只有一个串 行口,这给连接带来了极大的麻烦。在设计中,用单片机未用到的普通I/O口辅之 控制软件来模拟串行口工作,从而解决了串行口不够用的难题。 5 2.3 CPU 最小系统图 本科生课程设计(论文) 单片机最小系统是整个系统最核心的部分。本系统采用的控制芯片是高可靠、 低功耗、性价比高的单片机 89C51。单片机最小系统有 89C51 芯片、复位电路及 外围晶振。本设计中将 89C51 的外部晶振频率设置在 11.0592MHz。CPU 最小系 统图如图 2.3 所示。 图 2.3CPU 最小系统图 6 2.4 交通指示灯电路设计 本科生课程设计(论文) 在本设计中由于按键不是太多,故采用独立按键法,这样可以减小编程的难度, 图 3.1 为本设计的按键接线 液位显示电路 本系统是针对普通十字路口设计的交通信号灯控制系统在十字路口,东西向放 行 XX 秒南北向放行 XX 秒,放行方向数码管显示倒计时的颜色为绿色,反之为 红色。每次变灯之前( 红灯变绿灯绿灯变红灯)会有黄灯亮起,用来清空路口未通 过车辆 数码管使用型号为 SM42036 的共阳极 2 位码管,数码管个位每隔一秒减一, 数码管十位上每十秒减一,个位十位都为零时,进入下一个循环。 本设计采用 STC89C52 单片机为主控芯片。单片机的 P0.0-P0.2 分别控制东西 道的红黄绿灯,P0.3-P0.5 分别控制南北道的红黄绿灯; 同时利用 P0.0-P0.5 也控制该方向上数码管剩余时间所显示的颜色,其中哪个灯亮,数码管就显示相 应的颜色 显示数码管的剩余时间直接通过单片机的 P1 P2 口控制,数码管选择 的是共阳极数码管 P3.0-P3.4 设置为按键,用来选择当前运行哪一种模式,这 个按键可以按在交通灯电杆下面,或者制成无线遥控; 也可以在交通指挥中心就 可以达到可控的功能。 在本设计中,要特别注意 I /O 口可能存在驱动能力不够的问题。因此,给单 片机 I /O 口与数码管之间加 CMOS 型三态缓冲门电路 74HC245 芯片,以增强 I /O 口驱动能力使用三极管 9012 进行给 LED 红绿灯扩流,使 LED 灯的亮度达到很好 的效果。交通灯系统电路图如图 3.2 所示 7 本科生课程设计(论文) 图 3.2 液位显示电路 8 本科生课程设计(论文) 第3章 发电装置功能电路设计 3.1 太阳能电池板的选择 电源电路包括 LED 工作电源及单片机芯片及外围电路的工作电源。这两部分 的电源是由 12V 蓄电池总电源分支而来。12V 蓄电池电源电路是由太阳能电池板、 UC3906、12V 蓄电池等构成。太阳能电池板将太阳能转换成的电能通过基于 VRLA 蓄电池专用充电芯片 UC3096 的充电电路存储在蓄电池中,蓄电池中的电 能成为整个系统的电源。为了满足系统的设计目标,蓄电池的容量及太阳能电池 板的功率成为系统设计的关键指标。在这先介绍一下太阳能电池板和蓄电池的选 型及参数选择。 目前市场上的太阳能电池板的种类大致分为三种:单晶硅太阳能电池,多晶 硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池。虽然单晶硅具有较高转换率,发电 性能稳定等优点,但是因其昂贵的价格,最终选择多晶硅太阳能电池。 太阳能电池板计算过程如下: 每一个 LED 交通信号灯的功率为 p ? 8W ,工作电压为 v ?12V 。正常情况下, 每一时刻同时有 4 个 LED 交通信号灯工作,那么,每一时刻负载的总功率为 P ? 32W 。每一组交通信号灯(相反方向同色信号灯串联)的工作电压为V ? 24V 。 假设该系统每天工作的时间为 T1 ? 12h 。经查表可得,太阳能标准峰值时间是 T2 ? 3.6h 。一个连续阴雨天的时间为T3 ? 3d ,两个连续阴雨天之间的间隔时间为 T4 ? 20d 。太阳能电池组件的工作电压是V1 ?18V 。 (1)负载日耗电量 Q 为: Q ? (P /V ) *T1 ? (32W / 24V ) *12h ?16(Ah) 9 本科生课程设计(论文) (2)满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流 I1 为: I1 ? Q *1.05 /T2 / 0.85 / 0.9 ? 16 *1.05 / 3.6 / 0.85 / 0.9(A) ? 7.8431(A) (3)太阳能电池组件的功率 Ps 为: Ps ? (I1 ? I2) *V1 ? (7.8431 ?1.0476 ) *18(W ) ? 160 .0336 (W ) 所以太阳能电池板的规格选择为两个 18V,80W 的太阳能电池板,总的最大 峰值电流约为 9.32A。 3.2 蓄电池参数计算及选择 基于普通铅酸蓄电池使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环 境问题等各方面的考虑,我们选用阀控密封式铅酸(VRLA)蓄电池。VRLA 蓄 电池整体采用密封结构,不存在普通铅酸电池的气涨、电解液泄漏等现象,具有 使用安全可靠、能量高、成本低、使用寿命长、容量大、不漏液、安全等优点。 (1)蓄电池容量 C 为: C ? Q * (T3 ?1) / 0.75 *1.1 ? 16 * (3 ? 1) / 0.75 *1.1 ? 100 .5714 ( Ah) 式中,0.75 为蓄电池放电深度;1.1 为蓄电池安全系数。 (2)连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量太阳能电池组件充电电流 I2 为: I2 ? C * 0.75 /T2 /T4 ? 100 .5714 * 0.75 / 3.6 / 20(A) ? 1.0476 (A) 所以我们选择的蓄电池的规格为 12V,120(Ah); 10 3.3 充放电电路设计 本科生课程设计(论文) 充电过程从大电流恒流充电状态开始,在这种状态下充电器输出恒定的充电 电流 Imax,同时充电器连续监控电池组的两端电压,当电池电压达到转换电压V12 时,电池的电量已经恢复到额定容量的 70%~90%,充电器转入过充电状态。在 此状态下,充电器输出电压升高到Voc ;由于充电器输出电压保持恒定不变,所以 充电电流连续下降,当电流下降到 Ioct 时,电池的容量已达到额定容量的 100%, 充电器输出电压下降到较低的浮充电压VF 。充电过程如图 3.3 所示。 图 3.1 UC3906 充电状态曲线 VRLA 蓄电池的充电参数主要有过充电电压Voc 、浮充电压VF 、过转换电压 V12 、最大充电电流 Imax、过充电终止电流 Ioct 。它们与 RX1、RX2 、RX3 、RX4 、 RXS 之间的关系可以从下面的公式反映出来: 过充电压 Voc ? Vref * (1 ? RX1? RX 2 RX3 ? RX1? RX 2) RX 4 ? 15V 11 浮充电压 RX1? RX 2 VF ? Vref * (1? ) ?14.5V RX3 本科生课程设计(论文) 过冲转换电压 V12 ? 0.95 *VOC ? 14.25V 最大充电电流 I max ? 0.25V RXS ? 10A ? 9.32A[1] (太阳能电池板最大输出电流) 过充电终止电流 Ioct ? 0.025V RXS ? 1A Voc 、VF 和Vref 成正比。Vref 为 2.3V,温度系数是-3.9mV/℃。 Imax、 Ioct 、Voc 、 VF 可以独立地设置。只要所提供的输入电源允许或功率管可以承受, Imax的值可 以尽可能的大。虽然某些充电器有过充保护电路,充电率可以达到甚至超过 2C, 但是蓄电池厂商推荐的充电率范围是 C/20~C/3。Ioct 的选择尽可能的使 VRLA 蓄 电池接近 100%充电。合适值取决于Voc 和在Voc 时 VRLA 蓄电池充电电流的衰减特 性。Imax和 Ioct 分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和检测电流的 电阻 RXS 决定。Voc 、VF 的值由内部参考电压Vref 和外部电阻 RX1、 RX2 、 RX3 、 RX4 组成的网络决定。 12 第4章 总结 本科生课程设计(论文) 本文通过对各种蓄电池充电器及充电方法的性能进行探讨,提出了一种基于单 片机控制的四阶段模式蓄电池智能充放电控制器的太阳能独立供电交通信号灯系 统。通过反复调试,各硬件电路的参数已经确定,系统软件部分程序也调试完成, 系统各项工作指标己基本完成。文中进行了系统的方案设计、硬件设计、软件设 计、软件编程和整个系统的调试工作,并对该太阳能独立供电交通信号灯系统的 性能指标进行了分析。论文讨论了太阳能独立供电交通信号灯系统的硬件设计、 软件设计。最后,用所设计的智能充电器给 12V, 20Ah 的密封铅蓄电池充电,实 测数据表明,该蓄电池智能充放电控制器能按照涓流充电、恒流充电、过充电和 浮充电四个模式给电池进行充电,还可随时监测蓄电池端电压的大小,当电池电 压放电到 10.5V 时,自动停止向负载放电,完成太阳能电池充电控制部分设计, 有电池过充、过放电保护功能以及太阳能电池最大功率控制。通过对 LED 交通信 号灯系统的设计完成了 LED 信号灯驱动部分设计,不同时间段具有不同显示亮度, 实现信号灯的定时控制功能。 由于时间关系和团队知识面有限,该论文还存在几个问题待继续完善:第一, 系统工作的稳定性。由于单片机本身抗干扰能力差,再加上主电路和控制电路的 电磁干扰问题也还存在,整个系统的抗干扰和工作稳定性还需进一步的完善。第 二,控制策略的提高。蓄电池充电控制策略的优劣对蓄电池的使用寿命有很大地 影响,确定一种优秀的、合适的控制方法是目前学术界积极研究的问题。这些都 是本系统需要改善的地方。 13 参考文献 本科生课程设计(论文) [1] 黄友锐. 单片机原理及应用.合肥工业大学出版社, 2006. 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