太阳能交通灯设计

作者: 来源: 发布时间: 2019-11-02 03:14 字号:【

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  太阳能交通灯设计 太阳能独立供电交通信号灯系统 学院:电气与信息工程学院 队员:黄宝发 学号 2012302784 黎统光 学号 2012302746 号 2012302754 太阳能独立供电交通信号灯系统 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。 关键词:单片机;太阳能;蓄电池;交通灯 1 目录 丁凯 学 1 引言 .............................................................. 3 2 方案设计 .......................................................... 3 3 蓄电池智能充放电控制器............................................ 4 3.1 智能型多模式充电技术......................................... 4 3.2 蓄电池智能充放电控制器硬件设计............................... 6 3.2.1 系统结构 ............................................... 6 3.2.2 主电路设计 ............................................. 6 3.2.2.1 太阳能电池板...................................... 6 3.2.2.2 蓄电池 ........................................... 7 3.2.2.3 主充电开关电源电路设计............................ 7 3.2.3 控制电路设计 ........................................... 8 3.2.3.1 采样电路.......................................... 8 3.2.3.2 控制器电路设计 ................................... 9 3.2.3.3 驱动电路设计..................................... 10 3.2.3.4 按键电路设计..................................... 11 3.2.3.5 辅助电路设计 .................................... 12 3.3 小结........................................................ 12 4 LED 交通信号灯系统 ............................................... 12 结论............................................................... 15 参考文献........................................................... 16 附录 A 整体电路 .................................................... 17 附录 B 元件清单 .................................................... 20 2 1 引言 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,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。 2 方案设计 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 1 所示。 3 图 1 系统框图 图 1 系统框图其中,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。 3 蓄电池智能充放电控制器 3.1 智能型多模式充电技术 充电控制技术是智能充电器系统中软件设计的核心部分。随着各种蓄 电池技术的发展,国内外电池充电技术也不断更新。同种工艺的电池理想 的充电曲线大致相似、具体的电压数值有所差别。针对这些特点,应用单 片机进行控制,有效地使实际充电曲线拟合铅酸蓄电池的最佳充电曲线, 控制电池在正常温升范围之内,提高充电的效率,达到最佳充电效果。我 们在传统充电方法的基础上设计了四阶段充电法。它综合了常规充电法和 快速充电技术的优点, 使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。 图 3.1 所示是四模式充电状态曲线 四模式充电状态曲线 多模式智能充电器的四种充电状态分别是涓流充电,大电流充电,过 充电和 浮充电。假设一组完全放电的电池,充电器通常按如下规律对其 充电: 状态 1:涓流充电 如果电池电压低于阀值电压 10.5V,充电器将用预先设定的涓流充电 电流给电池充电。随着涓流充电继续,电池电压逐渐升高,当电压升高到 阀值电压 10.5V 时立即转入大电流快速充电。如果电池电压在充电周期开 始就高于其阀值电压时,则跳过涓流充电直接进入大电流快速充电模式 状态 2 :大电流快速充电 在这种模式下充电器以恒定的最大允许电流给电池充电。最大电流与 电池容量 (C)有关,往往以电池容量的数值来表示。在大电流快速充电这段时间 里,电池电量迅速地恢复。当电池电压上升到过充电压(Voc;)14.5V 时,大 电流快速充电模式结束,充电器转入过充电状态。 状态 3:过充电 如果从大电流充电状态直接转入浮充状态,电池容量只能恢复到额定 容量的 80%?90%。在过充电状态下,充电电压保持恒定不变,充电电流连 续下降。当充电电流下降到足够小时,电池容量已达到额定容量的 100%, 充电过程实质上已经完成,充电器转入浮充状态。阀值电流一般等于最大 允许充电电流的 1/5。 状态 4:浮充电 该状态主要用于补充电池自身放电所消耗的电量。在浮充电模式下, 充电器输出电压下降到较低的浮充电压值,充电电流通常只有 l(K30mA,用 以补偿电池因自身放电而损失的电量。当电池电压下降到浮充电压的 90% 时,充电器将转入大电流充电状态,使上述充电过程重新开始。这种多模 式充电法综合了恒流充电法快速而安全、及时补偿蓄电池电量的优点,以 及恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态下保持电池 100%电量的优点。 多模式智能充电器在满足这些要求的同时可提供尽可能多的功能和设计 的灵活性,使之具有更多优点:适时检测充电情况并按预定的充电方案对 电池充电;采用四种状态的充电规则使电池获得最好的特性;充满电进行 声光报警并自动转入浮充电状态,最大限度地保证电池的容量。这款多模 式充电电路,不仅可以实现恒定电压、恒定电流等几种基本充电模式,更 可以实现多种混合的多阶段充电模式。因此更能适应恶劣环境的应用。在 电池设计的充电模式中,包括涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电和 均衡充电功能,在运行中单片机会根据对被充电池的数据采样和事先设定 的程序来决定何时加入大电流充电、过充充电、浮充充电、电池充满时间 并停止充电过程。 5 3.2 蓄电池智能充放电控制器硬件设计 该蓄电池智能充放电控制器是针对阀控密封铅酸蓄电池来进行设计 的, 以 ATmegal6 单片机及其应用软件为核心构成这个系统。 根据前述理论 分析,对铅酸蓄电池采用四阶段充电方法,这样既减少了极化,又防止了 盐化,延长了使用寿命,提高了充电率,达到了设计目标。 3.2.1 系统结构 智能充放电控制系统主要包括输入电路、检测电路、控制电路及显示 电路等几部分, 各个部分包括的设计结构、 内容、 数据流向如图 3.2 所示。 图 3.2 系统设计框图 太阳能板输出电压经开关电源控制器调节向蓄电池提供所需电压,辅 助电源为单片机、模拟开关、放大器等提供工作电压,由按键输入充放电 信号。ATmegal6 单片机完成对充放电各个过程的控制,主要包括对蓄电池 充电电压的采样、充电电流的采样、蓄电池端电压的采样和对蓄电池充放 电控制等操作。液晶显示部分主要是对充电过程中蓄电池的充放电状态、 充电电流、充电电压及蓄电池电压大小进行显示,以便用户了解蓄电池的 充放电状态参数。 3.2.2 主电路设计 3.2.2.1 太阳能电池板 本系统采用太阳能电池板供电,太阳能电池板在太阳照射下可以产生 电能, 本设计所使用的太阳能电池板可以输出电压为 24V。 6 3.2.2.2 蓄电池 由于系统中蓄电池的充电放电比较频繁,故所以控制器要对蓄电池的 充电放电进行管理,从而延长蓄电池寿命,减少系统的故障率,提高系统 稳定性。本次设计将对铅酸蓄电池智能充放电控制器进行探讨和研究。本 设计按照要求,采用 12V/20AH 的铅酸蓄电池保存电能。 3.2.2.3 主充电开关电源电路设计 1. BUCK 斩波电路 DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流 斩波。 斩波器的工作方式有两种, 一是脉宽调制方式 TS 不变, 改变 ton (通 用) ,二足频率调制(l)Buck 电路——降压斩波器,典输出平均电 Uo 小于输 入电压 Ui,极性相同。(2)Boost 电路——升压斩波器,其输出平均电压 Uo 大于输入电压 Ui, 极性相同。 (3)Buck—Boost 电路——降压或升压斩波器, 其输出平均电压 Uo 大于或小于输入电压 Uo, 极性相反, 电感传输。 (4)Cuk 电路——降压或升压斩波器, 其输出平均电压 Uo 大于或小于输入电压 Ui, 极性相反,电容传输。 在本电路中输入始终大于输出,所以采用脉宽调制方式的 BUCK 变换 器,BUCK 变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压 稳压器。其电路如图 3.3 所示。 3.3 BUCK 变换器电路 PWM 脉宽调制信号由单片机提供,控制开关管的通断。MOSFET、二 极管、电感、电容构成 BUCK 电路。在工作过程中,PWM 控制倍号的高电 平脉冲出现使 MOSFET 管分通,PWM 控制信号的低电平脉冲出现使 MOSFET 管截止。当开关管接通时,电流按图(A)所示方向流动,电容通过 电感被充电。出开关管截止时,电感试图保持电流不变,从而导致电流流 过二极管、电感和电容如图(B)所示,这是 BUCK 变换器的一个工作周期。 如果增加占空比,开通时间增大,断开时间减少,则输出电压将增大。反 之,输出电压减小。图中二极管的作用足防止在断电时电池反方向供电。 输出电流由 PWM 脉宽调制作为占空比调节,来控制电流充电、大电 流充电、过 7 充电、浮充电,完成四个状态充电的过程。 图 3.4 充放电电路原理图 在目前广泛采用的开关电源供电方式中,是由 PWM 控制器提供脉宽 调制,并发出脉冲信号,使 MOSFET 管导通。同时扼流线圈作为储能电感 使用并与相接的电容组成 LC 滤波电路。PWM 芯片包含内部和外部线路, 当脉宽调制要做周期循环时将由它来决定这个频率的快慢,当一个信号要 发送到每一个 MOSFET 管用以接通这些 MOSFET 管时它就可以直接控制进 行速度调节。本设计中由于单片机内核中集成了 PWM 驱动单元,它能向 系统提供更为准确的数字电压。 2.放电电路 放电电路主要由一个大电流、较高耐压、低导通电阻的 N 沟道场效应 管 IRF540 组成。 当电压值小于 10.5V 时,单片机自动给出一个低电平信号给 IRF540 使其断开放电回路。 3.2.3 控制电路设计 3.2.3.1 采样电路 ATmegal6 单片机有 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益的 A/D 转换器,速度可达到 250KHZ。8 路电压输入型 A/D,可做温度检测、电池 电压检测、 按键扫描、 频谱检测等。 上电复位后 P1 口为弱上拉型 I/O 口, 用户可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 A/D 转换,不需要作为 A/D 使用的口可继续作为 I/O 口使用。 系统检测电路主要由电压检测电路、电流检测电路组成。为了使电压 检测电路简单而可靠,屯压釆样釆用精密电阻分压的方法。将被测电压范 围转换成 0-5V,然后通过单片机的一个 ADC 通道转换成数字信号,单片机 对测得的电压值进行评估分析,然后调整 PWM 占空比完成对充电电压的 控制与调节。 8 图 3.5 太阳能板电压检测电路 图 3.6 电池端电压检测电路 对于电流采样,电路中釆用了放大电路,对微小的电流信号进行一定 比例的放大后处理。下面是电源中用到的差分放大电路,电流检测也采用 了在充电主问路中串联采样电阻的方法,系统釆用了高精度采样电阻。首 先将采样电阻两端的电压信号通过运放进行放大,然后再送到单片机的 ADC 通道进行模数转换,进而完成了对充电电流的检测。 图 3.7 电流检测电路 其中必须满足 R7=R18; R13=R16。所用运算放大器为 LM358。 100k 放大倍数为:?(v2?v1) 3.2.3.2 控制器电路设计 本次设计利用 AVR 单片机 Atmegal6 芯片作为充电器的核心部件。 本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程,并将采集到的 数据经过 9 分析处理显示在 LCD1602 上,另一方面又要输出 PWM 信号,控制 DC/DC 变换芯片。具体工作过程是上电复位,首先查询键盘,确定充电器 功能, 确定后继续查询键盘以确定充电还是放电, 分析计算 PWM 占空比, 确定输出电压,并将数据送至显示电路显示。在输出过程中通过单片机定 时器定时检测输出电流或电压。在电池充电过程中,通过检测蓄电池端电 压大小而确定电池充电多少,从而改变充电方式。 图 3.8 单片机控制电路 3.2.3.3 驱动电路设计 系统中以 KA7500B 芯片做控制 IC 构成开关电源。电路原理图如图 3.9 所示: 10 图 3.9 驱动电路 电路中的电压反馈的正、负极对应 KA7500B 的第 16、15 脚,在上电 后,单片机输出 PWM 电压,提供给 KA7500B 的 15 脚作为电压基准,输出 电压经过前面电压取样电阻分压后,与电压基准比较,当电压太大时,则 减小脉宽,太小则增加脉宽,使之保持恒定的输出电压值,其输出电压值 符合下列公式: Vout?PWM?(4K?6.49K) 4K KA7500B 输出占空比可变的信号,从而改变开关管导通的时间,也就 改变了输出电压。由于 KA7500B 的两路反馈在其内部是相“与”后再进行 控制的,因此当输出电压低于恒压值时,电流反馈起控制作用,当输出电 压达到所设定的值后, 电压反馈起控制作用, 这样电路就完成了恒流/恒压 控制功能,其原理与稳压电源的工作原理完全一样,只是该电路为开关电 源控制方式,因此效率高,温升低。 3.2.3.4 按键电路设计 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 3.10 为本设计的按键接线 按键接线 辅助电路设计 辅助电源模块电路主要为单片机运行提供+5V 屯压。由蓄电池提供的 12V 直流电经过 LM2596 开关降压型稳压器输出+5V 电压为单片机供电。 图 3.11 降压稳压电路 3.3 小结 本章首先给出了基于 ATmegal6 单片机控制的蓄电池智能充放电控制 器整个系统的结构框图,然后对各个部分的硬件电路的工作原理和设计过 程进行了必要的详细的介绍,包括主充电开关电源电路、控制电路、充放 电电路、电流电压检测电路和辅助电源电路的设计。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。 4 LED 交通信号灯系统 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 12 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 所示 图 3 交通灯系统电路 本设计中信号灯分东西、南北四个方向,其中南北方向为主路,每次 通行时间为 60 秒,东西方向为辅路,每次通行时间 30 秒;各组信号灯分 别由红、绿、黄组成,绿灯最后 3 秒闪烁;夜间 22:00 至早上 6:00 只有黄 灯闪烁。其中,STC89C52 单片机自带两个定时器,编程实现其定时功能。 用脉宽调制方法来实现灰度控制,也就是周期性改变光脉冲宽度(即占空 比) ,只要这个重复点亮的周期,人眼是感觉不到发光象素在抖动。 13 用脉宽调制方法来实现够短(即刷新频率足够高) ,人眼是感觉不到 发光象素在抖动。由于脉宽调制更适合于数字控制,所以在普遍采用微机 来提供 LED 显示内容的今天,几乎所有的 LED 屏都 是采用脉宽调制来 控制灰度等级的。信息条形如果是 LED 的做的数码管,因为 器件响应速 度快,可以用 PWM(脉宽调制)来调节亮度。简单来说就是调占空比。 设每个周期为 T, 亮的时间 Ton 与总时间的比例就决定了亮度, 用这个方 法可以在非常宽的范围内调节亮度,而且是线性的,可以精细调节。 14 结论 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。 15 参考文献 [1] 黄友锐. 单片机原理及应用.合肥工业大学出版社, 2006. [2]侯聪玲,吴捷,李金鹏.蓄电池充电方法的研究.电源技术,2004,12. [3]朱松然.铅酸蓄电池.北京:机械工业出版社,2002. [4]杨贵恒,强生泽,张颖超.太阳能光伏发电系统及其应用[M] .北 京:化学工业出版社,2009:1-3. [5]周茂霞, 王海宁.利用单片机控制交通灯和倒计时显示[J] .信息 技术与信息化,2007( 1) : 25-29. 16 附录 A 整体电路 Atmegal6 单片机控制电路 充放电电路原理图 太阳能板电压检测电路 降压稳压电路 电池端电电检测电路 17 驱动电路 电流检测电路 18 交通灯系统电路 19 附录 B 元件清单 20

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