畢業(yè)論文—太陽能led路燈智能控制系統(tǒng)研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　太陽能光伏發(fā)電是一種不需燃料、無污染獲取電能的高新技術(shù)。充分利用太陽能不僅可以節(jié)約日益減少的不可再生能源，又可以減少對環(huán)境的污染，這使太陽能成為現(xiàn)在社會的一種重要能源。太陽能LED路燈，是太陽能應(yīng)用在現(xiàn)實生活中的實例，近幾年受到普遍的關(guān)注與研究。</p><p>　　本論文設(shè)計了一種智能太陽能LED

2、路燈系統(tǒng)，以AT89S51單片機為核心，通過對光強的檢測和蓄電池電量的檢測，再由單片機實現(xiàn)設(shè)定功能。本文內(nèi)容包括國內(nèi)外太陽能發(fā)電現(xiàn)狀及工作原理，方案選擇，元器件選擇，系統(tǒng)的硬件，軟件設(shè)計及系統(tǒng)的改進方向。其中系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括單片機最小系統(tǒng)、蓄電池充放電控制電路、主副電路的電壓變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主副電路切換電路、光強檢測電路、電量檢測電路、系統(tǒng)與上位機通信電路和溫度檢測等設(shè)計。</p><p><

3、;b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　太陽能 LED路燈 光強檢測 電量檢測</p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　Solar photovoltaic power generation is a kind of don't need fuel, poll

4、ution-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 ener

5、gy 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.</p><p>　　This paper designs a kind of in

6、telligent 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

7、home and abroad present situation and the working principle, scheme selection, component selection, system hardware, software design and the improvement direction of the system. The system's hardware design mainly in

8、cludes the SCM smallest system, s</p><p>　　Keywords: Solar energy LED street light Light intensity detection Capacity check</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>

9、;　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 前言1</b></p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研究的內(nèi)容5</p><p><b>　　2 方案論證7</b></p><p>　　2.1

10、 控制方式的選擇7</p><p>　　2.2 蓄電池充電方式的選擇7</p><p>　　2.3 電網(wǎng)電壓的轉(zhuǎn)換電路的選擇9</p><p>　　2.4 電池電量檢測方式的選擇11</p><p>　　3 元器件選擇13</p><p>　　3.1 太陽能電池的選擇13</p>

11、<p>　　3.2 控制器的選擇14</p><p>　　3.3 蓄電池的選擇16</p><p>　　3.4 光強檢測的選擇17</p><p>　　3.5 LED的選擇19</p><p>　　3.6 以長春地區(qū)為例的設(shè)計舉例20</p><p>　　4 硬件電路設(shè)計21</

12、p><p>　　4.1 單片機簡介21</p><p>　　4.2 時鐘電路26</p><p>　　4.3 復位電路27</p><p>　　4.4 過充過放控制電路27</p><p>　　4.5 副電源電壓變換電路28</p><p>　　4.6 報警電路29</

13、p><p>　　4.7 蓄電池電壓變換電路29</p><p>　　4.8 A/D轉(zhuǎn)換電路30</p><p>　　4.9 光強檢測及傳感電路31</p><p>　　4.10 主副電源電路切換電路32</p><p>　　4.11 電量檢測電路32</p><p>　　4.12

14、 系統(tǒng)與上位機通信電路33</p><p>　　4.13 溫度檢測電路33</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計34</p><p>　　5.1 路燈開關(guān)程序框圖35</p><p>　　5.2 蓄電池充電程序框圖35</p><p>　　5.3 主副電路切換程序框圖36</p>

15、<p>　　6 系統(tǒng)設(shè)計展望37</p><p><b>　　7 總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　附錄41</b>

16、</p><p>　　附錄一 主程序41</p><p>　　附錄二 原理圖46</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 前言</b></p><p>　　能源是當今世界存在和保持發(fā)展的核心動力，隨著社會生產(chǎn)的擴大、人口的

17、增長、科技的發(fā)展等，對能源的需求也在不斷增長，當今世界已經(jīng)面臨著能源需求量成倍增長的挑戰(zhàn)，隨之而來的是全球范圍內(nèi)的能源危機。在傳統(tǒng)的能源消費結(jié)構(gòu)中，以石油、天然氣和煤炭為主的化石能源占有重要比例。隨著人類近百年的消費，這些化石能源的消耗非常快，據(jù)專家預(yù)計地球上25億年累積的化石能源，人類只要400年就可以消耗殆盡，因此能源危機在當代顯得更加危機。不僅如此，化石能源的大量使用還造成了全球的環(huán)境惡化，引起氣候異常、臭氧層空洞擴大、酸雨頻發(fā)等

18、惡果，由化石能源的消耗所產(chǎn)生的二氧化碳是導致地球溫室效應(yīng)的最主要原因，目前全世界每天產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體以億噸計，如果不加以控制，氣溫持續(xù)走高，會造成兩極冰山融化、海平面上升，連人類生活的空間都將面臨極大威脅。</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電是一種不需燃料、無污染獲取電能的新技術(shù)，具有安全可靠、無噪聲、能量隨處可得、不受地域限制、無機械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護簡便、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、無需架

19、設(shè)輸電線路、可以方便的與建筑物相結(jié)合等優(yōu)點。因此，在太陽能的有效利用中，光伏發(fā)電是近些年來太陽能眾多利用方式中發(fā)展最快、最具潛力的研究領(lǐng)域。在光伏太陽能應(yīng)用領(lǐng)域，太陽能照明占有重要的地位和份額，而LED太陽能路燈是一個具體而實際的應(yīng)用。</p><p>　　有資料顯示，每年用于照明的電力在3000億度以上，若采用LED照明，每年就可以節(jié)約1/3的照明用電，基本上相當于總投資規(guī)模超過2000億元的三峽工程的全年發(fā)電

20、量。由于太陽能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅(qū)動光源，兩者的結(jié)合更是提高整個系統(tǒng)的效率，降低了市政成本，所以LED太陽能路燈越來越受到人們的重視。</p><p>　　我國太陽能資源豐富，全國2/3以上地區(qū)年日照時間大于2000h，其中西部較多地區(qū)日照時間超過3000h。但是我國實際開發(fā)利用的太陽能資源還不到可開發(fā)利用的1/1000，因此太陽能的發(fā)展?jié)摿薮?。為了按照各地不同條件更好地利用太陽能，按接受

21、太陽能輻射量的大小，全國大致可分為五類地區(qū)，如下表1-1[1]所示。</p><p>　　吉林地區(qū)屬于太陽能輻射量的三類地區(qū)，為中國太陽能資源的中等類型區(qū)，全年日照時數(shù)為 2200～3000h，在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻射總量為5016～5852MJ，相當于170～200kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。所以，如果把本地區(qū)的太陽能有效地利用起來，對于節(jié)約能源和環(huán)境保護都有著可預(yù)見的收益。</p>

22、<p>　　表1-1 我國太陽能資源分布情況</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 太陽能發(fā)電的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 </p><p>　　太陽能發(fā)電主要利用光照的“光伏效應(yīng)”。1839年，法國科學家A.E.貝克雷爾發(fā)現(xiàn)光照能夠使由兩片金屬侵入電解液結(jié)構(gòu)的伏打電池產(chǎn)生額外的電位勢，這種現(xiàn)象被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱

23、“光伏效應(yīng)”。在所有能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的器件中，半導體PN結(jié)是迄今光電轉(zhuǎn)換效率最高的器件，因此太陽能電池主要采用此結(jié)構(gòu)。</p><p>　　早期的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率低，生產(chǎn)成本高，阻礙了太陽能電池的使用。科學家們一直致力于太陽能電池的研究，以提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本。1954年，美國貝爾實驗室首次制成了單晶硅太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達到6%，至此產(chǎn)生了太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術(shù)。經(jīng)過科學家的不斷

24、研究，太陽能電池的性能得到不斷的提高，生產(chǎn)成本不斷降低。近年來世界各國，特別是發(fā)達國家對光伏發(fā)電技術(shù)十分重視，世界太陽能電池年產(chǎn)量迅速增加，特別是在1996年到2004年期間，連續(xù)8年增速在30%左右，在2004年，達到1200MW，在日常生活中得到普遍使用。圖1-1所示為1988～2004年世界太陽電池的產(chǎn)量柱狀圖，具體數(shù)值見表1-2。</p><p>　　圖1-1 世界太陽電池的產(chǎn)量</p>

25、<p>　　表1-2 世界太陽電池產(chǎn)量具體數(shù)值</p><p>　　我國光伏產(chǎn)業(yè)在2004年之后飛速發(fā)展，年平均增長率超過40%，如表1-3所示，尤其是在2007～2009年，太陽電池產(chǎn)量占居世界第一。通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新相結(jié)合，我國光伏產(chǎn)業(yè)形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)體系。目前我國千噸級多晶硅規(guī)模化技術(shù)已取得突破，2010年基本實現(xiàn)自給，不再依賴進口；晶體硅太陽能電池已經(jīng)占有技術(shù)和成本的絕對優(yōu)

26、勢，2009年產(chǎn)量已達世界產(chǎn)量的40%。</p><p>　　表1-3 2004～2012年累計安裝容量</p><p>　　注：平均年增長率41%。</p><p>　　隨著我國光伏生產(chǎn)設(shè)備的國產(chǎn)化率的不斷提高，太陽能電池的成本會有很大的下降，將為太陽能在我國普及應(yīng)用創(chuàng)造條件。太陽能未來在中國將有更大的發(fā)展空間，2013～2020年規(guī)劃安裝容量如表1-4所示，其

27、年平均增長率將超過50%。</p><p>　　表1-4 2013～2020年規(guī)劃安裝容量</p><p>　　注：平均年增長率為56%。</p><p>　　就長春地區(qū)來說，已有很多地方在使用太陽能路燈，下圖1-2為位于長春高新區(qū)的長春北湖國家濕地公園的路燈。它充分利用自然資源，綜合了風能發(fā)電和太陽能發(fā)電，具有巨大的實際使用價值。</p><

28、p>　　圖1-2 長春市太陽能路燈實例</p><p>　　盡管太陽能光伏技術(shù)在最近幾十年得到了很大的進步，但目前仍有一些問題需要克服，以更好地推動太陽能光伏的推廣應(yīng)用，主要問題有：太陽電池的效率還不夠高，太陽電池成本下降不夠，光伏發(fā)電受氣候環(huán)境的影響較大，晶硅材料的能源消耗大。隨著科技發(fā)展，未來光伏發(fā)電成本會繼續(xù)降低。各種相關(guān)技術(shù)如晶體硅、薄膜及其他的太陽電池將逐步提高性能，模塊的轉(zhuǎn)換效率將進一步提高。

29、若光伏模塊的能源轉(zhuǎn)換率達到30%～50%，可以使太陽輻射能高效地使用，安裝設(shè)計的成本會進一步降低，有利于太陽能的普及使用。盡管未來幾十年，傳統(tǒng)能源仍將是主要的能源，但可再生能源的使用比例會不斷增加，發(fā)揮重要作用，這其中太陽能將成為首選。</p><p>　　1.2.2 太陽能LED路燈控制器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在太陽能LED路燈控制系統(tǒng)中，控制器是整個系統(tǒng)的核心組成部分

30、，負責對儲能設(shè)備的充電和對負載的放電控制任務(wù)。目前日本、德國、美國等發(fā)達國家對于獨立光伏系統(tǒng)電源控制器的研究主要側(cè)重在以下三個方面：提高太陽能電池的輸出功率、完善蓄電池充電策略和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過研究不同的電路拓撲結(jié)構(gòu)和先進控制算法，在太陽光強度、太陽能電池溫度以及負載改變的情況下，盡可能使太陽能電池時刻保持最大輸出功率狀態(tài)。即實現(xiàn)最大功率點跟蹤。蓄電池充電策略直接影響到蓄電池的壽命，研究智能化的充電方法，提高蓄電池的充電接受率，減少

31、充電時間，對于整個光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有重要意義。獨立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境一般比較惡劣，如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性也是當前所有光伏電源控制器研究者最急需解決的問題之一。</p><p>　　第三代控制器是具有兩路調(diào)節(jié)功率的控制器，現(xiàn)已被廣泛推廣，在夜間行人稀少時段可以自動關(guān)閉一路或兩路照明，節(jié)約用電，還可以針對LED燈進行功率調(diào)節(jié)，并具有對蓄電池等組件的保護功能。 </p><p>　　1.3 研

32、究的內(nèi)容</p><p>　　由于對光強使用較少，查找資料知，不同環(huán)境亮暗程度與光強對應(yīng)關(guān)系如下表1-5所示。所以，把路燈由開到關(guān)的光強設(shè)定在40lux，把路燈由關(guān)到開的光強設(shè)定在70lux。</p><p>　　表1-5（1） 不同環(huán)境對應(yīng)光強</p><p>　　表1-5（2） 不同環(huán)境對應(yīng)光強</p><p>　　本次設(shè)計研究的系統(tǒng)

33、如下：系統(tǒng)需要同時進行3個過程。一方面，通過光強監(jiān)測電路實時檢測當前的光強l，路燈的開關(guān)與此時光強和此時路燈的亮滅有關(guān)，詳見下表1-6所示。其次，蓄電池的充電過程，當太陽能電量大于蓄電池電量且蓄電池電量在可充電范圍內(nèi)時，太陽能將給蓄電池充電。當太陽能電池的電量不足時，阻止蓄電池倒充到太陽能電池中。最后，要判斷蓄電池的電量是否足夠給路燈供電，在蓄電池電量不足時，要實現(xiàn)與電網(wǎng)電路的自動切換，并在蓄電池重新儲存電量之后，再切換回蓄電池供電，實

34、現(xiàn)資源的最大利用化。由于蓄電池在使用過程中對溫度的要求比較高，太高或太低都會對蓄電池的容量產(chǎn)生不可恢復的影響，所以在整個過程中還要實現(xiàn)對蓄電池周圍的溫度實現(xiàn)實時監(jiān)控。</p><p>　　表1-6 路燈開關(guān)判斷</p><p>　　具體實現(xiàn)功能：（1）蓄電池儲存電量足夠連續(xù)三天陰雨天路燈照明；</p><p>　?。?）當蓄電池電量不足時，電網(wǎng)自動接入，保證路燈的

35、正常工作；</p><p>　?。?）通過光線的亮暗實現(xiàn)路燈自動熄滅和自動點亮；</p><p>　?。?）單片機始終處于工作狀態(tài)。</p><p>　　為了實現(xiàn)這些過程，具體實現(xiàn)步驟如下：</p><p>　?。?）分析太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED技術(shù)；</p><p>　　（2）根據(jù)太陽能電池板輸出特性和蓄電池的特性

36、，設(shè)計蓄電池的充放電控制方法；</p><p>　?。?）設(shè)計LED和單片機供電電路；</p><p>　?。?）設(shè)計電源控制電路；</p><p>　　（5）根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計控制器外圍電路；</p><p>　　（6）編寫單片機執(zhí)行程序。</p><p><b>　　2 方案論證</b><

37、;/p><p>　　2.1 控制方式的選擇</p><p>　　太陽能路燈跟普通路燈控制電路功能基本相同，都是為了完成晚上亮燈，早上熄燈的作用。國內(nèi)外常用的控制器有單獨的光控型、時鐘控器型、經(jīng)緯型等，由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點。</p><p><b>　　方式一：光控型</b></p><p>　　單獨的光控型一般采

38、用感光探頭，當早上光線較強時，自動關(guān)閉路燈，晚上光線弱時，自動開啟路燈，達到自動控制的作用。為節(jié)省電力，早期的光控開關(guān)，采用分立半導體器件，電路復雜，元器件較多，體積也較大，并且故障率高。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了時基集成電路，如NE555等，使光控開關(guān)電路簡化。感光探頭是影響光控開關(guān)性能的關(guān)鍵元器件，在使用時對它安裝位置也有一定要求，力求避免各種干擾光線，但在實際使用中，感光探頭難以判斷各種干擾光線，經(jīng)常會產(chǎn)生誤動作[2]。<

39、/p><p><b>　　方式二：時鐘控器型</b></p><p>　　采用時鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時間，使路燈按時亮燈、準時熄燈，從而達到自動控制的目的。優(yōu)點是定時開關(guān)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時間不受外界干擾，除本身故障外不會產(chǎn)生誤動作。缺點是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動變換開關(guān)時間，需人工經(jīng)常調(diào)整開關(guān)時間，費時費力，不利于節(jié)省電力。定時開關(guān)又分為機械鐘表

40、型和電子鐘表型，機械鐘表型以石英鐘為主，走時精準，但是由于機芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導致停機現(xiàn)象。電子鐘表型定時開關(guān)使用的也較多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成塊為中心的電子鐘電路。近幾年還出現(xiàn)將電子鐘、LED、液晶顯示為一體的集成塊，體積小、外圍元器件少，可設(shè)六組開關(guān)點，有星期功能，許多廠家大量生產(chǎn)該產(chǎn)品，現(xiàn)在大多用于路燈控制中。</p><p><b>　　方式三：經(jīng)

41、緯型</b></p><p>　　經(jīng)緯型控制器采用單片機技術(shù)，模擬日照規(guī)律，晚上能自動開燈、早晨能自動關(guān)燈。它采取光控開關(guān)時間的優(yōu)點，克服了光控開關(guān)易受干擾的缺點，取鐘控器時間準確之長處，克服了定時開關(guān)不會自動變換開關(guān)時間之短處。目前路燈控制常采用這種控制方式，但其價格較高，在路燈中使用將會增加不必要的成本。</p><p>　　通過以上對比，為了更好地實時準確的控制LED路燈

42、的開關(guān)，我選擇控制方式一，光控型。因為在不同的季節(jié)，光線亮度有很大的區(qū)別，光控型避免了人工調(diào)節(jié)的麻煩，可以更好地實現(xiàn)全自動化的運作。</p><p>　　2.2 蓄電池充電方式的選擇</p><p>　　蓄電池的使用壽命除了它本身內(nèi)在因素的影響外，還受到溫度、放電深度DOD、過充過放程度等的影響，因此，為了延長蓄電池的使用壽命，節(jié)約系統(tǒng)的成本，在光伏系統(tǒng)中，應(yīng)使蓄電池在淺放電、不過充過放

43、電以及適合的溫度下工作。這其中，充電方式占據(jù)著重要的地位?，F(xiàn)有的充電方式主要有以下幾種[3]：</p><p><b>　　方式一：恒流充電法</b></p><p>　　在充電過程中使充電電流始終保持不變的方法，叫做恒定電流充電法，簡稱恒流充電法或等流充電法。在充電過程中由于蓄電池電壓逐漸升高，充電電流逐漸下降，為保持充電電流不致因蓄電池端電壓升高而減小，充電過程必

44、須逐漸升高電源電壓，以維持充電電流始終不變，這對充電設(shè)備的自動化程度要求較高，一般簡陋的充電設(shè)備是不能滿足恒流充電要求的。對于恒流充電法，在蓄電池最大允許的充電電流情況下，充電電流越大，充電時間就越短。若從時間上考慮，采用此法是有利的。但在充電后期若充電電流仍不變，這時由于大部分電流用于電解水上，電解液出氣泡過多而顯沸騰狀，這不僅消耗電能，而且容易使極板上活性物質(zhì)大量脫落，溫升過高，造成極板彎曲，容量迅速下降而提前報廢。鑒于此，這種充電

45、方法很少采用。</p><p>　　方式二: 恒壓充電法</p><p>　　恒定電壓充電法在充電過程中，充電電壓始終保持不變，簡稱恒壓充電法或等壓充電法。由于恒壓充電開始至后期，電源電壓始終保持一定，所以在充電開始時充電電流會相當大，大大超過正常充電電流值。但隨著充電的進行，蓄電池端電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小。當蓄電池端電壓和充電電壓相等時，充電電流減至最小甚至為零。由此可見，采用恒

46、壓充電法可以避免充電后期充電電流過大而造成極板活性物質(zhì)脫落和電能的損失。但其缺點是，在充電開始時，充電電流過大，電極活性物質(zhì)體積變化收縮太快，影響活性物質(zhì)的機械強度，致使其脫落。而在充電后期充電電流又過小，使極板深處的活性物質(zhì)得不到充電反應(yīng)，形成長期充電不足，影響蓄電池的使用壽命。所以這種充電方法一般只適用于無配電設(shè)備或充電設(shè)備較簡陋的特殊場合，如汽車上蓄電池的充電、1號至5號干電池式的小蓄電池的充電均采用等壓充電法。采用等壓充電法給蓄

47、電池充電時，所需電源電壓：酸性蓄電池每個單體電池為2.4～2.8V左右，堿性蓄電池每個單體電池為1.6～2.0V左右。</p><p>　　方式三：恒壓限流充電</p><p>　　為補救恒定電壓充電的缺點而采用的一種方法，即在充電電源與電池之間串聯(lián)一電阻，這樣充電初期的電流可以調(diào)整。但有時最大充電電流受到限制，因此隨充電過程的進行，蓄電池電壓逐漸上升，電流卻幾乎直線衰減。有時使用兩個電阻

48、值，約在2.4V時，從低電阻轉(zhuǎn)換到高電阻，以減少出氣。由于串聯(lián)電阻將消耗掉有限的電能，這種采用串電阻限流的方式對于光伏系統(tǒng)來說，是不實用的。</p><p>　　方式四：二階段充電法</p><p>　　二階段法采用恒流充電法和恒壓充電法相結(jié)合的快速充電方法，首先以恒流充電至預(yù)定的電壓值，然后改為恒壓充電完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓值就是第二階段的恒電壓值。</p>

49、<p>　　方式五：三階段充電法</p><p>　　三階段充電法是二階段充電法和恒流充電法相結(jié)合的方式。充電開始和結(jié)束時采用恒流充電法，中間階段為恒壓充電法。蓄電池在充電初期用較大的電流，經(jīng)過一段時間改為恒定電壓充電，當電流衰減到預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)到第三階段。采用三階段充電法的優(yōu)點是：避免了恒壓充電法開始充電電流過大，而后期電流又過小的情況，比二階段充電法在中間階段更接近充電電流接受率曲線。這

50、種充電法減少了充電出氣量，充電又徹底，延長了蓄電池使用壽命。下圖2-1為三階段法充電電流充電電壓曲線。</p><p>　　圖2-1 三階段法充電電流充電電壓曲線</p><p>　　綜合比較，選擇三階段充電法來實現(xiàn)太陽能電池對蓄電池的充電過程，此法在蓄電池保護、充電時間、電路穩(wěn)定性等方面都具有一定的優(yōu)勢。</p><p>　　2.3 電網(wǎng)電壓的轉(zhuǎn)換電路的選擇&

51、lt;/p><p>　　由于在本設(shè)計中選用電網(wǎng)來作為備用電源，所以需要進行AC220V—DC24V/5V的交直流轉(zhuǎn)換，下有兩個方案可以選擇：</p><p><b>　　方案一：整流法</b></p><p>　　整流電路是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和

52、變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。在本設(shè)計中電網(wǎng)取電經(jīng)整流后給單片機供電，其電路圖如下圖2-2所示。</p><p>　　7805芯片電壓輸出電壓為標準的5V，應(yīng)此選7805作為電源穩(wěn)壓芯片，78**系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓

53、是36V，最低輸入電壓比輸出電壓高3-4V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間。取LM7805的輸入端電壓為10V，變壓器二次側(cè)電壓的有效值</p><p>　　考慮到變壓器二次側(cè)繞組及管子上的壓降，變壓器的二次側(cè)電壓大約要高10%，即</p><p><b>　　所以變壓器變比。</b></p><p>　　

54、圖2-2 電網(wǎng)轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　方案二：電源模塊直接轉(zhuǎn)換法</p><p>　　電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點是可為數(shù)字信號處理器、專用集成電路、存儲器、微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多，因此模塊電源廣泛用于移動通訊、交換設(shè)備、接入設(shè)備、微波通

55、訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣，模塊電源的增幅已經(jīng)超出了一次電源。模塊電源具有隔離作用，抗干擾能力強，自帶保護功能，便于集成。隨著半導體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用，模塊電源功率密度越來越大，轉(zhuǎn)換效率越來越高，應(yīng)用也越來越簡單。</p><p>　　本設(shè)計采用SM900型號的電源模塊，它可以實現(xiàn)24.5V/5.1V雙路隔離，

56、具體功能如下：</p><p>　?。?）輸入電壓：220VAC（+15%，-10%），50Hz±2Hz；</p><p>　?。?）輸出電壓：24.5VDC/5.1VDC；</p><p>　?。?）額定功率：48W/35W； </p><p><b>　?。?）支持熱插播；</b></p>&

57、lt;p>　?。?）支持1+1冗余均流功能；</p><p>　　（6）具備輸出保護功能；</p><p>　?。?）具備輸出狀態(tài)指示和輸出狀態(tài)查詢功能；</p><p>　?。?）輸入輸出隔離，雙路輸出分別隔離。</p><p>　　SM900電源模塊采用220VAC輸入，經(jīng)過EMI抑制和整流濾波電路后，分為相互隔離的兩路輸出，其工作

58、電路也相互獨立，并且分別具有均流冗余功能。SM900電源模塊的交流輸入電路負責完成開關(guān)電源的輸入整流和濾波功能，并且抑制電網(wǎng)上傳來的電磁干擾，同時抑制電源本身產(chǎn)生的電磁干擾，以保證交流輸入不受電磁污染。整流濾波之后，分別輸出24.5VDC和5.1VDC，并且通過指示報警電路，顯示SM900電源模塊的工作狀態(tài)。兩路輸出直接提供到底板，為底板上各個模塊及現(xiàn)場設(shè)備供電。</p><p>　　綜合比較而言，我選擇SM90

59、0型電源模塊實現(xiàn)電網(wǎng)對路燈和單片機的供電，因為對于路燈和單片機的供電來說，電路的穩(wěn)定性非常重要，直接影響整個系統(tǒng)的工作狀況，而這種方式相對比較穩(wěn)定，是最佳選擇。</p><p>　　2.4 電池電量檢測方式的選擇</p><p>　　蓄電池的電量是本設(shè)計中一個重要的量，它關(guān)系著太陽能電池是否向蓄電池充電以及是否需要啟動副電源，所以實現(xiàn)蓄電池電量的實時檢測非常重要。設(shè)計使用SOC估計的方法

60、來進行電量檢測。</p><p>　　剩余能量狀態(tài)稱為荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），這個概念被廣泛應(yīng)用在二次能源存儲裝置中。對于可循環(huán)使用的二次能源電池來說，SOC是一個表征電池剩余能量多少的重要參數(shù)。目前對SOC比較統(tǒng)一的定義為：電池在一定放電倍率下, 剩余電量與相同條件下額定容量的比值。通常定義電池在一定溫度下充電到不能吸收更多的能量時，SOC為1；放電到能量不能再放出時，SOC為0。剩

61、余電量SOC的數(shù)學定義如下[4]：</p><p><b>　　或者</b></p><p>　　其中，QC是二次電池使用后的剩余容量，單位為安時（Ah），CI是二次電池充滿電的情況下以恒定電流I放電的總電量，Q是已經(jīng)放出的電量。研究與應(yīng)用較多的SOC估算途徑有：放電試驗、實時安時計量、開路電壓測量、卡爾曼濾波方法、阻抗譜法、負載電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，具體介紹如下。&

62、lt;/p><p><b>　　方案一：放電試驗法</b></p><p>　　放電試驗一般是在實驗室條件下對電池進行測試，可以得到電池在不同電流、溫度等工況下的放電曲線，通過測試可以掌握大量關(guān)于電池工作特性的數(shù)據(jù)。但是，這種方法用來估算SOC存在兩個缺點：</p><p>　?。?）放電試驗的時間一般較長，對于實時估算SOC并不合適；</p

63、><p>　?。?）通過放電試驗估算SOC對電池能量是一種浪費。</p><p>　　方案二：實時安時計量法</p><p>　　該方法依據(jù)電池SOC的原始定義，對電池工作中的電流值進行采集并積分。實現(xiàn)較簡單，是目前應(yīng)用較多的方法。由于安時計量法的計算完全依據(jù)電流值，因此它要求很高的電流采集精度，另外，在電池組中加入均衡電路后，電流除了主回路還要考慮均衡電流的存在，為了

64、檢測每節(jié)電池上的均衡電流成本提高許多。</p><p>　　方案三：電壓測量方法測SOC與開路電壓或負載電壓</p><p>　　存在一定的規(guī)律性，這樣就可以簡單的通過測量電壓值進行SOC估算。開路電壓法的缺點是需要電池移除負載，等待一段自恢復的時間，這樣就大大降低了效率；負載電壓法的缺點是工作電流對電壓的影響較大，一般只能使用在恒定電流情況下。</p><p>　

65、　綜合而言，選擇電壓測量方法來測剩余電量，這種方法雖然在精確度不夠，但是電路簡單，價格相對比較便宜，是目前來說最符合設(shè)計要求的電路。</p><p><b>　　3 元器件選擇</b></p><p>　　3.1 太陽能電池的選擇</p><p>　　太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是通過光電效應(yīng)或者光化學效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電

66、能的裝置。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學上稱為太陽能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，縮寫為PV），簡稱光伏[5]。</p><p>　　3.1.1 類型選擇</p><p>　?。?）單晶硅太陽能電池</p><p>　　單晶硅是最重要的光伏電池材料，其生產(chǎn)工業(yè)也最為成熟，通過不斷提高晶體質(zhì)量，電池轉(zhuǎn)換效率不斷

67、提高。現(xiàn)階段單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率一般為14%～17%，實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%。單晶硅材料雖然光電轉(zhuǎn)換率比較高，但價格昂貴，大幅度降低其成本很困難。</p><p>　?。?）多晶硅太陽能電池</p><p>　　多晶硅是單質(zhì)硅的一種形式。多晶硅生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)主要是為了降低晶體硅太陽能電池的成本。多晶硅太陽電池產(chǎn)量基本上與單晶硅電池相同，甚至更大，是光伏

68、電池市場主要產(chǎn)品之一，與單晶硅電池相比，多晶硅電池價格較低，商品多晶硅電池組件轉(zhuǎn)換效率一般為12%～14%，實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。多晶硅太陽能電池將有望成為太陽能電池的主導產(chǎn)品。</p><p>　?。?）非晶硅薄膜太陽能電池</p><p>　　非晶硅薄膜電池重量輕、造價低廉，轉(zhuǎn)換效率較高，易形成大規(guī)模生產(chǎn)，目前非晶硅太陽能電池已發(fā)展成為最實用、最廉

69、價的太陽電池品種之一，但由于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了實際應(yīng)用。目前非晶硅太陽能電池的研究主要著重于改善非晶硅膜本身的性質(zhì)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。</p><p>　　綜合太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率、造價、穩(wěn)定性等因素考慮，選擇多晶硅太陽能電池作為本系統(tǒng)的太陽能電池類型。</p><p>　　3.1.2 工作電壓</p><p>　　太陽能電

70、池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍，才能保證給蓄電池正常充電。如給6V蓄電池充電需要用8～9V太陽能電池，給12V蓄電池充電需要用15～18V太陽能電池，給24V蓄電池充電需用33～36V太陽能電池。</p><p>　　3.1.3 輸出功率Wp</p><p>　　太陽能電池輸出功率Wp即是標準太陽光照條件下，歐洲委員會定義的101標準，輻射強度1000W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，

71、電池溫度25℃條件下，太陽能電池的輸出功功率。不同的時間，不同的地點，同樣一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。所謂標準條件，接近平時晴天中午前后的太陽光照條件。</p><p>　　太陽能電池的單位面積輸出功率約127Wp/m2。太陽能電池一般由多個太陽能單元電池串聯(lián)組成，其容量取決于照明光源、線路傳輸部件所消耗的總功率以及當?shù)靥柲茌椛淠芰?。太陽能電池組輸出功率宜為光源功率的3～5倍以上,光照豐富、開燈時短地區(qū)為

72、3～4倍以上，反之為4～5倍以上。</p><p>　　3.1.4 太陽能池組選擇和安裝</p><p>　　路燈桿一般在5m以上，重心較高，大部分太陽電池板都是懸掛式，為增強整套設(shè)備的抗風力，一般選擇多塊太陽電池板組成所需要的組件功率。如下表3-1為我國主要城市年平均日照時間及最佳安裝傾角，可以看到長春市地區(qū)年平均日照時間為4.8h，長春市所在緯度43.9°，最佳傾角是1&#

73、176;。</p><p>　　表3-1 我國主要城市年平均日照時間及最佳安裝傾角</p><p>　　3.2 控制器的選擇</p><p><b>　?。?）單片機</b></p><p>　　單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、只讀存儲器ROM、隨機存儲器RAM

74、、定時器/計時器、多種I/O口和中斷系統(tǒng)等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。它的體積小，質(zhì)量輕，價格便宜，為學習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件，基本結(jié)構(gòu)包括：運算器、控制器和寄存器。其硬件特征為：主流單片機包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、2個16位定時/計數(shù)器、4個8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP；單片機可靠性高，可工作到10^

75、6～10^7小時無故障；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化；低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；處理功能強，速度快；控制功能強；環(huán)境適應(yīng)能力強。</p><p><b>　?。?）DSP</b></p><p>　　DSP（Digital Signal Processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的

76、數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是它的兩大特色。芯片特點是：采用多總線結(jié)構(gòu)，采用哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水線技術(shù)，具有特殊的DSP指令，配有專用的硬件乘法-累加器，硬件配置強，快速的指令周期，支持多處理器結(jié)構(gòu)，省電

77、管理和低功耗。其優(yōu)點是：對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響?。蝗菀讓崿F(xiàn)集成；VLSI 可以分時復用，共享處理器；方便調(diào)整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波；可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能；可用于頻率非常低的信號。缺點是：受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備可靠。</p><p><b>　?。?）PLC</b></p>

78、<p>　　PLC（Programmable Logic Controller），可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、順序控制、定時、執(zhí)行邏輯運算、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。早期的PLC主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機技術(shù)

79、的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC。PLC自1969年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國、日本、德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強大。PLC的硬件結(jié)構(gòu)基本與微型計算機相同，基本構(gòu)成為：電源、中央處理單元、存儲器、功能模塊、通信模塊、輸入輸出接口電路。目前，PLC以其邏輯功能

80、強、可靠性高、體積小、可在線修改控制程序、以易與計算機接口、具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)功能、能對模擬量進行控制等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時間繼</p><p>　　綜合考慮，我們選擇單片機作為整個系統(tǒng)的控制器，在單片機的芯片中，AT89S51符合設(shè)計要求，是比較理想的選擇。</p><p>　　3.3 蓄電池的選擇</p><p>　　蓄電池組是太陽能電池的儲能

81、裝置，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存起來，需要時再把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。能量轉(zhuǎn)換過程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池對系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲存和調(diào)節(jié)作用即在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。</p><p>　　3.3.1 類型選擇</p><p>　　對于蓄電池的種類，就市場上主流產(chǎn)品而言，主要有四類：鉛酸蓄電池、鎘

82、鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋰離子蓄電池。</p><p><b>　?。?）鉛酸蓄電池</b></p><p>　　鉛酸蓄電池歷史最悠久，其工藝、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)、性能和生產(chǎn)都在不斷發(fā)展。鉛酸蓄電池放電工作電壓較平穩(wěn)，既可小電流放電，也可很大電流放電，工作溫度范圍寬，可在-40℃～65℃范圍中工作，技術(shù)成熟、成本低廉，跟隨負荷輸出特性好，至今仍是蓄電池中重要產(chǎn)品，但鉛酸蓄電池重

83、量大，質(zhì)量與能量比低，理論上，鉛酸蓄電池的質(zhì)量與能量比為240Wh/kg，實際只有10～50Wh/kg[6]。并且，鉛酸蓄電池需要維護，充電時間慢。普通鉛酸蓄電池由于使用壽命短，效率低、維護復雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被淘汰。20世紀70年代，發(fā)展了閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池，VRLA蓄電池采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長，正常運行時毋需對電解液進行

84、檢測和調(diào)酸加水，又稱為“免維護”蓄電池。</p><p><b>　?。?）鎘鎳蓄電池</b></p><p>　　鎘鎳電池采用金屬鎘作負極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。用聚酰胺非織布等材料作隔離層，用氫氧化鉀水溶液作電解質(zhì)溶液，電極經(jīng)卷繞或疊合組裝在塑料或鍍鎳鋼殼內(nèi)。鎘鎳電池標稱電壓為1.2V，具有使用溫度范圍寬、循環(huán)和貯存壽命長、能以較大電流放電等

85、特點，但存在“記憶”效應(yīng)，常因規(guī)律性的不正確使用造成電性能下降。由于廢棄鎘鎳電池對環(huán)境的污染，該系列的電池將逐漸被性能更好的金屬氫化物鎳電池所取代。</p><p><b>　?。?）氫鎳蓄電池</b></p><p>　　氫鎳電池使用氫氧化鎳為正極活性物質(zhì)，貯氫合金作負極活性物質(zhì)，氫氧化鉀水溶液作電解液，為綠色環(huán)保型電池。高容量型氫鎳電池的比能量（即參與電極反應(yīng)的單

86、位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小）為60～100Wh/Kg，高功率型氫鎳電池的比能量為40～50Wh/Kg。氫鎳電池采取恒電流充電方式充電，根據(jù)電池對電流的接受能力可采用不同的電流對電池充電，充電過程中無需對電池單體的電壓進行限制，同時，可以實現(xiàn)快速充電。氫鎳電池由于采用高導電性電解液，電池內(nèi)阻較小，可以適應(yīng)大電流放電，因此它可分為低倍率、中倍率、高倍率電池，對于需要較大功率輸出要求的場合比較適用。電池在高溫時主要是充電方面的困難較大，氫

87、鎳電池在較高溫時，副反應(yīng)氧析出反應(yīng)會加速，如果有較好的負極性能，在正極上析出的氧氣可以在負極上還原，從而使電池內(nèi)壓得以消除。通過調(diào)整配方工藝，可以有效地提高電池在高溫時的充電效率并可實現(xiàn)高溫的快速充電。氫鎳電池在-20℃時可以用比較大的電流放電，足以滿足動力輸出的需要。目前，電動車上動力電池主要采用氫鎳電池。</p><p><b>　?。?）鋰離子蓄電池</b></p>&l

88、t;p>　　鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插。鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高；自放電小，好的電池，每月在2%以下；沒有記憶效應(yīng)；工作溫度范圍寬為-20℃～60℃；循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功

89、率大；使用壽命長，不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。鋰離子電池是目前手機、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但在使用中不可過充、過放。因此，在電池上有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。</p><p>　　綜合性能、價格、維護等分析，我選擇鉛酸蓄電池的發(fā)展類型閥控密封式鉛酸蓄電池。閥控密封式蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、

90、體積小、自放電小的特點，使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。</p><p>　　3.3.2 容量選擇</p><p>　　蓄電池容量過小，不能滿足夜晚照明的需要；容量過大，蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，也造成浪費。蓄電池容量（Ah）與負載容量（Ah）之比宜在3～6倍以上，其中連續(xù)陰雨天數(shù)較少地區(qū)約為3～4倍以上，連續(xù)陰雨天教較多地區(qū)約為5～6倍以上。</p><

91、;p>　　3.4 光強檢測的選擇</p><p><b>　　（1）光電管</b></p><p>　　光電管是一種光敏元件，可使光信號轉(zhuǎn)換成電信號，分為真空光電管和充氣光電管。光電管原理是光電效應(yīng)，在光電管中有一種是半導體材料類型的光電管，它的工作原理是利用半導體的光敏特性制造的光接受器件。當光照強度增加時，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃

92、度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下，常見的半導體材料有硅、鍺等。還有一種是電子管類型的光電管，它的工作原理用堿金屬做成一個曲面作為陰極，另一個極為陽極，兩極間加上正向電壓，這樣當有光照射時，堿金屬產(chǎn)生電子，就會形成一束光電子電流，從而使兩極間導通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開。由于制造過程中為了保持光電管中的真空度，會添加額外

93、的堿金屬作為去氣劑，以及使用過程中部分堿金屬電極因光線照射而成為游離態(tài)，使得光電管上經(jīng)常附著著少許的堿金屬。</p><p><b>　?。?）光敏電阻</b></p><p>　　光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料，在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常

94、做成梳狀。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性，這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現(xiàn)光電

95、轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。其優(yōu)點為：內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)，即可以使用直流電源；靈敏度和半導體材料、以及入射光的波長有關(guān)；環(huán)氧樹脂膠封裝，可靠性好，體積小，靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性好。缺點有：受溫度影響較大；響應(yīng)速度不快，在ms到s之間，延遲時間受入射光的光</p><p>　　在電源電壓為12V的前

96、提下，由R=U/I得，光敏電阻的光照特性如下表3-2所示，基本成線性關(guān)系。</p><p>　　表3-2 光敏電阻光照特性</p><p><b>　?。?）光敏二極管</b></p><p>　　光敏二極管也叫光電二極管，是將光信號變成電信號的半導體器件。光敏二極管與半導體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)?/p>

97、電性，因此工作時需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時光敏二極管截止。當受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強度的變化而變化。當光線照射PN結(jié)時，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。常見的有2CU、2DU等系列。 </p><p>　　與普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)

98、上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導”。光敏二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。 </p><p>　　綜合選擇，光敏電阻比較符合本

99、系統(tǒng)的要求，比較而言光敏電阻具有靈敏度高，高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。</p><p>　　3.5 LED的選擇</p><p>　　發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode）簡稱LED，是一種能發(fā)光的半導體電子元件。這種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提

100、高到相當?shù)墓舛龋猛疽灿沙鯐r作為指示燈、顯示板等到現(xiàn)在的顯示器、電視機、采光裝飾和照明。LED只能往一個方向?qū)?，叫做正向偏置，當電流流過時，電子與空穴在其內(nèi)復合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長、顏色跟其所采用的半導體材料種類與摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有效率高、壽命長、不易破損、開關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點，與常見光源的具體性能比較見表3-2 [7]。LED具有高光效能，比傳統(tǒng)霓虹燈節(jié)省電能80%以上，工作安全可

101、靠。LED改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。LED的光譜幾乎全部集中于可見光譜段，其發(fā)光效率可達80%～90%。LED是一種符合綠色照明要求的光源，所謂“綠色照明”就是指通過科學的照明設(shè)計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品，改善提高人們工作、學習、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一</p><p>　　表3-2 LED光源和常見光源的性能比較</p><

102、;p>　　對于現(xiàn)在市場上常用的LED燈介紹如下[8]：</p><p>　?。?）普通單色LED</p><p>　　普通單色LED具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)電均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點，可用于各種直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動點亮。它屬于電流控制型半導體器件，使用時需串聯(lián)合適的限流電阻。</p><p>　?。?）（超）高亮度LED</

103、p><p>　　高亮度單色LED和超高亮度單色LED使用的半導體材料與普通單色LED不同，所以發(fā)光的亮度也不同。通常，高亮度單色LED使用砷鋁化稼（GaAlAs）等材料，超高亮度單色LED使用磷銦砷化鎵（GaAsInP）等材料，而普通單色LED使用磷化鎵（GaP）或砷化鎵（GaAsP）等材料。</p><p><b>　?。?）閃爍LED</b></p>&

104、lt;p>　　閃爍LED是一種由CMOS集成電路和LED組成的特殊發(fā)光器件，可用于報警指示及欠壓、超壓指示等。閃爍LED在使用時，無須外接其他元件，只要在其引腳兩端加上適當?shù)闹绷鞴ぷ麟妷杭纯砷W爍發(fā)光。</p><p>　　綜合而言，我選用超高亮度LED作為路燈使用。</p><p>　　3.6 以長春地區(qū)為例的設(shè)計舉例</p><p>　　長春市某道路人行道

105、擬安裝LED太陽能路燈，燈高5m，路燈輸入電壓24V，功率70W，平均每天工作8.5h，蓄電池電量能保證連續(xù)陰雨天數(shù)3天提供照明。下面介紹具體的參數(shù)設(shè)計。</p><p>　　3.6.1 太陽能電池選擇</p><p>　?。?）長春市年平均日照時間：查“表3-1”：4.8h；</p><p>　　（2）路燈日耗電：(70/24)*8.5=24.79(Ah)；&l

106、t;/p><p>　　（3）蓄電池組總充電電流：(24.79*1.05)／(4.04*0.85)=6.38(A)</p><p>　　其中1.05為太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，0.85為蓄電池充電效率；</p><p>　　（4）太陽能電池組總功率P：6.38*34.8=222.02(W)</p><p>　　選擇2塊Pm=135W太陽能電池

107、板并聯(lián)，最佳工作電壓34.8V，最佳工作電流3.88A，組件尺寸800*1580*50(mm)。</p><p>　　3.6.2 蓄電池選擇</p><p>　　蓄電池容量：6.38*(3+1)=25.52(Ah)，所以選擇24V—30Ah的免維護鉛酸蓄電池。</p><p>　　3.6.3 太陽能電池傾角</p><p>　　由“表3-

108、1”可知，長春市太陽能電池傾角：43.90°+1°=44.90°，所以太陽能電池組方向正南稍偏西，與地平線傾角44.90°。</p><p><b>　　4 硬件電路設(shè)計</b></p><p>　　系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計框圖如下圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p>