LED路灯控制系统的设计Word文件下载.docx
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三、计划进度
时间
内容
2013年10月21日
下毕业设计任务书,毕业设计动员
2013年10月22-23日
确定设计方案,查找资料
2013年10月24-25日
系统设计
2013年10月28-11月1日
2013年11月4~11月8日
2013年11月11-15日
2013年11月18-22日
2013年11月25-29日
毕业论文修改、毕业设计答辩准备、毕业设计答辩
四、毕业设计(论文)结束应提交的材料:
1、完成LED路灯控制系统设计的全套材料;
2、论文。
指导教师教研室主任
年月日年月日
论文真实性承诺及指导教师声明
学生论文真实性承诺
本人郑重声明:
所提交的作品是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,内容真实可靠,不存在抄袭、造假等学术不端行为。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为,本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。
毕业生签名:
日期:
指导教师关于学生论文真实性审核的声明
已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核,确定其内容均由学生在本人指导下取得,对他人论文及成果的引用已经明确注明,不存在抄袭等学术不端行为。
指导教师签名:
日期:
摘要
太阳能作为未來的能源是一种非常理想的清洁能源。
近年来由于人们对能源、环问题的日益关注,太阳能的应用普及越来越受到人们的高度重视若能合地利用太阳能,将会为人类提供充足的能源。
一套独立的光伏LED路灯主要包括太阳能电池板,蓄电池,控制器,LED光源等几部分组成,论文主要根据本地区的光照情况对太阳能电池,蓄电池进行选型。
利用UC3906蓄电池充电芯片对蓄电池充放电进行管理,用低功耗MSP430系列单片机对蓄电池的过充过放管理,提高蓄电池的使用寿命。
LED负载使用MC34063恒流驱动,提高工作效率。
关键词:
充放电控制恒流驱动LED
Abstract
Solarenergyasthefutureofenergyisakindofidealcleanenergy.Inrecentyears,becauseof,thegrowingattentiontotheproblemofenergy,ring,thewideruseofsolarenergyattachesgreatimportancetobythepeoplemoreandmoreifyoucanusesolarenergy,willprovideenoughenergyformankind.
AsetofindependentsolarLEDstreetlampmainlyincludesolarpanels,battery,controller,LEDlightsourceofseveralparts,suchaspapermainlybasedonthelightingconditionsintheregionofsolarcells,selectionofstoragebattery.UsingUC3906batterychargingchiptosuperviseandcontrolthestoragebatterycharginganddischarging,withlowpowerMSP430seriesMCUoverchargedischargeofbatterymanagement,improvetheservicelifeofthebattery.LoadusingMC34063LEDconstantcurrentdrive,improveworkefficiency.
Keywords:
chargeanddischargecontrolconstantcurrentdrivepowerconsumption
目录
摘要5
Abstract5
目录6
第一章概述7
1.1光伏路灯的发展趋势和基本结构7
1.2光伏LED的系统组成7
第二章太阳能电池板的选型8
2.1太阳能电池板的工作原理及构造8
2.1.1太阳能电池板的原理8
2.1.2太阳能电池的结构8
2.2光伏阵列的选择8
2.2.1光伏电池的选择8
2.2.2方位角和高度角的选择9
2.2.3倾斜角的选择9
第三章蓄电池的选型11
3.1蓄电池的分类及工作原理11
3.1.1蓄电池的分类11
3.1.2蓄电池的工作原理11
3.2蓄电池的选型12
3.2.1蓄电池的性能指标12
3.2.2蓄电池的容量选择12
第四章控制器选型13
4.1控制器概述及作用13
4.2DC-DC充电电路13
4.2.1UC3906概述13
4.2.2三段式蓄电池充电14
4.2.3UC3906本系统的应用15
4.3测光电路和控制电路16
第五章LED驱动18
5.1LED光源的特点和特性18
5.1.1LED光源的优点缺点18
5.1.2恒流驱动的散热考虑19
5.2恒流驱动电路19
5.2.1伏安特性19
5.2.2DC/DC恒流驱动电路20
5.2.1MC3406320
第六章测试23
附录26
程序26
致谢28
第1章概述
1.1光伏路灯的发展趋势和基本结构
电,它推动了人类文明的发展,在我们的生活中扮演者越来越重要的角色,电灯、电话、电影、电冰箱、电视、电脑......从这些词的命名我们就可以看出它的重要性。
随着我们社会经济的发展,人们生活质量的提升,我们对电力的需求也越来越大。
过去的我们的电能主要是从电厂里获取,目前绝大多数的电厂主要是利用化石燃料(煤炭、石油、天然气)进行发电,然而火力发电有很大的不足,一是资源储备不足,传统能源作为不可再生资源,全球的储备量急剧下降。
二是化石燃料在燃烧的过程中会排放CO2、SO2等烟气和粉尘。
导致全球性变暖,海平面上升,酸雨等自然现象。
传统能源对环境造成的危害日益突出。
为此人们就不得不研究替代传统能源的新型能源,减少对传统能源的依赖。
新型能源通常指风能、水能、太阳能、生物能等,他们储备丰富不会取之不尽用之不竭,而且使用过程中对环境也没有污染,经济、清洁、环保。
太阳能发电相对之下的优势尤为明显,光伏发电没有地域分布的限制,无需消耗燃料,无需铺设电路可就地发电,被越来越广泛的运用在各个领域。
1.2光伏LED的系统组成
太阳能路灯主要是利用太阳能电池板在白天吸收的能量转化为电能在蓄电池里储存起来,在晚上的时候蓄电池向LED供电,等到白天的时候在通过控制器切断向LED的供电。
如图1.1所示太阳能路灯主要由,太阳能电池组件、控制器、蓄电池和LED灯光源组成。
图1.1基本结构
1、太阳能电池板:
太阳能电池板主要功能是将太阳能的辐射转换为电能。
2、DC-DC:
由于太阳能电池板的输出电压受光照的影响输出电压不稳定,不能很好的对蓄电池进行充电,将太阳能电池输出不稳定的直流电压转换稳定的输出直流电。
3、控制器:
控制器主要是控制蓄电池的充放电,防止电池过充过放,延长电池寿命。
并具有防反充,防反接等功能。
4、蓄电池:
蓄电池的作用就是用来储存太阳能电池板转换的电能。
在夜间向负载提供电量。
5、LED驱动灯光源:
为LED提供恒定电流。
第2章太阳能电池板的选型
2.1太阳能电池板的工作原理及构造
2.1.1太阳能电池板的原理
太阳能电池是有P型半导体和N型半导体结合而成,当阳光照射在电池板上时,N型半导体中带正电的空穴向P区中移动,P型半导体中带负电荷的电子往N区中移动,PN结就形成了一个电势差,P端为正,N端为负,这样在PN结再接上负载就是一个回路,其电流有P区流向N区,与光生电流相反。
太阳能电池将太阳光的辐射通过半导体物质转化为电能的过程通常成为光生伏打效应。
图2.1光生伏打PN结原理
2.1.2太阳能电池的结构
1、玻璃的作用是为了保护太阳能电池片,其透光率要高,而且要坚固。
一般采多用白玻璃。
2、EVA的作用是用来粘合玻璃和电池片,EVA材料的选用会直接影响到电池组使用寿命,EVA材料在空气中暴露会氧化发黄,影响组件的透光率,从而影响组件的发电效率。
生产过程中EVA如果与钢化玻璃背板粘合强度不够,都会引起EVA提前老化。
3、太阳电池片主要作用就是将太阳的辐射能转换为电能,一般按构造可分为片状太阳能电池和薄膜太阳能电池。
片状太阳能电池成本相对较低,转换效率也高,适合室外发电,但是相对的制造成本较高。
薄膜太阳能电池,制造成本较低,在弱光,灯光下也可发电,但是转换效率较低,设备成本较高。
4、TPT材料的作用是密封、绝缘、防水。
5、铝合金框架主要是保护层压组件,起到一定的支撑和密封作用。
2.2光伏阵列的选择
2.2.1光伏电池的选择
徐州地区,负载输入电压24V功耗34.5W,保证连续阴雨天数7天。
峰值日照数3.5h。
徐州地区:
经度:
117,纬度:
34。
式中1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数,0.85为蓄电池充电效率。
太阳能电池的最佳工作电压为17.2V,选用单块峰值输出功率55WP的标准电池组件两块,可以保证路灯系统在一年多数的情况下正常运行。
2.2.2方位角和高度角的选择
光伏阵到的方位角是阵列的垂直面与正南方向的夹角(向东偏设定为负角度,向西设定为正角度),如图2.2.2所示。
一般情况下,方阵朝向正南(即方阵垂直面与正南的夹角为0度)时,太阳电池发电量是最大的。
对于地球上的某个地点,太阳高度角(或仰角)是指太阳光的入射方向和地平面之问的夹角,专业上讲太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角,如图2.2所示。
图2.2方位角的选择
2.2.3倾斜角的选择
倾斜角是光伏阵到平西与水平地面的夹角,如图2.3所示。
斜西上接收太阳总辐射世达到最大值刚(阵列一年中发电量最大时),称为最佳倾角。
根据几何原理,欲使阳光垂直射在太阳电池板,则电池板的倾角按下到公式计算:
图2.3倾斜角
第3章蓄电池的选型
3.1蓄电池的分类及工作原理
3.1.1蓄电池的分类
电池可分为一次电池和二次电池,一次电池就是一次性使用,不可充电电池,二次电池是指可多次反复使用,可充电电池,也叫蓄电池。
蓄电池一般分为四类:
铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、和锂电池。
蓄电池能够反复使用,符合经济实用的原则,而且蓄电池电压具有电压稳定可靠、移动方便等优点。
3.1.2蓄电池的工作原理
独立的光伏照明系统一般采用蓄电池作为储能设备,白天太阳能电池输出的电能储存起来,夜间来为负载供电。
电池是一种化学电源,蓄电池在充电时利用外部电能是内部活性物质再生,把电能转换为化学能,需要使用是再把化学能转换为电能。
正极电解液负极正极水负极
1、蓄电池的放电
铅酸蓄电池放电时,在蓄电池上形成电位差,负极的电子经过负载进入正极形成电流I。
蓄电池在内部进行化学反应,将这种化学能转换成电能。
蓄电池负极上每个铅原子放出两个电子后,生成的铅离子(Pb2)与电解液中的硫酸根离子(SO42-)反应,在极板上生成难溶的硫酸铅(PbSO4)。
正极板的铅离子(Pb4)得到来自负极的两个电子(2e)后,变成二价铅离子(Pb2),,与电解液中的硫酸根离子(SO42-)反应,在极板上生成难溶的硫酸铅(PbSO4)。
正极板水解出的氧离子(O2-)与电解液中的氢离子(H)反应,生成稳定物质水。
电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极,在电池内部形成电流,整个回路形成,蓄电池向外持续放电。
放电时H2SO4浓度不断下降,正负极上的硫酸铅(PbSO4)增加,电池内阻增大(硫酸铅不导电),电解液浓度下降,电池电动势降低。
2、蓄电池的充电
充电时,在蓄电池的正、负极板接上电源,使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质,并把外界的电能转变为化学能储存起来。
在正极板上,在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为二价铅离子(Pb2)和硫酸根负离子(SO4-2),由于外电源不断从正极吸取电子,则正极板附近游离的二价铅离子(Pb2)不断放出两个电子来补充,变成四价铅离子(Pb4),并与水继续反应,最终在正极极板上生成二氧化铅(PbO2)。
在负极板上,在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为二价铅离子(Pb2)和硫酸根负离子(SO42-),由于负极不断从外电源获得电子,则负极板附近游离的二价铅离子(Pb2)被中和为铅(Pb),并以绒状铅附着在负极板上。
电解液中,正极不断产生游离的氢离子(H)和硫酸根离子(SO42-),负极不断产生硫酸根离子(SO42-),在电场的作用下,氢离子向负极移动,硫酸根离子向正极移动,形成电流。
充电后期,在外电流的作用下,溶液中还会发生水的电解反应。
3.2蓄电池的选型
3.2.1蓄电池的性能指标
蓄电池的参数很多,但主要有四个指标:
1、工作电压,蓄电池放电时的电压。
2、蓄电池的容量,常用Ah或者mAh。
3、工作温区,蓄电池能够正常放电时的温度范围。
4、循环寿命,蓄电池正常工作时的充放电次数。
铅酸蓄电池放电时工作电压平稳,可以小电流放电也可以大电流放电,工作温度范围在-40~50℃之间。
铅酸蓄电池技术成熟,成本较低。
3.2.2蓄电池的容量选择
根据上面的计算得知,负载每日消耗电量12.2Ah,要保证连续7天阴雨天正常工作,再加上第一个晚上的工作:
选用2组12V/100Ah的蓄电池即可满足要求。
采用全密封免维护蓄电池,适合路灯照明,维护较少的特点。
第4章控制器选型
4.1控制器概述及作用
一套独立的光伏系统蓄电池对其影响很大。
控制器最根本的用处就是控制蓄电池的充放电,来保证蓄电池的使用寿命。
控制器通常具备的功能有1、防止蓄电池的过充和过放电。
2、防止负载反接,蓄电池反接。
3、有温度补偿功能等。
太阳能电池将太阳的辐射能转换为电能,然后由蓄电池储存,当蓄电充满电后,单片机输出控制信号,停止对蓄电池的充电,到了夜间蓄电池开始向负载供电,等到蓄电池容量到达过放电压时,再由光伏电池向蓄电池充电。
控制器一般分为串连,并联,多路,脉宽调制和智能型控制器。
本系统采用智能型控制器,通过单片机的AD对充电电压进行实时采集。
如图4.1所示单片机通过AD检测蓄电池电压。
12V蓄电池充电终止电压一般在12+(2.45V~2.5V)之间,当单片机通过AD检测到蓄电充满电之后,单片机输出控制信号给Q6断开对蓄电池的充电。
当到达放电终止电压(一般在12-(1.78V~1.82V)之间。
)控制Q7断开使蓄电池不再向负载供电。
Q6导通太阳能电池向蓄电池。
图4.1光伏系统的整体结构
4.2DC-DC充电电路
4.2.1UC3906概述
UC3906是密封铅酸蓄电池充电专用芯片,它具有密封铅酸蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。
更重要的是它能使充电器各种转换电压随电池电压的温度系数的变化而变化,从而使蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳充电状态。
图4.2UC3906内部结构框图
UC3906的内部结构如图4.2所示。
UC3906内部有一个独立的电压控制回路和限流放大器,它可控制芯片内的驱动器。
驱动器提供的输出电流达25mA,可直接驱动外部串联调整管,以调整充电器的输出电压和电流。
电压和电流检测比较器可用于检测蓄电池的充电状态,同时还可以用来控制充电状态逻辑电路的输入信号。
当电池电压或温度过低时,充电使能比较器可控制充电器进入涓流充电状态。
当驱动器截止时,该比较器还能输出25mA涓流充电电流。
这样,当电池短路或反接时,充电器只能以小电流充电,从而避免了因充电电流过大而损坏电池。
UC3906的一个非常重要的特性就是其内部的精确基准电压随环境温度的变化规律与铅酸电池电压的温度特性完全一致。
同时,该芯片只需1.7mA的输入电流就可工作,因而可减小芯片的功耗,实现对工作环境温度的准确检测,保证电池既充足电又不会严重过充电。
除此之外,UC3906芯片内部还包括一个输入欠压检测电路以对充电周期进行初始化,并可驱动一个逻辑输出。
当加上输入电源后,器件的7脚还可以指示电源状态。
使用UC3906只需很少的外部元器件就可实现对密封铅酸电池的快速精确充电。
所示是一个完整的充电器电路。
其中由R1、R2、R3组成的电阻分压网络可用来检测充电电池的电压。
此外,该电路还可通过与精确的参考电压(VREF)相比较来确定浮充电压、过充电压和涓流充电的阈值电压。
4.2.2三段式蓄电池充电
如图4.2.1所示典型三段式铅酸蓄电池充电I-V曲线图。
图4.3三段式铅酸蓄电池充电
第一阶段:
恒流充电模式,充电器电流保持恒定(2A),电量快速增加,电池电压上升很快;
将电池电量迅速冲到80%,涓流阶段的电压低于恒压值,电压过高将使电池失水,容易使电池发热变形;
电压过低不利于电池充足电。
第二阶段:
恒压充电模式,当电池电压达到过充状态时候(14.25V),充电器电压保持恒定,电量继续缓慢增加,电池电压缓慢上升,充电电流下降;
电压高于恒压值,较高有利于快速充足电,但是容易使电池失水,充电后期电流下不来,
结果使电池发热变形;
较低不利于电池快速充足电,有利于向涓流阶段转换。
第三阶段浮充充电模式,蓄电池充满,充电电流下降到低于浮充转换电流,充电器充电电压下降低到浮充电压,保持不变;
转换充电电流,较高有利于电池寿命,不容易发热变形,但充电速度较慢;
较低有利于充足电,但是由于较长时间高。
4.2.3UC3906本系统的应用
蓄电池的一个充电周期按时间可分为大电流快速充电状态、过充电状态和浮充电状态等三种,其充电参数主要有VF、VOC、IMAX、ICOT、等。
它们与R1、R2、R3、RS之间的关系可以从下面的公式反映出来:
在上面的公式中,VF、VOC与VREF成正比。
VREF的温度系数为-3.9mV/℃,IMAX、VOC、ICOT、VF均可独立设置。
只要输入电源允许或功率管可以承受,IMAX的值可以尽可能地大。
虽然某些厂家称如果有过充保护电路,充电率可以达到甚至超过2C,但是电池厂商推荐的充电率范围是C/20~C/3。
过充电终止电流ICOT的选择应尽可能地使电池接近100%充电。
合适值取决于VOC和在VOC时电池充电电流的衰减特性。
IMAX和ICOT分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和电流检测电阻RS决定。
VF、VOC的值则由内部参考电压VREF和外部电阻R1、R2、R3组成的网络来决定。
图4.3充电电路
本系统蓄电池的额定电压为12V/100Ah,太阳能电池组件峰值输出电压17.2V,浮充电压VF=13.8V,过充电压VOC=15V,最大充电电流IMAX=2A,过充终止电流ICOT=0.2A。
为防止蓄电池的输出电流流入充电器,在串联调整管与输出端之间串入一只二极管。
于充电器始终接在蓄电池上,同时为了避免输入电源中断后蓄电池通过分压电阻R3放电,设计时将R3通过电源指示晶体管(7脚)连接到地。
当17.2V输入电压加入后,串联的功率管TIP42C导通,开始大电流恒流充电,充电电流为2A,这时充电电流保持不变,电池电压逐渐升高。
当电池电压达到过充电压VOC的95%(14.25V)时,电池转入过充电状态,此时充电电压维持在过充电电压,充电电流开始下降。
当充电电流降到过充电终止电流(ICOT)时,UC3906的10脚输出高电平,运放比较器输出低电平,蓄电池自动转入浮充状态。
同时充足电指示发光管发光,指示蓄电池已充足电。
采用这种三段式的充电方式可以延长电池的使用寿命。
4.3测光电路和控制电路
LED只需要在夜间或者光线不好的时候才工作,所以就需要一个测光电路检测光线,光敏电阻随着光照越强,电阻减小,光照越弱,电阻增大。
图4.4测光电路
白天时当光照射在光明电阻上,光敏电阻阻值变小,电压变小,运放构成的比较器的同相端V+<
V-,运放输出低电平。
当到了夜晚时,光照变弱,光敏电阻阻值,电压都变大,运放构成的比较器的同相端V+>
V-,运放输出高电平,当单片机检测到运放输出的高电平后输出一个信号(ON/OFF)驱动IRF4905导通,接通负载,LED发光。
图4.5负载控制驱动
控制器应选择功耗较低的控制器,因为控制器24个小时不间断的工作,若其自身功耗较大,则会消耗部分电能。
MSP430超低功耗,工作电压低:
电源电压范围:
1.8V至3.6V。
内置10位AD符合系统的低功耗和AD要求。
第五章LED驱动
5.1LED光源的特点和特性
5.1.1LED光源的优点缺点
LED是由超导发光晶体产生超高强度的光,它发出的热量很少,不像白炽灯浪费太多热量、不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体,也不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏、LED已被全球公认为新一代的环保高科技光源。
LED是半导体器件通过PN结实现电光转化,有以下特点:
1.节能、不引起环境污染。
具有电压低,电流小,亮度高等特点。
2.新型绿色环保光源。
LED为冷光源,眩光小,无辐射,使用中不发出有害物质。
LED环保效益更佳,光谱中没有紫外线和红外线,而且废弃物可回收,没有污染,不含汞元素,属于典型的绿色照明光源。
3.寿命长。
LED单管寿命为10万小时,光源寿命在2万小时以上,按每天工作12h,寿命也在5年以上,而普通白炽灯的寿命约为1000h,荧光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过10000h。
4.光色单纯、
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