太陽能交通燈設計

1、太陽能獨立供電交通信號燈系統(tǒng)學院：電氣與信息工程學院隊員：黃寶發(fā) 學號2012302784 黎統(tǒng)光 學號2012302746 丁凱 學號 2012302754 太陽能獨立供電交通信號燈系統(tǒng)摘要在光伏發(fā)電應用領域，太陽能交通燈作為一種獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有重要的地位，它具有安全、環(huán)保、節(jié)能的特點。白天日照充足時，光伏電池發(fā)電，給蓄電池充電，蓄電池放電，向交通燈提供電能。典型的太陽能交通燈系統(tǒng)是由光伏電池、蓄電池、負載和控制器組成，其中蓄電池是最容易受損和消耗的環(huán)節(jié)。從一定程度上來講，太陽能交通燈系統(tǒng)的優(yōu)劣是由蓄電池的好壞決定的。為了更好的保護蓄電池，最大限度的延長蓄電池的使用壽命，本文研究設計了

2、一種基于單片機的太陽能交通燈充放電控制器。白天在控制器的作用下，光伏電池給蓄電池充電，根據(jù)蓄電池電壓采樣數(shù)值，自動調(diào)整充放電方式，控制充電電路的通斷，防止過充。在控制器的作用下蓄電池給交通燈提供電能，控制放電通路的通斷，防止過放。關鍵詞：單片機；太陽能；蓄電池；交通燈 目錄1引言32方案設計33 蓄電池智能充放電控制器43.1智能型多模式充電技術43.2蓄電池智能充放電控制器硬件設計63.2.1系統(tǒng)結構63.2.2主電路設計63.2.2.1太陽能電池板63.2.2.2 蓄電池73.2.2.3主充電開關電源電路設計73.2.3控制電路設計83.2.3.1采樣電路83.2.3.2 控制器電路設計9

3、3.2.3.3驅(qū)動電路設計103.2.3.4按鍵電路設計113.2.3.5 輔助電路設計123.3小結124 LED交通信號燈系統(tǒng)12結論15參考文獻16附錄A 整體電路17附錄B 元件清單201引言 在太陽能發(fā)電應用領域，太陽能交通燈具有重要的地位。太陽能交通燈系統(tǒng)采用“光伏+儲能”的模式，是一種典型的獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)。白天日照充足時，光伏電池發(fā)電，給蓄電池充電，晚上蓄電池放電，向交通燈提供電能。太陽能交通燈最顯著的特點是安全、環(huán)保、節(jié)能，不需要鋪設復雜昂貴的管線，無需人工操作自動運行。典型的太陽能交通燈系統(tǒng)是由光伏電池、蓄電池、交通燈和控制器組成。在系統(tǒng)構成中，光伏電池的使用壽命一般在2

4、0年以上；質(zhì)量好的LED交通燈可以工作50000個小時，每天10個小時，理論上可以使用10年以上；鉛酸蓄電池工作在淺充淺放的模式中，循環(huán)使用壽命約2000次，使用年限57年，在深度放電的模式下，循環(huán)使用壽命約200次，使用年限12年。 可以看出，從一定程度上來講，太陽能交通燈系統(tǒng)的使用壽命是由作為儲能的鉛酸蓄電池好壞決定的。在實際應用中，鉛酸蓄電池是最容易受損和消耗的環(huán)節(jié)，必須對其充電和放電過程進行合理的控制，充電方式不當、過充和過放都會影響鉛酸蓄電池的使用壽命。所以為了更好的保護蓄電池，最大限度的延長蓄電池的使用壽命，延長系統(tǒng)的使用壽命，降低系統(tǒng)維護成本，系統(tǒng)需要對蓄電池進行能量管理，以有效

5、的方式對蓄電池進行充電，防止過充的同時也要防止其過度放電。 太陽能交通燈控制器就是系統(tǒng)中配合蓄電池特性，對蓄電池充電和放電過程進行控制的設備。白天，它控制太陽能電池給蓄電池充電，通過采樣蓄電池的電壓，調(diào)整充電方式，避免對蓄電池過充；夜晚，它控制著蓄電池給負載提供電能，防止蓄電池過放，保護蓄電池，最大限度的延長蓄電池的使用壽命。由此可見，太陽能交通燈控制器在系統(tǒng)中起著樞紐的作用。蓄電池的充電過程是一個復雜的非線性過程，為了實現(xiàn)最優(yōu)的充電過程，更好的延長蓄電池的使用壽命，蓄電池的充電控制采用智能控制是非常必要的，本文設計了一種成本較低、穩(wěn)定可靠且可以對蓄電池進行有效保護的智能型太陽能LED交通燈控

6、制器。2方案設計太陽能 LED 交通信號燈由光伏極板、充放電控制器、蓄電池、LED 交通信號燈系統(tǒng)構成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖 1系統(tǒng)框圖圖 1系統(tǒng)框圖其中,光伏極板是用來將太陽能轉(zhuǎn)換成電能,為系統(tǒng)供電。充放電控制器是將太陽能產(chǎn)生的電存儲到蓄電池中,同時將蓄電池中的電能供給LED 交通信號燈系統(tǒng),并對蓄電池的過流、過充等起到保護作用。LED 交通信號燈系統(tǒng)是由中央控制器、LED 信號燈模塊、信號燈模塊控制系統(tǒng)等組成。3 蓄電池智能充放電控制器3.1智能型多模式充電技術充電控制技術是智能充電器系統(tǒng)中軟件設計的核心部分。隨著各種蓄電池技術的發(fā)展，國內(nèi)外電池充電技術也不斷更新。同種工藝的電池理想的充

7、電曲線大致相似、具體的電壓數(shù)值有所差別。針對這些特點，應用單片機進行控制，有效地使實際充電曲線擬合鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，控制電池在正常溫升范圍之內(nèi)，提高充電的效率，達到最佳充電效果。我們在傳統(tǒng)充電方法的基礎上設計了四階段充電法。它綜合了常規(guī)充電法和快速充電技術的優(yōu)點，使蓄電池保持較高的容量和較長的使用壽命。圖3.1所示是四模式充電狀態(tài)曲線。圖3.1 四模式充電狀態(tài)曲線多模式智能充電器的四種充電狀態(tài)分別是涓流充電，大電流充電，過充電和浮充電。假設一組完全放電的電池，充電器通常按如下規(guī)律對其充電：狀態(tài)1:涓流充電如果電池電壓低于閥值電壓10.5V，充電器將用預先設定的涓流充電電流給電池充電。隨

8、著涓流充電繼續(xù)，電池電壓逐漸升高，當電壓升高到閥值電壓10.5V時立即轉(zhuǎn)入大電流快速充電。如果電池電壓在充電周期開始就高于其閥值電壓時，則跳過涓流充電直接進入大電流快速充電模式狀態(tài)2 ：大電流快速充電在這種模式下充電器以恒定的最大允許電流給電池充電。最大電流與電池容量(C)有關，往往以電池容量的數(shù)值來表示。在大電流快速充電這段時間里，電池電量迅速地恢復。當電池電壓上升到過充電壓(Voc;)14.5V時，大電流快速充電模式結束，充電器轉(zhuǎn)入過充電狀態(tài)。狀態(tài)3:過充電如果從大電流充電狀態(tài)直接轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，電池容量只能恢復到額定容量的80%?90%。在過充電狀態(tài)下，充電電壓保持恒定不變，充電電流連續(xù)下

9、降。當充電電流下降到足夠小時，電池容量已達到額定容量的100%,充電過程實質(zhì)上已經(jīng)完成，充電器轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。閥值電流一般等于最大允許充電電流的1/5。狀態(tài)4:浮充電該狀態(tài)主要用于補充電池自身放電所消耗的電量。在浮充電模式下，充電器輸出電壓下降到較低的浮充電壓值，充電電流通常只有l(wèi)(K30mA,用以補償電池因自身放電而損失的電量。當電池電壓下降到浮充電壓的90%時，充電器將轉(zhuǎn)入大電流充電狀態(tài)，使上述充電過程重新開始。這種多模式充電法綜合了恒流充電法快速而安全、及時補償蓄電池電量的優(yōu)點，以及恒壓充電能夠控制過充電以及在浮充狀態(tài)下保持電池100%電量的優(yōu)點。多模式智能充電器在滿足這些要求的同時可提供

10、盡可能多的功能和設計的靈活性，使之具有更多優(yōu)點：適時檢測充電情況并按預定的充電方案對電池充電；采用四種狀態(tài)的充電規(guī)則使電池獲得最好的特性；充滿電進行聲光報警并自動轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)，最大限度地保證電池的容量。這款多模式充電電路，不僅可以實現(xiàn)恒定電壓、恒定電流等幾種基本充電模式，更可以實現(xiàn)多種混合的多階段充電模式。因此更能適應惡劣環(huán)境的應用。在電池設計的充電模式中，包括涓流充電、大電流充電、過充電、浮充電和均衡充電功能，在運行中單片機會根據(jù)對被充電池的數(shù)據(jù)采樣和事先設定的程序來決定何時加入大電流充電、過充充電、浮充充電、電池充滿時間并停止充電過程。3.2蓄電池智能充放電控制器硬件設計該蓄電池智能充放

11、電控制器是針對閥控密封鉛酸蓄電池來進行設計的，以ATmegal6單片機及其應用軟件為核心構成這個系統(tǒng)。根據(jù)前述理論分析，對鉛酸蓄電池采用四階段充電方法，這樣既減少了極化，又防止了鹽化，延長了使用壽命，提高了充電率，達到了設計目標。3.2.1系統(tǒng)結構智能充放電控制系統(tǒng)主要包括輸入電路、檢測電路、控制電路及顯示電路等幾部分，各個部分包括的設計結構、內(nèi)容、數(shù)據(jù)流向如圖3.2所示。圖3.2 系統(tǒng)設計框圖太陽能板輸出電壓經(jīng)開關電源控制器調(diào)節(jié)向蓄電池提供所需電壓，輔助電源為單片機、模擬開關、放大器等提供工作電壓，由按鍵輸入充放電信號。ATmegal6單片機完成對充放電各個過程的控制，主要包括對蓄電池充電電

12、壓的采樣、充電電流的采樣、蓄電池端電壓的采樣和對蓄電池充放電控制等操作。液晶顯示部分主要是對充電過程中蓄電池的充放電狀態(tài)、充電電流、充電電壓及蓄電池電壓大小進行顯示，以便用戶了解蓄電池的充放電狀態(tài)參數(shù)。3.2.2主電路設計3.2.2.1太陽能電池板本系統(tǒng)采用太陽能電池板供電，太陽能電池板在太陽照射下可以產(chǎn)生電能， 本設計所使用的太陽能電池板可以輸出電壓為24V。3.2.2.2 蓄電池由于系統(tǒng)中蓄電池的充電放電比較頻繁，故所以控制器要對蓄電池的充電放電進行管理，從而延長蓄電池壽命，減少系統(tǒng)的故障率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。本次設計將對鉛酸蓄電池智能充放電控制器進行探討和研究。本設計按照要求，采用12V/

13、20AH的鉛酸蓄電池保存電能。3.2.2.3主充電開關電源電路設計1. BUCK斬波電路DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式不變，改變（通用），二足頻率調(diào)制(l)Buck電路降壓斬波器，典輸出平均電小于輸入電壓，極性相同。(2)Boost電路升壓斬波器，其輸出平均電壓大于輸入電壓，極性相同。（3)BuckBoost電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓大于或小于輸入電壓，極性相反，電感傳輸。(4)Cuk電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓大于或小于輸入電壓，極性相反，電容傳輸。在本電路中輸入始終大于輸出，所以采用脈寬調(diào)制方

14、式的BUCK變換器，BUCK變換器又稱降壓變換器、串聯(lián)開關穩(wěn)壓電源、三端開關型降壓穩(wěn)壓器。其電路如圖3.3所示。3.3 BUCK變換器電路PWM脈寬調(diào)制信號由單片機提供，控制開關管的通斷。MOSFET、二極管、電感、電容構成BUCK電路。在工作過程中，PWM控制倍號的高電平脈沖出現(xiàn)使MOSFET管分通，PWM控制信號的低電平脈沖出現(xiàn)使MOSFET管截止。當開關管接通時，電流按圖(A)所示方向流動，電容通過電感被充電。出開關管截止時，電感試圖保持電流不變，從而導致電流流過二極管、電感和電容如圖(B)所示，這是BUCK變換器的一個工作周期。如果增加占空比，開通時間增大，斷開時間減少，則輸出電壓將增

15、大。反之，輸出電壓減小。圖中二極管的作用足防止在斷電時電池反方向供電。輸出電流由PWM脈寬調(diào)制作為占空比調(diào)節(jié)，來控制電流充電、大電流充電、過充電、浮充電，完成四個狀態(tài)充電的過程。圖3.4 充放電電路原理圖在目前廣泛采用的開關電源供電方式中，是由PWM控制器提供脈寬調(diào)制，并發(fā)出脈沖信號，使MOSFET管導通。同時扼流線圈作為儲能電感使用并與相接的電容組成LC濾波電路。PWM芯片包含內(nèi)部和外部線路，當脈寬調(diào)制要做周期循環(huán)時將由它來決定這個頻率的快慢，當一個信號要發(fā)送到每一個MOSFET管用以接通這些MOSFET管時它就可以直接控制進行速度調(diào)節(jié)。本設計中由于單片機內(nèi)核中集成了 PWM驅(qū)動單元，它能向

16、系統(tǒng)提供更為準確的數(shù)字電壓。2.放電電路放電電路主要由一個大電流、較高耐壓、低導通電阻的N溝道場效應管IRF540組成。當電壓值小于10.5V時,單片機自動給出一個低電平信號給IRF540使其斷開放電回路。3.2.3控制電路設計3.2.3.1采樣電路ATmegal6單片機有8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達到250KHZ。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復位后P1 口為弱上拉型I/O 口，用戶可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉(zhuǎn)換，不需要作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O 口使用。系統(tǒng)檢測電路主要由電壓檢測電路

17、、電流檢測電路組成。為了使電壓檢測電路簡單而可靠，屯壓釆樣釆用精密電阻分壓的方法。將被測電壓范圍轉(zhuǎn)換成0-5V,然后通過單片機的一個ADC通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機對測得的電壓值進行評估分析，然后調(diào)整PWM占空比完成對充電電壓的控制與調(diào)節(jié)。 圖3.5 太陽能板電壓檢測電路 圖3.6電池端電壓檢測電路對于電流采樣，電路中釆用了放大電路，對微小的電流信號進行一定比例的放大后處理。下面是電源中用到的差分放大電路，電流檢測也采用了在充電主問路中串聯(lián)采樣電阻的方法，系統(tǒng)釆用了高精度采樣電阻。首先將采樣電阻兩端的電壓信號通過運放進行放大，然后再送到單片機的ADC通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進而完成了對充電電流的檢測

18、。圖3.7電流檢測電路其中必須滿足R7=R18; R13=R16。所用運算放大器為LM358。放大倍數(shù)為：3.2.3.2 控制器電路設計本次設計利用AVR單片機Atmegal6芯片作為充電器的核心部件。本系統(tǒng)單片機主要完成的任務是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理顯示在LCD1602上，另一方面又要輸出PWM信號，控制DC/DC變換芯片。具體工作過程是上電復位，首先查詢鍵盤，確定充電器功能，確定后繼續(xù)查詢鍵盤以確定充電還是放電，分析計算PWM占空比，確定輸出電壓，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示。在輸出過程中通過單片機定時器定時檢測輸出電流或電壓。在電池充電過程中，通過檢測蓄電池端電壓大

19、小而確定電池充電多少，從而改變充電方式。圖3.8 單片機控制電路3.2.3.3驅(qū)動電路設計系統(tǒng)中以KA7500B芯片做控制IC構成開關電源。電路原理圖如圖3.9所示：圖3.9驅(qū)動電路電路中的電壓反饋的正、負極對應KA7500B的第16、15腳，在上電后，單片機輸出PWM電壓，提供給KA7500B的15腳作為電壓基準，輸出電壓經(jīng)過前面電壓取樣電阻分壓后，與電壓基準比較，當電壓太大時，則減小脈寬，太小則增加脈寬，使之保持恒定的輸出電壓值，其輸出電壓值符合下列公式：KA7500B輸出占空比可變的信號，從而改變開關管導通的時間，也就改變了輸出電壓。由于KA7500B的兩路反饋在其內(nèi)部是相“與”后再進行

20、控制的，因此當輸出電壓低于恒壓值時，電流反饋起控制作用，當輸出電壓達到所設定的值后，電壓反饋起控制作用，這樣電路就完成了恒流/恒壓控制功能，其原理與穩(wěn)壓電源的工作原理完全一樣，只是該電路為開關電源控制方式，因此效率高，溫升低。3.2.3.4按鍵電路設計在本設計中由于按鍵不是太多，故采用獨立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖3.10為本設計的按鍵接線圖。圖3.10按鍵接線圖3.2.3.5 輔助電路設計輔助電源模塊電路主要為單片機運行提供+5V屯壓。由蓄電池提供的12V直流電經(jīng)過LM2596開關降壓型穩(wěn)壓器輸出+5V電壓為單片機供電。圖3.11降壓穩(wěn)壓電路3.3小結本章首先給出了基于ATmegal

21、6單片機控制的蓄電池智能充放電控制器整個系統(tǒng)的結構框圖，然后對各個部分的硬件電路的工作原理和設計過程進行了必要的詳細的介紹，包括主充電開關電源電路、控制電路、充放電電路、電流電壓檢測電路和輔助電源電路的設計。完成太陽能電池充電控制部分設計，有電池過充、過放電保護功能以及太陽能電池最大功率控制。4 LED交通信號燈系統(tǒng)本系統(tǒng)是針對普通十字路口設計的交通信號燈控制系統(tǒng)在十字路口，東西向放行 XX 秒南北向放行 XX 秒，放行方向數(shù)碼管顯示倒計時的顏色為綠色，反之為紅色。每次變燈之前( 紅燈變綠燈綠燈變紅燈)會有黃燈亮起，用來清空路口未通過車輛 數(shù)碼管使用型號為SM42036的共陽極2位碼管，數(shù)碼管

22、個位每隔一秒減一，數(shù)碼管十位上每十秒減一，個位十位都為零時，進入下一個循環(huán)。本設計采用 STC89C52 單片機為主控芯片。單片機的P0.0P0.2分別控制東西道的紅黃綠燈，P0.3P0.5分別控制南北道的紅黃綠燈; 同時利用P0.0P0.5也控制該方向上數(shù)碼管剩余時間所顯示的顏色，其中哪個燈亮，數(shù)碼管就顯示相應的顏色 顯示數(shù)碼管的剩余時間直接通過單片機的 P1 P2 口控制，數(shù)碼管選擇的是共陽極數(shù)碼管 P3.0P3.4設置為按鍵，用來選擇當前運行哪一種模式，這個按鍵可以按在交通燈電桿下面，或者制成無線遙控; 也可以在交通指揮中心就可以達到可控的功能。在本設計中，要特別注意 I /O 口可能存

23、在驅(qū)動能力不夠的問題。因此，給單片機 I /O 口與數(shù)碼管之間加CMOS型三態(tài)緩沖門電路74HC245芯片，以增強 I /O 口驅(qū)動能力使用三極管9012進行給LED 紅綠燈擴流，使 LED 燈的亮度達到很好的效果。交通燈系統(tǒng)電路圖如圖3 所示圖3 交通燈系統(tǒng)電路本設計中信號燈分東西、南北四個方向，其中南北方向為主路，每次通行時間為60秒，東西方向為輔路，每次通行時間30秒；各組信號燈分別由紅、綠、黃組成，綠燈最后3秒閃爍；夜間22:00至早上6:00只有黃燈閃爍。其中，STC89C52 單片機自帶兩個定時器，編程實現(xiàn)其定時功能。用脈寬調(diào)制方法來實現(xiàn)灰度控制，也就是周期性改變光脈沖寬度（即占空

24、比） ，只要這個重復點亮的周期,人眼是感覺不到發(fā)光象素在抖動。用脈寬調(diào)制方法來實現(xiàn)夠短（即刷新頻率足夠高），人眼是感覺不到發(fā)光象素在抖動。由于脈寬調(diào)制更適合于數(shù)字控制，所以在普遍采用微機來提供 LED 顯示內(nèi)容的今天，幾乎所有的 LED 屏都 是采用脈寬調(diào)制來控制灰度等級的。信息條形如果是 LED 的做的數(shù)碼管，因為 器件響應速度快，可以用 PWM（脈寬調(diào)制）來調(diào)節(jié)亮度。簡單來說就是調(diào)占空比。設每個周期為 T，亮的時間 Ton 與總時間的比例就決定了亮度，用這個方法可以在非常寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)亮度，而且是線性的，可以精細調(diào)節(jié)。 結論本文通過對各種蓄電池充電器及充電方法的性能進行探討，提出

25、了一種基于單片機控制的四階段模式蓄電池智能充放電控制器的太陽能獨立供電交通信號燈系統(tǒng)。通過反復調(diào)試，各硬件電路的參數(shù)已經(jīng)確定，系統(tǒng)軟件部分程序也調(diào)試完成，系統(tǒng)各項工作指標己基本完成。文中進行了系統(tǒng)的方案設計、硬件設計、軟件設計、軟件編程和整個系統(tǒng)的調(diào)試工作，并對該太陽能獨立供電交通信號燈系統(tǒng)的性能指標進行了分析。論文討論了太陽能獨立供電交通信號燈系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計。最后，用所設計的智能充電器給12V, 20Ah的密封鉛蓄電池充電，實測數(shù)據(jù)表明，該蓄電池智能充放電控制器能按照涓流充電、恒流充電、過充電和浮充電四個模式給電池進行充電，還可隨時監(jiān)測蓄電池端電壓的大小，當電池電壓放電到10.5V時，自動停止向負載放電，完成太陽能電池充電控制部分設計，有電池過充、過放電