毕业设计--基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现

2014届本科毕业论文（设计）

论文题目：基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现

摘要

太阳能作为可再生能源的一种，指太阳能的直接转化和利用，通过转换装臵把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电。本设计是对目前草坪灯存在的抗干扰性低，不能自动化控制，且寿命短等缺陷进行改进与创新。

本设计首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节能的目的；利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控制和节能控制，其次内部设臵有蓄电池，用于保证在阴雨天气对蓄电池进行充电，以给草坪灯供电。控制电路分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略，能根据光线和定时控制的要求决定草坪灯的点亮和关断。系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数。

关键词：太阳能光电池，控制器，蓄电池，草坪灯，单片机

The design of Solar lawn lamp

Abstract

Solar energy as a renewable energy that the direct conversion of solar energy and use, through the conversion device to convert solar radiation into heat, and then use heat to generate electricity. This design is the existence of the current anti-lawn lamp low, can not be automatic control, and defects such as short life improvements and innovation.

First of all, the design of solar cells used as a source of energy in order to achieve the purpose of environmental protection and energy saving; Lawn lamp single-chip technology using opto-electronic control, time control and energy-saving control，followed by internal battery set up for wet weather to ensure that the battery charger to power supply to the lawn.Control circuit analysis and discussion of the various parts of the circuit principle and control strategy, based on the control of lighting and timing requirements of the decision of the lawn lamp lit, and turn-off. Have a good anti-jamming system, the power can be saved when the user set various parameters.

Key words: Solar PV，Controller，Batteries，Lawn lamp，Single-chip

目录

1 引言 (2)

1.1 国内外太阳能的发展现状 (3)

1.2 太阳能的利用 (5)

2 方案论证 (5)

2.1 设计要求 (5)

2.2 方案选择 (6)

3 系统整体电路 (7)

3.1 太阳能电池板 (8)

3.2 太阳能控制器 (11)

3.3 蓄电池的选择 (12)

3.4 单片机介绍 (14)

3.4.1主要特性 (14)

3.4.2管脚说明 (14)

3.4.3振荡器特性 (17)

3.4.4芯片擦除 (17)

3.4.5结构特点 (18)

4 系统单元电路的设计 (18)

4.1 照明负载 (18)

4.2 充放电控制原理 (21)

4.3 太阳能供电系统容量的计算 (23)

4.4 控制器电源电路 (24)

4.5 光控电路 (24)

4.6 系统时钟电路 (25)

4.7 掉电存储电路 (28)

4.8 数码管显示电路 (30)

4.9 单片机硬件电路 (31)

5 系统程序设计 (32)

6 结束语 (32)

致谢 (34)

参考文献 (35)

附录1 总体电路图 (38)

附录2 程序 (39)

1 引言

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装臵把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装臵把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装臵通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。

自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源

技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

1.1 国内外太阳能的发展现状

国际光伏工业在过去15年的平均年增长率为20％。90年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。以美国为代表，政府（能源部）在1990年起动了PVMaT（光伏制造技术）的产业化计划，通过国家可再生能源实验室（NREI／实施，并成立了国家PV中心，联合产业界、大学和研究机构共同进行攻关，以求大幅度降低成本。这一计划的实施已经产生了非常明显的效果，使商品化电池效率提高到12-15％。市场发展将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到下世纪中叶，太阳能光伏发电将达到世界总发电量15-20％，成为人类的基础能源之一。第二届世界太阳能光伏会议主席Jurgen Schmidt在大会上说到：“作为全球一种能源，光伏发电在下世纪前半期将超过核电，是2030年还是2050年的最后几年超过，只是个时间问题。”

我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。目前有4个单晶硅电池及组件生产厂和2个非晶硅电池生产厂。但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，主要表现在以下几个方面：

（1）生产规模小。目前4个单晶硅电池生产厂基本上保持在

1986-1990年引进时的规模和水平。各厂家在引进时标称生产能力为1MW／年，但在不同的工艺环节上都存在着“瓶颈”，实际生产能力都在0．5MW／年左右，所以我国太阳电池总的实际生产能力约2MW／年，1998年我国太阳电他的产量为2MW，约占世界产量的1．3％。生产的规模化程度比国外5-20MW生产规模低一个数量级。目前各厂都在努力扩大生产能力，可望在1-2年内将各厂的实际生产能力扩大到1MW／年，总能力达到4MW／年。多晶硅电池有利于进一步降低成本，目前我国还是空白。国家已将多晶硅电他的产业化作为“九五”计划的重点进行了安排，可望在2000年形成规模化生产。

（2）技术水平较低。我国太阳电他的效率较低，平均在14-16％；组件封装水平低，工程现场证明，部分产品大约3-5年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，近几年产品质量有提高，但同国外仍有一定差距。

（3）专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EV A等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五”计划，并取得一定成果，但性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。

（4）成本高。目前我国电池组件成本约35元／Wp（4．2美元／Wp），平均售价44元／Wp（5．3美元／Wp)，成本和售价都高于国外产品。

我国地域广大、人口众多，7000万人生活在无电地区，光伏发

电的潜在市场非常巨大。但由于光伏发电成本高，目前尚不能与常规发电相比。尽管如此，我国的光伏市场仍在逐年地发展和扩大，1998年的安装容量约2．5MW。到1998年底，光伏发电系统总保有量约12MW。面对这样一个将被开发的巨大市场，我国的光伏发电产业必须加快发展步伐。

1.2 太阳能的利用

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期，就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。使用太阳电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能，使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电，利用太阳能进行海水淡化。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式[18]。本课题将充分利用太阳能资源、太阳能电池和光电转换技术给草坪灯提供电力，利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控制和节能控制。

2 方案论证

2.1 设计要求

（1）电池板面积、功率的计算和选用；

（2）蓄电池容量、恒流充放电控制和充放电状态显示；

（3）光电控制要求光线较暗、路灯未点亮时草坪灯开始照明草坪，天亮后自动关断；

（4）定时控制要求晚上12点时关断草坪灯电源，早上6点接通、天亮后自动关断；

（5）系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数。

2.2 方案选择

太阳能草坪灯控制与路灯控制电路功能一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有光控制开关，钟控器、经纬型控制器等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

单独的光控开关一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启草坪灯；早上光线较强时，自动关闭草坪灯，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位臵也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作[1]。

采用钟控器的草坪灯控制器，要预先设定开关时间，使草坪灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。