基于单片机的太阳能草坪灯的设计本科毕业设计.docx
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基于单片机的太阳能草坪灯的设计本科毕业设计
基于单片机的太阳能草坪灯的设计
学生姓名:
学生学号:
院(系):
电气信息工程学院
年级专业:
指导教师:
助理指导教师:
二〇一五年五月
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
太阳能作为可再生能源的一种,可以直接转换并利用或者使用转换装置将太阳辐射转换成热能,再通过热能发电。
在资源短缺的今天,开发和利用环保新型能源至关重要,是不容忽视的重要开发项目。
而其中太阳能草坪灯在城市规划中能起到美观和照明的作用,是电量消耗大户,利用太阳能给其供电,不仅节约能源,也很方便安全。
该设备在白天太阳光充足的时候通过太阳能电池板的光伏作用进行发电,并存储在蓄电池中,在晚上光照不足时通过光控开关点亮草坪。
也可根据要求人为控制器亮和灭
本设计采用太阳能电池作为能源,因此为了达到环保和节能的目的;通过单片机技术草坪灯的光电控制和节能控制,并设置在电池内部,能保证在这个多雨的天气为电池充电,用于草坪灯电源。
控制电路的每个部分的电路分析和论述了原理、控制策略,可以根据光照强度和手动开关的要求决定草坪灯的开关,该系统具有良好的抗干扰,断电也可以保存用户设置得参数。
关键词:
太阳能,单片机,草坪灯
ABSTRACT
asarenewableenergy,Solarenergycanbeconverteddirectlyandusedoruseconversiondevicesconvertsolarradiationtoheatenergythroughthethermalpower.Theshortageofresourcestoday,thedevelopmentandutilizationofnewenergyandenvironmentalprotectionisessential,isanimportantdevelopmentprojectcannotbeignored.Thesolarlawnlampinurbanplanningcanplaytheappearanceandthefunctionoflighting,powerconsumptionislarge,theuseofsolarenergytothepowersupply,notonlysavesenergy,isalsoveryconvenientandsafe.
Theequipmentinthedaytimesunlightwhensufficientelectricitythroughphotovoltaicsolarpanels,andstoredinthebattery,insufficientlightatnightbythelightcontrolswitchonthelawn.Alsoaccordingtotherequirementsofhumancontrollersonandoff
Thisdesignusesthesolarbatteryasanenergysource,thereforeinordertoachievethepurposeofenergysavingandenvironmentalprotection;throughthephotoelectriccontrolandenergysavingcontrolMCUlawnlamp,andinsidethecell,canguaranteeinthisrainyweatherforchargingthebatteryforpowerlawnlamp.Analyzedanddiscussedtheprinciple,controlstrategyofeachpartofthecircuitofthecontrolcircuit,theswitchaccordingtothelightintensityandthemanualswitchrequirelawnlamp,thesystemhasgoodanti-jammingpower,cansavetheusersetparameters.
Keywords:
Solarcells、singlechipmicrocomputer、lawnlamp
1绪论
1.1本课题研究的背景及意义
各种可再生能源中太阳能是最重要的基本能源,风能、生物质能、海洋能、水能都从太阳能而来,广义来说,太阳能上面包含多种可再生能源。
太阳能作为一种可再生能源,是指太阳能的直接转化和利用。
通过转换装置把太阳辐射转换成热能利用率属于太阳能热利用技术,称为太阳热能回收热能发电,也属于这一技术领域,通过转换装置的太阳能辐射能转换为电能使用属于太阳能光发电技术,光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换,因此又称为太阳能光伏技术。
自70年代以来,针对传统的限制能源供应和环境压力的增加,世界上许多国家开始开发利用太阳能和可再生能源。
1973年,美国政府办公室的阳光发电计划,1980年正式将其加入公共电力规划、光伏发电累计投资超过8亿美元。
1992年,政府颁布了一项新的光伏发电计划,制定了宏伟的发展目标。
在70年代,日本制定了“阳光工程”,1993年把“月光计划”(节能计划)、“环境规划”、“阳光工程”规划到“新阳光计划”。
德国和其他欧洲国家和一些发展中国家也取得了相应的发展计划。
自90年代以来,联合国举行了一系列由领导人出席的峰会,讨论并制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约、设立基金,如国际太阳能推动全球太阳能和可再生能源开发和利用。
太阳能和可再生能源的开发和利用成为国际社会和集体行动的主要主题,成为可持续发展战略的重要内容。
从“六五”以后我国政府一直把研究开发太阳能以及可再生能源技术列入国家科技攻关计划,极大地推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。
二十多年以来,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都取得了很大的进步,成为世界上快速、稳定发展的新兴产业之一。
1.2国内外研究现状、水平
国际光伏产业在过去15年的平均年增长率是20%。
在90年代末,世界市场供应不足,发展更快速。
美国政府(部门)从1990年开始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,建立了国家光伏中心联合研究与工业、大学和研究机构,以降低成本。
程序的实现产生了非常明显的效果,商业化的电池效率增加到12-15%。
市场发展将逐渐从偏远地区和农村的补充能源的过渡到全社会的替代能源。
预测到下一个世纪,太阳能光伏发电的总发电量将达到15-20%,成为人类能源的基础之一。
第二届世界太阳能光伏会议主席Jurgen施密特在会议上说:
“作为世界上的一种能源,光伏发电在在下个世纪上半期将超过核能,是2030年或2050年的最后几年,只是一个时间问题。
”
太阳能光伏发电技术产业化和市场发展在中国经过近20年的努力,奠定了良好的基础。
有四个单晶硅电池和组件工厂和两个非晶硅电池工厂。
但在我国的整体水平与国外相比还有很大的差距,主要表现在以下方面:
生产规模较小。
目前四单晶硅电池工厂一般保持在1986-1990年的规模和水平。
制造商的引入名义1MW/年的生产能力,但是在不同的过程中都有一个“瓶颈”,实际生产能力在0.5MW/年左右,所以我国太阳能电池总实际生产能力约2MW/年,1998年中国太阳能发电生产的2兆瓦,约占世界的1.3%。
大规模生产程度比国外5-20mw生产规模低一个数量级。
现在正在扩大生产能力,预计将在1-2年内实际产能扩张1mw/年,4mw/年的总容量。
多晶硅电池有利于进一步降低成本,目前我国仍是空白。
(2)技术水平低。
我国太阳能电池的效率低,平均14-16%,低水平的组件包装工程领域导致一些产品3-5年左右出现黄色、发泡、焊接线损失和效率的降低,产品质量在近年来有所改善,但与国外仍有一定的差距。
(3)专用原材料国产化程度较低。
银浆,封装玻璃等专用材料还没有完全实现国产化,国家曾把提高商业化的电池效率和材料国产化列入的“八五”计划,并取得了一些成就,但性能还有待进一步提高,各制造商部分材料仍采用进口。
1.3本课题的发展趋势
太阳能照明本质上是一个光伏系统,专业领域称为“硅片表面光伏组件”。
其工作原理是通过硅片后接收太阳光转化成电能,然后存储在蓄电池中,然后通过电灯开关控制,当天黑时就会自动点亮,并且可以在黎明自动熄灭。
太阳能光伏技术产品灯是一个新的应用产品,以其节能、环保、没有连接,自动控制,随时可以更改,在照明行业拥有神圣的地位。
因为硅片的价格相对较高,最初的太阳能是只用于航空业务。
在太阳能技术突破后,由美国、日本、德国等发达国家率先尝试使用在高科技领域。
光伏技术的发展和进步,首先在民用照明灯具上应用。
近年来,太阳能照明产品由于环保节能的双重优势,太阳能庭院灯,草坪灯和吊灯照明应用逐渐形成规模。
大量测试表明,普通的灯和太阳能灯比较和分析后得出结论:
满足要求的情况下相同的照明,两种不同的供电方式,普通灯具的成本是低于太阳能灯具的成本;然而,如果整个建设项目的成本包含在项目中,两种类型的灯具在初始投资成本。
数量越大,常见的灯具工程建设成本越高,其初始投资大于太阳能灯具。
使用的时间越长,越能显示太阳能灯具的好处。
如果把人力和物质资源算上,普通灯具成本和维护成本将高于预算。
在后续使用费用(电力、维护成本等),太阳能灯具的优势更加明显。
“如果全国推广使用3亿只太阳能灯,其节能效果相当于一个新的三峡工程。
太阳能的优点已经被越来越多的人所接受。
太阳能应用系列产品之一的太阳能灯,它一直都是被研究的对象和各方关注的焦点。
基于现有的技术,技术人员与厂商头脑风暴,在许多地方,为太阳能灯在千家万户的应用打下了非常坚实的基础。
2方案分析与选择
2.1太阳能草坪灯设计方案
太阳能草坪灯控制和路灯控制的功能一样,都是为了晚上亮灯,灯光在早上熄灭,然后是电池充电管理。
国内外常用的控制器有光控制开关,时钟控制类型和经纬控制器等,但由于其工作原理不同,各有优点和缺点。
方案一:
单独的光控开关一般使用光敏探测器,晚上弱光,自动点亮草坪灯;早上光线强,草坪灯自动关闭,达到自动控制的作用。
太阳能电池发电
实现草坪灯的开关
利用光敏元件控制
通过光伏发电给蓄电池充电
图2-1方案一
方案二:
草坪灯控制器如果采用的时钟控制器就要预设开关时间,使草坪灯按时亮灯,按时熄灯,从而达到自动控制的目的。
实现草坪灯的开关
通过光伏发电给蓄电池充电
利用时钟控制器设置开关
太阳能电池发电
图2-2方案二
方案三:
该方案采用光控开关和手动开关相结合的方式,让草坪灯能够实现晚上亮灯,早上熄灯,也能通过人为实现开关。
通过光伏发电给蓄电池充电
利用光控与手动相结合来控制草坪灯
实现草坪灯的开关
太阳能电池发电
图2-3方案三
2.2太阳能草坪灯方案论证
方案一:
为了节省电力,早期的光控开关,使用分立半导体器件和电路很复杂,多个组件,体积也更大,高失败率。
随着半导体技术的发展,时基集成电路,如NE555、使光电开关电路简化。
光敏传感器是光控开关组件的属性的关键,其安装位置同时也有一定的要求,力求避免各种各样的光的干涉,但在实际使用中,光敏传感器难以确定各种干扰光,经常产生错误的行动。
方案二:
该方案缺陷是不能根据季节和特殊天气条件下自动切换时间,你经常调整开关时间,费力而不利于节约用电。
时间开关类型分为机械钟表,钟表表型,机械钟类型以石英为主时钟,时间准确,但由于塑料齿轮的运动将在高温变形,导致停机现象。
电子时钟表型或更多的时间开关使用,和常用的LR6818LM8650LM8561集成为中心的电子时钟电路。
在最近几年也出现电子时钟LED液晶显示的集成块,体积小,减少外围组件,可以设置6组开关点,一周的特性,许多制造商大量生产产品,但现在大多用在路灯控制、草坪灯控制尚未广泛使用。
方案三:
该方案结合了上两个方案的特点,用光控结合手动开关控制能很好的实现草坪灯的适时开关。
经过仔细的研究和反复的论证,我决定放弃前两种的设计方案,选择第三中方案完成本次毕业设计设计。
2.3本课题的研究内容和任务
本课题主要研究的内容有太阳能电池板利用太阳光为蓄电池充电,蓄电池的充放电,光控开关草坪灯,手动开关草坪灯,直流的升压与降压电路模块。
2.3.1本设计实现的设计要求
(1)A级多晶硅太阳能电池板:
1.8W,输出电压/电流:
10V/180MA;
(2)把太阳能转换成电能经过降压稳压电路变成4.2v充入锂电池保存起来,然后经过升压电路升至5v给单片机控制系统和负载系统供电。
(3)自动模式下环境光变弱自动开灯,环境光变强自动关灯;
(4)手动模式下按下按钮开灯,再次按下关灯;依次循环;
2.3.2本设计的创新点
本设计这对现有的草坪灯耗能大,使用不方便,容易误操作进行的改进和创新,利用光控和手动相结合的方式保证其正常工作,太阳能的利用起到了节约环保的作用。
3系统硬件电路设计
3.1系统设计框图
如图:
3-1所示的就是全部太阳能草坪灯的设计结构框图,它主要由太阳能充电电路、电池充放电保护电路、升压降压模块电路,草坪灯供电电路等组成。
其中充放电保护电路将通过51单片机控制开关管的方式来实现对电池的充放电保护。
充放电控制
图3-1系统设计框图
3.2光伏发电的基本原理及其分类
3.2.1光伏发电的基本原理
其实太阳能光伏电池它的发电原理就是由太阳光照射到半导体时所引发的光电效应,它的电池的基本特征和二极管类似,能够由简单的PN结来说明,图3.2就是光伏电池它的基本的单元模型。
在具有一定能量的光束照在半导体上面时,光就会与构成半导体里的材料相互作用产生空穴(因为失掉电子而带正电荷)与电子,如果半导体之中存在着PN结,那么半导体力的空穴就会朝着p型半导体里面扩散,然后电子就会朝着n型半导体里扩散,最后分别一直扩散到两个电极的部分,就是正电荷与负电荷聚集在两端,这时假如用一根导线把两端的电极连接起来,就会有动能让空穴和电子产生移动。
通过这个原理,就能够把太阳光的光能转变成电能并且存储起来供以后利用,利用各种控制与调节的作用,可以把电能转化成为不一样的规格,以方便满足不同负载所需,以上就是本设计中的太阳能逆变电源。
它和传统的发电方式大大不同,它既没有转动的部分,更不会排放出任何对环境有污染的气体,是清洁没有污染没有噪声的发电方式。
图3-2光伏电池的单元模型
图3.3就是光伏电池的等效电路图,这之中的Rs是一个串联电阻,Rs就是光伏电池的半导体电阻和透明电极电阻等的总和;Rsh就是漏电阻。
图3-3光伏电池等效电路图
随着应用场合的不相同,光伏发电系统一般可以分成独立的光伏发电系统、并网的光伏发电系统以及混合型的光伏发电系统,本设计的太阳能电源主要是研究独立的光伏发电系统。
就像图1-1所示的那样,光伏发电系统主要部分应包含太阳能充电电池、太阳能电池板、太阳能自动跟踪器和直流控制系统等。
普通的太阳能光伏发电系统一般由以下四个部分所构成:
光伏电池:
当一个光伏电池经过太阳照射时,它所发出的电能是极小的,并且发出的是直流电,因此为了能够满足现实生活中的需要,得到足够大的发电能量,我们就要把单个的光伏电池一个接一个地连接成为电池组的形态,这样一来就形成了太阳能光伏电池的阵列。
太阳能充电电池:
太阳能充电电池它在光照很强时会将多余出来的电能给存储起来,以方便当光照不充足的情况下给电路供电。
逆变器:
因为光伏电池所发的电是直流电,但我们现实生活里面用的电却是交流电,因此逆变器的作用就是把直流电变成交流电来供给家用。
直流控制系统:
直流控制系统能够在光伏电池的电能到逆变电路和充电电池的冲放电中起到控制的用途。
在其整个的过程之中必须要达到安全以及高效率,这个就要由控制器来调整和控制。
太阳能光伏发电这整个的过程之中,在太阳光照强的时候,太阳能电池所产生的电能一部分能够利用控制器来直接为逆变电路供电,生成50HZ/220的交流电,之后就直接为交流负载供电;另外一部分就利用控制器为太阳能充电电
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