太陽能草坪燈系統(tǒng)整體電路設計方案

太陽能草坪燈系統(tǒng)整體電路設計方案充放電控制器單片機系統(tǒng)充放電控制器單片機系統(tǒng)時控電路光控電路掉電存儲充放電總電路太陽能電池板LED負載蓄電池組圖1總體方框圖太陽能草坪燈由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）、燈源等組成。利用單片機技術實現(xiàn)草坪燈的光電控制、定時控制和節(jié)能控制，其次內(nèi)部設置有蓄電池，用于保證在陰雨天氣對蓄電池進行充電，以給草坪燈供電?？傮w設計電路圖見附錄1。1.1太陽能電池板太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽能電池方陣一般由多塊太陽能電池組件串并聯(lián)而成，每個支路通過防反充二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池充電。太陽能電池方陣分為若干個子陣列，每個陣列由一個電子開關控制。當蓄電池的充電電壓達到設定的最電高壓時，自動依次切斷一個或數(shù)個子陣列，以限制蓄電池的充電電壓繼續(xù)增長確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲存太陽能電池發(fā)出的電能。晴天時，太陽能電池為蓄電池充電，在夜幕來臨時通過定時裝置為太陽能草坪燈供電。太陽能電池的發(fā)電原理是利用光入射于半導體時所引起的光伏效應。其轉換過程由以下三個階段組成：（1）光的吸收和空穴－電子對的產(chǎn)生[4]在外部不給半導體任何能量的狀態(tài)（絕對零度）下，電子充滿介電子帶，而導帶則不存在電子。在這種狀態(tài)下，半導體不顯示導電性，而是絕緣體。當具有一定能量的光入射半導體時，如果光子的能量大小比特定值Eg大時，那么，這種光就被半導體吸收。如果半導體晶格吸收的光足夠大，能夠解除半導體晶格對電子的約束，就產(chǎn)生自由電子，留下空穴。為使被晶格約束的電子變?yōu)樽杂呻娮?，光子的能量必須等于或大于該半導體的禁帶寬度，即Eg[電子伏]。若比攜帶能量Eg小的光子被半導體吸收，那么它僅能透過半導體晶格，而對光電轉換沒有作用。（2）電子－空穴對的分離當半導體中沒有電場時，光激發(fā)的電子－空穴對均勻的分布在半導體中，但在外電路中并不能得到電流。只有以某種方法在半導體中形成勢壘，才能使受激發(fā)的電子－空穴對分開，從而可向外電路供電。這種勢壘常用PN結實現(xiàn)。PN結產(chǎn)生的電子－空穴對的分離是有限的，但如果沒有連接外部電路，則被分離的電荷不能消失，從而電荷蓄積在PN兩層，使PN結正向，即向著電位勢壘變小的方向偏轉，結果分離過程停止，得到正常狀態(tài)。這時，把PN結兩端產(chǎn)生的電壓叫開路電壓。若考慮使電荷短路狀態(tài)，則分離的電荷在外部回路中流動而形成短路電流。因此，短路電流與照射的光量成正比。（3）過剩載流子的移動圖2太陽能電池的發(fā)電原理圖吸收入射光能產(chǎn)生的電子－空穴對也不一定全部分離，電子－空穴對產(chǎn)生的數(shù)目與分離的數(shù)目之比叫做收集效率。半導體中產(chǎn)生的電子－空穴對借助存在于半導體中的電場產(chǎn)生的偏移效應和電荷的濃度梯度產(chǎn)生的擴散而移動。過剩載流子是超過熱平衡狀態(tài)存在的載流子，所以，通常在某個時間常數(shù)下，具有返回平衡狀態(tài)的傾向。通常把這個時間常數(shù)叫做過剩載流子壽命。因此，在產(chǎn)生的電荷從產(chǎn)生的地方向PN結移動所需要的時間比過剩載流子壽命還長的情況下，電荷不會因PN結而分離，對能量的產(chǎn)生沒有作用。這樣，收集效率就由過剩載流子的壽命和PN結的位置來決定。如圖2所示那樣，當具有適當能量的光子入射于半導體時，光與構成半導體的材料相互作用產(chǎn)生電子與空穴（因失去電子而帶正的電荷）。如半導體中存在PN結，那么電子向N型半導體擴散，空穴向P型半導體擴散，并分別聚集于兩個電極部分，即負電荷和正電荷聚集于兩端。這樣如用導線連接這兩個電極，就有電荷流動產(chǎn)生電能。當受光照的太陽能電池接上負載時，光生電流流經(jīng)負載，并在負載兩端建起端電壓，這時太陽能電池的工作情況可用圖3所示的等效電路來描述。在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)下的光電池，其光電流IL不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中，可把它看作恒流源，光電流一部分流經(jīng)負載RL，同時在負載兩端建立起端電壓V，此電壓反過來它又正向偏置于p-n結二極管，引起與光電流反向的暗電流ID。但是，由于太陽板前表面和背表面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻Rs來表示；同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負載的電流短路，這種作用可用一個并聯(lián)電阻Rsh來等效。圖3PN結太陽能電池的等效電路圖1.2太陽能控制器太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以設定草坪燈的工作時間并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。對負載供電時，也是讓蓄電池的電流先流入太陽能控制器，經(jīng)過它的調(diào)節(jié)后，再把電流送入負載。這樣做的目的：一是為了穩(wěn)定放電電流；二是為了保證蓄電池不被過放電；三是可對負載和蓄電池進行一系列的監(jiān)測保護。若要使用交流用電設備，還需在負載前加入逆變器逆變?yōu)榻涣??？刂破饔蒀PU控制，根據(jù)蓄電池電壓高低，調(diào)節(jié)充電電流大小，決定是否向負載供電，并具有以下性能：

經(jīng)常保持蓄電池處在飽滿狀態(tài)，

防止蓄電池過度充電，

防止蓄電池過度放電，

防止夜間蓄電池向太陽能板反向充電，蓄電池反接保護，太陽能極板反接保護。1.3蓄電池的選擇蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄電池，重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價格較高，相對來說應用沒有前一種廣泛。蓄電池是一種化學電源，它將直流電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來。需要時再把化學能轉變?yōu)殡娔茚尫懦鰜怼Ｄ芰哭D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。由于光伏系統(tǒng)的功率輸出每天都在變化，在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時。蓄電池也能夠提供相對穩(wěn)定的電能[12]。蓄電池的循環(huán)壽命主要由電池工藝結構與制造質(zhì)量所決定。但是使用過程和維護工作對蓄電池壽命也有很大影響，有時是重大影響。首先，放電深度對蓄電池的循環(huán)壽命影響很大，蓄電池經(jīng)常深度放電，循環(huán)壽命將縮短。其次，同一額定容量的蓄電池經(jīng)常采用大電流充電和放電，對蓄電池壽命都產(chǎn)生影響。大電流充電，特別是過充時極板活性物質(zhì)容易脫落，嚴重時使正負極板短路；大電流放電時，產(chǎn)生的硫酸鹽顆粒大，極板活性物質(zhì)不能被充分利用，長此下去電池的實際容量將逐漸減小，這樣使用壽命也會受到影響。本電路采用鉛酸免維護蓄電池，不需專門的維護；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。但是對蓄電池的過充電更為敏感，因此對過充保護要求高；當長時間反復過充電后，蓄電池極板易變形。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，方陣給蓄電池充電；冬天日照量小，這部分儲存的電能逐步放出。在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎上還要加上小得多的日循環(huán)：白天方陣給蓄電池充電，晚上負載用電則全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，當然還要考慮價格低廉，使用方便等因素。如前所述，當蓄電池端電壓達到設定的最高值時，由電壓檢測電路得到信號電壓，通過控制電路進行開關切換，使系統(tǒng)進入穩(wěn)壓閉環(huán)控制，既保持對蓄電池充電，又不致使蓄電池過充，造成電解液中水的大量分解和過熱而導致極板損壞，從而使蓄電池得到合理的保護和利用。如過充保護失靈導致蓄電池端電壓過高時，系統(tǒng)發(fā)出報警指令。當蓄電池端電壓下降至過放值時，系統(tǒng)也會發(fā)出報警指示，同時草坪燈自動關閉，以保證蓄電池不再繼續(xù)放電。1.4單片機介紹89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。1.4.1主要特性與MCS-51兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年，全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。1.4.2管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P1.0RXD（串行輸入口）P1.1TXD（串行輸出口）P1.2/INT0（外部中斷0）P1.3/INT1（外部中斷1）P1.4T0（記時器0外部輸入）P1.5T1（記時器1外部輸入）P1.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P1.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。1.4.3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。1.4.4芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列