1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告基于單片機(jī)控制的太陽能供電地下停車場(chǎng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名專業(yè)名稱電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師2012年4月12日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目名稱:基于單片機(jī)的太陽能供電地下停車場(chǎng)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1。課題背景1。1背景隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的逐步展開，世界對(duì)能源的急劇膨脹，而煤炭、石油和天然氣 三大化石能源日漸枯竭，全球面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)。因此，全球都在積極開發(fā)利用 可再生資源.自20世紀(jì)50年代太陽能電池的空間應(yīng)用到如今的太陽能光伏集成建筑，世界光 伏已經(jīng)走過了近半個(gè)世紀(jì)的歷史。由于太陽能資源分布相對(duì)廣泛、蘊(yùn)藏豐富，光伏發(fā) 電系統(tǒng)具有簡(jiǎn)潔、安全、壽命長(zhǎng)以及維護(hù)量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)

2、電被默認(rèn)為將是21 世紀(jì)最重要、最具活力的新能源。再在世界各國(guó)尤其是美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家先后發(fā) 起的大規(guī)模國(guó)家光伏發(fā)展計(jì)劃和太陽屋頂計(jì)劃的刺激和推動(dòng)下，光伏工業(yè)近幾年保持 著平均30%以上的高速增長(zhǎng).其中，以光伏集成建筑為核心的光伏并網(wǎng)發(fā)電市場(chǎng)已經(jīng)超 過離網(wǎng)應(yīng)用，近幾年的增長(zhǎng)速度都在40%以上，成為世界光伏工業(yè)的最主要發(fā)動(dòng)機(jī)，并 網(wǎng)光伏發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究與發(fā)展的最新亮點(diǎn).1.2國(guó)內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的現(xiàn)狀隨著科技的進(jìn)步和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，清潔的綠色能源逐漸受到了人類的重視。其 中，太陽能無疑成為最受青睞的綠色能源.太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸結(jié) 為太陽能熱利用和光利用兩個(gè)方面

3、。太陽能可以轉(zhuǎn)換成多種其它形式的能量，比如熱 能、氫能、機(jī)械能、生物能、電能等等，由于電能是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的直接能源， 因此由太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能是太陽能利用中最具有前景的方式.1。2.1世界太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，由于太陽電池成本的持續(xù)降低，太陽電池實(shí)行并網(wǎng)發(fā)電，建立太陽 能電站已經(jīng)成為可，并在全世界范圍內(nèi)逐漸發(fā)展。近年來，與住宅屋頂相結(jié)合的太陽 電池并網(wǎng)發(fā)電也成為重要的應(yīng)用方向.美國(guó)、歐洲和日本先后制定了太陽能發(fā)展計(jì)劃， 由政府提供部分研究開發(fā)資金和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)扶持政策，眾多國(guó)家紛紛制定雄心勃勃的 發(fā)展規(guī)劃，推動(dòng)光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本通產(chǎn)省第二次新能源分委會(huì)提出，20

4、10年 光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到5GW；歐盟可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運(yùn)動(dòng)”2010年的目 標(biāo)是，光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到3GW；美國(guó)能源部國(guó)家光伏規(guī)劃的目標(biāo)是，光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到 4。7GW；澳大利亞提出，2010年光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到0。75GW。因此，世界光伏產(chǎn)業(yè)有 了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從1997年至2001年，年的平均年增長(zhǎng)率達(dá)35.5%.2004年世界光 伏電池組件的生產(chǎn)量達(dá)到1194MW，比2003年的744。26MW增長(zhǎng)60。46%。到2004年 底,世界光伏發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到4330MW.近幾年各國(guó)可再生能源法的頒布、快速 發(fā)展的光伏屋頂計(jì)劃、各種減免稅政策和補(bǔ)貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價(jià)

5、格，為 光伏市場(chǎng)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩接蛇呥h(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村的 補(bǔ)充能源向全社會(huì)的替代能源過渡。預(yù)計(jì)今后十年,太陽能光電工業(yè)將以20%30%的 速度增長(zhǎng)，成為世界上最具發(fā)展前景的朝陽工業(yè)之一。1。2。2國(guó)內(nèi)太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，1980年以前，應(yīng)用項(xiàng)目十分有限功率 很小，光伏電池年銷售量不超過10KW.20世紀(jì)80年代后期，隨著幾條光伏電池生產(chǎn)線 的引進(jìn)，光伏電池價(jià)格大幅度下降，產(chǎn)量大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷開辟市場(chǎng)大為拓展。 90年代以來，改革開放的大好形勢(shì)為光伏技術(shù)的廣泛應(yīng)用和市場(chǎng)開拓創(chuàng)造了有利條件, 光伏電池用量每年在以20%以上

6、的速度遞增。經(jīng)過30多年的努力，已迎來了快速發(fā)展 的新階段。進(jìn)入21世紀(jì)后，在“光明工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)工程等國(guó)家項(xiàng)目及 世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。2003年底，中國(guó)光伏發(fā)電的 累計(jì)裝機(jī)容量約達(dá) 55MW。到2007年年底，全國(guó)光伏系統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 100MW,2008年太陽能電池的產(chǎn)量達(dá)到了 2000MW雖然近幾年我國(guó)太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了 巨大的進(jìn)步，但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在相當(dāng)大的差距.首先，我國(guó)生產(chǎn)規(guī)模較國(guó)外 比較小、產(chǎn)業(yè)鏈不完整，自動(dòng)化水平低。其次，平衡設(shè)備薄弱落后，特別是并網(wǎng)逆變 器和智能控制器差距更大。而且，專用材料的國(guó)產(chǎn)化程度不高，性能有待

7、改進(jìn)，光伏電 池成本價(jià)格尚高，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也不夠健全.因此，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上仍面臨著 非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。1。3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是在白天光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過 組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放 電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆 變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電柜,由配電柜 的切換作用進(jìn)行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)行控制，保證蓄電池的正常使 用.光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過負(fù)載運(yùn)行及免遭雷 擊

8、，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全使用.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由蓄電池、太陽能電池方陣、控制器、逆變器、交流配 電設(shè)備等組成如圖1所示。其各部分設(shè)備的作用是：太陽能電池方陣：在有光照（無論是太陽光，還是其它發(fā)光體產(chǎn)生的光照）情況 下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生”光生電壓”，這就是” 光生伏特效應(yīng)”。在光生伏打效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)換 成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件.蓄電池組：其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供 電.充放電控制器：是能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備.由于蓄電池的循環(huán)充 放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因

9、此能控制蓄電池組過充電 或過放電的充放電控制器是必不可少的設(shè)備。逆變器：是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備.由于太陽能電池和蓄電池是直流電源， 而負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。圖1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖開發(fā)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容及預(yù)期設(shè)計(jì)效果1MPPT控制器:主要負(fù)責(zé)檢測(cè)主回路直流電壓及輸出電流,計(jì)算出太陽能電池陣列的輸 出功率，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。如圖4所示擾動(dòng)電阻R和MOSFET串聯(lián)在一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET 的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動(dòng)。同時(shí)光伏電池的輸出 電流和輸出電壓亦隨之變化，通過測(cè)量擾動(dòng)前后光伏電池輸出功率和輸出電壓變化，決

10、定下一周期的擾動(dòng)方向，當(dāng)擾動(dòng)方向正確時(shí)太陽能光電板輸出功率增加，下一周期沿 同一方向擾動(dòng)，反之，當(dāng)擾動(dòng)方向正確時(shí)太陽能光電板輸出功率減少，下一周期朝反方 向擾動(dòng)。通過反復(fù)進(jìn)行擾動(dòng)與觀察太陽能電池板輸出達(dá)最大功率點(diǎn)。圖4 MPPT控制器2。單片機(jī)電源電路的設(shè)計(jì)由于單片機(jī)AT89S51需要+5V供電電壓，采用三端穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)電源電 路，可以提供+5 V的數(shù)字電路電源，而且電路簡(jiǎn)單。J1圖5單片機(jī)電源電路單片機(jī)及外圍電路圖6單片機(jī)及外圍電路充放電控制電路電路由防反充二極管D1、濾波電容C1、續(xù)流二極管D2、MOSFET管Q1、濾波電容 C2、MOSFET管Q1等構(gòu)成.二極管D1是為了防反充

11、，當(dāng)陰天或晚上蓄電池的電壓高于太 陽能電池的電壓時(shí)，D1就生效。通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間（即PWM一脈沖寬度 調(diào)制），就可以控制輸出電壓。所使用的MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)體 場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動(dòng)功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù) 載流子的復(fù)合時(shí)間，因而開關(guān)頻率可以很高,非常適合作控制充放電開關(guān)。設(shè)計(jì)中采用 IRF9540N P溝道MOSFET管，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth0,由下圖可以實(shí)現(xiàn)MOSFET 的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)光耦U5導(dǎo)通時(shí)，由于Q1的G極電壓很小,G極近似接地,Vgs0，當(dāng)S極電壓 達(dá)到一定值時(shí),Q1導(dǎo)通。Q2的原理類似.電路如圖7

12、。B1D1R150kQ1KC1 _100uFR350kVinRLAD1R25kAD2R45kB2Z；|Q2 K2圖8充放電電路A/D轉(zhuǎn)換電路AT89S51單片機(jī)沒有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此采集的電壓需要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才可接 入單片機(jī)。此設(shè)計(jì)采用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片TLC549（如圖7）。需要采集的信號(hào)從2 管腳AIN輸入，1管腳的基準(zhǔn)電壓使用5V，5、6、7三管腳連單片機(jī).VCCVCC-VCCREF+CLKAIN-DOREF-CSGNDTLC549J-8 7 _6 5圖9 A/D轉(zhuǎn)換電路|Ld16。電壓采集電路如圖4所示，電壓采集電路使用兩個(gè)串聯(lián)的電阻，大小比例為10:1,然后并聯(lián)在需要

13、檢測(cè)的電壓兩端，從兩個(gè)電阻中間采集電壓。由分壓公式得出采集的電壓為VrirJ/11， 當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)電壓大概為14。5V，計(jì)算出采集到的電壓為1.3V,符合A/D轉(zhuǎn)換芯 片的TLC549的輸入值.R1 AR211IH11450K5K圖10電壓采集電路3。開發(fā)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)框圖如圖7,單片機(jī)作為主控制器可通過采樣電路得到的電壓進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì) 采用光伏發(fā)電供電系統(tǒng)還是采用市電供電對(duì)地下停車場(chǎng)進(jìn)行照明。即白天由光伏電池 供電，晚上由蓄電池供電，當(dāng)蓄電池電量不足以維持供電時(shí)切換到市電供電。并且作 為控制單元控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池的最大功率點(diǎn)的跟蹤，以便充分利用太陽 能進(jìn)行光伏發(fā)電。4。設(shè)計(jì)進(jìn)

14、度安排2012年3月26日一2012年4月2日 確定論文題目；查閱相關(guān)資料；對(duì)課題有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)2012年4月2日一2012年4月26日提出初步方案，撰寫開題報(bào)告,提交開題報(bào)告2012年4月27日-2012年5月20日畫系統(tǒng)原理圖，完成調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件電路設(shè)計(jì)、完成畢業(yè)論文初稿2012年5月20日一2012年5月31日 修改論文初稿，并完成最終定稿2012年6月1日上交畢業(yè)設(shè)計(jì)電子檔，等待核查，準(zhǔn)備答辯5。參考文獻(xiàn)1遲榮強(qiáng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及接口技術(shù)M，高等教育出版社，第1-56頁。2劉文濤：?jiǎn)纹瑱C(jī)語言C51典型應(yīng)用設(shè)計(jì)M，人民郵電出版社，第1102頁3譚浩強(qiáng)：C語言程序設(shè)計(jì)M,清華大學(xué)出版社,2

15、007。11。.4沙占友：?jiǎn)纹瑱C(jī)外圍電路設(shè)計(jì)M,電子工業(yè)出版社，第153頁。5姚金生、劉小利：元器件M，北京電子工業(yè)出版社，第1-72頁.6及力、馬東升：Protel99SE原理圖與PCB設(shè)計(jì)教程M,電子工業(yè)出版社，2007。6.7邱關(guān)源：電路M,高等教育出版社，2009。7。8黃繼昌：電子元器件應(yīng)用手冊(cè)M，北京人民郵電出版社，第152頁。9何立民：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用技術(shù)選編M，北京航空航天大學(xué)出版社，第79頁。10王煜東：傳感器應(yīng)用技術(shù)M,西安電子科技大學(xué)出版社，2007。1。11李朝青：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理與接口技術(shù)，北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008。7。12沈輝，曾祖勤。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社；200513黃海宏，黃長(zhǎng)杰，王海欣著。太陽能控制器設(shè)計(jì)J。電子技術(shù)應(yīng)用,May 2006設(shè)計(jì)（研究）進(jìn)度計(jì)劃表序號(hào)起止日期計(jì)劃完成內(nèi)容實(shí)際完成情況檢查人簽名檢查日期13.264。6（2周）熟悉任務(wù)書和指導(dǎo)書，明確設(shè) 計(jì)任務(wù)；搜集設(shè)計(jì)資料；閱讀相關(guān) 文獻(xiàn)。完成 口基本完成口未完成口24。9 4.13（1周）確定設(shè)計(jì)方案.完成 口基本完成口未完成口34。16 4。20（1周）進(jìn)行方案可行性的論證，結(jié)合 設(shè)計(jì)任務(wù)的具體要求，進(jìn)行初步設(shè) 計(jì)的