太陽能光伏電池設(shè)計(jì)研發(fā)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ：實(shí)現(xiàn)串口透明的無線數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)程修改參數(shù)功能支持本地和遠(yuǎn)程軟件升級(jí)穩(wěn)定可靠：LQ8200采用的是先進(jìn)的GPRS模塊，性能穩(wěn)定可靠實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送到中心 服務(wù)器，或接收中心服務(wù)器發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，包括　TCP、UDP、FTP、SOCKET、TELNET、POPSMTP、HTTP等，適用于更全面和廣闊的應(yīng)用。高速傳輸：，速率的高低取決于移 動(dòng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，根據(jù)中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)情況，目前可提供20～40Kbps的 穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)：LQ8200上電即自動(dòng)撥號(hào)上網(wǎng)，一直在線，斷線重?fù)苓B接；按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費(fèi)用，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時(shí)，不收 費(fèi)用。應(yīng)用靈活、方便：LQ8200有TTL、RS232和RS485三種接口，用戶可根據(jù)自己的需要選擇，LQ8200只要跟用戶設(shè)備連上，插入SIM卡、接上電源即可。組網(wǎng)簡單、迅速、靈活：不依賴于運(yùn)營商交換中心的數(shù)據(jù)接口設(shè)備，通過Internet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動(dòng)數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)。動(dòng)態(tài)IP地址管理，自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備，保證虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的連接和安全性。內(nèi)置看門狗，具備異常重起。除了提供標(biāo)準(zhǔn)的通用功能外，還可根據(jù)用戶的特殊需求定制功能。：天線接口：50Ω/SMA陰頭SIM卡： 3V/抽屜式卡座接口電平：TTL、RS232和RS485電平串行數(shù)據(jù)接口波特率：1200bps～19200bps,出廠默認(rèn)設(shè)置為9600bpsGSM900/DCS1800雙頻，符合ETSI GSM　phase 2/2+ 標(biāo)準(zhǔn)GPRS:：GSM/GPRS Classe 10，編碼方案CS1CS4，符合SMG31bits技術(shù)規(guī)范TCP/IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、FTP、SOCKET、TELNET、POPSMTP、HTTP等發(fā)射功率：Class4（2W）/EGSM，Class1（1W）/DCS1800待機(jī)電流：300mA（模塊），省電模式下50Ma輸入電壓：DC 5V/工作環(huán)境溫度：20℃～+70℃ 相對(duì)濕度：5％～95％方案二：采用W3100G。W3100G，采用透明傳輸?shù)姆绞剑o用戶提供高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通道網(wǎng)絡(luò)。可以讓工業(yè)用的RS232/RS485串口通信立即轉(zhuǎn)換為GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信。主要功能：把RS232/RS485串口接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)到中心平臺(tái)。把GPRS無線網(wǎng)絡(luò)接收到的控制端數(shù)據(jù)通過RS232/RS485串口發(fā)出。綜上所述，LQ8200具有永遠(yuǎn)在線，按流量計(jì)費(fèi)的功能，應(yīng)用靈活、方便的特點(diǎn)，決定采用LQ8200無限數(shù)傳模塊。 顯示模塊本系統(tǒng)要對(duì)采樣電壓、電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，需要用到顯示器。 方案選擇方案一：采用LCD液晶顯示器。與LED比較，它的工作電流小，顯示容量大，可實(shí)現(xiàn)漢字及圖像的顯示，美觀、大方、顯示方便。在編程上，LCD有獨(dú)立的控制器及內(nèi)部存儲(chǔ)器，可以節(jié)省單片機(jī)系統(tǒng)的資源。方案二：采用LED數(shù)碼顯示管。LED所需的電流較大，但是由于所選單片機(jī)具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，不需任何其他的驅(qū)動(dòng)模塊。缺點(diǎn)是顯示的容量小；顯示需要以動(dòng)態(tài)掃描的方式實(shí)現(xiàn)，增加了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。綜上所述，選擇方案一。本方案采用LCD液晶顯示器SMG12864G2ZK。此液晶顯示模塊是12864 點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312 碼簡體中文字庫（16X16 點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8X16 點(diǎn)陣）及64X256 點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。 顯示模塊的接口電路液晶顯示接口電路如圖44所示，液晶顯示器的數(shù)據(jù)總線DB0～DB7由單片機(jī)的P6口驅(qū)動(dòng)，三腳懸空，是液晶復(fù)位引腳，接VCC。RS是數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平選擇數(shù)據(jù)端，低電平選擇命令端。RW是讀寫控制端，高電平選擇讀命令，低電平選擇寫命令。E是使能端，PSB是數(shù)據(jù)模式選擇端，高電平是并行數(shù)據(jù)模式，低電平是串行數(shù)據(jù)模式。BLA是背光源正極，BLK是背光源負(fù)極。圖44 液晶顯示器的接口電路 小結(jié)SMG12864ZK液晶顯示模塊的硬件接口有并行和串行接口數(shù)據(jù)傳輸，由于并行接口數(shù)據(jù)傳輸比串行接口數(shù)據(jù)傳輸快，接線簡單，編程容易，本模塊采用并行接口數(shù)據(jù)傳輸。 時(shí)鐘電路 方案選擇方案一：采用DSl302。Dallas半導(dǎo)體公司的DSl302涓流充電時(shí)鐘芯片是一個(gè)可編程I2C串行接口時(shí)鐘芯片，還提供31字節(jié)的非易失SRAM用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，可以通過單片機(jī)任意的I/O口作為SCL和SDA信號(hào)線。編程簡單。成本較低。缺點(diǎn)是其所設(shè)置的時(shí)間范圍比較小，掉電數(shù)據(jù)丟失。存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)的話可用超級(jí)電容或可充電電池備份系統(tǒng)的時(shí)間和日期。DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片,內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31 字節(jié)靜態(tài)RAM,通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，提供秒分時(shí)、日期、月年的信息,每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整。時(shí)鐘操作可通過AM/PM 指示，決定采用24 或12 小時(shí)格式。時(shí)鐘/RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。DS1302 工作時(shí)功耗很低,保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1mW。DS1302 是由DS1202 改進(jìn)而來,增加了以下的特性。雙電源管腳用于主電源和備份電源供應(yīng)Vcc1,為可編程涓流充電電源附加七個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)器。方案二：采用DSl2C887。DSl2C887也是美國Dallas公司的新型時(shí)鐘日歷芯片，能夠自動(dòng)產(chǎn)生世紀(jì)、年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息，其內(nèi)部又增加了世紀(jì)寄存器，從而利用硬件電路解決了“千年”問題；自帶有鋰電池，外部掉電時(shí)，其內(nèi)部時(shí)間信息還能夠保持10年之久；對(duì)于一天內(nèi)的時(shí)間記錄，有12小時(shí)制和24小時(shí)制兩種模式。由于其通信方式為總線方式，雖然速度快，但是占用了控制器太多的I/O口，并且因?yàn)锳DC使用PA口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，因此資源的使用沖突，解決這個(gè)問題只有增加一個(gè)控制器，使系統(tǒng)采用雙擊通信的方式工作，或者外部增加一個(gè)ADC芯片．當(dāng)然筆者認(rèn)為這兩個(gè)方案都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性以及成本。綜合所述，考慮我們所處的時(shí)間、本系統(tǒng)的使用壽命以及系統(tǒng)的功能要求，選擇方案一。 接口電路接口電路如圖45所示。SCLK是串行數(shù)據(jù)輸入端，是復(fù)位/片選線，當(dāng)為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中置RST 為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，并且I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc≥ 之前， 必須保持低電平。只有在SCLK 為低電平時(shí)，才能將RST 置為高電平。I/O是串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，是雙向的在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK 時(shí)鐘的上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0 開始。同樣，在緊跟8 位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK 脈沖的下降沿讀出DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0 位至高位7。圖45 時(shí)鐘芯片的接口電路 電壓采樣模塊 方案選擇在獨(dú)立的太陽能應(yīng)用產(chǎn)品中，蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)蓄電池的保護(hù)也至關(guān)重要，所以電路中必須設(shè)計(jì)有蓄電池兩端電壓的檢測電路，來檢測蓄電池電壓的大小，從而控制器有效地工作。為了保證準(zhǔn)確性，整個(gè)控制器的基準(zhǔn)零電位點(diǎn)需用蓄電池的負(fù)極。方案一：采用電壓變送器。HZDV系列直流電壓隔離變送器的初、次級(jí)之間是絕緣的，可用于測量直流電壓。方案二：電壓檢測電路主要是將蓄電池兩端的電壓進(jìn)行采集，利用2個(gè)分壓電阻來獲得采樣電壓。經(jīng)過比較，方案二簡單可行，因此選擇方案二。 電壓檢測電路1） 蓄電池電壓采樣電路蓄電池電壓檢測電路及電壓計(jì)算公式如圖46所示：圖 46 蓄電池電壓采樣電路如圖，C8051F020單片機(jī)有真正12位的8通道ADC。在很多需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的場合，為了提高AD的分辨率，往往都選擇較小的電壓作為基準(zhǔn)源，特別是采樣一些電壓值較小的模擬信號(hào)，此時(shí)C8051F020內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（）無疑是最好的選擇。本控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊就是采用的C8051F020片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，蓄電池采樣電路將采集的信息送到A/D轉(zhuǎn)換器，通過單片機(jī)的分析，判斷當(dāng)前電池的工作狀態(tài)。這里電容C28的作用是濾波。采樣電壓的計(jì)算公式 (41)2）太陽能電池電壓采樣有時(shí)候，由于太陽能電池的電壓過低而不能對(duì)蓄電池充電，所以本設(shè)計(jì)還需要檢測太陽能電池的電壓，保證蓄電池能正常充電，太陽能電池電壓采樣電路如圖47所示圖47 太陽能電池電壓采樣電路 電流采樣模塊 方案選擇方案一：采用霍爾電流傳感器。我選用的是南京托肯電子科技有限公司的TBCDS系列霍爾電流傳感器。此系列電流傳感器的初、次級(jí)之間是絕緣的，可用于測量直流、交流和脈沖電流。方案二：蓄電池電流采樣電路主要是利用小電阻進(jìn)行采樣，將小電阻兩端采樣的電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，送到單片機(jī)。 經(jīng)過比較，采用電流傳感器測量電流方便簡單，響應(yīng)時(shí)間快，可以同時(shí)測量充電和放電電流，因此選擇方案一。 采樣電路：電流采樣電路是由霍爾電流傳感器和跟隨器組成的。電流傳感器主要有+、OUT、0和i+、i五個(gè)端口，傳感器通過i+和i接入電路中，+接+5V，0接地，OUT通過兩個(gè)分壓電阻分壓，，電路圖如圖48所示。48 電流傳感器電路電流傳感器的工作原理：當(dāng)匝數(shù)為1時(shí)，初級(jí)額定電流是177。6A，177。，電流與電壓曲線圖如圖49所示。圖 49 輸出電壓初級(jí)電流 LED燈的設(shè)計(jì) LED 芯片選取及組合方式按目前市場產(chǎn)品的輸入功率進(jìn)行分類，其輸入功率為幾十個(gè)mW 的LED，稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功率小于1W 的LED，叫做功率LED；對(duì)于輸入功率等于1W或大于1W 的LED，則叫做W 級(jí)功率（大功率）LED。目前大功率比較常見的有1W、3W、5W、8W、10W。已大批量應(yīng)用的有1W 和3W LED，其正朝著大電流（300mA～）、高效率（60～120lm/W）、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。LED 路燈采用單顆功率大于1 瓦以上的LED 芯片，將多個(gè)芯片集成于印刷電路板上排列為一定間距的點(diǎn)陣作為平面發(fā)光源，組合成一個(gè)大功率LED 單體模塊，裝入路燈燈具中，藉由提高芯片面積來增加發(fā)光量。在本課題中選用美國CREE 公司的3W 白光LED 芯片，其特點(diǎn)：當(dāng)芯片工作電流700 mA 時(shí)，光通量最高可達(dá)160 lm，色溫：5000K10000K。半功率視角為75 度。工作溫度：40℃ ~ +85℃。溫升每W升8℃；最高結(jié)溫145℃。最高額定工作電流700mA，最高脈沖電流(在1 kHz， 10%占空比條件下) A ，防靜電＞20000V，50000 個(gè)小時(shí)后光衰低于30%。常用的LED 組合方式有3 種：并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)。并聯(lián)方式：要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流，負(fù)載電壓較低。分配在所有LED 兩端電壓相同，當(dāng)LED 的一致性差別較大時(shí)，而通過每顆LED 的電流不一致，LED 的亮度也不同。串聯(lián)方式：要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。當(dāng)LED 的一致性差別較大時(shí)，分配在不同的LED 兩端電壓不同，通過每顆LED 的電流相同，LED 的基本亮度一致。混聯(lián)方式：在需要使用比較多LED 時(shí)，如果將所有LED 串聯(lián)，將需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。如果將所有LED 并聯(lián)，則需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流。將所有LED 串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED 的使用量，而且并聯(lián)LED 負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)大增。混聯(lián)方式的LED 數(shù)量平均分配，分配在一串LED 上的電壓相同，通過同一串每顆LED 上的電流也基本相同，LED 亮度一致。同時(shí)通過每串LED 的電流也相近。通過以上分析，大功率白光LED 應(yīng)用于照明領(lǐng)域，由于LED 的電流、電壓參數(shù)具有典型的PN 結(jié)伏安特性，如圖410所示。伏安特性的表達(dá)式: （42）式中：—通過PN結(jié)的電流—PN結(jié)兩端的外加電壓—溫度的電壓當(dāng)量—自然對(duì)數(shù)的底—反向飽和電流圖410 PN結(jié)的伏安特性曲線所以，其正向壓降的微小變化會(huì)引起較大的正向電流變化。不穩(wěn)定的工作電流會(huì)影響LED 的壽命和光衰。電流過強(qiáng)會(huì)引起LED 的衰減，電流過弱會(huì)影響LED 的發(fā)光強(qiáng)度，所以大功率LED 的亮度完全是由電流控制,驅(qū)動(dòng)電路必須提供恒定的電流。在本課題中，由于選用的是美國CREE 公司的3W 白光LED，當(dāng)芯片工作電流700 mA時(shí)，光通量最高可達(dá)160 lm。符合城市道路照明的照度要求，同時(shí)我們選用的PAM2842驅(qū)動(dòng)芯片符合驅(qū)動(dòng)串聯(lián)白光LED 的要求，所以采取10 個(gè)3W 白光LED的串聯(lián)來組合成路燈光源。 LED驅(qū)動(dòng)的選取：驅(qū)動(dòng)器可以看作是向白光LED 供電的特殊電源，它可以根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)串聯(lián)、并聯(lián)、或串并聯(lián)的多個(gè)白光LED。白光LED 驅(qū)動(dòng)器有兩種方式：電荷泵式驅(qū)動(dòng)器和電感式驅(qū)動(dòng)器。電荷泵驅(qū)動(dòng)器利用泵電容將電能從輸入端傳到輸出端，不需要電感，具有體積小，實(shí)際簡單優(yōu)點(diǎn)，選擇零件時(shí)通常只需根據(jù)元件規(guī)格從中挑選適當(dāng)?shù)碾娙荨ｋ姾杀檬津?qū)動(dòng)器的主要缺點(diǎn)是：它只能提供有限的輸出電壓范圍，絕大多數(shù)電荷泵驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓最多只能達(dá)到輸入電壓的兩倍，這表示輸出電壓不可能高于輸入電壓的兩倍，若想驅(qū)動(dòng)一個(gè)以上的白光LED，則必須采用白光LED 并聯(lián)的方式，而采用利用輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓的電荷泵式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多顆白光LED 時(shí)，必須使用限流電阻來防止電流分配不平均，但這些限流電阻將會(huì)降低電池的使用效率。電感式驅(qū)動(dòng)器體積小、效率高，適合為絕大多數(shù)便攜式電子設(shè)備提供更長的電池使用時(shí)間。但是由于大多數(shù)電感式解決方案都是采用升壓轉(zhuǎn)換器，所以它們最多