毕业论文-风光互补发电LED路灯控制装置设计.doc

五邑大学本科毕业设计

摘 要
离网风光互补发电技术是一种崭新的能源技术，随着其技术的不断成熟，涉及的应用领域越来越广泛。如独立运行于无电地区的集中风光补供系统和用户风光互补发电系统，广泛应用于电网无法覆盖的边远山区、牧区及通信基站、气象站、高速公路和铁路，用于森林防火等的监测站、部队边防哨所、航标灯、油电等。
本文介绍的风光互补发电LED路灯控制装置设计主要由三部分组成。第一，基于LM2567-ADJ稳压芯片的小功率风光互补发电的硬件设计；第二，以NE555为核心的铅酸蓄电池充电电路的设计；第三，基于STC12C5A60S2单片机的LED路灯控制装置。系统采用分模块方式来实现，更好实现电路的调试和改进。

关键词 风光发电；铅酸蓄电池充电；NE555；STC12C5A60S2；LED路灯控制
Abstract
From the nets wind-light complementary technology is a new energy technology, with its technology continues to mature, involves the application field of more and more widely. Such as independent operation in the area with no electric power for the concentration of scenery for system and user wind-light complementary system, widely used in power grid can't cover the remote mountainous areas and pastoral areas and communication stations, weather station, highway and railway, used in forest fire prevention of monitoring stations, army border posts, wonder of the world, oil electricity, etc.
This paper introduces wind-light complementary LED street light control device design mainly consists of three parts. Firstly, basing on the chip named LM2567-ADJ small power wind-light complementary hardware design. Secondly, to NE555 as the core of the lead-acid battery charging circuit design. Thirdly, based on the MCU-STC12C5A60S2 control LED street light. The points system module ways, better realize the commissioning and improve the circuit.

Keywords Wind-light complementary Lead-acid battery charge NE555 STC12C5A60S2 LED street light control
目 录

摘 要 I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 发展概况 1
1.3 本文主要研究的内容 2
1.4课题的实现 2
第2章 系统方案论证 3
2.1 方案的比较与论证 3
2.1.1风光发电系统 3
2.1.2蓄电池的选用及充电控制 5
2.1.3 LED路灯的控制 6
2.2理论计算 7
2.2.1蓄电池容量的计算 7
2.2.2风力发电机与太阳能电池组件的功率分配计算 8
2.3本章小结 9
第3章 风光互补发电LED路灯控制器硬件设计 10
3.1风光发电模块 10
3.2铅酸蓄电池充电模块 12
3.3 LED路灯控制模块 15
3.3本章小结 18
第4章 风光互补发电LED路灯控制器软件设计 19
4.1主程序设计 19
4.2 A/D转换子程序 20
4.3 PWM输出子程序 20
4.4本章小结 21

结 论 22
参考文献 23
致 谢 24
附录1 25
附录2 26

III

五邑大学本科毕业设计

第1章 绪论
1.1 课题背景
随着生活水平的不断提高，人们对能源的使用依赖性越来越大，煤矿类等不可再生资源将逐渐减少。为此，利用可再生资源来满足人类对能源使用的需求已受到世界各国的普遍重视。可再生资源主要包括太阳能、风能、潮汐能等等。本课题将以风光发电的技术以及对蓄电池充放电点的管理应用到日常生活中的路灯控制中。
1.2 发展概况
1981年，丹麦的N. E. Busch和K. llenbach提出了太阳能和风能混合利用的技术问题。最初的风光互补发电系统只是将风力机和光伏组件进行简单的组合。随后美国的C. I. Aspliden研究了太阳能、风能混合转换系统的气象问题；前苏联的N. Aksarni等人根据概率原理，统计出近似的太阳能、风能潜力的估计值，为风光互补发电系统的研究和利用提供了科学的数据支持；1982年，我国的余华扬等提出了太阳能、风能发电机的能量转换装置，风光互补发电系统的研究从此进入实际利用阶段。
随着风光互补发电系统研究的深入，产生了一批初步的研究成果。在软件方面的开发， 主要有西班牙Zaragoza大学的Rodolfo Dufo Lopez等人用C++语言开发了一套用于风光、光柴油机等互补发电系统的基于遗传算法的优化系统。Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory（美国可再生能源实验室）合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的混合发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得1年8760 h的模拟运行结果。
近年来，国内外对风光互补发电系统的研究主要集中在系统的优化设计和合理配置方面。在国外，加拿大Saskatchewan大学的Rajesh Karki等人研究了独立小型风光发电系统的成本及可靠性，得出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是降低发电成本、提高系统可靠性的重要途径，并指出互补发电系统扩容的可行性。在国内，香港理工大学同中科院广州能源所、半导体研究所合作提出了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。该方法采用了更精确地表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置。另外，合肥工业大学能源研究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型，用户可以重构多种结构的风光复合发电系统并进行计算机仿真计算，从而能够预测系统的性能、控制策略的合理性以及系统运行的效率等。华南理工大学设计了新型无刷双馈发电机，并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输。
1.3 本文主要研究的内容
风能和太阳能发电是取之不尽，用之不竭的可再生能源，风力发电（风电）和太阳能发电（光电）系统在我国已得到初步的应用，这两种发电方式各有其优点。但风电和光电分别在无风和阴雨气候条件下无法保证电能的连续供应，对于无电网的边远而言，单独使用风电或光电配备相当大的储能设备。根据太阳能和风能的时间分布规律，从自然资源利用时间最大的角度出发，通过太阳能电池、风力发电机和蓄电池的有效组合，可以有效解决单一发电的不连续问题，保证基本稳定的供电。
随着科学技术的迅速发展，人们对于便利的智能系统需求越来越广泛。例如，对于日常生活中道路两旁的路灯管理系统就必须智能化了。由于路灯的工作时间大多是处于晚上的，而人们一般不会用晚上仅少的休息时间去管理路灯的亮度。因此，路灯亮度的智能控制就显得十分重要了。
1.4课题的实现
综合到经费的问题，本次课题研究的装置是基于小功率的系统，主要由风光发电、蓄电池充电、LED路灯控制三部分组成。其中风光发电部分采用集成IC芯片LM2567-ADJ来稳定电压的输出，蓄电池的充电管理由NE555通过滞回比较来实现恒压限流充电，最后采用带10位A/D转换的单片机STC12C5A60S2来控制LED的亮度。
第2章 系统方案论证
2.1 方案的比较与论证
2.1.1风光发电系统
风力发电机和太阳能电池板构成风-电、光-电发电部分，发电部分输出的电能通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池自动充电的工作，蓄电池储存的电能为负载供电。
目前光伏（PV）系统中使用的太阳能电池多为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜太阳能电池。由于单晶硅的效率比较高，因此选用其来进行发电。太阳能电池板于4点15分左右的光照强度下不同负载时负载两端的电压以及回路电流的大小见表2-1。
表2-1相同光强不同负载时的电流电压值
2012年3月2日下午4点15分左右的光照强度下
电压U(V)
0
1
2.3
3.5
4.2
6
8
10
12
13
16.8
电流I(mA)
42
42
42
42
42
42
42
42
41.5
41.2
37.7
电压U(V)
19
19
19
19
19
19
19
19
19.5
19.6
19.7
电流I(mA)
31
26
23
20
18
15
12
9
6.7
4.35
3.86

其显示的伏安特性曲线如图2-1所示，它具有强烈的非线性。
图 2-1 太阳能电池伏安特性曲线
太阳能电池输出的最大功率就是它的额定功率。图2-2中光照强度由KW/m2的值决定，曲线的拐弯处附近就是其最大功率的位置，即为“最大功率点”。最大功率跟踪（MPPT）的目的是将PV组件的最大直流电能及时的尽可能地提供给负载，通过调节负载阻抗大小的方式来达到最大功率输出是很难实现的。其实，MPPT的实现实际上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使阵列动态地工作在最大功率点上。要实现MPPT功能，不同的控制算法效果差别很大，如常用的算法有：恒定电压跟踪法、扰动观察法、功率回授、增量电导法等[1-3]。

图 2-2 不同光照下太阳能电池P-U特性曲线
（1） 恒定电压跟踪法（CVT）
由图2-2所示，在日照强度较高时，各曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧，这说明了阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即人们只需从生产商处获得最大功率点输出对应的电压数据，并时阵列的输出电压钳位于VPmax（虚线B与图中曲线的交点）值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。CVT控制的有点：控制简单，容易实现，可靠性高；系统不会出现震荡，又很少的稳定性；可以方便地通过硬件实现。
（2） 扰动观察法
扰动观察法是目前实现最大功率跟踪常用的方法之一。其原理是每隔一段时间增加或者减少光伏电池的电压，观测增加或减少后输出功率的变化情况，如果增加电压后功率也增加则继续增加电压，若减小电压后功率增加，则继续减小电压。这种方法控制比较简单， 但是只适合于那些光照强度变化很缓慢的场合，当外部环境变化较快时，此法则会损失较大功率，很可能发生误判，且最大功率点有小范围的振荡。还有一种基于占空比的扰动观察：光伏阵列和负载间一般采用PWM变换器进行能量流动与转换，在此种结构中采用占空比为控制变量。
（3） 增量电导法
电导增量法也是最大功率跟踪的常用方法。由图2-2可以看出，阵列在最大功率点处功率对电压的斜率近似为0，也即dP/dV=0，而P=IV，那么dP/dV=I+V(dI/dV)=0，也即dI/dV=-I/V。也就是说要使输出功率最大，必须使阵列的电导变化率等于负的电导值。此法控制精确，响应速度较快，适用于大气条件变化较快的场合。
在DC/DC变换电路中，一般为BUCK型或BOOST型电路，要求有较高的转换效率，在85%或90%以上，但小功率的DC/DC电路其效率比较低，仅有60%～75%。因此，具有MPPT功能的控制器在50W以下PV系统中优势不不明显，很少采用，而主要应用在比较大的系统中[4]。本课题太阳能电池板的额定功率属于低功率组件，所以不采用BUCK型或BOOST型电路，而选用效率为75%~90%的集成开关电源芯片来完成DC/DC变换。
在风力发电机中，目前已采用的发电机有三种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转换为风轮的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。本课题选用直流发电机作为风光互补发电的电能来源，原因是省略了AC/DC转换这一部分，节省了资源。由于低转速风力发电机的成本较高，而且不便于进行实验的测试，因此使用直流稳压源模拟风力发电机输出的功率。假定风速恒定不变，那么风力发电机的输出功率将保持不变。由于风力发电机在实际中电压非常不稳定的，根据小功率直流型风力电机的电压电流特性，风力发电机的设计应采用宽频电压输入，窄宽度的电压输出。因此选用集成开关电源功能的芯片来实现电压的稳定输出。
2.1.2蓄电池的选用及充电控制
所谓蓄电池即是贮存化学能量，与必要时放出电能的一种电气化学设备。蓄电池通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。铅酸蓄电池产品主要有下列几种。起动型蓄电池：主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明；固定型蓄电池：主要应用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源；牵引型蓄电池：主要应用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源；铁路用蓄电池：主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力；储能用蓄电池：主要用于风力、太阳能等发电用电能储存。对于发电用电能的储存，我们选择储能用的铅酸蓄电池。
新的蓄电池投入使用后，必须定期地进行充电和放电。充电的目的是使蓄电池贮存电能及时地恢复容量，以满足用电设备的需要。放电的目的是及时地检验蓄电池容量参数，及促进电极活性物质的活化反应。蓄电池充电和放电状况的好坏，将直接影响到蓄电池的电性能及使用寿命。目前对蓄电池充电的方法很多，选择科学合理的充电方法将会大大提高蓄电池的维护效果。
蓄电池常用的充电方法有以下三种:
（1）恒定电流充电法
在充电过程中充电电流始终保持不变，叫做恒定电流充电法，简称恒流充电法或等流充电法。在充电过程中由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程必须逐渐升高电源电压，以维持充电电流始终不变，这对于充电设备的自动化程度要求较高，一般简陋的充电设备是不能满足恒流充电要求的。恒流充电法，在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就可以缩短。若从时间上考虑，采用此法有利的。但在充电后期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用于电解水上，电解液出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且容易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废。所以，这种充电方法很少采用。
（2）恒定电压充电法
在充电过程中，充电电压始终保持不变，叫做恒定电压充电法，简称恒压充电法或等压充电法。由于恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在充电开始时充电电流相当大，大大超过正常充电电流值。但随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。当蓄电池端电压和充电电压相等时，充电电流减至最小甚至为零。由此可见，采用恒压充电法的优点在于，可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。但其缺点是，在刚开始充电时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。而在充电后期充电电流又过小，使极板深处的活性物质得不到充电反应，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命。所以这种充电方法一般只适用于无配电设备或充电设备较简陋的特殊场合。
（3）阶段等流充电法
综合恒流和恒压充电法的特点，蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改用较小的电流，至充电后期改用更小的电流，即不同阶段内以不同的电流进行恒流充电的方法，叫做阶段恒流充电法。阶段恒流充电法，一般可分为两个阶段进行，也可分为多个阶段进行。
阶段等流充电法所需充电时间短，充电效果也好。由于充电后期改用较小电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲刷，减少了活性物质的脱落。这种充电法能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电又彻底，所以是当前常用的一种充电方法。一般蓄电池第一阶段以10h率电流进行充电，第二阶段以20h率电流进行充电。各阶段充电时间的长短，各种蓄电池的具体要求和标准不一样。
本课题使用的是恒压限流的充电方法完成对蓄电池的充电。由于风光发电系统中一般是无配电设备的，为了更方便地管理蓄电池的充电，选用限流的充电方法可以减少电能的损失，从而提高能源的利用率。
2.1.3 LED路灯的控制
对于LED路灯的控制部分，其供电来源是蓄电池。因此，降低电路中功耗的损失是必须要考虑的问题。为了实现对LED路灯的智能控制，选用光电式传感器光敏电阻来测量光强，当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大；当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少[5]。对光敏电阻两端的电压进行实时的采样，然后根据光强来调节LED路灯的亮度，有效地减少功率的损耗。
LED的调光原理有三种，第一种，脉冲宽度调制调光（Pulse Width Modulation，简称PWM），其原理是将电源方波数位化，并控制方波的占空比，从而达到控制电流的目的。第二种，恒流电源调控，主要是用模拟线性技术轻易调整电流的大小，从而改变灯的亮度。第三种，分组调控，将多颗LED分组，用简单的分组器调控。
目前，针对光度控制方面，主要的两种解决方案为线性调节LED的电流（模拟调光）或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间来回切换（数字调光）。利用脉冲宽度调变来设定循环和工作周期可能是实现数字电光的最简单的方法，原因是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。因此本课题选用PWM技术实现LED路灯的智能调光控制。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
在采样光敏电阻两端电压中，选用独立的模数（A/D）转换芯片以及单片机（MCU）处理数字输出PWM的话需要接光耦进行隔离来消除干扰，使电路变得更加复杂。所以对于电压的采样以及PWM的输出调节，使用内置10位的A/D转换器以及带PWM输出的MCU同时实现两个功能，不仅减少元器件的数量，而且大大减少干扰，在一定程度上减少功耗。
2.2理论计算
2.2.1蓄电池容量的计算
风光互补发电系统采用的储能装置是蓄电池。与太阳能电池方阵、风力发电机配套的蓄电池通常工作在浮充电压状态下，其电压随太阳能电池组件发电量、风力发电机发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。离网风光互补发电系统必须配备蓄电池才能工作，基于如下原因。
（1）太阳能电池组件和风力发电机只有在日照辐射和风速大于风力发电机启动风速时才能进行光/电和风/电转换。如果要在太阳能电池组件和风力发电不能进行光/电和风/电转换期间为用电负载提供电能，离网风光互补发电系统必须配备蓄电池，而蓄电池必须储备当地连续几个阴雨与低于风力发电机启动风速天数差值期间的用电负载所需的电能。
（2）太阳能电池组件和风力发电机输出的电能极为不稳定，配备蓄电池后，用电负载才能稳定正常工作。
关于蓄电池及供电负载的匹配
蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。其容量由下列因素决定。
（1）蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。
（2）蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定电容的80%。
（3）蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电造成蓄电池失水。选择的蓄电池容量大于太阳能电池组、风力发电机发电峰值电流和的25倍。
计算蓄电池容量的基本步骤如下。
（1）将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况给定的自给天数就可以初步得到蓄电池的容量。
（2）将计算得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度（因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度）得到所需的蓄电池容量。最大放电深度的选择由厂商给定，一般有80%放电深度（DOD）和50%DOD。设计中蓄电池容量的基本公式为
=24()/() (2-1)
式中为日平均耗电量；为自给天数；为安全系数；为工作电压。
=/ (2-2)
式中为安全系数，取1.1~1.4；为日耗电量，即工作电流乘以日工作小时数；为温度系数，0℃以上为1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；为放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。
=(+1) (2-3)
为日平均耗电量；为自给天数。式(2-1)一般用于24h工作的负载，式(2-2)一般用于风光互补发电站，式(2-3)一般用于估算。
根据本课题的设计要求，模拟装置中LED路灯的平均耗电量为10W·h（工作5小时功耗2W）左右。由式(2-3)得到蓄电池容量BC=10*(1/8+1)=11.25W·h。于是选定12V1.2Ah即容量为14.4 W·h的铅酸蓄电池作为储能设备，根据市面上所提供的蓄电池种类，只需一个蓄电池就足以满足要求。
2.2.2风力发电机与太阳能电池组件的功率分配计算
例如，风力发电机选用50~200W系列的产品，太阳能电池组件选用3~120W非晶硅系列，其转换效率取6%，寿命20年。蓄电池选用铅酸蓄电池，寿命为3~5年，放电率30%。根据资料对当地风力发电机与太阳能电池组件的年发电量及二者互补的发电量进行预算，根据负载要求，选择可能的发电模式，设负载功率130W，每天工作5h，每年需要240kW·h。可以选择100W风力发电机单独发电，或者两组100W太阳能电池组件并联单独发电，或者50W风力发电机加一组50W太阳能电池板组件互补发电。
由于太阳能电池板的价格较贵，目前风光互补发电系统中风电与光电的匹配比例一般为3:1左右。发电系统中各部分容量配置应考虑的几方面因素。
1、用电负荷的特征及设备日用电计算
发电系统是为满足用户的用电要求而设计的。用电负荷日用电量按下式计算
= (2-4)
式中，为用电负荷日用电量；为用电设备额定功率；为日用电小时数。
系统的总用电量按下式计算
= (2-5)
式中为系统负荷最大用电量（kW·h）；为每种相同设备的额定功率（kW）；为具有相同额定功率的设备的数量；为该类设备的日平均使用时间（h）；为1，2，…，n个不同的设备数量。
2、太阳能和风能的资源状况及发电能力的测算
依据太阳能和风能的资源状况选择太阳能电池组件和风力发电机容量，一般是在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，而日平均量则是风力发电机和太阳能组件的发电能力及当地风光资源状况决定的。
=+ (2-6)
式中，为风力发电机组的日平均发电量；为太阳能电池组件的日平均发电量。
（1）太阳能电池方阵发电能力估算。影响太阳能电池组件发电能力的因素很多，如温度、日照强度、阴影、晶体结构以及负载阻抗等。为了计算方便，可采用下述简易方式进行估算。
太阳能电池方阵提供给系统的电量用下式计算
=(0.78~0.9) (2-7)
式中，为日平均发电量，为太阳能电池组件峰值功率；当地峰值日照时间数。
（2）风力发电机组供电能力的测算方法。在文中2.1.1风光发电系统研究部分已经讲述了风力发电机的电能部分由直流稳压电流源替换，因此对于风力发电机的实际电能计算就不在讨论了。
3、风力发电机组功率与太阳能电池组件功率的匹配设计
（1）匹配结果应使发电量最低月的日平均发电量Q大于或等于系统总用电量。
（2）风力发电机组功率与太阳能电池组件功率按3:7~7:3的范围进行匹配设计。
（3）以风电、太阳能分别单独作为用户提供日最低用电量估算风力发电机组与太阳能电池组件的功率。
综合上面的讨论，根据2.2.1蓄电池容量的计算中关于蓄电池及供电负载的匹配的第（3）点可知，太阳能电池组、风力发电机发电峰值电流和Im14.4/25，即Im576mA。由于LED路灯的平均耗电量为10W·h，当日照时间为4小时（中午12点左右至下午4点左右）选定太阳能电池板的额定功率为1.5W，太阳能日平均发电量6 W·h，其开路电压为20V，短路电流为75mA；代替风力发电机的直流电源的输出功率选定为4W，工作时间1.5h左右，对应于风力发电机输出电压不稳定的情况，电压范围设定为20V~30V。
2.3本章小结
本章通过对风光互补发电系统中效率转换问题的研究，采用了带集成开关电源功能的芯片来设计供电电源，对于铅酸蓄电池的充电采用安全可靠的恒压限流法，利用目前成熟的PWM技术来进行LED路灯调光，更加有效地实现智能控制。对于蓄电池容量的计算以及发电系统功率的匹配设计，由于本课题所设计的装置仅仅是实现模拟的功能，因此在理论计算方面的误差可能比较大，但是对于模拟装置的影响不大。
第3章 风光互补发电LED路灯控制器硬件设计
本课题设计的硬件电路主要包括风光发电电源电路、蓄电池充电电路和单片机控制LED路灯电路三部分，如图3-1所示。风光发电系统中采用稳压芯片LM2567-ADJ输出稳定的电压。蓄电池充电电路主要是由NE555组成的“滞回比较器”。LED路灯控制部分选用的单片机是带10位A/D转换以及PWM输出的STC12C5A60S2，LED驱动电路由带PWM调光功能的驱动芯片PT4115组成。
太阳能发电
风力发电

铅酸蓄电池充电以及欠压保护
单片机
STC12C5A60S2
控制LED灯亮度

图3-1 系统设计框图
3.1风光发电模块
本模块硬件电路的实现主要芯片是LM2576-ADJ。LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供压降开关稳压电源（BUCK）的各种功能，这些器件的固定输出电压有3.3V，5V，12V，15V，还有可调输出的型号。
这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减到最少，使用简单。已经优化可和LM2576一起使用的标准系列电感由好几个不同的电感生成商提供。次特征大大简化了开关电源的设计。其他特征包括：在指定输入电压和输出条件下保证输出电压的±4%误差，以及振荡器频率的±10%误差。还包括外部的关断电路，特征有50µA（典型值）待机电流。输出开关包括逐周限流，以及在故障状态下提供完全保护的热关断功能。应用范围：简单高效的压降（BUCK）稳压器，线性稳压器的高效预稳压器，卡上开关稳压器，正到负的变换器（BUCK-BOOST），负升压变换器，为电池充电器做电源，与National Semi, On Semi的LM2576完全互换。LM2576-ADJ 的内部结构如图3-1所示（其中R1 = 开路 ，R2 = 0）。
1、LM2576-ADJ的管脚
（1）VIN—输入电压端，最高输入电压：LM2576系列的输入范围是1.23～37V，LM2576HV系列的输入电压范围是1.23～60V，为减小输入瞬态电压和给调节器提供开关电流，此管脚应接旁路电容CIN。
（2）OUTPUT—稳压输出端，输出高电压为（VIN－VSAT），输出低电压为-0.5V。
（3）GND—电路地；
（4）FEEDBACK—反馈端；
（5）ON(——)/OFF—控制端，高电平有效，待机静态电流仅为50µA。
图 3-1 LM2576-ADJ 的内部结构
2、外围元件的选择：
（1） 输入电容CIN
要选低ESR（Equivalent Series Resistance，译为“等效串联电阻”）的铝或钽电容作为旁路电容，防止在输入端出现大的瞬态电压。还有，当你的输入电压波动较大，输出电流有较高，容量一定要选用大些，470μF--10000μF都是可行的选择；电容的电流均方根值至少要为直流负载电流的1/2；基于安全考虑，电容的额定耐压值要为最大输入电压的1.5倍。千万不要选用瓷片电容，会造成严重的噪声干扰，Nichicon的铝电解电容不错。
（2） 续流二极管
首选肖特基二极管，因为此类二极管开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短。
（3） 储能电感
要求有高的通流量和对应的电感值，电感的直流通流量直接影响输出电流。LM2576-ADJ既可工作于连续型也可非连续型，流过电感的电流若是连续的为连续型，电感电流在一个开关周期内降到零为非连续型。
（4） 输出端电容COUT
使用1μF~470μF之间的低ESR的钽电容。若电容值太大，会在某些情况（负载开路、输入端断开）对器件造成损害。COUT用来输出滤波以及提高环路的稳定性。如果电容的ESR太小，就有可能使反馈环路不稳定，导致输出端振荡。
因此，在DC/DC变换电路中，采用开关稳压集成芯片LM2576-ADJ调节电压的稳定输出。电路原理图的设计如图3-2所示，电路的输出电压Vout与R3（R4）和R1（R2）的关系如下：Vout=1.23×（1+R3（R4）/R1（R2））。
图 3-2 风光互补发电系统中的电源原理图
3.2铅酸蓄电池充电模块
对于蓄电池的充电采用恒压限流法，主要由NE555定时器完成“滞回比较器”的设计，同时用TL431设定阀值电压来对蓄电池进行欠压（过放）保护。
555定时器是一种兼容模拟和数字电路于同一硅片的混合中规模集成电路。只需添加有限的外围元器件，就可以极其方便地构成许多实用的电子电路。本课题选用的NE555定时器的内部结构如图3-3所示。
NE555各引脚的详细介绍如下。
Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于VCC，下缘须低于VCC 。
Pin 3（输出）当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比电源电压少 1.7 V的高电位。周期的结束输出回到0V左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
Pin 4（重置）一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin 5（控制）这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当定时器在稳定或振荡的运作方式下，此输入能用来改变或调整输出频率。
Pin 6（重置锁定）Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从VCC 电压以下移至VCC 以上时启动这个动作。
Pin 7（放电）这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当Pin 3输出高电平时为低电平，对地为低阻抗；当Pin 3输出为低电平时为高电平，对地为高阻抗。
Pin 8（V +）这是555定时器IC的正电源电压端。电源电压范围是4.5V~18V。
图3-3 NE555内部结构
NE555的电源电压由三端固定式集成稳压器LM7812实现稳定12V的输入。电源电路如图3-4所示。
图3-4 12V稳压电路
电路核心是NE555时基电路，如图3-5所示。当电瓶为欠压状态(如10V)时，取样电路输出的电压低于NE555组成“滞回比较器”的下限。此时，NE555的Pin 3脚输出高电平，三极管S8050导通，继电器吸合(与电阻R205连接)，电源经R205向蓄电池充电；经过一段时间，蓄电池的电压随充电过程逐渐升高，当高于预先设定的电压值(如13.7V)时，取样电路输出的电压高于NE555组成“滞回比较器”的上限。此时，NE555的Pin 3脚输出低电平，三极管S8050截止，继电器释放(与LED203连接)，电源经电阻R203和LED203向电瓶提供微弱的补充电流，此时LED203发亮。若蓄电池放电，则当蓄电池电压再次低于所设定的下限时，电路才再次翻转为充电状态。因此，在过程中存在一个回差，这正是“滞回”的意思。在电瓶电压经取样后处于滞回上、下限时，无论电路处于何种，按下 S201，电路都会强制转为充电状态；按下S202，则强制退出充电。这一功能对应急补充电和闲时节能都很非常有意义。根据工作原理可知：当LED202点亮时，表示蓄电池正在充电；当LED202熄灭而LED201和LED203点亮时，则表示蓄电池处于正常荷电。根据LED203的亮度还可以判断蓄电池剩余电量的多少。
图3-5 蓄电池充电电路
蓄电池的欠压保护电路主要由基准芯片TL431以及12V继电器组成。TL431的代表性框图如图3-5所示。
图3-5 TL431内部结构
根据欠压保护的要求，设定好欠压保护的动作阈值VTH。由电阻R1和R2对VTH分压，使R2上分得的电压值刚好等于2.5V，电路设计就完成，如图3-6所示。因为TL431参考（R）端的输入电流仅有2μA。所以该电流对分压电路几乎不产生影响。为了避免蓄电池过放，欠压保护的期望动作阈值VTH设定在9.6V，可选R2为1k电阻，R1为2.8k电阻。这样，R2上的分压值为VR2=VTH[R2/(R1+R2)]=9.6V*(1k/3.8k)=2.5V。
当电源电压大于9.6V时，R2上分得的电压VR2大于2.5V，电压比较器的输出端为高电平，输出晶体管导通，图3-6中的继电器K1的线圈有足够大的驱动电流，其触点闭合，输出端由电源供应。当电源电压低于9.6V时，R2上分得的电压VR2小于2.5V，电压比较器的输出端为低电平，输出晶体管截止，继电器K1线圈的电流骤减，不足以维持其吸合，所以触点断开，实现了欠压保护。
TL431允许通过的最大电流是100mA。最高工作电压为37V，可以满足大部分中小型继电器的驱动要求。

图3-6 欠压保护
3.3 LED路灯控制模块
本模块电路的控制核心是带10位A/D转换和PWM输出的51系列单片机STC12C5A60S2，其原理是对光敏电阻两端的电压采样后送往单片机的3脚（