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1、 光伏交通指示牌设计摘 要 本文设计了一种具有时控和光控相结合的光伏交通指示牌控制器，利用单片机STC12C2051和时钟芯片DS1302控制交通指示牌照明时间，利用低功耗的数据存储器24C02存储交通指示牌点亮和熄灭时间，利用光敏电阻实现光电控制。傍晚光线暗时控制器自动接通交通指示牌电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭交通指示牌，早上再自动接通电源点亮交通指示牌、天亮后自动关断。文中详细分析了控制器的电路组成和工作原理，简述了控制器的调试过程。光伏交通指示牌由光伏电池、蓄电池、高亮度LED, 控制器等部件组成，减少噪声污染：光伏交通指示牌运动部件很少，基本没有噪声。关键词：光伏电池；LED；
2、铅酸蓄电池；时控、光控电路；充放电控制器AbstractIn this paper, a photovoltaic traffic indicator controller with a combination of time control and light control is designed. The lighting time of the traffic indicator is controlled by single-chip microcomputer STC12C2051 and clock chip DS1302. The lighting time of the tr
3、affic indicator is stored by low-power data storage 24C02. When the light is dark in the evening, the controller will automatically switch on the power of the traffic sign. When pedestrians are young at night, they will turn off the traffic sign according to the set time. In the morning, the control
4、ler will turn on the power automatically and light up the traffic sign. The circuit composition and working principle of the controller are analyzed in detail.Photovoltaic traffic signs are composed of photovoltaic cells, batteries, high-brightness leds, controllers and other components to reduce no
5、ise pollution: photovoltaic traffic signs have few moving parts and almost no noise.Key words: photovoltaic cell; The LED; Lead acid battery; Time control, light control circuit; Charge discharge controller目录1引言32 方案论证32.1 设计要求32.2 方案选择33 系统总体框图44 系统硬件设计44.1 电源电路44.2 光伏电池板组件54.3 蓄电池64.4 照明负载64.5 蓄电池
6、和光伏板的选用84.6 显示电路94.7 过充、过放控制电路94.8 DS1302的结构及工作原理104.9 存储器AT24C02简介115 系统软件设计121，引言面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。利用光伏发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是光伏电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发
7、利用光伏是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。与传统的照明工具相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上光伏灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后。随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命6。光伏道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等
8、任何地方。道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED交通指示牌逐渐走入人们的视野。2 方案论证2.1 设计要求（1）电池板功率的计算和选用；（2）蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；（3）连续阴雨天三天交通指示牌仍能照明；(4）光线暗时交通指示牌自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点交通指示牌点亮，早上光线强时交通指示牌自动熄灭（开关灯时间点可调）；（5）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。2.2 方案选择光伏交通指示牌跟普通交通指示牌控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制
9、器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启交通指示牌；早上光线较强时，自动关闭交通指示牌，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作1。交通指示牌的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品
10、上市。本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现光伏交通指示牌的设计。3 系统总体框图光伏电池板充放电控制器蓄 电 屏交通指示牌控制处理器LED交通指示牌负载图1 总体电路方框图光伏LED交通指示牌在白天通过光伏电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经交通指示牌控制处理器控制，点亮LED灯用于交通指示牌照明。 根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，光伏电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电
11、路。系统总体方框图如图1所示。由光伏电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。4 系统硬件设计4.1 电源电路 电源电路如图2所示。系统光伏供电，24V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C2、C3作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C1、C4为滤波电容。图2 电源电路4.2 光伏电池板组件在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是光伏发电。光伏发电主要有光伏热发电和光伏光发电两种基本方式。(1)
12、光伏热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：一类是光伏热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是光伏热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。有些国家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。由于光伏热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。(2) 光伏光发电：不通过热过程，直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。目前应用的光伏发电，是将照射到光伏电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一
13、般由光伏电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点：间歇性。受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。迄今已有100多个国家参与光伏光电池的开发应用。近年来，产量迅速增加生产成本开始下降7。光伏电池的基本特性光伏电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。光伏电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000Wm2；光伏电池温度T=25；大气质量AM=1.5时，光伏电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。光伏电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“Wp”。为了让光伏电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为光伏电池组件选择一个最佳倾角。关于光伏电池组件最佳倾角问题的探讨
14、，近年来在一些学术刊物上出现得不少。通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量9。光伏电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用70W单晶硅光伏电池组件。4.3 蓄电池蓄电池组是光伏电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，
15、相对来说应用没有前一种广泛。蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能12。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。本电路
