毕业设计开题报告电气工程及其自动化太阳能照明系统的研究和开发——单片机系统设计1前言部分在能源紧缺的今天———煤荒、电荒、燃油涨价、天然气紧缺,开发、推广可再生能源已成为热门话题,新型替代能源、可再生能源前所未有地受到消费者的关注。

随着经济的发展,社会的进步,人们对能源提出了越来越高的要求,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。

由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点,太阳能被认为是21世纪最重要的能源。

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源,对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用。

除太阳能以外,可再生能源主要还有风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。

太阳能是可再生能源中的一种。

太阳能是指太阳所负载的能量,它的计量一般是阳光照射到地面的辐射总量,包括太阳的直接辐射和天空散射辐射。

当前,能源危机越演越烈。

据统计,我国现有的空调如果同时全部运行,仅此一项就要耗电90 GW,几乎相当于5座三峡电站的装机容量。

如果为了满足用电的需求而一味地新建水电站或火电站,将会严重破坏生态环境;使本来已经储量不多的煤炭和石油快速耗尽,提前枯竭。

届时,人类如果尚未有效突破新型电能的供给技术,如核聚变发电、可再生能源发电等,人类的生存将会面临危机。

目前,应对能源危机的主要途径:一是有效节能;二是快速发展太阳能、风能等可再生的自然能源发电技术。

节约用电与用电设备和工程的节能设计,已成为当前社会发展的主题之一。

可再生能源的利用已成为当务之急。

[1]太阳能是一种取之不尽、用之不竭的巨大能源。

太阳注入地球表面的能量（热和光）密度，在转换为电功率后约为1kW／m2，总功率可达1．25×108GW。

太阳能发电站已从过去的人造卫星、无电区域照明、海洋灯塔等领域，扩大应用到电力工业。

太阳电池（光伏电池）是美国于1954年发明的，最早是用于人造卫星。

由于美苏进行宇宙开发竞争，太阳电池不断改进，但仍因价格高、能量转换效率低而不能广泛普及，地上应用仅限于作为无人灯塔、无人中继站的电源。

直到1973年，由于石油危机，太阳能作为代替能源备受关注，世界各国相继研究开发太阳能电池，并在道路交通标识、街道路灯、电子计算机、时钟等领域推广应用。

直到1997年7月成功地在火星上着陆的卫星上应用了以Ge为基板的高效率新材料GaAs太阳能电池。

特别是1997年12月发生的气候变化非常复杂，而且出现了酸雨和地球转暖现象，这种地球环境问题驱使人类不断探索、开发新能源，迎来了太阳能崛起的新时代。

美、日、德、英等国加大投资力度发展太阳能发电站，中国的阳光发电系统已经用于铁路交通领域。

日本的阳光发电容量30年后将超过水力发电。

全球的阳光发电系统将加入洲际电力系统互联网络。

[2]2主题部分1 发展现状太阳能发电技术的发展虽然已有半个世纪的历史，但是它的崛起和飞速发展却是最近几年的事。

总的趋势是从小规模的民用到大规模电力工业应用，小的仅数lOW，大的已达6.5MW。

1.1 小规模应用东南亚、非洲等地的尚未供电区域，已将阳光发电系统用作电灯和无线电的电源，太阳电池容量较小。

如大洋洲和太平洋岛屿的基里巴斯共和国的太阳能发电装置只有120W的太阳电池、12V、100Ah的蓄电池和充放电控制装置三部分组成，其中充放电控制装置却是最关键的部分。

1.2 中规模应用主要集中在发展中国家未供电区域。

例如叙利亚阿拉伯共和国的阳光发电系统，则是由太阳电池(35kW)、蓄电池(240V、1400Ah)及其充放电控制装置、逆变器(30kW)、三相四线制配电线路(220V)等部分组成。

我国甘肃省榆中县的一座10kW独立电源型阳光发电系统是由日本提供的全套设备，其中包括太阳电池、蓄电池、控制器、逆变器等。

1998年又在河北、内蒙、甘肃、新疆等地建设14个4kW 的阳光发电系统，1999年在宁夏、西藏等地建4个6kW的阳光发电系统，皆由日方提供设备。

1.3 大规模应用阳光发电系统主要是利用学校、体育馆、其它建筑物以屋顶、墙壁、商业街的拱廊、铁道的站台等以及其它现有地上设施装设太阳电池来发电的，如果这种阳光发电系统的屋顶装设增加到1万座以上时便被列为大规模应用。

比如日本的西条阳光发电系统容量为1000kW，是由1000kW的太阳电池、500V直流母线、3个逆变器(分别为200kW、400kW和400kW)、6．6kV交流母线、6．6kV配电线和15MW 的变电所组成。

现在全世界已有6个MW级的而且已经实现联网的阳光发电系统，其中最大容量为6．5MW。

日本于2000年采用50MW的大型阳光发电设备。

1.4 宏伟的计划为了加速太阳能的开发、应用，世界各国都制定了宏伟的发展计划，有的已接近于完成。

阳光发电设备的装机容量方面，日本2000年为400MW，2010年为4600MW，到2030年将达到40000MW，这相当于日本总装机容量的11％，超过了水力发电(水电占10％)。

英国从1994年起实施一项计划，2000年达到装机1000MW。

奥地利从1992年起以每年增加10MW的速度在发展。

瑞士从1990年起计划实现50MW ／年的速度。

德国1990年起实施1000座屋顶的计划。

荷兰在2000年装机达到250MW。

美国从1997年实施一项计划，到2010年完成100万座屋顶的阳光发电设备。

[3]2 太阳能LED 照明系统进入20 世纪90 年代,随着氮化物L ED 的发明,L ED 的发光效率有了质的飞跃,而组成白光的重要原色蓝光,也在1992 年由日本著名L ED 企业日亚化学的中村修二发明。

这样整个可见光领域的单色L ED 已经完整,能够满足各种单色发光的应用场所。

作为光源,L ED 优势体现在3 个方面:节能、环保和长寿命。

L ED 不依靠灯丝发热来发光,能量转化效率非常高,理论上可以达到白炽灯10 %的能耗,相比荧光灯,L ED 也可以达到50 %的节能效果。

太阳能与L ED 光源组成的照明系统框图1 所示,其优点是太阳能电池板和L ED 光源均为固体器件,系统可靠性高;使用寿命长、节能、环保。

由于太阳能受天气条件的制约,其系统发电量会受到限制,会影响到照明的稳定性。

图1 太阳能与LED 光源组成的照明系统太阳能光电互补照明系统系统。

为节约成本和提高系统的可靠性,可以把太阳能和市电相结合。

当太阳能不足时,由市电补充。

光电互补照明系统由于采用市电作为备用电源,其系统可靠性大为提高。

为了节省投资成本,可适当减少太阳能电池板功率。

太阳能光电互补照明系统可分为交流系统和直流系统,如图2和图3所示。

交流系统是把太阳能控制器提供的直流电通过车载电源(逆变电源) 转换为220 V 交流电,转换的交流电与市电在交流系统控制下提供给交流灯具。

直流系统是把市电转换为直流电(如24VDC)与太阳能提供的直流电在直流系统控制下提供给直流灯具。

[4]图2 光电互补交流照明系统图3 光电互补直流照明系统3 单片机设计单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

[5]本系统主要包括本地端控制器(单片机) 、人机接口、USB 接口芯片( SL811HS) ,其系统框图如图4所示。

单片机实现对整个信息采集系统的控制, USBHOST控制器用来控制USB总线接口与U盘进行命令和数据交换。

高速RAM用于数据缓冲,在传输数据时做文件系统的缓存区用。

系统的核心部分就是接口控制器,它可以被看作一个硬件、固件和软件的综合体。

控制器完成了主机与设备间电气和协议层的匹配,主要包括以下功能:串并转换、帧起始、数据处理、协议使用、传输错误处理、远程唤醒、根Hub、主机系统接口等。

通过USB HOST, 使单片机具有与USB Slave设备进行数据传输的能力。

USB - HOST接口芯片选用了Cyp ress Semiconductor生产的SL811HS。

单片机选用SST 公司生产的SST89E564RD,这是一款增强型51 系列的单片机,SST89E564RD主要是通过SL811HS对U盘间接控制实现读写操作, SST89E564RD 内部集成了1 K 的RAM,可以在传输数据时做文件系统的缓冲区用。

人机接口主要包括按键和LCD显示,按键用于控制对U盘内文件的操作,如:打开、新建、删除等。

LCD用于显示U盘中的内容。

USB 接口芯片SL811HS用来控制USB总线接口和U盘进行命令和数据交换。

[6]图4 单片机设计框图该芯片的特点是支持USB111协议,片内集256字节RAM有与微处理器兼容的I/O口。

SL811HS是一个双任务端口,可配置成支持全速和低速USB 器件的USB 主机与外设。

通过SL811HS接口,使单片机能够与各种USB Slave设备进行通讯,它也适合于非PC设备。

SL811HS芯片共有28 个引脚,各引脚的功能描述如下:VDD引脚端接313 V的电压; GND引脚是接地端;引脚1是控制选择数据区域内部寄存器的选择控制端;引脚6是片选端,低电平有效;引脚4是读使能端,低电平有效;引脚5是写使能端,低电平有效;引脚7决定系统时钟是否乘以4倍;引脚9、10是输出到USB设备的高低信号脚;引脚13、14端接48 MHz晶振或有源晶振;引脚15是复位端,低电平有效;引脚16是中断端,当SL811HS传输完数据后产生高电平;引脚18、19、20、21、23、24、25、26是数据总线,与微处理器连接;引脚27决定芯片工作在USB Slave 状态或USB Master状态。

[7]4 光路的设计4.1 光路的耦合设计采光设计要点在于投射到光纤端面的入射光不得大于光纤的数值孔径。

图5所示为采光装置几何光路图。

图中D 为菲涅尔透镜直径, d 为光纤直径, f 为菲涅尔透镜焦距, L 为光纤端面从透镜焦点前突尺寸,若光纤数值孔径为NA ,则设计应满足sin ( D / 2 f ) ≤NA 且D/ f = d/ L本系统NA = 0. 6 , D = 310 mm, f = 110 mm,d = 3 mm,L = 1. 2 mm,实际的结构设计可以让L为可调,以形成合适大小的光斑, 使尽可能多的阳光进入光纤中。

[8]图5 光耦合器4.2 传光光纤采用塑料光纤POF 作为光的传输线路,塑料光纤的直径一般比较大在0. 3～3 mm ,大直径有利于连接且耦合效率也较高,同时还兼有柔软、抗弯曲、耐震动、抗辐射、价格便宜、便于安装等优点 ,POF 能符合照明功能及方式的要求且成本低。