畢業(yè)設計（論文）基于單片機的太陽能路燈控制器設計

1、摘 要太陽能是最環(huán)保的能源，利用太陽能來照明將是低碳生活的發(fā)展趨勢。地球資源的日益貧乏，基礎能源的投資成本日益攀高，各種安全和污染隱患可謂無處不在，太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭”的安全、環(huán)保新能源越來越受重視。太陽能路燈利用太陽電池的光生伏特效應原理，白天太陽電池吸收太陽能光子能量產生電能，通過控制器儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電。太陽能路燈有著節(jié)能環(huán)保、可靠耐用、安裝靈活方便、安全、自主供電等功能。太陽能路燈系統(tǒng),主要由太陽能光電池組件、蓄電池、控制器和照明燈具組成。在路燈系統(tǒng)的控制下，白天有陽光就充電儲能，晚上光控和時空點亮發(fā)光負載，照明

2、道路。太陽能路燈系統(tǒng)的控制器是整個路燈系統(tǒng)中充當管理者的關鍵部件，它的最大功能是對蓄電池進行全面的管理，防反充電控制，防過充電控制，防過放電控制。本次設計由直流電源穩(wěn)壓電路，單片機控制電路，蓄電池過充過放控制電路，光控檢測電路，時間定時電路和市電轉換電路組成關鍵詞：太陽能；光控；定時；蓄電池；過充；自動控制；單片機abstractsolar energy is the most environmental protection energy, using solar energy to lighting will be the development trend of low carbon l

3、ife. the earths resources, the increasingly poor based energy investment cost of safety and pollution increasingly up, it is ubiquitous, hidden solar energy as the one kind of mine, an inexhaustible new energy safety and environmental protection are becoming more and more attention.solar street lamp

4、s use the sun battery light born volts effect principle, the daytime solar cell absorbs solar photon energy to produce electricity, through the controller in stored in the battery, when night falls or lamps and lanterns at low light around by the controller, battery power to light. solar street lamp

5、s with energy conservation and environmental protection, reliable and durable, installation is flexible and convenient, safety, independent power supply, and other functions. solar street lamps system, and the main test kit, batteries, solar controller and lighting lamps and lanterns composition. th

6、e streetlights system under the control of daytime have sunlight charge storage, evening light-activated and space-time light shine load, lighting road. solar street lamps system controller is the whole street lamp system as the key components, managers of its biggest function is comprehensive manag

7、ement, battery charge control, prevent counter-attack charging control, prevent after discharge control.this design by dc power voltage circuit, scm control circuit, battery overcharge had put control circuit, optical detection circuit, time timing circuits and utility of converter circuitkey words:

8、solar; optical; timing; battery; overcharge; automatic control; microcontroller引言21 國內外的研究現(xiàn)狀22 太陽能路燈簡介32.1 太陽能路燈基本結構32.2 太陽能電池板組件42.3 太陽能電池的基本特性52.3.1太陽能電池的外特性52.3.2熱島效應52.4 蓄電池62.5 控制器72.5.1防反充電控制72.5.2防過充電控制72.5.3防過放電控制72.6 光源的選擇72.7 太陽能led路燈優(yōu)勢83單片機93.1 單片機的應用93.2 單片機的特點103.3單片機的管腳圖104 時鐘芯片ds13021

9、24.1 ds132引腳功能及結構124.2 ds1302 與微控制器的接口軟件簡單說明145 方案選擇145.1電源變換電路145.2 時間控制方式155.3 光控電路155.4 發(fā)光負載156 原理156.1 設計原理157 硬件電路設計167.1 電源電路167.2 單片機的時鐘167.3 單片機復位電路167.4 光控模塊177.5 單片機總電路187.6 充放電模塊187.7 限制過放電電路的設計197.8 led連接電路207.9 市電轉直流電電路218 主要程序解析228.1 往ds1302寫入和讀入1byte數(shù)據(jù)228.2 根據(jù)命令字，向1302寫和讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)228.3 往

10、ds1302中寫入數(shù)據(jù)，對ds1302進行初始化238.4 獲取時鐘芯片ds1302時間的相關語句239 調試249.1 穩(wěn)壓電路249.2 太陽能電池板白天光照充電249.3 程序編寫2410 pcb元件布局、布線基本規(guī)則2610.1 元件布局基本規(guī)則26謝 辭28參考文獻29引言隨著太陽電池轉換效率和生產技術的不斷提高，太陽能光伏發(fā)電的應用越來越廣泛，在照明領域，太陽能路燈作為光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內的主要應用模式，被越來越多的所認識并接受?？缛?1世紀后，人類面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，如何能在能源有限和環(huán)境保護的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟已成為全球的熱點問題。而能源問題更為突出，不僅表

11、現(xiàn)在常規(guī)能源的匱乏，更嚴重的是化石能源的開發(fā)利用更加劇了環(huán)境的惡化。主要表現(xiàn)為以下幾個方面：(1)能源短缺。常規(guī)能源的有限性和分布不均勻，造成了世界上大部分國家能源供應不足，不能滿足其經(jīng)濟發(fā)展的需求。從長遠來看，全球已探明石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，人類遲早要面臨化石燃料枯竭的危機局面。(2)環(huán)境污染。燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質排入天空，是大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質量；甚至在局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土資源。(3)溫室效應?；茉吹睦貌粌H造成環(huán)境污染，同時會

12、排放大量的溫室氣體，產生溫室效應，引起全球氣候變化。地球資源的日益貧乏，基礎能源的投資成本日益攀高，各種安全和污染隱患可謂無處不在，太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭”的安全、環(huán)保新能源越來越受重視。同時，也隨著太陽能光伏技術的發(fā)展和進步，太陽能燈具產品在環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢，太陽能路燈、庭院燈、草坪燈等方面的應用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模，太陽能發(fā)電在路燈照明領域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。1 國內外的研究現(xiàn)狀在國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動下，太陽能產業(yè)從無到有、從小到大發(fā)展起來。國內各大研究單位都對太陽能路燈作了詳盡的研究，特別是近幾年來，已經(jīng)初步形成在“產業(yè)上規(guī)模、技術上水平、產品上檔次和市場要規(guī)范”的產業(yè)發(fā)展思

13、路引導下，太陽能產業(yè)得到了快速發(fā)展，如太陽能熱水器、太陽能光伏電池技術日趨成熟，產品質量不斷提高。近年來，隨著我國城市建設規(guī)模的不斷擴大和建設水平的不斷提高，我國城市的路燈總數(shù)以每年約20%的平均速度遞增，全國數(shù)千萬盞路燈的節(jié)電問題已引起政府部門的關注。在能源日趨緊張、電力供應持續(xù)緊張的今天，低效、高耗的傳統(tǒng)城市照明已成為節(jié)能降耗的重要領域。為此，建設部和發(fā)改委明確提出城市道路照明要向“高效、節(jié)能、環(huán)保、健康”的“綠色照明”方向發(fā)展。隨著太陽能發(fā)電技術的不斷發(fā)展，太陽能路燈以環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢成為城市道路照明行業(yè)的新寵，市場潛力巨大，我國太陽能路燈首先在沿海發(fā)達地區(qū)使用。上海市于2005年在崇明

14、島建成風光互補道路照明工程。在我國西部，非主干道太陽能路燈、太陽能庭院燈漸成規(guī)模，太陽能資源相對豐富的青海省自2006年以來已在西寧等地安裝太陽能路燈超過200套；在北京奧運會主要場館及其相關場所，太陽能路燈得到普遍應用。然而，業(yè)內人士也指出，由于存在成本、技術等諸多問題，現(xiàn)階段推廣太陽能路燈遇到“瓶頸”困擾。總體而言，太陽能路燈在我國城市道路照明行業(yè)中仍處于“花香”卻難“滿園綻放”的尷尬處境。在歐洲大部分地區(qū)，環(huán)保的思路推動著替代能源技術的開發(fā)，太陽能被公認為是一種極好的替代能源。它的利用有助于降低co2的排放，因而達到保護環(huán)境，很多國家，如丹麥、芬蘭、德國和瑞士，都認為氣候變暖是推動太陽能

15、研究開發(fā)、發(fā)展和銷售活動的主要因素。盡管受到常規(guī)能源的低價影響，在歐洲很多國家中，太陽能裝置市場仍然持續(xù)增長。雖然太陽能公司的數(shù)量在減少，但保留下來的公司都趨向于更具規(guī)模、更能抵御市場的波動。在某些國家實行的電力公司私有化，可能提高他們將太陽能裝置推向市場的興趣。在奧地利等國，自己動手建造集熱器的活動，促進了太陽能裝置的主動發(fā)展。挪威已安裝70000多套小型光伏裝置，每年安裝約5000套，大多數(shù)裝置是為偏遠小鎮(zhèn)、山區(qū)和沿海地帶度假旅社供電。芬蘭人每年也購買幾千套小型(40100w)光伏裝置，用于消夏小屋。此外，有些國家在高性能太陽能發(fā)電窗、太陽能熱水器、儲能裝置、透明隔熱材料、日光照明等產品的

16、商業(yè)化方面進行努力。然而真正要用太陽能來取代一切能源還是一個長期而艱巨的任務,任何新生事物最好先從小打小鬧開始，而且采用“自產自銷”的方式，路燈就是一個最好的采用太陽能的試點工程。而且，節(jié)能和減排一樣，必須先由政府倡導，甚至像德國那樣采用政府補貼的方法來推廣。我們欣喜地發(fā)現(xiàn),路燈工程原本即政府工程，是由政府來進行招投標的。因此,由led路燈取代高壓鈉燈、由太陽能led路燈取代交流電led路燈正是大勢所趨。2 太陽能路燈簡介2.1 太陽能路燈基本結構太陽能路燈主要由太陽電池組件、蓄電池、控制器、發(fā)光負載、組件支架、燈桿等幾部分組成。2.2 太陽能電池板組件太陽能電池板如圖2.1所示圖2.1 太陽

17、能電池板在新能源中，公認技術含量最高、最有發(fā)展前途的是太陽能發(fā)電。太陽能發(fā)電主要有太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩種基本方式。(1) 太陽能熱發(fā)電：將吸收的太陽輻射熱能轉換成電能的裝置，可分為兩類：一類是太陽能熱電直接轉換，如溫差發(fā)電等，目前功率都很小，有的尚處于原理試驗階段；另一類是太陽能熱動力發(fā)電，是將太陽熱能通過熱機帶動發(fā)電機發(fā)電，其基本構成包括集熱裝置、儲能系統(tǒng)、熱機和發(fā)電機等。有些國家正在研制較大功率的裝置，已達到并網(wǎng)發(fā)電的實際應用水平。由于太陽能熱發(fā)電技術復雜，商業(yè)應用只適合比較大的容量，因此發(fā)展不快，實際應用不多。(2) 太陽能光發(fā)電：不通過熱過程，直接將太陽的光能轉換成電能的利用方

18、式，可分為光伏發(fā)電、光感應發(fā)電、光化學發(fā)電和光生物發(fā)電。目前應用的光伏發(fā)電，是將照射到太陽能電池上的光，產生光伏效應直接轉換成直流電能輸出，一般由太陽能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點：間歇性。受氣候條件影響；能量密度低；初始投資高。迄今已有100多個國家參與太陽能光電池的開發(fā)應用。近年來，產量迅速增加生產成本開始下降。目前光伏發(fā)電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產品。如各類太陽能充電器、太陽能燈具等；并網(wǎng)發(fā)電。2.3 太陽能電池的基本特性2.3.1太陽能電池的外特性從應用的角度論述，太陽能電池的外特性是比較重要的。首先，對于單片太陽能電池來說，它是

19、一個pn結，除了當太陽光照射在上面時，它能夠產生電能外，它還具有pn結的一切特性。在標準光照條件下，它的額定輸出電壓為0.48v。在太陽能照明燈具使用中的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池連接構成的。它具有負的溫度系數(shù)，溫度每上升一度，對于多片太陽能電池組成的太陽能電池組件，這是一個不可忽視的問題。它的輸出特性曲線如圖2.2所示。圖2.2 太陽能電池輸出特性曲線圖2.2中，isc是短路電流，im是峰值電流，voc是開路電壓。vm是峰值電壓，pm是峰值功率。在使用中，太陽能電池開路或者短路都不會造成損壞，實際上我們也正是利用它的這個特性對系統(tǒng)蓄電池充放電進行控制的。太陽能電池陣列的伏安特性具有強

20、烈的非線性。太陽能電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當日射s=l000wm2；太陽能電池溫度t=25；大氣質量am=1.5時，太陽能電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽能電池陣列額定功率的單位為“峰瓦”，記以“wp”。為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術刊物上出現(xiàn)得不少。通過hay模型的計算，可以得到的不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。在不同角度傾斜面上，太陽輻照量差別較大，要為電池板選擇合適的傾角使其能獲得最大的太陽輻照量。2.3.2熱島效應單片太陽能電池一般是

21、不能使用的，實際應用的是太陽能電池組件。太陽能電池組件是由多片太陽能電池組合而成，用以達到期望的電壓值。太陽能電池組件在使用過程中，如果有一片太陽能電池單獨被遮擋，例如樹葉鳥糞等，單獨被遮擋的太陽能電池在強烈陽太陽光照射下就會發(fā)熱損壞，于是整個太陽能電池組件損壞。這就是所謂熱島效應。為了防止熱島效應，一般是將太陽能電池傾斜放置，使樹葉等不能附著，同時在太陽能電池組件上安裝防鳥針。2.4 蓄電池蓄電池實物圖如圖2.3所示圖2.3 蓄電池蓄電池是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽

22、輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄電池，重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價格較高，相對來說應用沒有前一種廣泛。蓄電池是一種化學電源，它將直流電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來。需要時再把化學能轉變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。能量轉換過程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池對系統(tǒng)產生的電能起著儲存和調節(jié)作用。由于光伏系統(tǒng)的功率輸出每天都在變化，在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時。蓄電池也能夠提供相對穩(wěn)定的電能。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，方陣給蓄電池充電；冬天日照量小，這部分儲存的電能逐步放出。在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎上還

23、要加上小得多的日循環(huán)：白天方陣給蓄電池充電，晚上負載用電則全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，當然還要考慮價格低廉，使用方便等因素。蓄電池的循環(huán)壽命主要由電池工藝結構與制造質量所決定。但是使用過程和維護工作對蓄電池壽命也有很大影響，有時是重大影響。首先，放電深度對蓄電池的循環(huán)壽命影響很大，蓄電池經(jīng)常深度放電，循環(huán)壽命將縮短。其次，同一額定容量的蓄電池經(jīng)常采用大電流充電和放電，對蓄電池壽命都產生影響。大電流充電，特別是過充時極板活性物質容易脫落，嚴重時使正負極板短路；大電流放電時，產生的硫酸鹽顆粒大，極板活性物質不能被充分利用，長此下去電池的實際容量將逐漸

24、減小，這樣使用壽命也會受到影響。本電路采用鉛酸免維護蓄電池，不需專門的維護；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。2.5 控制器控制器是整個路燈系統(tǒng)中充當管理者的關鍵部件，它的最大功能是對蓄電池進行全面的管理，好的控制器應當根據(jù)蓄電池的特性，設定各個關鍵參數(shù)點，比如蓄電池的過充點、過放點，恢復連接點及soc放電控制等。在選擇路燈控制器時，特別需要注意控制器恢復連接點參數(shù)，由于蓄電池有電壓自恢復特性，當蓄電池處于過放電狀態(tài)時，控制器切斷負載，隨后蓄電池電壓恢復，如果些時控制器各參數(shù)點設置不當，則可能出現(xiàn)燈具閃爍不定，縮短蓄電池和光源的壽命。2.5.1防反充電控制防止反

25、充電功能，一般來說，就是在太陽能電池回路中串聯(lián)一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管應該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低。另外，還可以用場效應晶體管控制防止反充電功能，它的管壓降比肖特基二極管更低，只是控制電路要比前面復雜一些。2.5.2防過充電控制防止過充電功能，可以在輸入回路中串聯(lián)或者并聯(lián)一個泄放晶體管，電壓鑒別電路控制晶體管的開關，將多余的太陽能電池能量通過晶體管泄放，保證沒有過高的電壓給蓄電池充電。2.5.3防過放電控制除了ni-cd電池外，其它蓄電池一般都要具有防止蓄電池過放電功能，因為會造成蓄電池過放電永久性損壞。需要注意的是，太陽能電池系統(tǒng)一般相對蓄電池是小倍率

26、放電，所以放電截止電壓不宜過低。2.6 光源的選擇光源的選型對于太陽能路燈來說是最關鍵的一步，目前針對太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和led光源。led 作為半導體光源，其發(fā)展勢頭強勁，是太陽能路燈最為理想的光源，led路燈光源是一款多功能、環(huán)保節(jié)能型路燈光源，適合在各種場合的照明使用。led路燈驅動器是專門針對led路燈系統(tǒng)所研發(fā)的產品，用于提供led燈具穩(wěn)定的電源。運用先進的電子電力技術，設計了高效率增強以及超節(jié)能脈波寬度調變（pwm）兩種輸出模式，配合時間控制，可以在需要的時候（上半夜天黑人多車多的時候

27、）以高效率增強模式點亮led燈具，提供良好的照明，而其它時間段（后半夜人車稀少的時候）則以超節(jié)能模式輸出，節(jié)約蓄電池的電力的消耗。（1）低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，但使用壽命2000小時，電壓低燈管發(fā)黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。（2）低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達200lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價格貴，整個系統(tǒng)造高，采用較少。（3）無極燈：功率小，光效較高。該燈在220v（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達到5萬小時，在太陽能燈具上使用壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不多（因為太陽能燈具都是方波逆變器，太陽能電源220v輸出頻率、項位、電壓都是不能和普通市電相比的）

28、。（4）led：led燈光源，壽命長，可達1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產50 lm/w，進口80 lm/w。隨著技術進步，led的性能將進一步提高。led作為太陽能路燈的光源將是一種趨勢。2.7 太陽能led路燈前景隨著可持續(xù)發(fā)展的不斷深入，人們在積極開發(fā)各類可再生新能源的同時也在倡導節(jié)能減排的綠色環(huán)保技術而在照明領域，壽命長節(jié)能安全綠色環(huán)保色彩豐富微型化的 led固態(tài)照明也已被公認為世界一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑，太陽能led路燈同時整合了這兩者的優(yōu)勢。led(light emitting diode，發(fā)光二極管)是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體發(fā)光器件，不依靠

29、燈絲發(fā)熱來發(fā)光，而是依靠材料中的正負電荷復合來發(fā)光，能量轉化效率非常高。具有高效、節(jié)能、壽命長、免維護、環(huán)保等優(yōu)點。傳統(tǒng)的光源功耗比較大，而且大多在高壓下工作，使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率，而led采用低壓直流供電，安全而且光源控制成本低。led的響應時間一般只有幾納秒至幾十納秒，使頻繁開關，調節(jié)明暗成為可能。而且led作為全固態(tài)發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎、發(fā)熱量低、無熱輻射、是冷光源、不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質，廢棄物可回收、沒有污染。太陽能路燈以太陽光為能源，不需要鋪設復雜的管線，安全節(jié)能無污染?；趩纹瑱C的太陽能控制系統(tǒng)很好地把太陽能光伏技術與單片機智能控制技術結合了起來

30、。而且具有電路結構簡單、工作穩(wěn)定可靠、實用性強等優(yōu)點。（1）節(jié)能環(huán)保:據(jù)統(tǒng)計，所有路燈改為太陽能路燈可以節(jié)省一個三峽水電站的發(fā)電量。不僅如此，太陽能是一種清潔的可再生能源，它不僅節(jié)約了電能，而且減少了二氧化碳的排放量。有關數(shù)據(jù)表明太陽能路燈每年可以減少7740萬噸二氧化碳就相當于節(jié)省了310億美元的二氧化碳減量成本?。?）可靠耐用：太陽能路燈在惡劣的環(huán)境和氣候條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)很少發(fā)生故障；目前絕大多數(shù)太陽能電池組件的生產技術都足以保證10年以上性能不下降，太陽能電池組件可以發(fā)電25年或更長的時間。 （3）安裝組件靈活性：安裝方便，用戶根據(jù)自己的需要選擇和調整太陽能路燈的功耗和容量大小。 （

31、4）安全：太陽能路燈不使用易燃燃料，而且不像交流電那樣聯(lián)網(wǎng)運行，導致在雷擊等情況下經(jīng)常會出現(xiàn)高壓浪涌，對設備安全造成威脅，只要設計和安裝適當，系統(tǒng)具有很高的安全性。（5）自主供電：以往運行的太陽能路燈具有供電的自主性、靈活性。但是太陽能led路燈的優(yōu)勢遠遠不僅這些。一般人認為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉，但led比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是固體光源偉大的革新。除此之外，led還具有光線質量高，基本上無輻射，可靠耐用，維護費用極為低廉等優(yōu)勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮led的研制成功，大大地降低了太陽能燈具使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明系統(tǒng)初裝的成本報價，并且具有保護環(huán)境、安裝簡

32、便、操作安全、經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)點。由于led具有的光效率高，發(fā)熱量低等優(yōu)勢，已經(jīng)越來越多地應用在照明領域，并呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)照明光源的趨勢。太陽能與led相結合的技術運用在路燈領域完全符合“綠色，節(jié)能，低成本”的現(xiàn)代化設計理念。而且針對現(xiàn)階段太陽能led路燈研究遭遇技術“瓶頸”而處于“花香”卻難“滿園綻放”的尷尬境地的情況，這個課題具有很大的研究價值，而從上面一系列的分析中也不難看出這個課題本身所具有的潛在價值更是無法估量的。5 方案選擇5.1電源變換電路方案一：采用優(yōu)質220v/12v*2，3w的成品電源變壓器。能夠提供低電壓，以免燒壞元器件，而且價格也不貴。方案二：直接采用220v的交流電源。電

33、壓太高，容易損壞元器件，為了避免燒壞，還得采用較復雜的保護電路。根據(jù)情況，采用方案一5.2 時間控制方式方案一：因為電路中有采用單片機控制，所以可以采用單片機內部的時鐘進行時間的控制。方案二：由單片機內部時鐘有著蠻大的誤差，所以就采用外部時鐘電路，使用時鐘芯片ds1320進行對時間的控制，所需器件不多，價格比較便宜。本次設計采用方案二。5.3 光控電路方案一：可以使用太陽能電池板作為光控信號的獲取源頭，這樣就不需要另外設計光控電路，但是帶來麻煩的是編程會變得比較麻煩。方案二：使用74hc04反相器和含有光敏電阻的分壓電路組成光控電路，器件也比較簡單，價格便宜，減少了編程的麻煩。選擇方案二。5.

34、4 發(fā)光負載方案一：使用多個小功率的白光led燈作為發(fā)光載體，亮度也夠，功耗小，省點，價格便宜，壽命更長。方案二：可以使用一般的鎢絲電燈泡，但是這種燈泡功耗較高，而且大多在高壓下工作，使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率，對于led，其采用低壓直流電，安全而且光源控制成本低比較之下，采用方案一6 基本原理太陽能路燈利用太陽電池的光生伏特效應原理，白天太陽電池吸收太陽能光子能量產生電能，通過控制器儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電一直到設定的時間后切斷。做到白天有陽光就充電儲能，晚上光控和時空點亮發(fā)光負載，照明道路。太陽能電池組件光控制電路時間控制模塊蓄電

35、池組智能控制器發(fā)光負載太陽能充電電路（防過充）驅動電路過放轉市電系統(tǒng)框圖如圖6.1所示圖6.1 系統(tǒng)框圖7 硬件電路設計7.1單片機7.1.2 單片機的特點（1）高集成度，體積小，高可靠性 單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，內部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的cpu。單片機程序指令，常數(shù)及表格等固化在rom中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。 （2）控制功能強 為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉移能力，i/o口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 （3

36、）低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機內的工作電壓僅為1.8v3.6v，而工作電流僅為數(shù)百微安。 （4）易擴展 片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構成各種規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)。 7.1.3單片機的管腳圖單片機的管腳圖如圖3.1圖3.1 單片機的管腳圖vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0

37、 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲

38、器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 rxd：串行輸入口 p3.1 txd：串行輸出口 p3.2 /int0：外

39、部中斷0p3.3 /int1：外部中斷1p3.4 t0：記時器0外部輸入 p3.5 t1：記時器1外部輸入p3.6 /wr：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通p3.7 /rd：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲

40、器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。 /psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在flash編程

41、期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。 xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，xtal2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。7.2 時鐘芯片ds1302 在設計中一般使用的計時功能電路有軟件計時，定時器定時，但其缺點是計時有誤差，需要隔一段時間校正一次；另一種就硬件計時，現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如

42、ds1302、 ds1307、pcf8485等。這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用17。在設計中采用是硬件定時，時鐘芯片ds1302。ds1302是dallas公司的一種具有涓細電流充電能力的電路，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。采用普通32.768khz晶振。ds1302 是dallas 公司推出的涓流充電時鐘芯片內含有一個實時時鐘/日歷和31 字節(jié)靜態(tài)ram 通過簡單的串行接口與單片機進行通信實時時鐘/日歷電路提供秒分時日日期月年的信息每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調整時鐘操作可通過am/pm 指示決定采用24 或12

43、 小時格式ds1302 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信僅需用到三個口線1 res 復位2 i/o 數(shù)據(jù)線3 sclk串行時鐘時鐘/ram 的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31 個字節(jié)的字符組方式通信ds1302 工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mw。7.2.1 ds132引腳功能及結構ds1302的引腳排列,其中vcc2為后備電源，vcc1為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。ds1302由vcc1或vcc2兩者中的較大者供電。當vcc2大于vcc1+0.2v時，vcc2給ds1302供電。當vcc2小于vcc1時，ds1302由vcc1供電。x1和x

44、2是振蕩源，外接32.768khz晶振。rst是復位/片選線，通過把rst輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。rst輸入有兩種功能：首先，rst接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當rst為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對ds1302進行操作。如果在傳送過程中rst置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，i/o引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在vcc2.0v之前，rst必須保持低電平。只有在sclk為低電平時，才能將rst置為高電平。i/o為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。sclk為時鐘輸入端。ds1302的引腳功能如表

45、4.1，ds1302管腳圖如圖4.1。管腳名稱功能x1、x232.768khz晶振引腳rst復位i/o數(shù)據(jù)輸入/輸出sclk寫保護vcc1 、vcc2電源引腳gnd地表4.1 ds1302的管腳功能圖4.1 ds1302管腳圖在本次設計的電路中的接線圖如圖4.2所示圖4.2 本次設計的電路中的接線圖bt1是備用電源，正常的工作電源是vcc1，工作電壓為2.5v5.5vp1.0、p1.1、p1.2，分別是單片機的p1.0口、 p1.1口和 p1.2口。7.2.2 ds1302 與微控制器的接口軟件簡單說明（1）寫保護寄存器操作：當寫保護寄存器的最高位為0 時允許數(shù)據(jù)寫入寄存器寫保護寄存器可以通過

46、命令字節(jié)8e 8f 來規(guī)定禁止寫入/讀出寫保護位不能在多字節(jié)傳送模式下寫入。（2）時鐘停止位操作：當把秒寄存器的第7 位時鐘停止位設置為0 時起動時鐘開始（3）多字節(jié)傳送方式：當命令字節(jié)為be 或bf 時ds1302 工作在多字節(jié)傳送模式8 個時鐘/日歷寄存器從寄存器0 地址開始連續(xù)讀寫從0 位開始的數(shù)據(jù)當命令字節(jié)為fe 或ff 時ds1302 工作在多字節(jié)ram 傳送模式31 個ram 寄存器從0 地址開始連續(xù)讀寫從0 位開始的數(shù)據(jù)（4）單字節(jié)傳送方式：例如寫入8 時12 小時模式程序設置如下write_singlebyte:mov command,#84h；命令字節(jié)為84hmov byte

47、cnt,#1； 單字節(jié)傳送模式mov r0,#xmtdat； 數(shù)據(jù)地址覆給r0mov xmtdat,#88h； 數(shù)據(jù)內容為88hacall send_byte ； 調用寫入數(shù)據(jù)子程序ret ；返回調用本子程序處7.3 電源電路電源電路如圖7.1所示。系統(tǒng)太陽能供電，12v蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產生5v電壓，作為控制器的主電源。電容c6、c7作為高頻旁路電容，將高頻信號旁路到地。同樣電容c5、c4為濾波電容圖7.1 電源電路7.4 單片機的時鐘51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳xtal1和xtal2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構成了

48、內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器，并產生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選用6mhz，12 mhz或24 mhz。內部振蕩方式如圖7.2，圖中，電容器c1，c8起穩(wěn)定振蕩頻率，、快速起振的作用。電容值一般為530pf，因此電路選用30pf，內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。圖中的x1接單片機的xtal1管腳， x2接單片機的xtal2管腳圖7.2 單片機的時鐘內部振蕩方式電路圖7.5 單片機復位電路rest引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩周期(即二個機器周期)以上。復位操作有上電自動復位相按

49、鍵手動復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，其電路如圖7.3（a）所示。這佯，只要電源vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復位初始化。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復位是通過使復位端經(jīng)電阻與vcc電源接通而實現(xiàn)的，其電路如圖7.3（b）所示；而按鍵脈沖復位則是利用rc微分電路產生的正脈沖來實現(xiàn)的，其電路如圖7.3（c）所示：（a）上電復位 （b）按鍵電平復位 （c）按鍵脈沖復位圖7.3復位電路本次設計采用的復位電路如圖7.4所示圖7.4 復位電路此電路屬于按鍵電平復位電路7.6 光控模塊光敏檢測主要檢測光線

50、的強度是否應該開關路燈。光敏檢測電路主要利用光敏電阻的感光特性進行工作。光敏檢測電路如圖7-5所示，當白天光照射到光敏電阻時，光敏電阻的阻值降低，反向輸入端電壓隨之降低，當?shù)陀诜聪嗥?4hc04的門檻電壓時，反相器發(fā)生翻轉，提供給單片機一高電平，控制led燈關閉。當弱光或無光照時(晚上)，由于光敏電阻的暗電阻很大，反向輸入端電壓較高，使得反相器輸出為低電平，單片機控制led燈的自動開啟圖7.5 光敏檢測電路7.7 單片機總電路p1插針是接led燈的插口，p2.7口接光控電路，rest是復位電路接口，x2和x1是單片機時鐘的連接口，p1.0 、p1.1和 p1.2是與時鐘芯片ds1302相連的，

51、vcc5是電源電路產生的5v電源。單片機總電路連接如圖7.6圖7.6 單片機電路7.8 充放電模塊利用太陽能對蓄電池充電，設計了充電電路（如圖7-7所時），其中l(wèi)m324運放這一模塊產生脈沖信號，led指示燈連續(xù)閃爍，使三極管不間斷地導通，通過電感不間斷地對蓄電池充電，達到一定電壓，當通過變阻器rp，對電壓的電壓取樣，通過運放lm324比較器，來控制lm324產生脈沖，即控制太陽能對蓄電池的充電過充情況，其中電阻r24和二極管組成的反饋電路與過放反饋電路的作用的一樣的。在設計中給蓄電池加上充、放電保護裝置，防止過充，見圖7-8。圖7.7 充電電路圖7.8 過充保護電路7.9 限制過放電電路的設

52、計在本限制過放電電路中，運放起比較作用，當運放的正端電壓高于負端電壓，使三極管導通，使繼電器長閉開關斷開，從而停止工作。具體原理詳見圖7.9。其中100k電阻和二極管起正反饋作用，使運放正端電壓保持穩(wěn)定，使三極端導通保持穩(wěn)定性。至于電路圖參數(shù)的確定，電路正常工作時穩(wěn)壓管兩端電壓5.1v，運放負端電壓稍大于5.1v， r22電路計算公式為 式7.1由設計經(jīng)驗得r18通常1030k，這里取22k，計算得r22約為180k。圖7.9 限制過放電電路原理圖7.10 led連接電路led電路中與單片機的p0口的八個口相連，當單片機的p0口中的某個i/o置1時，信號經(jīng)過排阻，進而到led，點亮與次連接口相

53、連的led，電路圖如圖7.10所示圖7.10 led連接電路7.11 市電轉直流電電路當連續(xù)幾天都是陰雨天氣，而且蓄電池的容量已經(jīng)到了過放的時候就啟用市電模塊電路，220v交流電，經(jīng)過變壓器進行降壓，再經(jīng)過電橋，把交流電變成直流電，然后通過穩(wěn)壓電路，輸出電壓，供電路使用。穩(wěn)壓管為三端穩(wěn)壓器是一種集成電路元件，內部由一些三極管和電阻等構成，在分析電路時可簡單的認為這是一個能自動調節(jié)電阻的元件，當負載電流大時三端穩(wěn)壓器內的電阻自動變小，而當負載電流變小時三端穩(wěn)壓器內的電阻又會自動變大，這樣就能保持穩(wěn)壓器的輸出電壓保持基本不變。市電轉直流電電路圖如圖7.11圖7.11 市電轉直流電電路圖8 軟件設計

54、ds1302的總程序見附錄一。程序流程圖如圖9.1 當7hour18且光控有效當7hour18且光控有效讀取光控管腳信號，為零時有效當7hour18且光控有效當7hour18且光控有效當7hour0; i-)t_io = acc0;t_clk = 1;t_clk = 0; /下降沿時傳數(shù)據(jù)acc = acc 1; /數(shù)據(jù)右移一位，等待下次傳輸從ds1302讀取1byte數(shù)據(jù)的程序與往ds1302寫入1byte數(shù)據(jù)的程序大同小異，控制命令是一樣的，也是下降沿時傳數(shù)據(jù)。8.2 根據(jù)命令字，向1302寫和讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)void v_w1302(uchar ucaddr, uchar ucda) / ucaddr: ds1302地址, ucda: 要寫的數(shù)據(jù)t_rst = 0;/禁止數(shù)據(jù)傳遞t_clk = 0;t_rst = 1;/允許傳送數(shù)據(jù)v_rtinputbyte(ucaddr); / 寫地址 _nop_();_nop_();/ 等待，空操作v_rtinputbyte(ucda); / 寫1byte數(shù)據(jù)t_clk = 1; /上升沿寫入數(shù)據(jù)t_rst = 0;根據(jù)命令字