毕业设计（论文）太阳能灯箱

摘要本文介绍了一种具有时控和光控功能的太阳能灯箱，该灯箱利用单片机AT89S51和时钟芯片DS1302控制灯箱照明，利用DS1302内部RAM存储灯箱点亮和熄灭时间，利用光敏电阻实现光电控制。傍晚光线暗时控制电路自动接通灯箱电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭灯箱，早上再自动接通电源点亮灯箱、天亮后自动关断。文中详细分析了太阳能灯箱的电路组成和工作原理，简述了该灯箱电路的调试过程。关键词太阳能电池板，广告灯箱，光电控制，定时控制DEVELOPMENTOFSOLARENERGYLAMPBOXABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESASOLARENERGYLAMPBOXCONTROLLERWITHATIMECONTROLANDALIGHTCONTROLFUNCTIONSWHICHCONTROLSLAMPBOXLIGHTINGBYUSINGANAT89S51OFMCUANDADS1302OFRTCCHIPTHELIGHTANDOFFTIMEOFTHELAMPBOXWASSTOREDINTHEINTERNALRAMOFDS1302THEPHOTOELECTRICCONTROLISREALIZEDBYUSINGPHOTOPERIODSENSITIVERESISTORSTHELAMPBOXWILLAUTOMATICALLYBESWITCHEDONPOWERATTHEDIMLYAFTERNOONANDTURNEDOFFACCORDINGTOTHESETTEDTIMEWHENFEWERPEDESTRIANSAPPEARINTHESTREETLATEATNIGHTBYCONTROLCIRCUIT,THENAUTOMATICALLYBECONNECTEDTOPOWERTOLIGHTUPTHELAMPBOXINTHEMORNINGANDTURNEDOFFAFTERDAWNINTHISPAPER,ADETAILEDANALYSISOFEVERYPARTOFTHELAMPBOXCIRCUITANDITSWORKINGPRINCIPLEANDABRIEFLYDEBUGGINGPROCESSOFTHECIRCUITWEREGIVENKEYWORDSSOLARCELLPANEL,ADVERTISINGLAMPBOX,OPTOELECTRONICCONTROL,TIMINGCONTROL目录1引言12方案论证121设计要求122方案选择13系统总体框图24系统硬件设计341电源电路342太阳能电池板组件343蓄电池644照明负载745太阳能板和蓄电池的选用846显示电路947太阳能控制器10471控制电路功能10472充放电控制1048时控电路1049光控电路及单片机125系统软件设计156结论16致谢16参考文献17附录1总体电路图18附录2程序191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。利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是太阳能电池组件，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，充分开发利用太阳能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，高亮度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，再加上太阳能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1。利用太阳能对灯箱照明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、街道和高速公路等任何地方。随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED灯箱逐渐走入人们的视野。2方案论证21设计要求（1）电池板功率的计算、选用和蓄电池充放电技术；（2）光电控制要求光线较暗、路灯未点亮时开始照明灯箱，天亮后关断灯箱电源；（3）定时控制要求晚上12点时关断灯箱电源，早上5点接通电源、天亮后关断电源；（4）LED或直流无极灯灯具、发光亮度的计算、测试，以及与420W日光灯照明亮度的等效计算和测试；（5）系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数。22方案选择太阳能灯箱跟普通灯箱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，自动开启灯箱；早上光线较强时，自动关闭灯箱，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6。采用时钟控器型的灯箱控制器，要预先设定开关时间，使灯箱按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。近几年还出现将电子钟LED液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于灯箱控制中。经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前灯箱控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在灯箱中使用将会增加不必要的成本。灯箱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，实现太阳能灯箱的设计。3系统总体框图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，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、单片机系统、蓄电池、时控光控电路和照明负载。白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚光控电路发出一个信号给单片机系统，单片机系统根据要求控制蓄电池对灯箱放电，工作设定时间以后时控电路发出一个信号给单片机系统，单片机系统根据要求停止蓄电池对灯箱的供电；黎明前时控电路再给单片机发出一个信号，单片机系统根据要求控制蓄电池对灯箱放电，天亮后光控电路给单片机系统发出一个信号，单片机系统根据要求控制蓄电池停止放电，蓄电池放电结束。系统总体方框图如图1所示。太阳能电池板充放电控制电路LED负载单片机系统蓄电池组光控电路时控电路图1系统总体框图4系统硬件设计41电源电路电源电路如图2所示。系统太阳能供电，12V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C1作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C2、C3为滤波电容。OUT3IN1GND27805C2220UFC1470UFC3103R131KL112图2电源电路42太阳能电池板组件太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最高电压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。晴天时，太阳能电池为蓄电池充电，在夜幕来临时通过定时装置为太阳能灯箱供电。太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光伏效应。其转换过程由以下三个阶段组成（1）光的吸收和空穴电子对的产生在外部不给半导体任何能量的状态（绝对零度）下，电子充满介电子带，而导带则不存在电子。在这种状态下，半导体不显示导电性，而是绝缘体。当具有一定能量的光入射半导体时，如果光子的能量大小比特定值大时，那么，这种光就被半导体吸收。如果半导体晶格吸收的光足够大，能够解除半导体晶格对电子的约束，就产生自由电子，留下空穴。为使被晶格约束的电子变为自由电子，光子的能量必须等于或大于该半导体的禁带宽度。若比携带能量小的光子被半导体吸收，那么它仅能透过半导体晶格，而对光电转换没有作用。（2）电子空穴对的分离当半导体中没有电场时，光激发的电子空穴对均匀的分布在半导体中，但在外电路中并不能得到电流。只有以某种方法在半导体中形成势垒，才能使受激发的电子空穴对分开，从而可向外电路供电。这种势垒常用PN结实现。PN结产生的电子空穴对的分离是有限的，但如果没有连接外部电路，则被分离的电荷不能消失，从而电荷蓄积在PN两层，使PN结正向，即向着电位势垒变小的方向偏转，结果分离过程停止，得到正常状态。这时，把PN结两端产生的电压叫开路电压。若考虑使电荷短路状态，则分离的电荷在外部回路中流动而形成短路电流。因此，短路电流与照射的光量成正比。（3）过剩载流子的移动吸收入射光能产生的电子空穴对也不一定全部分离，电子空穴对产生的数目与分离的数目之比叫做收集效率。半导体中产生的电子空穴对借助存在于半导体中的电场产生的偏移效应和电荷的浓度梯度产生的扩散而移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，所以，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。通常把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在产生的电荷从产生的地方向PN结移动所需要的时间比过剩载流子寿命还长的情况下，电荷不会因PN结而分离，对能量的产生没有作用。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子与空穴（因失去电子而带正的电荷）。如半导体中存在PN结，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。当受光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图3所示的等效电路来描述。在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流IL不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载RL，同时在负载两端建立起端电压V，此电压反过来它又正向偏置于PN结二极管，引起与光电流反向的暗电流ID。但是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻RSH来等效。IDSHIRRSHRSILVIL图3PN结太阳能电池的等效电路图在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。（1）太阳能热发电将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，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。由于太阳能热发电技术复杂，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）太阳能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，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、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多个国家参与太阳能光电池的开发应用。近年来，产量迅速增加，生产成本开始下降7。目前，光伏发电主要用于三大方面为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。太阳能电池的基本特性太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的当日射SL000WM2；太阳能电池温度T25；大气质量AM15时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，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。太阳能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20W单晶硅太阳能电池组件。43蓄电池蓄电池组是太阳能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，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10。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。镍镉蓄电池是一种带有记忆能力的蓄电池，在充电时把电能转换成化学能，放电时把化学能转化成电能。在使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能完全放出能量。比如，镍镉蓄电池只放出80的电量后就开始充电，充足电后，该电池只能放出80的电量。镍镉蓄电池材料利用率低，成本高，长期浅充放循环有“记忆效应”。铅酸蓄电池没有记忆能力，同样能在充放电过程中把电能转换成化学能，浮充寿命可达10年以上，必要时，可高速率放电。其材料利用率高，制造工艺简单，结构紧凑，价格比较便宜，并且容量也比较大，适合做太阳能电池方阵的储能装置。考虑到蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，价格低廉，使用方便等因素，选用铅酸蓄电池比较合适。本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求高，当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。44照明负载LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是PN结，在半导体PN结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体PN结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。白光LED通常是在发射蓝光的INGAN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光。由于LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。超高亮白光LED应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度LED发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮LED或平光型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED集中于一起，排列组合成一定规则的LED发光源。超高亮白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为175MA。超高亮白光LED发光源具有如下优点（1）寿命长。LED的寿命长达100000H，而白炽灯的寿命一般不超过2000H，荧光灯的寿命也不过5000H左右。（2）效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED的功耗只有前者的1020。（3）绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。（4）耐低温。环境使用温度在4080，环境适应性非常强。冲放电控制电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。太阳能LED发光源在太阳能LED灯具中，发光源所用的LED数量，从1个到上千个不等，一定数量的LED组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在LED排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光LED的发光效率，并使得单位面积LED的数量少以降低成本。本设计采用的单个高亮管的正常工作电压2V，每6个高亮管串联成一组，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障时对其他高亮管的影响，由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，高亮管尽量选用照射角度大一些的高亮管。45太阳能板和蓄电池的选用太阳能发电功率量值取决于负载24H所能消耗的电力，同时太阳能电池板的温度也会影响电池输出的功率。当温度上升时，会造成太阳能电池输出功率的减少，因此工作环境的温度将会直接影响到太阳能电池的效率。本系统设计如下所述12设计要求新乡地区，负载输入电压12V功耗24W，每天工作时数7H，保证连续阴雨天数3天。（1）经调查计算得新乡地区峰值日照时数约为6H；（2）负载日耗电量；AH12624（3）所需太阳能组件的总充电电流在这里，两。A81506125个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，105为太阳能电池组件系统综合损失系数，085为蓄电池充电效率。（4）太阳能组件的最小总功率数。W387选用峰值输出功率40WP、单块20WP的标准电池组件，应该可以保证灯箱在一年大多数情况下的正常运行。蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。根据上面的计算知道，负载日耗电量12AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作3个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池设计容量计算蓄电池容量系统安全系数阴雨天数蓄电池容量选用1台12V40AH的蓄电池就可以满足要求了。，AH3612因此，蓄电池的容量BC计算公式为AHTO/CNLQBC式中A为安全系数，取1114之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在以上取1，10以上取11，10以下取12；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取075。46显示电路采用单片机串口显示，由74LS164作为数码管驱动电路，二极管D1、D2和D3起降压、保护数码管作用，数码管用四位，前两位和后两位分屏分别显示年份，月、日，小时、分钟，分钟、秒。电路图如图4。系统电压用电时间用电器功率图4显示电路单片机的串行口RXD，TXD为一个全双工串行通信口，但工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其数据由RXDP30端串行输出或输入；而同步移位时钟由TXDP31端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。由于74LS164在低电平输出时允许通过的电流达8MA，故不必添加驱动电路，亮度也较理想。47太阳能控制器471控制电路功能太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。控制器由CPU控制，根据蓄电池电压高低，调节充电电流大小，决定是否向负载供电，并具有以下性能经常保持蓄电池处在饱满状态，防止蓄电池过度充电，防止蓄电池过度放电，防止夜间蓄电池向太阳能板反向充电，蓄电池反接保护，太阳能极板反接保护。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。472充放电控制过充控制，就是在蓄电池的端电压达到一定值时，处于过充状态时断开充电电路，以免影响蓄电池的寿命。过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。图5给出了一种充放电控制电路。当蓄电池电压低时，NPN管导通对其充电并输出电压，同时D2亮。充满时NPN管截止，同时D1亮。047KR1R322KR422KC13300UFC23300UFD31N4007D1D2R23KC301UF12V入入入入OUT3IN1GND27812图5充放电控制电路48时控电路本系统采用24H运行模式，采用同步串行通信，简化了与单片机之间的通信，微处理器与时钟芯片通信仅需RST复位、I/O数据线、SCLK串行时钟三根线来联接。在I/O口接到处理器的命令后，控制芯片的SCLK端向单片机传送数据或由单片机通过SCLK端向DS1302中写入数据。在时控电路中一般使用的计时功能电路有软件计时、定时器定时，但其缺点是计时有误差，需要隔一段时间校正一次；另一种就硬件计时，现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用17。在设计中采用是硬件定时，时钟芯片用DS1302。DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。晶振采用普通32768KHZ。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为25V55V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行绢流电流充电的能力。765432101RAMCKA4A3A2A1A0RDW图6命令/地址字节DS1302的一次数据传送是从发送控制字节开始的。控制字节的最高有效位位7必须是逻辑1，如果该位为0，则无法把数据写入到DS1302中；位6表示要读写的数据类型，为0表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示要操作单元的地址；最低有效位位0表示命令类型，为0表示要进行写操作，为1表示要进行读操作。控制字节总是从最低位开始输出。命令字节如图6所示。表1DS1302的管脚介绍管脚名X1X2RSTI/OSCLKVCC1VCC2GND功能32768KHZ晶振复位数据出入口写保护电源引脚地表1为DS1302引脚功能，图7为与单片机的连接图。在一般情况下，由主电源VCC2供电，在主电源关闭的情况下，由于后备电源VCC1的存在，故能保持时钟的连续运行。当VCC2大于VCC102V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32768KHZ晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。12345678DS130232KHZC430PFC530PFVCCVCC1SCLKI/ORSTVCC2X1X2GND33VP33P34P35图7DS1302实用时钟电路RST输入有两种功能首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻。上电运行时，在VCC25V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。图中SCL、I/O、RST与单片机连接实现DS1302的读写控制。49光控电路及单片机光控电路由光照度检测电路和单片机控制电路组成，如图8所示。RP1MGMRR9100KR1051K5VP27图8光控电路光照度检测电路由光敏电阻器GM，电位器RP，电阻器R10，100K电阻和8050三极管组成。控制电路为单片机控制电路。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。设计中选取的是可见光光敏电阻。光敏电阻GM和100K电阻，电位器RP分压驱动三极管，当白天光线较强时，GM电阻很小，三极管截止，单片机检测到P27为高电平，使驱动电路截止，继电器不工作，关闭灯箱电源；当光线暗度达到一定程度时，单片机检测到P27口为高电平时，控制P07口送出低电平，接通灯箱电源、点亮灯箱。零时后，当路上行人稀少时，灯箱点亮就失去广告的作用了，这时虽然光线很暗，单片机检测到P27口为高电平，仍然通过程序控制方式使P07口送出高电平，关闭灯箱电源。调节电位器RP可改变此电路对光的灵敏度，避免晚上由于闪电或其它光线短时干扰，可确保干扰光线不会造成误动作。AT89S系列单片机提供的ISP在线编程技术彻底地改变了传统开发模式，开发单片机系统时不会损坏芯片的引脚，加速了产品的上市并降低了研发成本，缩短了从设计制造到现场调试的时间，简化了生产流程，大大提高了工作效率。本电路采用89S51系列单片机。89S51单片机包括一个8位的80S51微处理器。片内256字节数据存储器RAM/SFR，可以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果以及预显示的数据等。片内4KB程序存储器FLASHROM，用以存放可以程序、一些原始数据。4个8位并行I/O端口P0P3，每个端口既可以用作输入，也可以用于输出。两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。一个全双工UART（通用异步接受发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHZ。89S51单片机与8051相比，具有节电工作方式，即休闲方式及掉电方式。以上各个部分是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0HZ，并提供两种可用软件来选择省电方式空闲方式和掉电方式。在空闲方式中CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式的15。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。CPU是单片机的核心，是单片机的控制和指挥中心，由运算器和控制器等部件组成。运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1（TMP1）和暂存器2（TMP2），8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。ALU可对4位、8位和16位数据进行操作，能做加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和“与”、“或”、“异或”、“求补”及“循环移位”等逻辑操作。ACC累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。除此之外，ACC在89S51内部经常作为数据传送的中转站。同一般微处理器一样，它是最忙碌的一个寄存器。PSW程序状态寄存器，8位，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。B8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果，若不做乘、除运算，则可作为通用寄存器使用。另外，89S51片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的进位标志位CY为其累加器，专门用于处理位操作。如可执行置位、位清0、位取反、位等于1转移、位等于0转移、位等于1转移并清0以及位累加器C与其他可位寻址的空间之间进行信息传送等位操作，也能使C与其他可位寻址位之间进行逻辑“与”、逻辑“或”操作，结果放在进位标志位C中。程序计数器PC由两个8位的计数器PCH和PCL组成，共16位。PC实际上是程序的字节地址计数器，PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变PC的内容就可改变程序执行的方向。指令寄存器IR及指令译码器ID由PC中的内容指定FLASHROM地址，取出来的指令经指令寄存器IR送至指令译码器ID，由ID对指令译码并PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。例如，控制ALU的操作，在89S51片内工作寄存器间传送数据，以及发出ACC与I/O口（P0P3）或存储器之间通信的控制信号等等。振荡器及定时电路89S51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30PF左右），其频率为024MHZ，该脉冲信号就作为89S51工作的基本节拍，即时间的最小单位。89S51同其他计算机一样，在基本节拍的控制下协调的工作，就象一个乐队按着指挥的节拍演奏一样。89S51片内有FLASHROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。89S51片内程序存储器容量为4KB，地址从0000H开始，用于存放程序和表格常数。89S51片内数据存储器为128字节，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。在这128字节的RAM中，有32字节单元可指定为工作寄存器。这同一般微处理器不同，89S51的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。89S51单片机内部还有SP,DPTR,PCON,IE和IP等多个特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址为80HFFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器（SFR）,这些特殊功能寄存器还包括P0P3口锁存器。89S51有4个与外部交换信息的8位并行接口，即P0P3。它们都是准双向端口，每个端口各有8条I/O线，均可输入/输出。P0P3口4个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O当作一般特殊功能寄存器（SFR）来寻址。除4个8位并行口外，89S51还有一个可编程的全双工串行口，利用P30和P31，可实现与外界的串行通信。5系统软件设计系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、DS1302的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成。程序开始要进行初始化，程序每隔一段时间调用一次DS1302中的时间及其内部存储的开关灯箱时间点。通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较，当时间相同时，则通过程序输出控制信号，对驱动电路进行驱动。系统总体程序流程图如图9所示。开始初始化设置键是否按下判断当前时间调整时间零点到5点是否天黑开灯关灯是否5点到24点NYYNYN图9系统总体程序流程图如果想调整开关灯箱时间点和DS1302中的当前时间可以通过设置的按键手动进行时间的调节。图中开关S1、S2、S3、S4分别为显示切换键、加一键、减一键和定时调整键。具体程序流程图如图10所示。按下切换键123456显示年份显示日期调整年调整月调整日调整小时调整分钟78显示时间12调整小时调整分钟3显示时间调整键图10具体程序流程图6结论本次毕业设计的太阳能灯箱设计是针对已经存在的灯箱进行改进。首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节约的目的。设计中使用了光控和时控相结合的方法，避免了光控方法易受干扰，时控需频繁设置时间的麻烦，为了节约用电，在深夜行人较少时灯箱根据设置的熄灯时间熄灭，早上行人多时根据设置的开灯时间亮灯。其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气供电。本设计中由于蓄电池自身的容量限制，不能保证在阴雨天长时间对外供电。希望这个问题在以后的新型能源出现之后可以得到圆满解决。致谢四个多月的毕业设计结束了，这次毕业设计让我学到了很多东西。毕业设计是大学期间所学知识的综合应用，为以后的工作打下坚定的基础。经过这次毕业设计，使我对太阳能电池板的工作原理有了进一步的了解。在设计中我得到了老师的悉心指导，他的渊博知识、严格要求、严谨作风都给我留下了很深刻的印象，将使我受用一生，在此对老师表示感谢，另外在设计当中也得到了很多同学的支持，在此感谢他们。鉴于水平有限，难免存在一些错误和漏洞，望各位专家、学者不吝赐教，在此向大家表示衷心的感谢。参考文献1田力文太阳能光伏照明手册化学工业出版社，20112刘鉴民太阳能利用原理技术工程电子工业出版社,20103杨清德LED工程应用技术人民邮电出版社,20104杨恒LED照明驱动器设计步骤详解中国电力出版社,20105陆军建，包晓琪，朱勤智普及式节能广告灯箱的研制科技致富向导,2011（30）6窦新民，孔德霞，刘俊义太阳能光热光电结合一体机太阳能,2009（3）7张先富，赵明富，王朝选小型太阳能广告灯箱的设计磁性材料及器件,2009（4）8刘镭与太阳互动，影子也广告国际广告,2010（5）9周向红51单片机课程设计华中科技大学出版社，201110杨志刚小型太阳能光伏电源实用技术科学普及出版社200911施钰川太阳能原理与技术西安交通大学出版社200912康伟超，王丽硅材料检测技术化学工业出版社2009附录1总体电路图P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP31P101P112P123P134P145P15/MOSI6P16/MISO7P17/SCK8REST9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL218XTAL119GND20U012MHZC130PFC230PFC322UFR21KR1200VCC12345678DS13025VS532KHZC430PFC530PFVCCC61000UFVCC1SCLKI/ORSTVCC2X1X2GNDRP1MGMRR9100KR1051K5VGNDD61N4007T8550R1KLDK25VGNDQ8050OUT3IN1GND27805C747U/16VC8470U/250VD71N4007047KR1R322KR422KT28550T18050C13300UFC23300UFD31N4007D1D2R23KC301UF12V入入入入入入OUT3IN1GND27812附录2程序INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARSBITSHJP30SBITSCKP31UNSIGNEDCHARCODEDISPCODE0X11,0XD7,0X32,0X92,0XD4,0X98,0X18,0XD3,0X10,0X90,0XFEUNSIGNEDCHARTIME0,0,0,0,0,0,0,0/用来储存时间UNSIGNEDCHARDATE0,0,0,0,0,0,0,0/用来储存日期SYSTEMTIMETIME1/在DS1302H文件中已经定义了一个名字为SYSTEMTIME的结构体,在这里我们定义一个变量名为TIME的SYSTEMTIME结构体VOIDDELAYUNSIGNEDCHARI/延时子程序UNSIGNEDCHARJWHILEI0FORJ123J0JUNSIGNEDCHARBUTTON_TIMEN,X,Y/时钟调整子程序UNSIGNEDCHARN,X,YIFP1_20DELAY50IFP1_20NIFNXN0WHILEP1_20IFP1_30DELAY50IFP1_30IFN0NYELSENWHILEP1_30RETURNNUNSIGNEDCHARBUTTON_DATEN,X,Y/日期调整子程序UNSIGNEDCHARN,X,YIFP1_20DELAY50IFP1_20NIFNXN1WHILEP1_20IFP1_30DELAY50IFP1_30IFN1NYELSENWHILEP1_30RETURNNVOIDFSUCHARWORDUCHARI,TEMPTEMPDISPCODEWORDFORI0I1SHJCYSCK0SCK1VOIDPANDDS1302_GETRAM/P1_61读取时间参数IFTIME1HOURTIMESSECONDTIMESMINUTE存RAM1的数据，即设定的小时P0_60ELSEIFP2_71|TIME1HOUR2SURE0FLAGS0WHILEP1_40IFSUREIFFLAGS1DS1302_GETRAMTIME2SECONDBUTTON_TIMETIME2SECOND,24,23/设定时DS1302_SETTIME0XC0,TIME2SECONDTIME1HOURTIME2SECONDDISPLAYTIME0,TIME1,10,10DELAY20IFFLAGS2DS1302_GETRAMTIME2MINUTEBUTTON_TIMETIME2MINUTE,60,59/设定分DS1302_SETTIME0XC2,TIME2MINUTETIME1MINUTETIME2MINUTEDISPLAY10,10,TIME2,TIME3DELAY20/IFP1_10/如果按下TIMESTART键一下,时钟开始正常显示时间,再按一下,显示日期DELAY50IFP1_10FLAGIFFLAG7FLAG0WHILEP1_10IFSURESWITCHLAGCASE0DISPLAYTIME2,TIME3,TIME4,TIME5/显示时间DELAY20BREAKCASE1DISPLAY2,0,DATE0,DATE1/显示年份DELAY20BREAKCASE2DISPLAYDATE2,DATE3,DATE4,DATE5/显示月日DELAY20BREAKCASE3TIME1YEARBUTTON_DATETIME1YEAR,100,99/调整年DS1302_SETTIME0X8C,TIME1YEARDISPLAY2,0,DATE0,DATE1DELAY20BREAKCASE4TIME1MONTHBUTTON_DATETIME1MONTH,13,12/调整月DS1302_SETTIME0X88,TIME1MONTHDISPLAYDATE2,DATE3,10,10DELAY20BREAKCASE5TIME1DAYBUTTON_DATETIME1DAY,32,31/调整日DS1302_SETTIME0X86,TIME1DAYDISPLAY10,10,DATE4,DATE5DELAY20BREAKCASE6TIME1HOURBUTTON_TIMETIME1HOUR,24,23/调整时DS1302_SETTIME0X84,TIME1HOURDISPLAYTIME0,TIME1,10,10DELAY20BREAKCASE7TIME1MINUTEBUTTON_TIMETIME1MINUTE,60,59/调整分DS1302_SETTIME0X82,TIME1MINU