太阳能广告灯箱设计与制作

河南科技学院2009 届本科毕业论文（设计）论文题目：太阳能广告灯箱设计与制作学生姓名： 王云霄所在院系： 机电学院所学专业： 应用电子技术教育导师姓名： 赵明富完成时间：2009 年 5 月 20 日摘 要本设计采用新能源太阳能，用太阳能电池给高亮度 LED 供电，利用单片机技术实现广告灯箱的光电控制、定时控制和节能控制，克服阴天时不能及时照明灯箱、天亮后不能及时关断灯箱电源的现象，避免人工控制带来的长明灯现象，以节约电能。本设计采用时 、光双控 电路，时控电路用 DS1302 芯片，光控电路采用光敏传感器，再与单片机 结合实现所需功能，使广告灯箱的工作时间更加合理化，更节约 能源。关键词：太阳能电池，LED， 时控电路，光控电路Development of solar advertising light boxAbstractThis design uses the new energy solar energy, with the solar cell for the high luminance LED power supply, realizes the advertisement lamphouse photoelectric control using the monolithic integrated circuit technology, the timed control and the energy conservation control, overcomes when the cloudy day cannot illuminate promptly the lamphouse, after the dawn, cannot shut off the lamphouse power source's phenomenon promptly, avoids large oil lamp lit day and night before Buddha status phenomenon which the manual control brings, by saves the electrical energy. This design uses, the light double controls the electric circuit, when controlled the electric circuit with the DS1302 chip, the light controls the electric circuit to use the photosensitive sensor, realized again with the monolithic integrated circuit union needs the function causes the advertisement lamphouse the operating time even more rationalize, more frugal energy. Keywords: solar battery, LED, Time control circuit, Light control circuit目 录1 引言 .12 系统原理与结构 .13 太阳能系统设计 .23.1 太阳能电池 .23.2 蓄电池 .33.3 太阳能控制器 .43.3.1 蓄电池充电控制基本原理 .43.3.2 蓄电池放电控制基本原理 .53.4 太阳能电池板的选用 .63.5 蓄电池选型 .63.6 倾角设计 .74 硬件电路设计 .74.1 时控电路 .74.2 光控电路 .84.3 恒流电路与负载电路 .84.4 显示电路 .94.5 单片机最小系统硬件电路设计 .105 主要元器件介绍 .105.1 单片机 .105.2 LED .135.3 晶振 .135.4 DS1302.146 软件部分 .157 结束语 .15致谢 .16参考文献 .17附录 1.18附录 2.19附录 3.2011 引言回顾人类能源消费的历史，大约经过了木、水、风、煤、石油等阶段，但是随着世界各国的快速发展，造成石油、煤炭等不可再生的自然资源的储存量越来越少，现在能源的发展正向太阳能源迈进。本设计就是利用新能源结合传统的广告灯箱制作而成的。太阳能广告灯箱主要结合广告市场新异个性化的需求，进行有针对性的外形设计，采用太阳能电池板、控制器、铅酸免维护蓄电池与超高亮度发光二极管新型光源作为供电系统和光源,同时运用高效纳米发光材料,使点光源变为面光源,发光更均匀，无排骨现象；做工精细、质量上乘、造型奇特。太阳能供 电系 统白天进行电能转换及储备,夜晚箱体发光。不仅节电、绿色环保而且起到广告媒介和美化环境的作用。太阳能广告灯箱凭借独特的设计理念为广告行业开辟一个全新的领域。不仅具有广告原有的宣传作用， 还点亮了都市，小区的夜景生活。在不需要架 电线，电缆的同时为我们的生活添加了一处别样的风景。2 系统原理与结构本系统利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，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头放电，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头的供电；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头放电，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。系统框图如图 1 所示。图 1 系统总体框图太阳能电池板蓄电池 组LED 负载时控电路充 放电 主电 路单片机系统光控电 路充放电控制器23 太阳能系统设计太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如 输出电源为交流 220V 或 110V，还需要配置逆变器。3.1 太阳能电池太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“ 光生伏打效 应” ，因此太阳能电池又称为“光伏电池” ，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半 导体的原子也是由 带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有 4 个电子，按固定 轨道围绕原子核转动 。7可将半导体太阳能电池的发电过程概括成以下四点：1、首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。2、太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激 发出非平衡载流子（光生载流子）电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在他们被分离之前不会复合消失。3、这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池 p-n 结内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在一边，在 p-n 结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生 电动势，即光生 电压。4、在太阳能电池 p-n 结的两侧引出电极，并接上 负载 ，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率 输出。太阳能电池的基本工作原理如下所述：图 2 光生伏打效应原理图众所周知，物质的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电， 电子带正电。电子就像行星围绕太阳 转动一样，按照一定的 轨 道绕着原子核旋转。 单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原子的外层中有四个电子。每个原子的外壳3电子都有固定的位置，并接受原子核的约束。他 们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来的地方留出一个空位，即空穴。由于电子带负电，空穴就表 现为带 正电。电子和空穴就是电晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由 电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、 镓或铟等杂质元素，它就成了空穴型半导体，简称 p 型半导体。如果在硅晶体半导体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，它就成了电子型半导体， 简称 n 型半导体。若把 这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面 处便会形成 p-n 结，并在 结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此 处的电场特别高，所以也称 为阻挡层。当太阳光照射 p-n 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子空穴对，并在势垒电场的作用下， 电子被驱向 p 型区，从而使 n区有过剩的电子，p 区有过剩的空穴；于是就在 p-n 结的附近形成了于势垒电场相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使 p 型区带正电、n 型区带负电；于是就使得 n 区与 p 区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是 p-n 结接触型硅太阳能电池发电的基本原理（如图 2 ）。若把数个太阳能单体串联或并联起来封装成为太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。3.2 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。在光伏发电系统中，蓄电池处于充放电状态，夏天日照量大，方 阵除了供给负载用电外，还要给蓄电池充 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（同时方阵还要给负载供电），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。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”。 4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。3.3 太阳能控制器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。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。3.3.1 蓄电池充电控制基本原理由于现在使用最多的是铅酸蓄电池，因此这里就以铅酸蓄电池为例介绍控制器的充电控制基本原理。附录 1 所示为一个采用直接耦合的方式的充放电控制器电路，该电路由集成运放 LM358、CD4011、功率开关（50N06）可调电 阻以及电阻、 电容、二极管、三极管、发光管、插座等组成。该电路为 12V 的蓄电池设计的充放电控制电路，对蓄电池具有过充和过放保护功能，LED 提供充放 电状态指示，最大充放电电流为 6A，PV 组件正极流入端具有肖特基管 D1，以 PV 组件代替光敏电阻，通过跳线 JP0 可实现白天充电夜 间自动放电功能。蓄 电池的充放电电压可根据具体的蓄电池的使用要求通过可调电阻 W1、W3 进行调节，一般标称为 12V 的铅酸蓄电池最低放电电压不低于 11V（一般相当于 75的放 电深度，若要求蓄 电池浅放电，这个值还需要提高），最高充 电电压不得高于 14.5V（这个值与蓄电池环境温度有关，需作温度补偿）。蓄电池实现直充脉充关断 在脉充的转换过程对其充电，脉冲 频率由反馈电阻 R17 的大小决定， 这类电 路脉冲一般较小（0.55Hz）。图 3 铅酸蓄电池充电特性铅酸蓄电池充电特性见图 3。由充电曲线可以看出，蓄电池充电过程有三个5阶段，初期（OA）电压快速上升，中期（ABC）电压缓慢上升，延续较长时间，C 点开始为充电末期，电化学反应接近结束， 电压开始迅速上升，接近 D 点时，负极析出氢气，正极析出氧气，水分被分解。上述所有迹象表明，D 点电压标志着蓄电池已充满电，应立即停止充电，否 则将给铅酸蓄电池带来损坏。通过对蓄电池充电特性的分析可知，在蓄电池充电过程中当充电到 D 点的电压出现时就标志着该电池已充满。依据这一原理，在控制器中设置电压量和电压比较电路，通过检测出 D 点电压值，即可判断蓄电池是否应该结束充电。对于开口式固定型铅酸蓄电池， 标准状态（25， 0.1C 充电 率）下的充电终了（D 点）电压约 2.52.6V。对于阀控密封式 铅酸蓄电池， 标准状态下的充电终了（D 点）电压约 2.352.4V。在控制器里比 较设置的 D 点电压称为“ 门限电压”或“电压阈值” 。 3.3.2 蓄电池放电控制基本原理铅酸蓄电池放电特性见图 4。由放电曲线可以看出，蓄电池放电过程有三个阶段，开始（OE ）阶段电压下降较快，中期（ EFG）电压缓慢下降，延续时间较长，G 点后放电电压急剧下降。其原因首先是酸 浓度降低，引起电动势基地；其次是活性物质的不断消耗，反应 面积减小，使极化不断增加。此外由于硫酸 铅的不断生成，使电池内阻不断增加。上述使放 电电压急剧下降的所有迹象表明，G 点电压标志着蓄电池已经接近放电终了，应立即停止放电，否则将给铅酸蓄电池带来不可逆转的损坏。图 4 铅酸蓄电池放电特性通过上述对蓄电池放电特性的分析可知，在蓄电池放电过程中当放电到相当于 G 点的电压出现时就标志着该电池已放电终了。依据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过监测出 G 点电压值，即可判断蓄电池是否应结束放电。 对于开口式固定型 铅酸蓄电池， 标准状太（ 25，0.1C 放电率）下的放电终了（G 点）电压约 1.751.8V。对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态（25， 0.1C放电率）下的放电终了(G 点)电压约 1.781.82V。在控制器里比较器设置的 G 点电压称为“门 限电压” 或“电压阀值”。 63.4 太阳能电池板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 ：10设计要求：新乡地区，负载输入电压 9.6V 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 = 24÷9.6×6=15Ah；（3）所需太阳能组件的总充电电流 = 1.05×15÷（6×0.85）=3A 。在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为 20 天，1.05 为太阳能电池组件系统综合损失系数， 0.85 为蓄电池充电效率。 （4）太阳能组件的最小总功率数 = 17.2×3 =51.6W 。选用峰值输出功率 60Wp、单块 30Wp 的标准电池组件，应该可以保证广告灯箱在一年大多数情况下的正常运行。 3.5 蓄电池选型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 15Ah。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 根据上面的计算知道，负载日耗电量 15AH。在蓄电池充满情况下，可以 连续工作 3 个阴雨天，蓄电池容量：15×3 = 45（AH），选用 1 台 12V50AH 的蓄电池就可以 满足要求了。因此，蓄电池的容量 BC 计 算公式为： BC=A×QL×NL×TOCCAh 式中：A 为安全系数，取 1.11.4 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 1.1，10以下取1.2；CC 为蓄电池放 电深度，一般铅酸蓄电池取 0.75。3.6 倾角设计系 统 电 压用 电 时 间用 电 器 功 率 7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，我们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。本次广告灯箱使用地区为新乡地区，依据本次设计参考相关文献中的资料，选定太阳能电池组件支架 倾角为 16。 4 硬件电路设计4.1 时控电路时控电路由时钟电路和单片机控制电路组成，如图 5 所示。图 5 时控电路图DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充 电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和 31 字 节静态 RAM 通过简单的串行接口与 单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息。时钟电路主要由 DS1302 及其外围电路组成。 单片机控制 电路的控制信号来源于时钟芯片，根据电路要求，判断时间，到达设定 时间时，单片机检测到一个信号，然后根据要求输出一个控制信号给下级电路。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式 进行通信，仅需用到三个口线：（1）RES （复位）， （2）I/O（数据线）， （3）SCLK（串行时钟）。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达 31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低 保持数据和时钟信息 时功率小于 1mW。双 电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为 可编程涓流充电电源，附加七个字 节 存储器。从图中可以看出 X1、X2 连接 32.768MHZ 的晶体振 荡器，用来产生 DS1302的片外振荡脉冲，VCC1 脚 连接一个大电容作为备用电源，SCLK、I/O、RST 管脚接单片机，运用单总线方式控制。4.2 光控电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 26-May-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator业业ME业业业业 业业业业业业业.DDBDrawn By:CRY232KHZ1234 5678VCC2X1X2GNDVCC1SCLKI/ORESTGNDC333PC433PVCCC61000UDS1302P2.2P2.4P2.3R91K8该电路由光照度检测电路和单片机控制电路组成，如图 6 所示。图 6 光控电路光照度检测电路由光敏电阻器 RG，电位器 RP，电阻器 R1，R2 和非门集成电路 IC1 组成。控制电路为单 片机控制电路。白天光照较强，RG 受光照射而呈低阻状态，IC1 的输入端为低电平，输出端为高电平，6 脚为高电位，即给单 片机 P2.7 口送入的是高电平。当光线较弱时，RG 的阻值开始增大。随着光线的逐渐变弱，IC1 的输入端电压也逐渐上升，当该电压上升至 IC1 的阀值电压时，其输出端变为低电平， 6 脚为低电位，即给单片机 P2.7 口送入的是低电平，单片机控制下级电路工作。调节RP 的阻 值，可以改变电路动作的灵敏度。 4.3 恒流电路与负载电路本系统的负载电路共有 8 路，每路都由一个恒流源和 3 个 1W 大功率发光二极管组成，具体电路如图 7 所示 。12图 7 恒流电路与负载电路恒流源电路主要由 LM317 和一个 0.5W 的 4 欧的电阻组成。 电路中电流=1.25/R，因 为 1W 白光二极管的工作电流为 320ma，2，3 脚之间为 1.25V 电压基1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 16-May-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator业业ME业业Easy51业业业Easy51业业业.DDBDrawn By:1 2 3 4 5 6 789101112131474LS00R15.1KR1100KRW1MGMVCCGNDP2.71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 24-May-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator业业ME业业业业 业业业业业业业.DDBDrawn By:Vin1GND2Vout 3LM317R1VINL10 L10 L10Gnd9准，通过上面的公式可以算出电阻的大概阻值为 4 欧姆。4.4 显示电路数码管显示的串口输出电路，串口六位数码显示主要由供电电路、串并转换电路、数 码显示电路组成，电路如图 8 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 1-Jun-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator业业ME业业业业 业业业业业业业.DDBDrawn By:c1d2g10e4dp5b6a7f98LED1c1d2g10e4dp5b6a7f98LED2c1d2g10e4dp5b6a7f98LED3c1d2g10e4dp5b6a7f98LED4A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14U474LS164A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14U574LS164A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14U674LS164A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14U774LS164P3.0 P3.15VD7IN4007D6IN4007D5IN40075V图 8 显示电路供电电路是由三个二极管组成，其目的是降低电源的电压为数码管提供合适的工作电压，从而省去了 为每个数码管要加八个电阻的麻烦。串并转换电路主要由六块移位寄存器 74ALS164 组 成。当清除端（CLEAR ）为低电平时， 输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A ，B）可控制数据。当一组数据依次输入时，寄存器中的数据在每个时钟脉冲的作用下依次向下一个寄存器传递。最终在输出端（QAQH）得到八位并行输出的数据。由于寄存器是级联的，所以在时钟脉冲的作用下依次为每个数码管提供八位的数据。数码显示电路主要由八段数码管组成，其电路是共阳的，当输出一定的编码数据时显示相应的数字。4.5 单片机最小系统硬件电路设计单片机控制电路采用 89s51 系列单片机及其外围电 路组成，电路如图 9 所10示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 16-May-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator业业ME业业Easy51业业业Easy51业业业.DDBDrawn By:C322uFR1310KRESETS6 VCCGNDR12200P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39VCC 40P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28ALE/PROG 30PSEN 29EA/VPP 31P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8REST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20U1 AT89S51CRY12MHzC133PFC233PFRESETGNDALEPSENVCCA10A11A12A13A14A15A16A17B10B11B12B13B14B15B16B17C10C11C12C13C14C15C16C17D10D11D12D13D14D15D16D17VCC图 9 单片机电路复位电路采用按键手动复位方式，当 S6 按键按下后，VCC 通过 R12 给单片机 9 脚一个高电平，就可以完成复位操作，时钟电路用 12MHz 晶振及 2 个 30pF的电容组成，片内的时钟信号主用由该电路产生。5 主要元器件介绍5.1 单片机ATMEL、PHILIPS 和 SST 等公司生产的与 80C51 兼容的低功耗、高性能 8位 89C51 单片机具有比 80C31 更丰富的硬件资源，特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器 Flash ROM 给单片机的开发及 应用带来了很大的方便。因为89C51=80C31+373+2732，且芯片的价格便宜，因此选用此型号的单片机 。289C51 单片机包括一个：一个 8 位的 80C51 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 Flash ROM，用以存放可以程序、一些原始数据。114 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。89C51 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 89C51 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。在指令中用助记符来表示。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。B：8 为 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，89C51 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、12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 Flash ROM 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89C51 片内工作寄存器间传送数据，以及 发出 ACC 与 IO 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：89C51 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 024 MHz。该脉冲信号就作为 89C51 工作的基本节拍，即时间的最小 单位。 89C51 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。89C51 片内有 Flash ROM（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。89C51 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。89C51 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，89C51 的片内 RAM 和工作寄存器排在一个队列里统一编址。89C51 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 80 HFF H。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。89C51 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 IO 线，均可 输入/输出。P0P3 口 4 个锁存器同 RAM统一编址，可以把 IO 当作一般特殊功能寄存器（SFR ）来寻址。除 4 个 8 位并行口外，89C51 还有一个可编程的全双工串行口，利用 P3.0和 P3.1，可 实现 与外界的串行通信。5.2 LED13LED 是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的 发光器件，具有工作电压低，耗 电量小，发光效率高， 发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。大功率的 LED 封装已出 现。5W 系列白、绿、 蓝绿 、蓝的功率型 LED 从2003 年初开始供货，白光 LED 光输出达 1871m，光效 4431mW 绿光衰问题，开发出可承受 10W 功率的 LED，大面积管；尺寸为 25×2.5mm，可在 5A 电流下工作，光输出达 2001m，作 为固体照明光源有很大发展空间。Luxeon 系列功率 LED 是将 A1GalnN 功率型倒装管芯倒装 焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为 14W，只有常规 LED 的 110；可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40-120 范围，不会因温度骤变 。85.3 晶振晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。与 LC 谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，采用高精度和稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到 0.00010.000000001 的频率稳定度。石英晶体振荡器之所以能获得很高的频率稳定度，是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性，具体表现为：石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体振荡器的振荡频率主要由石英晶体谐振器的谐振频率决定。石英晶体的串联谐振频率 Fp 主要取决于晶体的尺寸，石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的 Lp、Cp 值很稳定，使得 Fp 很稳定。石英晶体谐振器与有源器件的接入系数 p 很小，一般为 0.001-0.0001。这大大减弱了有源器件的极间电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体振荡器决定频率振荡系统的影响。石英晶体谐振器具有非常高的 Q 值。Q 值一般为 0.00010.000001,与 Q 值仅为几百数量级的普通 LC 回路相比,其 Q 值极高,维持振荡频率稳定不变的能力极强.14使用石英晶体谐振器时应注意以下几点：石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前，在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的，实际 使用时也必须外加负载电容，并经微调后才能获得标称频率。 为了保持晶振的高 稳定性， 负载电容应采用精度较高的微调电容。石英晶体振荡器的激励电平应在规定范围内。过高的激励功率会使石英晶体谐振器内部温度升高，使石英晶片的老化效应和频率漂移增大，严重时还会使晶片因机械振动过大而损失。在并联型晶体振荡器中，石英晶体起等效电感的作用，若作为容抗， 则在石英晶片失效时，石英谐振器的支架电容还存在， 线路仍可能满足振荡条件而振荡，石英晶体谐振器失去了稳频作用。晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率，当要求在波段中得到可选择的许多频率时，就要采用别的 电路措施，如 频率合成器，它是用一块晶体得到许多稳定频率。5.4 DS1302在本系统中需要显示当前的日期、时间提示，因此我们使用一个时钟芯片，用来提供年、月、日、星期、小时、分钟等信息内容。我们选用 DALLAS(达拉斯)公司生产的时钟芯片 DS1302，外形 图如图 10 所示。图 10 DS1302 外形及管脚分布DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和 31 字节静态 RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过 AM/PM 指示决定采用 24 或 12 小时格式。DS1302 是 DS1202 的升级产品，除了 DS1202 基本的慢速充电功能外，DS1302 还具有双电源供电的特点，以及 7 个附加字 节的高速暂存存储器。6 软件部分该系的统软件程序设计主要有主程序，显示子程序和延时子程序。系统流程图如图 11 所示，程序见附录 2。SCLK 7VCC21X12X23RST 5I/O 6VCC1 8GND415. 图 11 程序流程图7 结束语本文通过对太让能系统的分析，结合传统的广告灯箱制作，设计出这个产品。根据相关技术规范，对广告灯箱的照明光源以及控制电路进行分析改进。选择新型发光材料，提高了光源的 发光效率，减少 对电源的 损耗， 节约资源，降低成本，采用新能源太让能，即环保又 实用。采用 单片机 AT89C51 改进控制电路，增 强电路的控制功能，提高了电路的可控性。但由于资料和水平有限，在系统的细节性能方面还不是很完善，还存在很多不足，在以后的学习和设计中将会加以改进。致谢经过半年多的努力，本课题顺利完成。首先，感谢我的 导师对我的培养、指导和关心。从选题到帮助解决 实际遇到的问题，到 论 文的审阅， 导师都投入了很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NYYNYN16大的心血。同时，导师一丝不苟的精神也深深感染、教育了我，让我少了些浮躁、多了些踏实。最后，感谢机电学院所有老师和同学对我的大力帮助。参考文献1 田大垒,王杏,关荣锋.大功率白光 LED 封装技术面临的挑战J.电子与封装,2008.022 徐伟，徐富 军等.C51 军单片机高效入门M. 北京：机械工业出版社,2006.10173 袁茵.太阳能电池阳光普照J.电子技术， 2006.34 何立民.单片机实验与实践教程M. 北京：北京航空航天大学出版社,2006.55 戴佳，戴卫 恒等.51 单片机 C 语言应用应用程序设计实例精讲M 北京： 电子工业出版社,2006.46 赵争鸣.刘建政等.太阳能光伏发电及其应用M .北京：科学出版社,2005.107 刘文涛.单片机语言 C51 典型 应用设计 M.北京：人民邮电出版社,2005.108 李朝青.单片机原理及接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社,20059 沈辉，曾祖勤 .太阳能光伏 发电技术 .北京：化学工业出版社,2005：1019810 王浩，于彬海 .如何确定大功率 LED 的工作电流J . 电子制作,2005.12(4)11 李甫元.LED 灯J.电气时 代,2004 ( 10)：12812912 严陆光，崔容 强.21 世纪 太阳能新技术 .上海：上海交通大学出版社,200413 王幸之.AT89 系列单片机原理与接口技术 M.北京航空航天大学出版 ,200414 童诗白,华成英.模拟电子技术基础M （第三版）高等教育出版社,200315 徐大诚，邹丽 新等.微型计 算机控制技术及应用 M.北京：高等教育出版社,2003附录 119附录1采用直接耦合方式的太阳能路灯充放电控制器电路20附录 2123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSize B Date:1-Jun-2009 Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator业业ME业业业业 业业业业业业业.DDBDrawn By:C5 22uFR13 10KRESETS65VR12 200P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP31P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8REST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20U1AT89S51CRY112MHzC1 33PFC2 33PFRESETALE PSEN5VA10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17B10 B11 B12 B13 B14 B15 B16 B17 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17D10 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D175 VQ2 85505V1 253 4KM1JDQIJDBJDKJDGL10R171KD8