太阳能LED路灯系统设计.doc

太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）设计说明书设计(论文)题目：太阳能LED路灯系统设计 学 生：专 业： 班 级：指导教师： 设计日期：2016年6月5日II太阳能LED路灯系统设计摘 要随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势下已逐渐形成规模，例如太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等。太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。该太阳能LED路灯系统采用AT89C52单片机为核心，通过UC3906芯片充电，利用单片机的端口分别控制数码管显示和智能控制照明系统。本系统既能通过光的强弱来控制路灯的开关，又可以通过调整时间来控制路灯的开关，实现两种功能，达到完美控制的效果。该系统操作简单，功能齐全，界面友好。关键词: 太阳能照明，AT89C52，UC3906，LED路灯DESIGN OF SOLAR LED STREET LAMP SYSTEMABSTRACTWith the development of solar photovoltaic technology and progress, solar lighting products in the environment protection and energy has been gradually under the dual advantages of scale, such as solar lights, garden lights, lawn and so on. Solar street lighting in the area of development has increasingly improved.The solar LED Street lamp system using AT89C52 MCU core, through the UC3906 chip charging port are controlled by microcontroller digital display and intelligent control of lighting systems. The system both by the intensity of light of street lamps to control the switch and switch can be controlled by adjusting the time street lamps, achieving two features, the effect perfect control. The system is simple, functional, friendly interface. KEY WORDS : Solar Lighting System, AT89C52, UC3906, LED Street lamp目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 研究背景、目的与意义11.2 新能源开发的必要性11.3 太阳能利用的优势21.4 太阳能LED路灯优势31.5 国内外应用现状4第二章 方案的论证与选择72.1 设计要求72.2 设计组成方框图82.3 太阳能电池板82.4 蓄电池92.5 主控模块102.6 显示模块102.7 时钟芯片的选择112.8 路灯的选择112.9 最终方案的确定12第三章 硬件电路的设计133.1 电路的总体结构133.1.1 太阳能电池板133.1.2 蓄电池143.1.3 太阳能路灯光源143.1.4 控制器143.1.5 灯杆及灯具外壳153.1.6 线缆和连接紧固辅件153.2 控制模块电路设计153.3 电源稳压电路183.4 UC3906充电电路193.5 光敏电阻接收电路203.6 标准时钟电路223.7 按键可调电路233.8 LED路灯驱动电路233.9 单片机最小系统复位电路253.10 数码管显示电路263.11 整机电路总体设计27第四章 系统软件设计294.1 主程序设计294.2计时程序设计31第五章 太阳能路灯的仿真335.1 仿真流程335.2 仿真图33第六章 总 结36致 谢38参考文献39附录 整体电路图40附录 单片机程序43太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1 研究背景、目的与意义由于全球性能源危机，世界普遍重视可再生能源的利用与研究。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用。太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆可以方便安装在广场、校园、公园以及不便于架设输电线路的地方等多方面的优点而越来越受到重视1。1.2 新能源开发的必要性跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。主要表现为以下几个方面2：(1)能源短缺。常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。(2)环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，是大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。(3)温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。1.3 太阳能利用的优势人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。据预测，到本世纪中叶可再生能源在世界能源结构中将占到50以上，包括太阳能在内的可再生能源在本世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类社会基础能源的重点。太阳能具有独特的优势，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全，环保新能源越来越受到重视。在这里我们就太阳能灯具和使用市电灯具的效果作实用对比。市电照明灯具安装复杂：在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。太阳能照明灯安装简便：太阳能灯具安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。市电照明灯具电费高昂：市电照明灯具工作中有固定高昂的电费，要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能照明灯具免电费：太阳能照明灯具是一次性投入，无任何维护成本，三年可收回投资成本，长期受益。市电照明灯具有安全隐患：市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。太阳能照明没有安全隐患：太阳能灯具是超低压产品，运行安全可靠。太阳能灯照明的其它优势：绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点；可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。1.4 太阳能LED路灯优势随着可持续发展的不断深入，人们在积极开发各类可再生新能源的同时也在倡导节能减排的绿色环保技术而在照明领域，寿命长节能安全绿色环保色彩丰富微型化的LED固态照明也已被公认为世界一种节能环保的重要途径，太阳能LED路灯同时整合了这两者的优势。LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件，不依靠灯丝发热来发光，而是依靠材料中的正负电荷复合来发光，能量转化效率非常高。具有高效、节能、寿命长、免维护、环保等优点。传统的光源功耗比较大，而且大多在高压下工作，使用升压逆变环节又降低了能源利用率，而LED低压直流供电，安全而且光源控制成本低。LED的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒，使频繁开关，调节明暗成为可能。而且LED作为全固态发光体，耐震、耐冲击不易破碎、发热量低、无热辐射、是冷光源、不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收、没有污染。太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。基于单片机的太阳能控制系统很好地把太阳能光伏技术与单片机智能控制技术结合了起来。而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。1.节能环保:据统计，所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。有关数据表明太阳能路灯每年可以减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本。2.可靠耐用：太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。3.安装组件积木化：安装灵活方便，便于用户根据自己的需要选择和调整太阳能路灯的容量大小。4.安全：太阳能路灯不使用易燃燃料，而且不像交流电那样联网运行，导致在雷击等情况下经常会出现高压浪涌，对设备安全造成威胁，只要设计和安装适当，系统具有很高的安全性。5.自主供电：离网运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。但是太阳能LED路灯的优势远远不仅这些。一般人认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED路灯比节能灯还要节能1/4，这是固体光源伟大的革新。除此之外，LED还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。由于LED具有的光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，我们这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。1.5 国内外应用现状在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，已经初步形成在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场要规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长。在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能装置市场仍然持续增长。虽然太阳能公司的数量在减少，但保留下来的公司都趋向于更具规模、更能抵御市场的波动。在某些国家实行的电力公司私有化，可能提高他们将太阳能装置推向市场的兴趣。在奥地利等国，自己动手建造集热器的活动，促进了太阳能装置的主动发展。挪威已安装70000多套小型光伏装置，每年安装约5000套，大多数装置是为偏远小镇、山区和沿海地带度假旅社供电。芬兰人每年也购买几千套小型(40100W)光伏装置，用于消夏小屋。国家石油公司对进一步开发太阳能发电有着强烈的兴趣，重点为建筑物薄膜光伏组件、蓄电池和成套装置。此外，有些国家在高性能太阳能发电窗、太阳能热水器、储能装置、透明隔热材料、日光照明和与建筑物结合的光伏装置等产品的商业化方面进行努力3。法国的太阳能设计师们，正在用“绿色设计”原则代替“太阳能”设计原则，就是要统筹考虑能源性能、安全材料的应用、日光照明、居住的舒适度和健康等因素。这种新设计方法，将应用于Angers的法国环境保护和能源管理署的办公大楼。现今,LED路灯相对于高压钠灯路灯的优越性已被绝大部分专业人士认可，然而遗憾的是目前大多数的LED路灯仍然采用交流电供电，一方面是交流电路灯的技术已经十分成熟，而太阳能路灯还有很多不确定因素，另一方面主要的考虑仍然是太阳能的初始投资过大，从而忽略了太阳能供电的很多根本优越性。然而真正要用太阳能来取代一切能源还是一个长期而艰巨的任务,任何新生事物最好先从小打小闹开始，而且采用“自产自销”的方式，路灯就是一个最好的采用太阳能的试点工程。而且，节能和减排一样，必须先由政府倡导，甚至像德国那样采用政府补贴的方法来推广。我们欣喜地发现,路灯工程原本即政府工程，是由政府来进行招投标的。因此,由LED路灯取代高压钠灯、由太阳能LED路灯取代交流电LED路灯正是大势所趋3。第二章 方案的论证与选择2.1 设计要求1.能自动根据亮度开关灯，能保证连续7天阴天正常夜间照明。2.当开机后，经过上电复位，时钟显示为00：00：00，这时可以调整时、分、秒按钮进行精确调整到当前时间，进行正常走时。3.开机后系统内部自定义开路灯时间为19：00：00，关路灯时间为6：00：00，如果不做调整的话，时间就是下午7点钟开灯，早晨6点钟关灯。4.春、夏、秋、冬四季的昼夜并不相等，为了更好的节省电力资源，本设计中可以进行手动调整，根据四季的变化来调整开路灯和关路灯的时间，更有效的节省资源。本设计的最大优点在于既能通过光的强度控制路灯的开关，也能通过设置时间来控制路灯的开关，可以灵活自如，给使用者带来了很大的方便，又达到了节能的效果。2.2 设计组成方框图太阳能电池板UC3906充电模块铅 酸蓄电池主 控模 块按 键摸 块显 示模 块PT4115驱动模块LED路灯图2-1 设计方框图2.3 太阳能电池板方案一：单晶硅太阳能电池板最初应用于人造卫星电源，现在推广到地面应用，单晶硅太阳能电池板的光电转换效率为15%左右，最高的可达到24，这是目前所有种类的太阳能电池板中光电转换效率最高的；使用寿命一般为15年左右，最高可达25年。单晶硅太阳能电池板转换效率最高技术也最为成熟，在电池制作中一般都采用表面织构化发射区钝化分区掺杂等技术，开发的电池板主要有平面单晶硅电池板和刻槽埋栅电极单晶硅电池板，电池转化效率超过20%左右。方案二：多晶硅太阳电池板的制作工艺与单晶硅太阳电池板差不多，但是多晶硅太阳能电池板的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池板要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池板的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池板短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池板还略好一些。方案三：非晶硅太阳电池板是1976年出现的新型薄膜式太阳电池板，它与单晶硅和多晶硅太阳电池板的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池板存在的主要问题是非晶硅薄膜太阳能电池板与结晶硅相比转换效率偏底, 目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅、多晶硅太阳电池板优于其他电池板，故太阳能电池板采用多晶硅太阳能电池板。综合设计要求，我选择方案一。2.4 蓄电池方案一:铅酸免维护蓄电池，免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点，使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护(添加补充液)；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。方案二：镍镉蓄电池正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由镉制成的一种碱性蓄电池。正极为氢氧化镍，负极为镉，电解液是氢氧化钾溶液，充电、放电的化学反应是镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。其优点是轻便、抗震、寿命长，常用于小型电子设备。综合设计要求，我选择方案一。2.5 主控模块方案一：采用AT89C2051芯片，它体积小，管脚少，没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备。无法满足设计所需。方案二：采用AT89C52芯片，具有AT89C2051的所有功能，管脚充足，AT89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。结合设计要求，我选择方案二。2.6 显示模块方案一:采用液晶显示屏显示时间数字。液晶显示屏具有低功耗、短小轻薄、无辐射危险，影像稳定不闪烁及平面直角显示等优势，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，分辨率高等特点。但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二：采用传统的LED数码管显示。用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字型，便构成了半导体数码管。半导体数码光分共阳极数码管和共阴极数码管，此次设计采用了共阴极数码管显示，即七个发光二极管的阴极连在一起接地。当共阴极数码管的某一阳极接高电平时，相应的二极管发光，根据字形使某几段二极管发光，所以共阴极数码管需要输出高电平有效的译码器来驱动。综合设计要求，我选择方案二。2.7 时钟芯片的选择方案一：使用单片机定时计数器提供时钟信号，用程序实现年、月、日、时、分、秒、星期计数。采用这种方案可减少芯片的使用，节约成本。但产生的时间误差较大。方案二:使用专用时钟芯片DS1302提供时钟信号。DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒年、月、日、时、分、秒、星期计数，还有闰年补偿功能，而且精度高。工作电压在2.5V-5.5V范围内，2.5V时耗电小于300mA。综合设计要求，我选择方案二。2.8 路灯的选择方案一:路灯选用白炽灯。白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射出可见光的电光源。自1879年，美国的爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。1959年，美国在白炽灯的基础上发展了体积和衰光极小的卤钨灯。白炽灯的发展趋势主要是研制节能型灯泡。不同用途和要求的白炽灯，其结构和部件不尽相同。白炽灯的光效虽低，但光色和集光性能好，是产量最大，应用最广泛的电光源。方案二: 路灯选用LED路灯。LED路灯是用高亮度白色发光二极管发光源，光效高、耗电少、寿命长、易控制、免维护、安全环保；是新一代固体冷光源，光色柔和、艳丽、丰富多彩、低损耗、低能耗，绿色环保，适用家庭，商场，银行，医院，宾馆，饭店他各种公共场所长时间照明。无闪直流电，对眼睛起到很好的保护作用，是台灯，手电的最佳选择。经比较，我选择采用方案二。2.9 最终方案的确定综合上面所述，太阳能的主控部分选用AT89C52单片机，太阳能电池板选择单晶硅太阳能电池板，蓄电池选择铅酸免维护蓄电池，显示部分选择传统的LED数码显示管，时钟芯片选择DS1302，键盘模块选择独立式键盘，路灯选择LED节能灯。第三章 硬件电路的设计3.1 电路的总体结构LED是一种低压直流负载，采用太阳能光伏供电的LED适合采用直流负载太阳能独立式发电系统。太阳能LED照明系统主要由太阳能电池板、控制器、蓄电池等部分组成。在太阳能LED照明系统中，控制器的作用是利用太阳能电池板将太阳能转换的电能转存在蓄电池中。当自然光照减弱到需要照明时，控制器将蓄电池存储的电能输送给LED而发光。当自然光照升高到不再需要照明时，控制器则关断蓄电池的放电通路，使LED熄灭，不再耗电。在系统设计时，已经考虑了阴雨天气，把平时多余的电能存储在蓄电池中，从而可以保证在阴雨天气有足够的电能可供使用。3.1.1 太阳能电池板太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，并送至蓄电池中存储起来。在众多太阳能光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池三种。在太阳光充足、日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。本设计采用的太阳能电池板需要为蓄电池提供12V的直流电，当地光照时间日均为4小时，我选择可提供20V电压的太阳能电池板，电池板预留容量20%，所以，WP20V=（1A10h120%）4h,WP=60W,由于电池板损耗在10%左右，我选择实际功率为70W，工作电压为20V的单晶硅太阳能电池板，电池板采用可折叠的柔性板。3.1.2 蓄电池本设计采用铅酸免维护蓄电池，由于具有密封性好、泄漏、无污染、免维护等优点，近年来在国内外得到广泛的应用。本设计要满足连续7个阴雨天供电，每日放电10小时，蓄电池容量1A10h7=70AH，蓄电池充放电预留10%容量，所以实际蓄电池为12V/80AH。3.1.3 太阳能路灯光源LED灯寿命长，可达1000000h，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产为50lm/W，进口为80lm/W。随着技术的进步，LED灯的性能将进一步提高。LED灯是一种通过直流低压点亮发光二极管组来实现照明需求的一种新型照明方式，具有亮度高、显色性好等特点；另外，由于LED路灯的输入为低压电流，能与太阳能结合起来，LED作为太阳能路灯的光源将是今后发展的趋势。本设计选用功率为10W，工作电流为1A的LED路灯，它相当于100W的白炽灯。3.1.4 控制器无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器成兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控制负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。对任何一个太阳能照明系统来说，充放电控制电路的优劣将直接影响到系统应用的成败。由于太阳能光伏发电系统输入的能力极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通发电系统对蓄电池充电的控制复杂。一个性能良好的光伙控制器应具有控制蓄电池充放电、温度调节、过充保护、过放保护、短路保护、反接保护等多种保护功能以及自动开关和时间调整功能。从而保证系统可靠运行，同时使太阳能电池板可以在不同温度和辐照情况下智能输出最大功率，使照明系统具有很高的效率。3.1.5 灯杆及灯具外壳灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。灯具一般是指用于安装照明光源的部分，也就是通常所说的灯头；灯杆分为变径杆、锥形杆、组合杆等多种形式，并通过挑臂与灯具连接。一般的灯杆、灯具都可作为太阳能灯的选择对象。如果采用在灯杆上直接安装太阳能电池组件的方案，需根据太阳能电池组件面积加工制作太阳能电池组件的支架，同时考虑灯杆的抗风强度问题。灯具和灯杆的选择面较宽，一般满足实用、美观的要求即可。3.1.6 线缆和连接紧固辅件线缆用于连接太阳能电池板、蓄电池、充放电控制器、光源等器件。线缆的线径标准随系统配置需要确定，线缆的长度随灯杆高度和器件安装位置确定。连接紧固辅件用于固定各器件连线的输入、输出端子，固定灯杆及灯具。3.2 控制模块电路设计此电路采用AT89C52芯片对整个系统进行控制，AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的M51系列相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0-P3为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32-39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。AT89C52的芯片管脚图如图3-1所示，其中P0口控制数码管的7段的亮暗情况，P1口控制光敏电阻接收电路，P2口控制选择数码管的位数，P3口用于按键输入的控制和路灯照明电路。图3-1 AT89C52芯片管脚图(1)P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线是复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 (2)P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。(3)P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。(4)P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能,P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。(5)RST:复位输入。工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。(6)ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲，对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。(7)PSEN:程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。(8)EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是:加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。(9)XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。(10)XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.3 电源稳压电路三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用1。由图3-2所示，由于该系统需要稳定的5V电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器LM7805。它仅有输人端、输出端及公共端3个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路，由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压电源。图3-2 电源稳压电路3.4 UC3906充电电路UC3906作为密封铅酸蓄电池充电专用芯片，它具有实现密封铅酸蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。更重要的是它能使充电器各种转换电压随电池电压温度系数的变化而变化，从而使密封铅酸蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳充电状态。由图3-3所示，当20V输入电压加入后，Q1导通，开始恒流充电，充电电流为500mA，电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压的95%（即14.25V）时，电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流时，UC3906充电芯片的10脚输出高电平，比较器LM339输出低电平，蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示灯发光，指示蓄电池已充足电。图3-3 UC3906充电电路3.5 光敏电阻接收电路光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻的阻值迅速下降。光敏电阻的特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。ADC0808芯片的工作过程是先送通道号地址到ADDA、ADDB、ADDC，由ALE信号锁存通道号地址，后让START有效，启动A/D转换，产生信号，使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。A/D转换完毕，EOC端发出一正脉冲，申请中断。中断服务程序中，产生信号，使OE端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据便读入到单片机中。由图3-4所示，该部分电路是通过AT89C52里面的模拟信号比较器，RP为光敏电阻，其电阻值随着光线的增强而减少，当照度较小P11口的电位小于P10口的电位，P36口输出高电平。可变电阻RP的阻值可调整照度的控制阈值，送入ADC0808经过IN1脚输出进行模数转换，让AT89C52进行控制。图3-4 光敏电阻接收电路3.6 标准时钟电路该电路由时钟芯片DS1302和晶振组成，并由AT89C52芯片控制。晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用,可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。由图3-5所示，设计采用DS1302作为实时时钟芯片，配备备用电源保证时间准确。图3-5 标准时钟电路3.7 按键可调电路由图3-6所示，由于本系统设置功能部分要求比较简单，所以采用独立式按钮调节。独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下。第一个按键为调整时间位，可以通过改按键调整时、分、秒的切换；第二个按键为增加时间位；第三个按键为减少时间位。图3-6 按键可调电路3.8 LED路灯驱动电路LED路灯驱动简单的来讲就是给LED路灯提供正常工作条件(包括电压,电流等条件)的一种电路,也是LED路灯能工作的必不可少条件,好的驱动电路还能随时保护LED路灯，避免LED路灯被损坏。LED驱动通常分为三种方式，镇流电阻驱动，恒压驱动，恒流驱动4。由于大功率LED路灯是低电压、大电流的驱动器件，当LED路灯电压变化很少时，电流变化很大。LED路灯发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED路灯的衰减，电流过弱会影响LED路灯的发光强度，因此LED路灯的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED路灯使用的安全性，同时达到理想的发光强度。如果采用恒压方式驱动，LED路灯正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。由温度或电压变化引起的特定压变，导致正向电流降低，正向电压变化11会导致更大的正向电流变化达30。电流的变化较大，使LED路灯的亮度不能恒定。所以一般都选择恒流驱动IC7。驱动芯片可以选择PT4115恒流驱动芯片，PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，适合绿色照明LED灯的驱动电路。它具有较宽的直流8V到30V输入电压范围,击穿电压大于45V，输出200-1200mA恒定直流，可满足驱动点亮1-7个串联的大功率LED路灯或N个并联的小功率LED路灯,驱动恒流大小可按应用方案设定。PT4115采用频率抖动技术有效地改善电磁干扰；采用从满量程向下到零的PWM调光；安全可靠，调光比可达5000:1；采用SOT89-5的封装，芯片的管芯可通过直接连通到封装外的金属板散热；导热十分有效；PT4115内部设置了过温保护功能，以保证系统稳定可靠的工作。当IC芯片温度超出160,IC即会进入过温保护状态并停止电流输出,而当温度低于140时,IC即会重新恢复至工作状态。PT4115可利用模拟调光的原理以及温度对LED电流的负反馈实现LED灯具动态温度控制,只要在调光端(DIM端)加一热敏电阻或PN结即可。加上整流桥PT4115可应用于交流12V、24V供电的LED灯具。PT4115的工作效率高达97%,是真正的绿色驱动IC，PT4115被广泛应用于使用LED灯的MR11、MR16、水灯、路灯等各类LED灯具5。由图3-7所示，L1是整流电感，是这个电路中的关键元件，功能是把100KHz的脉冲电流变换成三角波电流，L1的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。因为PT4115 的设计最佳工作频率在1MHz以下，电感量大了小会影响其工作频率，本方案的电感设计在68UH以上，这样系统工作频率可以控制到1MHz以下。电感量小了，工作频率趋高，由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好的实现对内部开关的导通/关断控制。另外电感量太小还会导致PT4115的SW端烧坏，而无输出。所以此设计中L的电感量应选用68uH100uH，Q值大于50，饱和电流大于800mA的磁路闭合电感器。D5是续流二极管，在晶片内部MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管。芯片PT4115的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作辅助温度控制和自动亮度控制。DIM端为高电平有效，此时单片机P3.7口给定一个低电平就可以让照明部分断路停止工作。在晚上电压经过采样比较后低于设定值，单片机则输出高电平，路灯即可通路开始工作。图3-7 LED路灯驱动电路3.9 单片机最小系统复位电路在图3-8的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。复位电路是为确保微机系统中电路稳定可靠工作必不可少的一部分，在复位电路中，单片机的复位引脚分别与一个复位按键、电阻、电容相连，复位电路的第一功能就是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。图3-8 复位电路3.10 数码管显示电路7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点7。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管。LED数码显示器有两种控制方式，即静态数据锁存方式和动态扫描显示。静态数据锁存方式每个数码管用一个8位并行锁存器存储数据并驱动，所以硬件复杂，故障率高。动态扫描显示，就是让各位数码管按照一定顺序轮流显示，其主要优点是能显著降低显示器的功耗，并能大大减少显示器的外部接线。所以在本设计中采用动态扫描方式控制数码管的显示。由图3-9所示，本电路采用单片机串口显示，由74LS245对数码管进行驱动,由74F138对数码管进行位控制，并在数码管接上拉电阻对数码管进行保护，同时也增加了数码管的亮度，用8位共阴极数码管，显示小时，分钟，秒，显示开灯，关灯的时间。图3-9 数码管显示电路3.11 整机电路总体设计整体电路由附录整体电路图所示，由太阳能电池板通过LM7805稳压电路为单片机供电，太阳能电池板通过UC3906芯片为蓄电池充电，当20V输入电压加入后，Q1导通,开始恒流充电，充电电流为500mA，电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压的95%（即14.25V）时，电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电状态终止电流时，UC3906的10脚输出高电平，比较器LM339输出低电平，蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示灯发光，指示蓄电池已充足电。通过光敏电阻测试环境亮度经放大后通过ADC0808转换成数字信息传送到AT89C52单片机，经处理后送给PT4115芯片，PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱