太阳能路灯系统设计

I 摘 要 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。 关键词关键词:AT89C52;UC3906;LED 路灯 太阳能路灯系统设计 II ABSTRACT 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: AT89C52; UC3906; LED Street lamp 目 录 摘 要 .I ABSTRACTABSTRACT .II 前 言 .1 第一章 绪 论 .2 1.1 研究背景、目的与意义 .2 1.2 新能源开发的必要性 .2 1.3 太阳能利用的优势 .2 1.4 太阳能 LED 路灯优势 .3 1.5 国内外应用现状 .5 第二章 方案的论证与选择 .7 2.1 设计要求 .7 2.2 设计组成方框图 .7 2.3 太阳能电池板 .8 2.4 蓄电池 .8 2.5 主控模块 .9 2.6 显示模块 .9 2.7 时钟芯片的选择 .10 2.8 路灯的选择 .10 2.9 最终方案的确定 .10 第三章 硬件电路的设计 .12 3.1 电路的总体结构 .12 3.1.1 太阳能电池板.12 3.1.2 蓄电池.12 3.1.3 太阳能路灯光源.13 3.1.4 控制器.13 3.1.5 灯杆及灯具外壳.13 太阳能路灯系统设计 3.1.6 线缆和连接紧固辅件.14 3.2 控制模块电路设计 .14 3.3 电源稳压电路 .16 3.4 UC3906 充电电路 .17 3.5 光敏电阻接收电路 .18 3.6 标准时钟电路 .19 3.7 按键可调电路 .20 3.8 LED 路灯驱动电路 .21 3.9 单片机最小系统复位电路 .23 3.10 数码管显示电路 .24 3.11 整机电路总体设计 .25 第四章 系统软件设计 .26 4.1 主程序设计 .26 4.2 计时程序设计 .29 第五章 太阳能路灯的仿真 .31 5.1 仿真流程 .31 5.2 仿真图 .31 第六章 电路 PCB 图 .34 第七章 总 结 .35 致 谢 .36 参考文献 .37 附录 整体电路图 .38 附录 .41 1 前 言 面对人类可持续发展，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 池板，使用寿命可达 20 年以上，性能稳定，同时维护费用较低。 太阳能是取之不尽、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，超高亮白光 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。 太阳能道路照明灯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。 道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、 高效、长寿命的 LED 路灯逐渐走入人们的视野。 太阳能路灯系统设计 2 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 3 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 太阳能路灯系统设计 4 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 5 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， 太阳能路灯系统设计 6 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。 7 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 太阳能路灯系统设计 8 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 9 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 太阳能路灯系统设计 10 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 发出可见光的电光源。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， 11 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。 太阳能路灯系统设计 12 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。 13 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 h，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。 太阳能路灯系统设计 14 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 15 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 太阳能路灯系统设计 16 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 17 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 太阳能路灯系统设计 18 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 19 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WR 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RD 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 太阳能路灯系统设计 20 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