光伏LED路灯设计

论文题目光伏LED路灯设计摘要本课题研究的是光伏LED路灯的设计与实现，本课题的主要目的是将普通的路灯系统设计升级为能够自动控制的光伏LED路灯。白天路灯关闭，太阳能电池板接受光照给蓄电池充电，晚上的时候到事先设定好的时间给照明负载供电发光，直到设定时间关闭。课题的研究从理论分析角度出发，对太阳能电池板、蓄电池、高亮度LED灯，充电控制器等器件的工作原理及其各个的基本特性进行了研究与探讨。针对普通路灯受制于电线和地理位置的影响、维修麻烦、不方便管理等缺点。设计了一种自动路灯控制器，该系统利用单片机控制路灯的开启与结束时间。开启后，自动亮灯到事先设定的时间进入节能模式，无需人为控制路灯；白天控制路灯不打开，但是当光敏监测电路接受不到光时，声音监测电路接收到声音后，LED灯就会打开，10S之后关闭。四季时间不同，可人工设置开关时间。本设计结合了光能与LED的优点，能提高了整个系统的效率，降低整个路灯的成本。关键词：太阳能光伏发电路灯系统LED单片机时控电路

目录TOC\o"1-3"\h\u1.绪论 51.1.研究背景 51.2.光伏LED发展前景及优势 51.2.1.发展前景 51.2.2.光伏LED路灯优势 61.3.国内外发展现状 72.设计方案 92.1.设计思路 9图2-1太阳能LED照明系统的组成框图 92.2.设计目标 92.3.方案设计 103.光伏LED路灯系统硬件设计 113.1.电源模块 113.1.1.太阳能电池板组件 113.1.2.充放电控制模块 113.2.蓄电池 133.2.1.太阳能蓄电池的工作过程及特性 133.2.2.蓄电池的选用及优点 133.3.单片机的选择及介绍 153.3.1.单片机最小系统电路 173.3.2.复位电路 183.3.3.晶振电路 183.4.时钟电路 183.5.显示模块 193.6.照明负载 203.7.环境监测模块 213.7.1.声音检测电路 213.7.2.光敏检测电路 213.8.故障检测电路 224.系统程序流程图及程序 244.1.系统程序主流程图 245.结论与展望 27参考文献 28附录 30

绪论研究背景能源的缺乏不仅会危及到各个国家的经济发展，而且还威胁到各个国家的安全和战略利益。这时候人类就需要新能源来缓解能源匮乏的危机与环境的压力，在太阳能研究报告中，科研人员就发现了太阳能这一成为人类节能环保首选的资源，报告中指出太阳能是一种清洁，方便，高效，方便使用，永无止境的新能源。这种新能源是用来替代化石能源的不二选择，因为大规模开发和利用化石能源是主要的原因，人类的生存环境已经逐渐恶化。使用清洁能源对保护生态环境能够起到良好的作用。而化石能源也不是无限的，它是由生物体的遗骸在地底下经过漫长的演变形成的，使用后就不能继续使用了。但太阳能是人类可以使用的最丰富的，可靠，稳定的能源。这是一个具有广泛性，清洁性，分散性，无污染等诸多特点的可再生资源。太阳能独特的优势造就了它极大的研究价值与开发潜力的特点。我国太阳能能源非常充足，平均日照数不足7小时的区域只占领土面积的1/3以下。据统计，因地区地形，气候，交通等问题，全国仍有一些贫困地区需要解决电视，通讯，照明和电力生产等问题。太阳能市场前景一片光明，将以其它能源无可比拟的优势影响到人们平常的生活，在实际应用领域也取得不可估量的地位。但与繁荣新旺的世界光伏工业相比，中国光伏产业还处于刚刚开始的阶段。好的光伏产品不仅是需要科技的不断进步与发展，更需要优质的服务和不高的生产成本。在科技的不断进步与发展之下，用到太阳能光电的地方也将日趋壮大。在如此热烈的气氛下，新能源广受党和政府的关注，呼应节能减排的号召，还特别强调要加大力度，推动、开发和发展新能源，力争追上世界对新能源开发的平均水平。在国家相关部门，各地政府的扶持之下，加快对新能源应用技术的更新与发展，这就给新能源行业带来了空前的发展机遇。所以在21世纪充满机遇与挑战的朝阳产业中光伏中，太阳能产业就能占有一席之地，这也引起了各个国家政府，企业和研究机构的极大关注。针对目前的现状，设计了一款以单片机为核心的光伏路灯控制系统，并与时间信息采集技术为核心进行控制液晶显示模块进行时间显示，达到事先设定的开关时间，做到按时控制照明负载开启与熄灭，声光控制路灯明灭。光伏LED发展前景及优势发展前景由于地球化石资源的不断减少，投入的成本一天比一天高，伴随而来的是不少各种安全问题和污染隐患。这时环保新能源愈发受到各个国家政府，企业和研究机构的极大重视。太阳能作为新能源其中之一，有着清洁，方便，高效，用之不竭等众多优点，对保护生态环境能够起到良好的作用。随着太阳能光伏产业的发展与进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势已经逐渐显现太阳能路灯的应用也日见普及，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。太阳能灯具发展前景可以说是前途无量。由于其节能、环保、高端等特性，半导体照明在照明领域备受重视。而太阳能电池的优势更为不言而喻，太阳能广泛、分散、清洁、节能、环保，能量来源稳定。随着太阳能电池生产技术的更新与发展，市场对光伏发电提出了更高的要求，转换效率逐步提高，光伏发电必定会在不久的将来很大程度的替代原始发电设备。太阳能路灯拥有无需管理和控制，安装一次性后不需电费成本，无需设置输电线路或铺设电缆沟槽等各方面优点。它可以很容易地安装在广场，学校，公园等各种地方，这些都很容易设置传输线。光伏LED路灯优势光伏没有消耗，不受地域限制，适用于无电、无污染、施工周期短、无输电线路使用。与其他相关电源相比，具有无可比拟的优势。这是太阳大规模开发使用的重要技术基础。受益于越来越穷，越来越多的多功能资源投资信件增强，全球能源短缺越来越重。在各种安全和污染的问题持续升温的背景下，人类愈发需要最丰富的，可靠，稳定的能源。与其他能源相比，太阳能具有其他能源所不可比拟的永久性、清洁性、稳定可靠等优势。低碳生活成为如今人们生活的重要发展方向，节能减排更是人类今后需要面临的重要问题。本文设计的光伏充电路灯结合两者的优势，发展前景必定无限光明。与传统照明路灯的优势有如下所示。（1）相对比较市电照明路灯而言，LED太阳能路灯安装并不复杂。工作人员只需要制作一个坚固的水泥底座，就能在灯架中放置所有的电线与控制器，免布线快速安装及调试。市电照明路灯则需要进行大量土建基础工程，浪费了大批的社会生产资源。经过复杂、长期的调试后，如一旦有问题，则要大面积返工，消耗了大量资源。（2）太阳能路灯使用安全隐患低。太阳能路灯的输出电压一般在12到24V之间，稳定输出，运行可靠，不用担心安全问题。市电照明路灯则安全隐患较大。（3）太阳能LED路灯使用寿命更加长久。太阳能电池板作为太阳能LED路灯不可或缺的一部分，在路灯上最多能够使用24年；蓄电池仔细维护，更是可以达到6年寿命；高亮度的LED灯的平均发光时间在五万个小时左右。（4）太阳能LED路灯的综合性价比市电照明路灯更高。性价比高的原因就包括了铺设线路的工期短、节能减排、节约生产成本、维修保障时效性好等方面，优势突出明显。所采用的零件都是符合国内外电气标准。市电照明路灯高昂的电费、线路的老化、不间断的维护与更新等问题都让维修工作人员苦不堪言。随着时间的增加，线路的大面积问题，人工的维修费用更是逐年增加。并且电缆价格昂贵，总是会吸引不法之徒会去偷盗电缆，对国家造成不可估量的损失。国内外发展现状随着全球能源的一天比一天减少，投入的成本一天比一天增高，太阳能光伏照明得到了火速开展。随着光伏系统的不断发展，人们设计出了更多的可行的控制模式：光源的转换率、蓄电池的有效利用效率不断提高。在太阳能各个组件的发展和调和中，不断发展，完善太阳能照明系统。太阳能LED路灯因线路简单、绿色环保、维修简单低廉等优势，提供真正意义上的绿色环保照明。太阳能LED路灯对国民来说，其绿色环保、稳定输出、运行可靠。对市政来说，维修简单低廉，不需要支出额外的费用。整个系统都在单片机的控制之下自动运行，基本上不需要安排工作人员日常维护，这也就减少了额外的开支费用。但是LED太阳能路灯还没有做到极致，其也存在一定的缺陷。比如，太阳能的转换功率低、不稳定、成本也比较高。太阳能作为一中新型的能源，光伏发电作为一种新的技术和产业还无法做到全面应用太阳能路灯，这就需要人们对太阳能LED路灯的进一步研究与开发。就目前而言，太阳能LED路灯还不能在城市照明系统中广泛使用，也是因为人们还没有认识到它使用寿命长，方便维护，耗能少等诸多特点。当人们知道后，一定会广泛发展与使用它的，使其在城市照明系统中扩张使用，占着一席之地的。但是，从整体来看，全球光伏产业的整体规模仍然很小。2010年，全世界安装的光伏电网容量仅为40万兆瓦。全球目前已经有146个国家将可再生资源发展定为政策目标。从全球市场看，市场未来前景非常乐观。自2011年上半年开始，中国、日本、美国成为拉动全球光伏产业规模持续增长的主要动力，在光伏应用领域呈三足鼎立之势。随着外国光伏产业需求放缓，中国光伏产业迅雷不及掩耳之势兴起，成为推动全球新能源发展的源泉和动力，成为全世界光伏产业应用市场。2017年是值得纪念的一年，这一年中国的光伏新增并网装机量与光伏并网装机量居全球首位。虽然去年的装机量与往年相比相差很多，主要是前几年新能源生意火爆，装机量多，市场已经开始饱和。但伴随着技术的发展与更新，价格会趋于更低的水平，光伏行业还是会有很大起色的，最终迎来新的曙光。中国光电产业需要面对的首要问题是生存问题，解决问题的根本途径就是要全面健康可持续发展，科技先导是我们未来打好科技战的方向，同时对外开拓市场，增大内需。在整个离网光伏发电系统中，整个系统的中心焦点非太阳能路灯控制器莫属。在路灯控制系统设计中，路灯控制器负责对蓄电池的充电与照明负载的放电任务。欧美、日本和美国对于太阳能路灯控制器的研究方向与我们不同，主要集中在改进太阳能路灯控制器的拓扑结构，优化控制手段，降低系统能量消耗，提高整体系统工作效率等问題上。他们在并网发电技术上的研究成果已经相对完善。国内的研究发展相对落后一些。另外，市场上的路灯控制器产品良莠不齐，它们在控制蓄电池的过充过放、安全保护性能等方面还达不到不到比较好的水平。这些品质问题不仅会影响路灯的正常使用，还会影响蓄电池的使用寿命，严重的会使整个路灯系统崩溃。评价一个控制器的好坏，首先，控制器不易同时实现高精度和低成本，理想并不等于现实，因为做到那么完美的控制器首先就要支出一大笔费用，还不如换其他方法，说不定效果更佳。第二点，在我们的想法子中，希望控制器能够快速的控制住被控对象，然而在实际中，为了达到更快的控制效果，会引起控制器的输出增高，而被控对象没有那么大的承受压力，最终导致控制器毁坏。所以我们在达到控制目的的前提下，要尽量考虑到被控对象的影响，做到对控制品质的绝对要求。第三，同样是第二点里的例子，追求了更快的控制却可能放大了系统噪声。但是，现在推出开发的阳能路灯控制器并非完美无缺的，在很多地方还有急需解决的隐患。在实际操作中，最大功率跟踪(MPPT）控制技术还无法做到与蓄电池充电手端相匹配，无法充分发挥能源利用效益，蓄电池无法过充过放保护等一系列矛盾冲突。这些都是目前市场上太部分太阳能路灯控制器存在的问题。进一步提高太阳能路灯控制器的稳定性和可靠性，有利于对太阳能光伏能量资源进行全面的开发和利用。本方案采用了新型的LED节能的灯作为照明负载，替代传统的照明灯具。系统核心部分的太阳能路灯控制器能够对路灯开关时间进行控制，使路灯到设定的时间亮灯，只有一直到设定的结束时间熄灯。

设计方案设计思路在研究一般的太阳能发电系统工作原理和工作特性上，针对现有系统效率低，低智能，维修困难的等问题，提出较为完美的解决手段。设计需要特别注意系统工作的稳定与可靠的特殊性。本文设计的太阳能路灯控制器基于单片机STC89C52上的。首先应当考虑所需太阳能板的型号，蓄电池选型，太阳能充放电控制器，液晶显示器，照明负载。本文设计的太阳能路灯的路灯控制器价格实惠，性价比高，无需二次开发，便于调试。白天控制路灯不打开，但是当光敏监测电路接受不到光时，LED灯就会打开。当在0点到凌晨6点时，路灯进入节能模式，灯光熄灭一半，当听到脚步声时，灯全部打开，10S再次进入节能模式。很好的达到并实现节能的目标。光伏LED路灯系统框图如图2-1所示。整个路灯系统硬件由太阳能电池组件、咪头、储电设备、液晶显示屏、路灯控制处理器、高亮度LED路灯负载等部件组成。蓄电池信息采集模块路灯控制处理器蓄电池信息采集模块路灯控制处理器时钟模块充放电控制器LED路灯负载太阳能电池板时钟模块充放电控制器LED路灯负载图2-1太阳能LED照明系统的组成框图不管在什么电路中，电源是所有电路的发动机，没有了电源整个模块都成了无源之水，而太阳能电池板就是本系统能源的提供者。系统的过充过放电路控制器能保护电路，有效防止蓄电池出现过充过放现象，缩减蓄电池的寿命。路灯控制处理器控制着整个系统的管理与运行。作为控制器只需要实现程度不高的功能效果就行了，不需要大量的计算量，一个非常简单的单片机就有能力足够担任，减小这个控制系统的体积。声音检测电路会在节能模式（只会在设置时间段启动）时工作，如果检测到声音，照明负载会全部工作，并在10S后恢复到节能模式，有效降低蓄电池无意义的电能浪费。设计目标1.充放电控制器具有过充、过放功能，能有效保护蓄电池。2.控制器对照明负载的精准控制。（在设定好的时间内，照明负载会启动发光，到了结束的时间自动熄灭）3.系统断电后设定的各种参数不会丢失。4.能调节、设置、显示时间，在特定时间段内不同的功能效果。方案设计现在路灯的电路控制功能基本都相差不多，都能达到晚上亮灯，早晨熄灯的效果，并对蓄电池的保护起到一定的作用。本设计采用时钟控制型的路灯控制器，智能控制实现节电节能及节约维修管理资源。路灯到设定的时间亮灯后，只有一直到设定的结束时间熄灯。中间设定了一个节能模式，比如在晚上12点到凌晨6点进入节能模式，熄灭一般的LED等，节省电池的电量。如果达到开启的条件，等会全部亮，10之后继续进入节能模式。本设计的优点在于灯的开关时间不会受到外界的干扰。缺点就是开关时间不会随着四季的变换而自动调整。但是本设计综合了节能，经济等优点，实现了光伏LED路灯的设计。

光伏LED路灯系统硬件设计该路灯设计主要由单片机、液晶显示器、太阳能电池板、蓄电池、光敏电阻、咪头、LED等部分组成。以下就是硬件设计的内容，主要介绍硬件的选用及性能。电源模块电源模块分别是整个路灯的电源来源：太阳能电池板和充放电控制器。太阳能电池板组件不管在什么电路中，电源是所有电路的发动机，没有了电源整个模块都成了无源之水，而太阳能电池板就是本系统能源的提供者。由于科技水平的进步，和光能自身清洁，环保的特点，光能被应用到发电行业，发展前途一片光明。光伏LED路灯的工作原理本质上就是一个进行光电的转换，技术上称做硅晶片地面光伏组件。通过接受硅晶片上的太阳光，将其转变成我们所熟悉的电能，接着会储存在蓄电池当中，然后由电灯开关控制，当天黑可以自动亮起来，可以在天亮时再亮自动熄灭。作为太阳能发电系统中最重要的部分，在光伏发电发展的初期得到了广泛的应用，有效地促进了光伏发电的兴起。太阳能光发电有光伏发电、光感发电等发电方式。为充分利用太阳的光能资源，本设计采用光伏发电。经济成本是制约光伏发电技术推广的一个制约因素。太阳能电池组件的质量和生产成本、气候条件影响也将直接决定整个系统的运行和效率。太阳能电池板有两种制造工艺，分别由单晶硅或多晶硅制成。合理选择太阳能电池板是设计成功的前提条件，为了与负载耗电功率相匹配，所以我选用了光电转换效率更高的单晶硅太阳能电池板。充放电控制模块电源电路如下图3-1所示。由于单片机和各路采集模块需要5V电压供电。图3-1电源电路图稳压电路的作用就是电源电路的电压稳定在稳当的数值上。目前路灯采取24V蓄电池，而系统正常工作环境是在5V电压下，由于蓄电池输出的电压不稳定，所以要制作一个稳压电路来输出一个稳定的+5V电压。蓄电池24V电压通过LM7805改变可得到+5V电压，作为控制器的主电源。电容C2、C3作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C1、C4为滤波电容。该电路在输入电压5-24V时都可以确保输出为平稳的+5V。图3-2为锂电池充电升压放电模块实物图。充放电控制器的作用就是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命，在蓄电池不出现过充，过放，过流等不正常表现的情况下，提供快速、最佳的充电电压及电流。图3-2锂电池充电升压放电模块实物图一个优秀的太阳能充电控制器能做到对蓄电池的实时监测，并根据蓄电池的电压情况来决定充电电流的大小，以及放电保护能力，实现目标有以下几点。1．防止蓄电池出现电压下降或失去电压时，蓄电池向太阳能板反向充电。2．防止导致蓄电池出现自燃或破裂现象，控制器能够拥有良好的过充保护能力。3．防止蓄电池耐久性下降，对蓄电池造成不可挽回的损坏，控制器能够拥有良好的过放保护能力。4．拥有高灵敏度，检测到电量并维持蓄电池处有充足的电量，能维持晚间夜灯的照明。太阳能控制器由切换电路、充电电路、放电电路三部分组成。举例说明：如果对一节锂离子电池进行充电，一般锂离子电池的允许充电范围都会在2.5V-4.2V之间。超过这个范围就不能在进行充电，否则将损坏电池，严重的会导致电池出现自燃或破裂现象。锂离子电池安全放电电压在2.4V之上。在低于这个数值情况下，持续放电会对电池造成不可挽回的损坏，过度的放电会导致电池耐久性下降，从而降低电池使用的次数。控制器的过流保护也是很有必要的。当充电电流超过电池的功率时，锂离子电池内部可以产生大量的热量，这就有了电池会发生生爆炸的隐患。从上面的的例子中我们：在整个设计中一个功能齐全的充放电控制器是非常有必要的。蓄电池一个优秀的蓄电池组不仅能储存更多的能源，也会影响负载的安全与使用寿命，其作用是储存白天收集的电能，在天黑或无光照射时供负载使用。其基本构造：外壳、极板、隔板、电池液。市场上一般出售的蓄电池都能满足用户日常供电时间和供电量的需求。蓄电池的使用寿命都与平常的使用习惯挂钩，比如过度的放电导致电解液纯度降低、高温环境下有易爆炸的隐患等，这些日常不会注意的坏习惯都会影响到蓄电池的使用寿命。太阳能蓄电池的工作过程及特性太阳能蓄电池的工作工程：白天储存太阳能电池板受到光照时产生的电能，昼夜时受控制器控制，放出电能向照明负载供电。所谓蓄电池即是储存化学能量，在必要时放出电能的一种储能设备。蓄电池在阴雨天等日照不足的日子里，蓄电池的电量也能够提供相对稳定的电能。因此在太阳能LED路灯系统中，蓄电池储存白天收集的电能，在夜间或无光照射时调动电能供负载使用，推动着整个系统运转。良好的太阳能蓄电池应该具备以下特性：(1)具有良好的安全充电速度能力，较好的高工作电压。(2)具有电量充足和长时间工作能力，有效防止液漏，安全防爆。(3)根据不同的环境要求，能有适应如高温、低温等恶劣情况，可正常使用的电池。(4)稳定性高，损坏后对环境造成无污染或较少污染，方便清理。蓄电池的选用及优点我从以下几个角度比较市面上出售电池的优劣，从而抉择出使用那种电池：1.环保性，在对环境造成污染方面，锂电池远远比不上铅酸电池造成的重金属污染，而锂电池泄漏后基本上不会造成污染。2.使用寿命，目前锂电池充电1500次后还是有着八成的储电能力，使用寿命可达6年以上，而生活中的用到的电池都只能用到3年左右。3.自放电率，锂电池与铅酸电池的自放电率之间有着较大的差距。在5~10倍之间4.价格方面，买相同容量的锂电池比铅酸电池要多花出出1-2倍的钱。5.比能量，锂电池的体积比铅酸电池小，电压和能量都比铅酸电池强。6.电压平台，锂电池的工作电压比铅酸电池高，刚开始的效率会比铅酸电池高一些，但长时间的不规范使用会损害电池的寿命，使电池性能下降。7.放电特性，两种电池在相同容量的情况下，随着电路短路，锂电池能比铅酸电池多放出来三分之一的电量。8.安全性，铅酸电池技术已经相当成熟，安全性比锂电池高。因为锂电池种类繁多，不同材料的锂电池安全性也是天差地别。如图3-3所示。铅酸蓄电池如今占到整个太阳能蓄电池市场的九成以上。但是路灯市场上常用的一款叫做一体化路灯（allinonesolarstreetlight）。

图3-3一体化路灯内部结构里面用的是锂铁磷酸电池，特点是体积小，重量轻，方便安装。但是还是存在问题：由于电池的容量小，所以配置的LED路灯只能是小功率的，但是功率小，那么输出的电流就小了，这样的路灯照明效果就会比较差，所以一般会在内部电路板里面加装声敏电阻或者热敏电阻，在平时只以30%功率工作，而在感应到有人的时候80%或者100%功率工作。但由于技术缺陷等原因，还无法大规模投放使用。所以有人建议配置更大多电池，这样可以很好的解决电池组容量的问题，但是无形中成本又增加了太多，从经济的角度考虑，还是铅酸电池更节省。为了节约成本，城市路灯大部分都采用分体式路灯，提供能源的电池组都是铅酸电池组，他的布局一般安装在灯杆内部，或是将其隐蔽在灯杆下的水泥底座，置放其中，成本一般不到同款铅酸电池组的一半。。铅酸电池技术已经做到相当成熟，除了极少数高寒地区采用的镍镉蓄电池，大部分的系统都采用的铅酸蓄电池。考虑到做实物的问题，从购买费用，使用方便等方面考虑：在性价比方面，锂电池价格比铅酸电池低，但是产品物美价廉，使用寿命是铅酸电池的两倍多，长远来看，用锂电池更划得来，免去了频繁更换电池的烦脑，在耐高温方面，磷酸铁锂电池的性能就特别好。无论哪方面锂电池都比较优越。常见锂电池的比较如下表3-1所示。表3-1常见锂电池的比较电池成份锂固镍电池锂钴电池锂锰电池磷酸铁锂电池能量密度最高高良好良好循环次数尚可最佳不好尚可长期使用成本高高尚可最经济温度耐受性-22℃—55℃-22℃—55℃≤50℃-40℃—70℃安全性与环保要求稳定性极差，非常不安全稳定性极差，非常不安全尚可稳定性最好，且最安全环保经过一系列的比较选择之后，为了方便演示，我选用了相对经济、安全、可靠的186503.7V充电锂电池。单片机的选择及介绍本次设计选用的单片机是STC89C51单片机，尽管还有各种加强型和在数据指针方面更多改进的型号，为什么我们还是选择了它，低电压和小体型的特点非常合适，很少的端口就能让电路系统的设计达到我们想要的程度。在功耗和成本方面比较低，开发相比较嵌入式芯片的ARM系列单片机更加的简单方便。路灯控制处理器控制着整个系统的管理与运行。作为控制器只需要实现程度不高的功能效果就行了，不需要大量的计算量，一个非常简单的单片机就有能力足够担任，减小这个控制系统的体积。某种程度上，该单片机能与80C51产品指令和引脚良好的发生反映而不冲突，同时，在制造上，运用了很高的技术密集的分布在芯片上，它的存储保证了不会将信息遗缺。实物图如3-4所示。对于本设计系统，在要求程序运行速度方面是完全可以胜任的，再斟酌开放的难易程度方面，考虑研发周期和开发精力问题，该款单片机比较符合本设计系统的。

图3-4STC89C52单片机实物图如今每个公司企业在电子技术和集成电路技术的迅速进步下，都研发出了能够在适应不同领域的单片机。随着新技术的发展与进步，高性能单片机芯片市场变得非常活跃，单片机的种类、性能不断增高，应用范围迅速扩张。单片机的应用场所和领域也越来越广阔，尤其在工业控制方面的作用是不可替代的，由于单片机的系统稍小，但是针对性强，可以根据不同的环境进行设计不同的系统，这就给复杂多样的工业环境带来了无可比拟的福音。目前，在国内51单片机市场，STC系列以其高速及高密度技术、廉价、低功耗等特点占据了较大的份额。STC89C51单片机管脚如图3-5所示。图3-5STC89C52单片机管脚图部分管脚说明如下表3-2所示。首先我们要先了解单片机各个引脚的主要作用，如果有些功能无法实现就需要外部拓展，弥补或增强各种功能的检测及控制。表3-2STC89C52部分管脚说明电源VCC（40引脚）供电引脚，一般连接到5V电源的正极上。VSS（20引脚）地引脚，连接到电源的地。时钟XTAL1（19引脚）片内振荡电路的输入端。XTAL2（18引脚）片内振荡电路的输出端。控制线RST/VPD(9引脚）复位信号输入端/备用电源。PSEN（29引脚）片外ROM（程序存储器）选通信号输出引脚。ALE/PROG（30引脚）地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。EA/VPP（31引脚）内/外ROM选择端。I/O口线：四个并行I/O口：P0、P1、P2、P3，每个端口有其不同功能。

P0口（29-32引脚）——作为复用口：向外部存储器读写；——作为普通I/口：外接上拉电阻。

P1口（1-8引脚）——普通用的I/O口。——第二复用功能如下表3-3所示。表3-3

P1口引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2的外部输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕捉/重装方式的触发控制）P1.5MOSI(在线系统编程用）P1.6MISO(在线系统编程用)P1.7SCK(在线系统编程用)P2口（21-28引脚）——I/O口。——接受高位地址和控制信号。

P3口（10-17引脚）——I/O口；——第二复用功能如下表3-4所示。表3-4

P3口引脚复用功能引脚号复用功能P3.0RXD（串口1数据接受端）P3.1TXD（串口1数据发送端）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器/计数器0输入）P3.5T1（定时器/计数器1输入）P3.6WR（外部数据存储器写入选通信号）P3.7RD（外部数据存储器读出选通信号）单片机最小系统电路设计系统的最小系统包括：单片机芯片STC89C52，外面加上振荡电路也就是晶振电路，以及系统硬件复位功能的复位电路。最小条件：合适的电压（一般是5V）。单片机的最小系统是让单片机内程序运行的最小配置。如果缺少了以上任一条件，单片机都无法工作。单片机的最小系统如图3-6所示图3-6单片机STC89C52最小系统复位电路单片机复位具有两种方式，即上电复位和手动复位。复位电路由一个10uF的电解电容的负极端与单片机的RESET引脚相连，正极端接电源的正极，也相当于和单片机的40号引脚相连，在其两端有一个自弹的独立按键；一般来说，当按下复位按键时，电解电容短路，单片机的复位引脚接到了高电平，单片机被复位。单片机复位的作用就是把电路还原到一个肇端的处境，换一种说法，就是把一个状态机初始化为空状态。晶振电路振荡电路也就是晶振电路，相当于是一个机器的心脏，促进身体机理的运转。本电路就是这样的类似作用。一般这个频率是和单片机相匹配的，该频率本设计系统采用的是12MHZ。该晶振的引脚两端分别接两个固定容量的充电电容，一般是瓷片电容，用于振荡电路的晶振的充放电和滤波；瓷片电容的另一端相连接地，也就是与单片机的20号引脚相连。单片机晶振电路原理：XTAL1和XTAL2和MCU内部一个反相器连接。时钟电路随着自动化和物联网行业的不断发展，数字信息时代已经到来。在这个以时间为主要提醒的代名词的时候，再加上在这个以数字为主流方向的时刻，数字时钟在生活和工作中显得尤为重要，需求也是不断的增强，对人们生活质量的提高也是尤为重要。可以选择单片机内部计时，通过单片机内部设定时间，进行自动内部进行走动时间，这样一来，时钟信号就免去了还要制作外部扩展电路的时间，节省了资源和成本。时间相对来讲更加准确，但是容错率就低了很多，当系统断电之后，不能及时的更新的最新时间，只能再一次的进行烧写最新时间的程序才能确保时间的正确性。最终选择以DS1302为核心芯片的外部扩展时钟模块，通过单片机进行以IIC通信进行读取时间信号，时间信号只需要该信号内部走动，外部扩展了外部电源，当系统电源断电之后，芯片供电采用外部电源（纽扣电池）供电，确保时间的走动性，当系统电源重新连接的时候，供电却换到系统电源，单片机通过过协议读取到最新的时间。图3-7为DS1302。分别为实物图、引脚图、DS1302与单片机的接线图。图3-7DS1302Vcc2连接的是系统的主电源，Vcc1接入后备电源（纽扣电池）。在Vcc2脚断开的情况下，后备电源供电，保持DS1302的持续运行。信息采集模块的DS1302时钟芯片模块采集时间信息；该模块通过数据端口进行与单片机通信，通过一定的时序命令进行传递数据命令和控制命令。经过软件的编写进行单片机读取时间信息并处理和显示控制信息的发送与传输，使得本设计系统完成所需要求，本系统通过软硬件相结合，两者协同工作进而完成所需达到的功能。显示模块LCD1602是工业字符型液晶显示器，它的主控芯片绝大部分是HD44780。该显示器具有能量消耗低，对干扰抵抗强等优点，在各种工业自动控制领域中被广泛运用。LCD1602实物图如下图3-8所示。图3-8LCD1602实物图正反面选用该液晶显示模块原因如下：该款液晶显示模块对于显示功能而言，显示内容比较合理，包括字符，数字，文字，字母都可以进行取模确定；在显示所需功率上，该款液晶显示模块功耗相对而言比较中等；对比其他显示模块，该款控制简单，重量轻，体积超薄，成本也维持在较低的水平；在一般的设计系统中所需显示模块都会采用本模块作为显示模块。照明负载人类自爱迪生发明了白炽灯后，有了稳定的光源。但是白炽灯也有劣势的一点：就是他太耗电了，电能有十分之九被他以热能的形式消散了。之后人们又发明了节能灯取代了白炽灯，但是节能灯管中的汞有很大的污染。就现在而言，LED灯已拥有更好的性能来替代传统灯。与目前市场上出售的主流白炽灯相比，LED灯既廉价又容易制作。并有发光效率高、耐用、使用寿命长、环保、安全可靠性强、发热量低、耗电少等特点。随着发光材料与半导体技术的发展，人们一直不停的对LED开发利用。LED发光的核心在于LED的芯片，下图3-9是一块台湾晶元35mil的芯片纹路图（已停产），35mil是芯片的边长，大约等于0.889mm。图3-9LED芯片产品的使用寿命随着光衰的降低而有效延长，LED的光衰则是随温度的升高而逐渐加重的，一旦LED内部温度超过了结界温度，光衰会呈直线上升方式加剧。目前为止，全球只有西方国家做到较高耐受的芯片，我国做的最好的在台湾，但还是有40度的差距。半导体材料必须以其它的方式合成白光。目前用于照明领域的LED芯片都是发蓝光的，透过在表面上一层和胶水搅拌活在一起的黄色荧光粉，造成有的芯片发出的白光偏蓝，光谱不好，对眼睛有害，危害比较大，所以尽量选择白暖光，比较接近白炽灯，人眼好接受。差的荧光粉，会容易硫化变黑，褪色，膨胀使金线脱焊，好的荧光粉能提供良好的稳定性。环境监测模块声音检测电路如图3-10所示。该设计的声音检测电路具有系统搭建简单、检测灵敏度高、接线简单等优点，主要由咪头与电压比较器组成。咪头，是比较常见的一种声音接受器件，接收到声音后功能是将声音信号转换为电信号。图3-10声音检测电路声音检测电路对周围环境的检测结果，用来判断是否点亮路灯。声音检测电路会在节能模式（只会在设置时间段启动）时工作，进入节能模式后，当周围无声音时，电路将输出高电平，路灯只打开一半的灯；当检测到周围有声音时，电路将输出低电平，路灯将全部打开，10S后灯再次熄灭，有效降低蓄电池无意义的电能浪费。光敏检测电路如图3-11所示。光敏检测电路具有灵敏度高，线路稳定，可靠性好等特点，主要由光敏电阻和电压比较器组成。光敏电阻在光线照射强度不足时电阻增大，可以看做电路在此断开。光线强度足够时，可以看做一条通路。图3-11光敏检测电路光敏检测电路对光线强度的检测结果，用来判断是否进入黑暗照明模式。在亮灯时间之外，LED路灯是不会亮的，但在白天时间是阴雨天天气，光敏检测电路检测不到足够光时，黑暗指示灯D2打开。如果这时声音检测电路检测到声响时，LED灯会打开10S，之后关闭。故障检测电路该电路主要是用来检测路灯是否损坏报警的。在测量光线时，当光线强度减小或消失时，此刻的电路就会有电流通过三极管与蜂鸣器来达到警报作用。具体驱动引脚图3-12如下。图3-12故障检测电路由于蜂鸣器工作电流比较大，需要加进去一个三极管用来放大电流。LM393输出状态是不定的，所以在2脚加入了一个上拉电阻。在设计中，我们蜂鸣器选择的驱动三级管为什莫是这一种PNP型，三极管有多种，为什么选择这种型号的三极管。因为单片机刚一上电的时，会有一个高点位出来，此时如果未经选择用NPN型三极管来搭载配合报警器，则此三极管的两个极性会因为受到基极的高电流而被通路，这个时候蜂鸣器会一直响。但这并不是我们期待的结果，一上电就叫个不停那我们不得被吵死。所以，我们一般都用PNP来驱动，在这种情况下，高电平不会将其打通，那么蜂鸣器就不会叫了。想要它叫给个低电平就行。本电路的光敏电阻放在LED灯等附近接受光线，在LED发亮的时间段内，光敏电阻电阻减小，LM393+输入端>-输入端电位，输出高电平，单片机检测到高电平控制蜂鸣器处于关闭状态。反之，则启动蜂鸣器。系统程序流程图及程序硬件电路的搭建与软件相配合是必不可少的，本章介绍与之硬件相对应的软件程序流程图，详细介绍程序在硬件电路的运行顺序和实现的功能。系统程序主流程图开始器件和端口初始化关闭两个灯Y向DS1302发送请求节能模式？定时间？开启两个灯N声音检测YY开两个灯10sN开启一个灯YNN结束开始器件和端口初始化关闭两个灯Y向DS1302发送请求节能模式？定时间？开启两个灯N声音检测YY开两个灯10sN开启一个灯YNN结束黑暗有声音？黑暗有声音？主程序承担了一个任务，照明负载的开关控制，并处理DS1302发送的信息，测量每一段微小时间内检测一次。这样可以在间隔之内检测到时间，然后与设定的定时时间比较。通过选用检测周围环境的一个程序，当选择读取环境的程序时，对象是将存储在内部层中的其中一个灯开关和另一个灯存储在两个不同的单元中，然后通过两个灯的开关情况来表达自己。**********************开关灯控制********************voidOpen(void){ floatNow; floatSet_L，Set_H; Now=Hour+Minute/60+Second/3600; //把实时时间化成小时为单位 Set_L=Hour_L+Minute_L/60+Second_L/3600; //把设置下限时间化成小时为单位 Set_H=Hour_H+Minute_H/60+Second_H/3600; //把设置上限时间化成小时为单位 if((Now>=Set_L)&(Now<=Set_H)) //实时时间在上下限时间范围内 { LAMP1=0; //开启路灯 LAMP2=0; Timer=1; //进入定时模式 } if((Now<Set_L)|(Now>Set_H)) //实时时间不在范围内 { Timer=0; //退出定时模式，根据光线强度或声响进行亮灭灯 } if((Timer==0)&&(flag==0)) //没有定时并且不延时10s的情况下 { if((Hour>=0)&&(Hour<6)) //在凌晨0点到6点 { LAMP1=1; //一亮一灭 LAMP2=0; } if(Hour>=6) //不在凌晨时间里 { LAMP1=1; //关灯 LAMP2=1; } } if(flag==1) //延迟10s { TR0=1; //启动定时器 } if((LAMP1==0)||(LAMP2==0)) //灯亮情况下 { if(CHECK==0) //检测到灯暗，表示灯故障启动蜂鸣器 { delay1(20); //消抖 if(CHECK==0) { BEEP=1; //启动蜂鸣器 } } else { BEEP=0; //关闭蜂鸣器 } } if((LAMP1==1)&&(LAMP2==1)) //灯灭情况下 { BEEP=0; //关闭蜂鸣器 }

结论与展望本设计研究的是光伏LED路灯设计。在本次设计中，经过不断的学习和实践，回顾到四年以来所学的各专业课知识，做到了以单片机为核心芯片，外扩为整个系统的最小系统的核心部分，通过外部电路的知识，进行时间信息的读取和计算，使得单片机获得正确的时间信息，结合控制的原理与各种原器件的应用基础，通过各种驱动电路进行驱动，完成了本次设计。在考虑成本和时间上的因素选区适当的芯片进行设计电路，经过多次调试和改动，最后实现了光伏路灯的控制，使得该设计可以得以应用和方便人们，回报社会。经过查阅资料和平行对比，本设计系统有着硬件电路简单，成本较低，功能强大，使用方便的特点，相信一定可以得到广泛的认可和应用。在进行本课题的研究时，也出现了很多的问题，在进行解决的过程中学习到了很多原先不理解和没考虑过的事情，比如说：在电源输出方面，锂电池的输出电压对单片机的使用很是勉强，刚开始也没多注意单片机的工作电压，以为3.7V已经够用了，实际中，3.7V不能持续供给单片机使用。最后发现这个问题之后，还是将电压升到5V才解决了问题才发现其中的玄妙。

在程序编程这方面出现的问题也是比较多的，尤其是在程序编写的过程中，由于底层时序需要自己写，首先就要确定时间延时的问题，不同的单片机结合不同的频率的晶振延时函数会有不同，延时也就有所不同增大了难度，最终还是在同学的解释和单片机书籍的综合下进行完成这方面的功能，最终实现本设计功能。

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后记经过本次毕业设计的制作，深深意识到自身专业知识的匮乏以及动手实践能力的低下。在老师帮助下，自己受益匪浅。今后我会不忘初心，更加努力汲取专业知识。

附录原理图部分程序及注释*************************************voiddelay1(uintz)//延时函数{uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=10;y>0;y--);}voidwrite_com(ucharcom)//写指令函数{rw=0;delay1(5);rs=0;delay1(5);e=1;delay1(5);P0=com;delay1(5);e=0;delay1(5);}voidwrite_date(uchardate)//写数据函数{rw=0;delay1(5);rs=1;delay1(5);e=1;delay1(5);P0=date;delay1(5);e=0;delay1(5);}voidinit()//初始化函数{ucharnum;Year=17;Month=1;Day=1;Hour=15;Minute=30;Second=50;Week=1;Hour_H=23;Minute_H=59;Second_H=59;Hour_L=18;e=0;//时序表e初始为0write_com(0x38);//设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口write_com(0x0c);//设置光标write_com(0x06);//光标自动加1,光标输入方式write_com(0x01);//清屏write_com(0x80);//设置初始显示位置for(num=0;num<16;num++){write_date(table1[num]);delay1(5);}write_com(0x80+0x40);for(num=0;num<16;num++){write_date(table2[num]);delay1(5);}}voidSetTime_dispaly(ucharadd,uchardat)//第一个：参数的地址，第二个：参数的内容{ucharshi,ge;shi=dat/10;//把数据的十位提取出来ge=dat%10;//把数据的个位提取出来write_com(add);//要写的地址write_date(0x30+shi);//十位的内容1602字符库write_date(0x30+ge);//个位的内容1602字符库}voidDate_dispaly(ucharadd,uchardat)//第一个：参数的地址，第二个：参数的内容{ucharshi,ge;shi=dat/16;//把数据的十位提取出来ge=dat%16;//把数据的个位提取出来write_com(add);//要写的地址write_date(0x30+shi);//十位的内容1602字符库write_date(0x30+ge);//个位的内容1602字符库}voidLCD_Display_String(unsignedcharline,unsignedchar*string){//液晶屏显示内容，把要显示的内容写到对应的位置unsignedchari;unsignedcharaddress=0;if(line==1){address=0x80;//0X80是第1行的第1个位置,0x81第2位}elseif(line==2){address=0x80+0x40;//0X80+0x40是第2行的第1个位置,0X80+0x40+1是第2行第2位}for(i=0;i<16;i++){write_com(address);write_date(string[i]);address++;}}voidTime_Display(void){read_rtc();Date_dispaly(0x80+0x40+9,time_data[6]);//显示秒Date_dispaly(0x80+0x40+6,time_data[5]);//显示分Date_dispaly(0x80+0x40+3,time_data[4]);//显示时Date_dispaly(0x80+11,time_data[3]);//显示日Date_dispaly(0x80+8,time_data[2]);//显示月Date_dispaly(0x80+0x40+14,time_data[1]);//显示周Date_dispaly(0x80+5,time_data[0]);//显示年//Year/10*16+Year%10Year=time_data[0]/16*10+time_data[0]%16;Week=time_data[1]/16*10+time_data[1]%16;Month=time_data[2]/16*10+time_data[2]%16;Day=time_data[3]/16*10+time_data[3]%16;Hour=time_data[4]/16*10+time_data[4]%16;Minute=time_data[5]/16*10+time_data[5]%16;Second=time_data[6]/16*10+time_data[6]%16;}/*************************DS1302时钟****************************voidwrite_ds1302_byte(uchardat){uchari;for(i=0;i<8;i++){sck=0;io=dat&0x01;//准备数据,从最低位开始dat=dat>>1;sck=1;}}voidwrite_ds1302(ucharadd,uchardat){rst=0;_nop_();//CPU原地踏步sck=0;_nop_();rst=1;_nop_();write_ds1302_byte(add);//传地址write_ds1302_byte(dat);//传数据rst=0;//不受其他影响_nop_();io=1;//释放sck=1;}ucharread_ds1302(ucharadd){uchari,value;rst=0;_nop_();//CPU原地踏步sck=0;_nop_();rst=1;_nop_();write_ds1302_byte(add);for(i=0;i<8;i++){value=value>>1;sck=0;if(io)value=value|0x80;sck=1;}rst=0;_nop_();sck=0;_nop_();sck=1;io=1;returnvalue;}voidset_rtc()//设置时间{uchari,j;for(i=0;i<7;i++)//转换BCD码{j=time_data[i]/10;time_data[i]=time_data[i]%10;time_data[i]=time_data[i]+j*