【毕业论文】基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现

【毕业论文】基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现内容摘要：

下一个硬件复位为止。 结构特点　　8位CPU；　　片内振荡器和时钟电路；　　32根I/O线；　　外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；　　2个16位的定时器/计数器；　　5个中断源，两个中断优先级；　　全双工串行口；　　布尔处理器。 4 系统单元电路的设计 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P—N结，在半导体P—N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P—N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[8]。 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。 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， mA。 太阳能LED灯具的具体技术指标如表1所示。 超高亮白光LED发光源具有如下优点：寿命长。 LED的寿命长达100000h，而白炽灯的寿命一般不超过2000 h，荧光灯的寿命也不过5000 h左右。 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10％～20％。 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。 耐低温。 环境使用温度在一40℃～80℃ ，环境适应性非常强[15]。 这种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。 表1 太阳能LED灯具的主要性能指标太阳能电池40W ，12 VLED发光源柱式排列，96粒LED、平均功耗3W工作温度40℃+80℃过充保护电压14．4V(25C)过放保护电压11V蓄电池40Ah．12V照明时间天黑后，光控自动启动电光转换功能；天亮后光控自动恢复到光电转换模式太阳能LED灯具的柱式光源耗能仅3w左右，但所发出的光的亮度已达到了20W 节能灯或40W白炽灯的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有效利用太阳能，使用太阳能电池的容量只需要40 w，12V／30 Ah的蓄电池组就已经能够保证此种LED发光源在5个阴雨天持续有效工作，而20w节能灯要想在同等条件下正常工作，太阳能电池容量最少要达到70W以上，蓄电池组也要到达70 Ah以上，而且超高亮LED平均使用寿命10万小时，使用期最少在10年以上，而节能灯的使用寿命仅为8000～10000h。 由于单个高亮管的正常工作电压只有3V，所以灯具采用4个高亮管串联后并联于电路中，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，96个高亮管共分成六列围成一个柱形，每列由16个高亮管组成。 用384个高亮管来代替四个40W的日光灯。 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。 这对于一般的广告灯箱来说已经可以提供照明了，但对一些更大的广告灯箱，则需要更多的高亮管来提供照明。 充放电控制原理本系统的设计包括充电控制电路、防过充电路、防过放电路、稳压电路、太阳能电池板和蓄电池的选用等。 充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。 由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。 图4所示为充放电控制电路，工作原理当直流电流经过J11常闭触点和R1，使LED１发光，等待对蓄电池进行充电；三端稳压器输出8V电压，电路开始工作，过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。 当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时，IC1的⑥脚电位高于⑤脚电位，⑦脚输出低电位使Q1截止，Q2导通，LED2发光指示充电，J1动作，其接点J11转换位置，电路通过D1对蓄电池充电。 蓄电池逐渐被充满，当其端电压大于预先设定的过充电压值时，IC1的⑥脚电位低于⑤脚电位，⑦脚输出高电位使Q1导通，Q2截止，LED2熄灭，J1释放，J11断开充电回路，LED1发光，指示停止充电。 当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时，IC2的③脚电位高于②脚电位，①脚输出高电位使Q3导通，Q4截止，LED3熄灭，J2释放。 其常闭触点J21闭合，LED4发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，IC2的③脚电位低于②脚电位，①脚输出低电位使Q3截止，Q4导通，LED3发光指示过放电，J2动作，其接点J21断开，正常指示灯LED4熄灭。 图4 充电控制器电路 太阳能供电系统容量的计算该电源给草坪灯供电,该草坪灯的工作电压为12V,总耗电量约3W（该灯用96粒LED构成，四个LED串联后并联构成）,。 由于草坪灯一天要工作九个小时左右(19:006:00),考虑阴天情况下系统的供电,后备电源须具有48h的供电能力,且按80%的放电率计算,则蓄电池的容量为:Qx=(TxIs)=(48)/=30(Ah)。 式中:Qx——蓄电池容量。 Tx——蓄电池放电时间。 Is——设备工作电流。 应选用12V/30Ah免维护蓄电池。 有日照时,要求太阳能电池供给设备用电,同时给蓄电池充电。 如按10h充电计算,充电电流为:Ic=Qx/Tc=30/10=3(A)。 式中:Ic——充电电流。 Qx——蓄电池容量。 Tc——充电时间。 要求太阳能电池提供的总电流为:Ia=Ic+Is=3+=(A)。 计算中,加上30%的余量,则要求太阳能电池提供的输出功率为:P=(VgIa)(1+)=12=(W)。 式中:P——太阳能电池提供的输出功率。 Vg——设备工作电压。 就是按照这样的计算,给电阵屏供电应使用1块12V/40W的电池板（总容量为40W)供电的。 控制器电源电路电源电路如图5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C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。 同样电容C3为滤波电容，C4为高频旁路电容。 R1为限流电阻，LED1为5V电源指示灯。 图5 电源电路 光控电路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。 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，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。 系统时钟电路为了系统定时准确性的需要，系统需要一个实时的时钟，而平常的电子设计中常用的时钟是直接通过汇编语言对单片机进行编程实现的，这样的时钟在电源断电时不能正常运行，再次通电后也不能保证时钟的持续运转。 由于系统要求根据时间来准时开关灯箱电源，所以要求系统时间一定要准确，为了避免断电时钟不运行情况的发生，在本设计中选用了低功耗的实时时钟芯片DS1302提供系统的时钟，它具有功耗低、性能稳定、自带RAM、具有年月日功能，确保定时的可靠性。 DS1302实时时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。 它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。 实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。 对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括了闰年校正的功能。 时钟的运行可以采用24小时或带AM（上午）/PM（下午）的12小时格式。 DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。 数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。 数据可以以每次一个字节或多达31字节的多字节形式传送至时钟/RAM或从其中送出。 而且DS1302能在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。 DS1302具有一个用于主电源和备用电源的双电源引脚，即除了主电源外，我们可以在其8脚和地之间接一个大电容或者接一个备用电源，主电源正常时对电容或备用电源充电，当电源突然断电或者进行电力维修时，电容或备用电源工作，以表2 DS1302的管脚介绍管脚名称功能X1\X2RST复位I/O数据输入/输出SCLK写保护VCC1\VCC2电源引脚GND地保证时钟芯片的正常工作。 DS1302各脚功能如表2所示。 DS1302主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成。 为了初始化时进行数据传送，将RST置为高电平且把提供地址和命令信息的8位装入到移位寄存器。 数据在SCLK的上升沿串行输入。 无论是读周期还是写周期发生，也无论传送方式是单字节传送还是多字节传送，开始8位指定40个字节中的哪个单元将被访问。 在开始的8个时钟周期把命令字节装入移位寄存器之后，时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据。 时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加最大可达248的时钟脉冲个数。 图7 DS1302实用时钟电路本设计采用的是24小时运行模式。 因为DS1302采用的是同步串行通信，简化了与微处理器的通信，微处理器与时钟芯片通信仅需三根线联接：（1）RST（复位）、（2）I/O（数据线）、和（3）SCLK（串行时钟）。 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1302中写入数据。 具体应用电路如图7所示。 在系统正常工作时，使时钟正常工作，系统电源对电容C4充电，在系统断电时，C4中存储的电量可以作为芯片的备用电源，维持时钟芯片正常工作，再次通电时系统电源为芯片供电，并且为电容C4充电，为系统下次断电做好电能的储备。 掉电存储电路为了能将系统所设定的一些参数，如设定的密码，设定的时间在系统掉电之后能够恢复，在设计时必须考虑如何存储这些参数。 由于AT89C51片内没有EEPROM，必须采用外部扩展方式。 在系统的设计过程中，通常采用的掉电存储芯片是24C02系列存储芯片，为了方便以后扩展，在这里选用有4K存储空间的24C04芯片。 24C04接口采用I2C总线接口方式。 I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。 连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。 I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。 它通过串行数据线SDA及串行时钟线SCL两根线和连在总线上的处理机进行通信，并根据地址识别每个器件。 采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。 CPU能通过指令将某个功能单元电路进行读或写的操作，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统既简单又灵活的扩展与控制。 管脚功能如表3所示。 24C04作为系统的掉电存储单元，在设计中的作用是在系统失电的瞬间，由电容供电完成对系统中数据的存储。 主要存储的内容是定时数据、系统时间等参数，在系统恢复供电时取出定时时间与实时时钟数据进行对比，完成定时控制和时钟显示功能。 其应用电路如图8所示。 表3 24C04的管脚介绍管脚名称功能A0、AA2器件地址选择SDA串行数据/地址SCL串行时钟WP写保护VCC+～GND地图8 24C04应用电路 数码管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(如图9)。 串并转换电路主要由六块移位寄存器74ALS16。