【毕业论文-范本】基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现

【毕业论文-范本】基于单片机的太阳能草坪灯的设计与实现内容摘要：

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，一般为 175 mA。 太阳能 LED 灯具的具体技术指 标如表所示超高亮白光 LED 发光源具有如下优点寿命长。 LED 的寿命长达 10h，而白炽灯的寿命一般不超过 2020 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 W ， 12 V LED 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 Ah． 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 w， 12V／ 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 0W 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。 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） ,工作电流约。 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 Tx Is 48 / 30 Ah。 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 Vg Ia 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。 电源电路 RST 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，晶振 X1 为时钟芯片提供工作必需的 的振荡周期，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、 A A2 器件地址选择 SDA 串行数据 /地址 SCL 串行时钟 WP 写保护 VCC +～ 工作电压 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74ALS164 组成。 当清除端（ CLEAR）为低电平时，输出端（ QA－ QH）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（ QA－ QH）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。 图 9 显示电路 单片机硬件电路 AT89S 系列单片机提供的 ISP 在线编程技术彻底地改变了传统开发模式，开发单片机系统时不会损坏芯片的引脚，加速了产品的上市并降低了研发成本，缩短了从设计制造到现场调试的时间，简化了 生产流程，大大提高了工作效率89s51 系列单片机及其外围电路组成，电路如图 10 所示。 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 33pF 的电容组成，片内的时钟信号主用由该电路产生。 图 10 单片机电路 5 系统程序设计 该系统的软件程序设计主要有主程序，中断程序，显示子程序和延时子程序。 系统流程图如图 11 所示，主程序见附录 2。 6 结束语 本次毕业设计的太阳能草坪灯设计是针对已经存在的普通草坪灯进行改进，首先采用 了太阳能电池作为能源，以达到环保节约的目的。 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能力。