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__CROBUTTONMTEditEquationSection2EquationChapter1Section1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
1.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__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DESIGNOFSOLARLEDSTREETLAMPSYSTEMABSTRACTWiththedevelopmentofsolarphotovoltaictechnologyandprogresssolarlightingproductsintheenviro__entprotectionandenergyhasbeengraduallyunderthedualadvantagesofscalesuchassolarlightsgardenlightslawnandsoon.Solarstreetlightingintheareaofdevelopmenthasincreasinglyimproved.ThesolarLEDStreetlampsystemusingAT89C52MCUcorethroughtheUC3906chipchargingportarecontrolledbymicrocontrollerdigitaldisplayandin____igentcontroloflightingsystems.Thesystembothbytheintensityoflightofstreetlampstocontroltheswitchandswitchcanbecontrolledbyadjustingthetimestreetlampsachievingtwofeaturestheeffectperfectcontrol.Thesystemis______functionalfriendlyinte_____.KEYWORDS:SolarLightingSystemAT89C52UC3906LEDStreetlamp目录TOC\o1-3\h\z\u摘要IABSTRACTII第一章绪论
11.1研究背景、目的与意义
11.2新能源__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13太阳能电池板13蓄电池14太阳能路灯光源14控制器14灯杆及灯具外壳15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
183.4UC3906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
233.8LED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____39附录Ⅰ整体电路图40附录Ⅱ单片机程序43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__应用太阳能路灯以其不用专人管理和控制,__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__在__、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__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__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__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__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__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__调试,如任何一条线路有问题,则要大__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__简便太阳能灯具__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__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,__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__和__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、__简便、自动控制免维护等固有的特性将为__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__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LEDLightEmittingDiode,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__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.__组件积木化__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__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、__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__,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__、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__70000多套小型光伏装置,每年__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__几千套小型40~100W光伏装置,用于消夏小屋国家石油公司对进一步__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__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__倡导,甚至像德国那样采用__补贴的方法来__我们欣喜地发现路灯工程原本即__工程,是由__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000000,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190000,关路灯时间为60000,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__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,__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__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__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__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__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__,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__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300__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__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__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,__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,WP÷20V=(1A×10h×120%)÷4hWP=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=1A×10h×7=70AH,蓄电池充放电预留10%容量,所以实际蓄电池为12V/80AH太阳能路灯光源LED灯寿命长,可达_____00h,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__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__太阳能电池组件的方案,需根据太阳能电池组件____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__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__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VCC40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__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3-1AT89C52芯片管脚图1P0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2P1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__拉低时会输出一个电流IIL与AT89C51)3P2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__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MOVX@DPTR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MOVX@RI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__4P3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__5RST: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6ALE/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__,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7PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通__,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__8EA/VPP:外部访问允许欲使CPU访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),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Vpp9XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端10XTAL2: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,__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
3.4UC3906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500__,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3-3UC3906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__锁存通道号地址,后让START有效,启动A/D转换,产生__,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__,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__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__式按钮调节__式键盘的按键相互__,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
3.8LED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IC
[7]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200-1200__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SOT__-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MR
11、MR
16、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68uH—100uH,Q值大于50,饱和电流大于800__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P
3.7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3-7LED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5V±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Ⅰ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500__,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,用于驱动一颗或多颗串联LEDPT4115输入电压范围从6伏到30伏,输出电流可调,最大可达
1.2安培根据不同的输入电压和外部器件,PT4115可以驱动高达数十瓦的LED并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光当DIM的电压低于
0.3伏时,功率开关关断,PT4115进入极低工作电流的待机状态PT4115芯片驱动LED路灯,当AT89C52输入高电平时路灯点亮,当输入低电平时路灯熄灭同时电路从实时时钟获得精确时间,可以通过按键调节时间从而来控制路灯的亮灭,按键分别控制显示DS1302时间键,加一键和减一键可以根据春夏秋冬的四季情况来调整开光灯的时间太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池板采集太阳光的能量,并将其转化为电能存储起来,即向蓄电池充电,在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制,点亮LED灯用于路灯照明第四章系统软件设计
4.1主程序设计系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、DS1302的读写程序、89C52的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成程序开始要进行初始化,调用89C52内部存储的开关路灯时间点,程序每隔一段时间调一次DS1302中的时间通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较,设定的比较间隔为1秒一次,当时间相同时,则通过程序输出控制__,对驱动电路进行驱动系统总体程序流程图如图4-1和图4-2所示如果想调整开关路灯时间点和1302中的当前时间可以通过设置的按键手动进行时间的调节,开关SW
2、SW
3、SW8分别为显示1302时间键,加一键和减一键图4-1程序流程图4-2主要程序设计流程图
4.2计时程序设计计时程序的设计主要用到定时器的知识AT89C52内部有两个16位可编程的定时器/计数器,即定时器T0和定时器T1它们既可用作定时器方式,又可用作计数器方式
[10]定时器/计数器的基本部件是两个8位的计数器(其中TH1,TL1是T1的计数器,TH0,TL0是T0的计数器)拼装而成在作定时器使用时,输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的,所以定时器也可看作是对计算机机器周期的计数器(因为每个机器周期包含12个振荡周期,故每一个机器周期定时器加1,可以把输入的时钟脉冲看成机器周期__)故其频率为晶振频率的1/12如果晶振频率为12MHZ,则定时器每接收一个输入脉冲的时间为1us
[11]定时器/计数器有四种工作方式(方式0,方式1,方式2,方式3),其工作方式的选择及控制都由两个特殊功能寄存器(TMOD和TCON)的内容来决定用指令改变TMOD或TCON的内容后,则在下一条指令的第一个机器周期时起作用当为计数工作方式时,计数值的范围是1-256
(28)当为定时工作方式时,定时时间计算公式为(28-计数初值)×晶振周期×12或(28-计数初值)×机器周期本次设计中用到了T0和T1进行中断控制,T0和T1用的都是方式一在中断子程序中放进了显示程序,中断时间为2MS,可以实现数码管的动态扫描且无闪烁感图4-2计时程序流程图第五章太阳能路灯的仿真
5.1仿真流程
(1)运用keil软件将编译正确的程序生成.hex文件
(2)打开proteus软件,画出原理图
(3)检查原理图绘制是否正确
(4)原理图绘制完后将.hex文件装入芯片
(5)开始仿真
5.2仿真图由于充电电路和LED路灯驱动电路无法仿真,本次设计实现了主控模块的仿真,仿真如下图5-1当前北京时间的显示图5-2白天太阳光强自动关灯图5-3晚上太阳光弱自动开灯图5-4晚上路灯点亮图5-5白天路灯熄灭第六章总结通过半年的时间,我终于完成了太阳能路灯系统的设计,本设计基本达到了设计的要求,实现了智能控制太阳能路灯该系统操作简单,功能齐全,方便实惠在各种交通环境中,不是所有路段都适合使用市电来供给路灯工作在提倡节能的趋势下,使用太阳能供电是一种非常合理的能源利用,而且配套的LED灯具也是新型光源,其节能、环保、寿命长、耐震动、响应速度快的优点为野外__工作提供了极好的物质基础,灯头一旦断路整个路灯便失去价值,结合这一系列的问题,我设计制作的LED太阳能路灯系统解决了上述问题,它具有非常高的实用性由于蓄电池存在过充电,过放电,__浮充的缺点,我选择了使用UC3906这款芯片来设计智能充电器,这种充电器可保证电池在很宽的范围内精确充电,延长电池的使用寿命该芯片内含有__的电压控制电路和限流放大器,它可以控制芯片内的驱动器,驱动器提供的输出电流为25__,可直接驱动外部串联的调整管,从而调整充电器的输出电压与电流电压和电流检测比较检测蓄电池的充电状态,并控制状态逻辑电路的输入__当电池电压或电流过低时,充电启动比较器控制充电器进入涓流充电状态,当驱动器截止时该比较器还能输出25__涓流充电电流这样,当电池短路或反接时,充电器只能以小电流充电,避免了因充电电流过大而损坏电池在制作路灯系统时,我采用了PT4115这款恒流芯片,PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源,用于驱动一颗或多颗串联LEDPT4115输入电压范围从6伏到30伏,输出电流可调,最大可达
1.2安据不同的输入电压和外部器件,PT4115可以驱动高达数十瓦的LED路灯并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光当DIM的电压低于
0.3伏时,功率开关关断,PT4115进入极低工作电流的待机状态这个引脚也方便了主控电路的设计这次毕业设计让我懂得了分析问题,才能解决问题的道理,通过这次毕业设计更增加了我以后能够干好自己工作的信心致谢四年的学习生涯马上就要画上句号了,毕业前所有的努力与付出都凝聚在这篇论文里面相信它虽然算不上上乘之作,但的确是我用心血浇灌的答卷首先感谢我的指导老师,在做毕业设计和论文的撰写过程中,他给予了悉心的指导和耐心教诲,在他的悉心指导下,我的毕业设计和毕业论文得以顺利完成在整个学习阶段中,老师严谨的治学态度和以身作则、勤奋塌实的工作作风使我受益菲浅,在此表示我深深的谢意同时我还要感谢信息学院的老师,在毕业设计的进展中,他们给了我很多的关心和帮助,为我们创造一个良好的研究学习环境还要感谢和我一起学习的同班同学们,在一起四年的学习和探讨,给我留下了许多难忘的回忆感谢我的室友们,从遥远的家来到这个陌生的城市里,是你们和我共同维系着彼此之间姐妹般的感情,维系着寝室那份家的融洽感谢我的爸爸妈妈,焉得谖草,言树之背,养育之恩,无以回报,你们永远健康快乐是我最大的心愿在此,祝他们在未来的岁月里生活幸福!我将努力工作,用所学到的知识为社会服务,以出色的工作成绩来回报学校、老师和家人____
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52.h#includeds
1302.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintchardata1aa;__itkey1=P3^0;__itkey2=P3^1;__itkey3=P3^2;__itPX=P3^7;charkk;__itST=P1^0;__itsk=P3^6;ucharcodedis[]={0x3F0X300X5b0X4f0x660x6d0x7d0x070x7f0x6f0x000x40};//共阴数码管0-9灭-编码ucharcodewei[]={0x800x810x820x830x840x850x860x87};//位选编码uchardatadis1[]={0x000x000x0b0x000x000x0b0x000x00};//时分秒显示缓冲区uchardatachuzhi[]={0x000x000x00};//送十六进制数//时分秒初值uchardatatime1302[]={0x000x000x000x000x000x000x00};//延时1ms子程序voiddelayuintz{uintxy;forx=z;z0;z--fory=110;y0;y--;}//显示子函数voiddisplay{uchark;dis1
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