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目录 1.引言................................................1
2.方案论证及选择......................................3
2.1 方案一：采用分立元件设计 .......................... 3 2.2 方案二：采用单片机控制实现 ........................ 3 2.3 方案选择 .......................................... 4
3. 系统硬件的设计.....................................5
3.1 单片机最小系统电路设计 ............................ 5 3.2 显示电路设计 ...................................... 8 3.3 按键开关电路 ...................................... 9 3.4 太阳能板模块 ...................................... 9 3.5 蓄电池管理模块 ................................... 11 3.6 路灯控制模块 ..................................... 12 3.7 整体电路图 ....................................... 14
4.系统软件的设计.....................................15
4.1 软件设计思路和实现的功能 ......................... 15 4.2 系统流程图 ....................................... 15 4.2.1 ADC0832 的子程序 ............................ 16 4.2.2 LCD1602 子程序 .............................. 17 4.2.3 按键子程序 .................................. 18 4.3 系统源程序 ....................................... 18 5.系统电路的搭建与调试...............................19 5.1 系统软件的仿真 ................................... 19 5.2 系统硬件电路搭建 ................................. 19 5.3 系统硬件电路的调试 ............................... 20
II
5.4 设计中遇到的问题及解决结果 ....................... 21
6.总结与展望.........................................22 致谢.................................................23 参考文献.............................................24 附录 A 英文文献原文 ..................................25 附录 B 英文文献译文 ..................................30 附录 C 系统源程序 ....................................35 附录 D 元器件清单 ....................................40
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第 1
页 共 41 页 1.引言
太阳能 LED 路灯是一种新型的结合太阳能光伏发电技术与 LED 技术的路灯。系统通过蓄电池将太阳电池板产生的电能储存起来供负载在夜晚照明使用。
自哥本哈根气候峰会召开以来，环保节能的话题已经成为当今世界的热点话题。节能减排已不仅是政府的一个行动目标，而且给企业带来经济上的收入，让人们能得到一个较好的生存环境。当今社会，人类面临着经济和能源可持续发展的重大挑战，其中，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：
（1）能源的短缺。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）环境的污染。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，使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。
太阳能作为一种可再生的新型能源，很早就被人们开发和利用了。随着科学和技术的迅速发展，世界能源危机的日益严重，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。同时，以煤、石油等作为燃料油面临严重的环境污染，再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。为贯彻落实科学 发展观，把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济与人口、资源、环境相互协调发展的要求。因而，可再生、无污染的太阳能利用在世界各国崛起，世界光伏产业迅猛发展。根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。由于光伏发电技术的逐渐成熟，成本不断的下降，太阳能的利用无处不在[1] 。各种各样的太阳能电子产品发展非常迅速。
太阳能路灯是以太阳光为能源，和传统的路灯相比有以下一些优点：
(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：太阳能壁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)成本低廉：就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能路灯比普通路灯造价要高。若按使用寿命 15 年把运行费用和路灯维护费用考虑进去的话，太阳能路灯在寿命周期内所
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页 共 40 页 发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。且规模越大，普通路灯安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于预计费用。
(4)安全稳定：运行维护费用低，普通路灯明显高于太阳能壁灯，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。太阳能路灯免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。
(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。
除此之外，LED 路灯还具有光线质量高，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。由于 LED 具有发光效率高，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[2] 。
近几年，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来，国内许多研究单位都对太阳能路灯作了详细的调查和研究。在发展思路的引导下，太阳能产业得到了快速的发展，产品质量也不断提高。太阳能不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，也将提供越来越多的就业机会。因此，太阳能光伏发电市场发展前景十分广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视[3] 。
陕西理工学院毕业设计
第 3
页 共 40 页 2.方案论证及选择 2.1 方案一：采用分立元件设计
太阳能路灯智能控制系统主要由电源、蓄电池过充和过放保护电路、红外控制及光控电路以及灯具组成，总体框图如图 2.1 所示。
图 2.1 太阳能路灯控制系统的框图
电源分为电池电源和 220V 市电经 AC-DC 转换电路后的稳定电源。AC-DC 转换电路主要由变压器及集成稳压管构成。蓄电池过充保护电路是一个简单的由稳压二极管、三极管及电阻构成的电路，而在太阳能板给电池充电时为防止电池对太阳能板反向充电，需在太阳能板和电池之间接一个二极管。蓄电池过放保护电路的主要元件为滞回比较器和继电器。由滞回比较器来判断电池是否达到过放状态，由继电器作为选择开关，来选择用电池供电还是后备电源供电（电池在过充状态时和阴雨天气时）。红外控制和光控电路主要组成部分是红外探头、数字电路及光敏电阻，而红外控制部分可以集成一块芯片，即 BISS001 芯片。灯具有照明灯具及演示时的指示灯。由于设计的是路灯，照明灯具需要足够的亮度，可以选用 LED 指示灯用简单的发光二极管即可。
2.2 方案二 ：采用单片机控制实现
本方案设计中，主要的组成部分就是太阳能电池板、充电管理系统、蓄电池、单片机的控制模块、路灯。整体框图如图 2.2。
蓄电池管理模块路灯控制模块单片机
电压采集太阳能板模块 液晶显示模块按键模块 图 2.2 整体框图 此设计是由单片机作为核心控制器进行控制的，太阳能电池板将吸收到的太阳光能经过
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第 4
页 共 40 页 充电管理模块给蓄电池充电，而蓄电池要持续不断给单片机提供电源，让它来检测采集到的太阳能电池板电压值的大小。同时，蓄电池也要给负载供电。
2.3 方案选择 方案一的电路模块比较复杂，是利用纯模电电路在来完成的，实现相同的功能模块下，需要更多的电路，故需更多的电路器件，制作成本就相对比较高。另一方面，电路的模块比较多会增加控制电路的误差，使电路最终不能达到预期的理想效果。而且，采用分立元件实现太阳能路灯控制系统的智能化方面比较困难。
方案二采用的是用 STC89C52 单片机作为核心控制器来控制蓄电池的充放电和路灯的亮灭。主要是通过光线的强弱以检测太阳能电池和蓄电池采集到的电压的大小，从而传输给单片机来控制。在有阳光时，太阳能电池板将太阳能转换为电能并储存在蓄电池中。蓄电池对路灯进行供电，这个过程中，单片机一直在对蓄电池和太阳能电池板的电压进行采样分析，如果太阳能采集到的电压低于一定值时，单片机控制的继电器将会做出相应的动作。在太阳能电池板对蓄电池充电的过程中，也设置了防反充和过充保护。方案二的电路模块比较简单，易于维护和管理，且在蓄电池的充放电过程和路灯的开关过程中实现全程自动化，智能化。
经过综合考虑，此次设计采用方案二。
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页 共 40 页 3. 系统硬件的设计 在本次方案的设计中，电路主要包含了太阳能电池板，蓄电池管理模块，单片机，路灯控制模块，显示模块，按键模块等。此设计是以 ATMEL 系列 STC89S52 单片机为控制核心的软硬件结合，对太阳能电池板和蓄电池进行控制。太阳能电池板将采集到的电压传输给单片机进行分析和处理。白天时，太阳能电池板通过充电管理模块给蓄电池充电并监控充电的状态。傍晚时，蓄电池给路灯进行供电，实现照明效果。
3.1 单片机最小系统电路设计 单片机最小系统中中，主要是由单片机、复位电路、时钟电路等组成。
(1) 单片机 AT 系列和 STC 系列单片机的选择：AT89C 系列的单片机不能进行在线编程，AT89S 系列和 STC 系列都可以在线编程，而 STC 也可通过串口在线编程，而 AT 系列采用并口编程方式，相比之下，STC 的编程方式更为简单也较普遍，所以选择 STC 系列。
本次设计采用的是 STC89C52 单片机。该单片机是与工业标准 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，具有速度高，功耗低，抗干扰能力强等优点 [4] 。
a) 主要特性如下：
兼容 MCS-51 指令系统
8k 可反复擦写(>1000 次）Flash ROM
32 个双向 I/O 口
256x8bit 的内部 RAM
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功
3 个 16 位可编程定时/计数器中断
时钟频率 0-24MHz
2 个外部中断源
6 个中断源
2 个读写中断口线
3 级加密位
2 个串行中断
可编程 UART 串行通道
b) 单片机的引脚说明：
VCC：电源电压输入端。
GND：电源地。
P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。
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第 6
页 共 40 页 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。
P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，即可利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口除了作为普通 I/O 口，还有第二功能：
P3.0 RXD（串行输入口）。
P3.1 TXD（串行输出口）。
P3.2 /INT0（外部中断 0）。
P3.3 /INT1...