基于单片机控制的太阳能LED路灯照明系统

I清华大学本科毕业论文基于单片机控制的太阳能LED路灯照明系统专业名称自动化申请学士学位所属学科工科指导教师姓名、职称2012年5月10号摘要I摘要本设计基于AT89C52单片机，太阳能采集板吸收的太阳能经逆变器转化为稳定的+5V电压作为各器件的供电电源。热释传感器检测移动物体，及由光敏电阻组成的分压电路检测周围环境明暗情况。矩阵键盘键入数据后经芯片AT89C52控制由LCD显示相应信息。单片机与上位机之间由RS232串行通信接口连接，使软硬件相结合。整个过程完成了基于单片机的太阳能ＬＥＤ路灯照明控制系统的要求。设计电路主要分为核心单片机、太阳能采集电路、蓄电池存储及电压检测电路、负载输出控制与过流检测电路、红外传感器距离感应电路、键盘电路、节能LED电路、串口通信电路、LCD显示等模块。设计中各状态均由按键控制，并以128*64点阵LCD显示，操作简单，功能齐全，界面友好。关键词：负载输出控制及检测电路太阳能采集电路LED红外感应AbstractIIAbstractThisdesignbasedontheAT89C52singlechipcomputer,solarcollectionplateabsorbssolarviainverterintostable+5Vvoltageaseachdeviceofpowersupplies.Heatreleaseitsensordetection,andmovingobjectbyphotosensitiveresistorspointsvoltagecircuittestingenvironmentlightandshade.MatrixkeyboardtypedatabyAT89C52controlafterchipLCDthecorrespondinginformation.BetweenSCMandPCbyRS232serialcommunicationinterfaceconnection,makecombiningsoftware.ThewholeprocesscompletedbasedonSCMsolarLEDstreetlamplightingcontrolsystemrequirements.Circuitdesignmainlydividedintocoremicrocontroller,solaracquisitioncircuit,batterystorageandvoltagedetectioncircuit,loadoutputcontrolandflowdetectioncircuit,infraredsensordistanceinductioncircuit,keyboardcircuit,energy-savingLEDcircuit,serialcommunicationcircuitmodule,LCDdisplay.Designofeachstateallbybuttonscontrol,andto128*64dotmatrixLCDdisplay,simpleoperation,thefunctionisallready,friendlyinterfaceKeywords:loadoutputcontrolanddetectioncircuitsolardataacquisitioncircuitLEDinfraredsensor目录III目录1绪论………………………………………………………………………11.1设计研究的原因、目的与意义………………………………11.2国内外研究现状及发展趋势…………………………………12系统原理及各组成模块……………………………………………22.1系统原理…………………………………………………………22.2系统各模块介绍…………………………………………………22.2.1太阳能采集及电源模块………………………………22.2.2A/D电压采样模块……………………………………32.2.3物体检测模块和环境明暗检测模块………………52.2.4路灯控制模块……………………………………………62.2.5键盘电路模块…………………………………………72.2.6LCD显示模块…………………………………………82.2.7时钟模块………………………………………………92.2.8串口通信模块………………………………………102.2.9过流保护及声光报警模块…………………………102.2.10太阳能电池组件及负载LED开关控制…………122.3硬件连接过程中应注意的事项………………………………132.3.1电路接地去噪问题……………………………………13目录IV2.3.2布线注意事项…………………………………………143软件编程……………………………………………………………143.1软件编程要点………………………………………………143.2程序主流程图及按键功能规划…………………………143.3A/D转换程序………………………………………………153.4蓄电池电压检测电路………………………………………154总结及展望……………………………………………………………154.1所获心得及结论…………………………………………………154.2前景展望……………………………………………………………17参考文献……………………………………………………………………17致谢………………………………………………………………………18附录………………………………………………………………………18泰山学院本科毕业（论文）11引言1.1研究原因、目的与意义伴随着日益严重的能源危机，可再生能源的开发与利用渐渐成为人们研究的话题。一种新的可再生能源进入人们的视线-太阳能，因其环保、用之不竭等优点，在当代社会被视为重点研究对象。以太阳能作为供能源的路灯，因其安全环保，无需专人负责，无需计算日后费用开支，无需高难度架设输电线路和挖沟等高难度铺设方式．可以轻便的安设于广场、公园等地区。诸多优点成为人们心中的必选之一。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。其它优势：绿色环保，能够很符合要求的为生态小区服务；减轻物业部门的管理压力；从而减轻业主的经济负担。太阳能路灯更是具有：节能环保、便于安装、易于维护、自动控制等固有的优质特性，继而在服务于大型销售楼盘以及市政工程方面做出杰出贡献。伴随着可持续发展观深入人心，人们在积极寻求各种可再生能源的同时也在积极倡导节能环保的技术，而在照明这一方面，寿命长、节能环保、绿色安全、色彩多样、微型化的LED固态照明也渐渐成为现代人们心中的最佳选择之一，而太阳能LED灯同时融合了前两者的优势。LED(LightEmittingDiode，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。LED作为发光二极管是采用的低压直流供电特性，控制成本低而且具有安全特点。LED的响应时间平时仅有几纳秒到几十纳秒，促使频繁的开关，明暗调节成为可能。并且LED是一种全固态的发光体，耐震、不易破碎、散热量低、没有热辐射、是冷光源、最重要的是不含汞、钠元素等危害身体健康的物质，废弃材料可回收、无污染。泰山学院本科毕业（论文）21.2国内外研究现状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。建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用，上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。然而，业内人士也指出，由于存在成本、技术等诸多问题，现阶段推广太阳能路灯遇到“瓶颈”困扰。目前，美、日、欧盟等发达国家都推出了相应的屋顶光伏计划。2系统原理及各组成模块2.1系统原理由太阳能采集板吸收的太阳能经逆变器转化为稳定的+5V电压，作为各器件的供给电源。为了防止蓄电池电压过放及负载过流保护，提取采样电压或电流经ADC0809状态模/数把信息及时反映到单片机芯片。由热释传感器检测移动物体，及由光敏电阻组成的分压电路检测周围环境明暗情况，两者产生的信号也由ADC0809模/数转换，把相应信息送往AT89C52。AT89C52作为控制芯片，收到相应信息后经相应接口发出控制信息，控制负载电流及蓄电池电压。矩阵键盘键入数据后经芯片控制由LCD显示相应信息，由于DS1302的存在，也会出现具体时间。在整个过程中，单片机与上位机之间泰山学院本科毕业（论文）3由RS232串行通信接口连接，实时与软件编程相连，使软硬件相结合。其系统总框图如图2-1所示。LED灯负载供电电路太阳能电池单片机AT89C52电流采样电流电压ADC08089IN1人体检测明暗检测IN7IN6上位机PCLCD屏DS1302RS232键盘电压采样图2-1系统总框图2.2系统模块介绍本模拟系统以AT89C52为核心，主要以太阳能采集、A/D电压采样模块、过流保护模块、LCD显示模块、环境明暗检测模块和物体检测、路灯控制模块、按键模块等模块组成。2.2.1太阳能采集及电源模块系统在白天通过太阳能电池板将太阳能转换成电能存储起来，然后在晚上供给照明设备。该系统采用了阀控密封铅酸蓄电池（VRLA）作为电能存储设备，同时将大功率白光LED作为照明设备。图2-2示出太阳能采集系统框架结构图。充电管理模块对太阳能电池板阵列进行最大功率点跟踪（MPPT），并对蓄电池进行充电，LED驱动模块采用蓄电池中的电能对大功率白光LED阵列进行泰山学院本科毕业（论文）4驱动；系统采用DSP微控制器进行MPPT控制、蓄电池充电管理和LED驱动控制电源模块：通过整流滤波得到稳定的+5V电压,如图2-3电源模块所示。图2-3电源模块2.2.2A/D电压采样模块在ADC0809的电源和接地排针间具有足够高的本地高频去耦，可以更好的使用工作系统，但是芯片的不同电源总线间可能存在噪声耦合。除了本地去耦外，还可以在单个电源总线上添加滤波电路。ADC0809输出电路：ADC的模拟输入与数据输出之间存在少量的寄生电容，ADC数据输出线上的噪声会通过这些寄生电容耦合到模拟输出端，导致ADC的SNR和有效位数ENOB下降。为解决这一问题，可在ADC数据输出端接一锁存器。ADC0809是CMOS工艺，，利用逐次逼近的8位A/D转换模片，28引脚式双列直插式封装，片内除A/D装换部分以及多路模拟开关部分，多路开关有8路模拟量输入，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。图2-4为ADC0809的时序图。图2-4ADC0809的时序图泰山学院本科毕业（论文）5ADC0809工作原理:将8路模拟量输入信号进行分时处理，ADC0809利用模拟开关切换实现。在某一时间点，模拟开关只与其中一路模拟量通道接通，对此通道进行A/D转换。如果地址锁存的信号ALE是高电平时，ADDA、ADDB、ADDC三条线上的数据就可以送入ADC0809内部地址锁存器中，通过译码器译码选中某一条通道。当ALE信号为0时，地址锁存器此刻处于锁存状态，模拟开关一直和刚才选中的输入通道处于接通状态。当选中通道中的模拟量传输到A/D转换器时，A/D转换器并不能对其进行A/D转换。只有当转换启动信号