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安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
1.2.1太阳能路灯系统组成、工作原理与发展现状
目前的太阳能路灯控制系统都是独立光伏控制系统，主要由7个部分组成：太阳能电池板、蓄电池、负载（LED路灯）、控制器、测量电路、充电电路、放电/负载驱动电路。基本结构如图1-1所示：
太阳能电池板 蓄电池 LED路灯
控制器 图1-1 太阳能控制系统
充电电路 测量电路 放电/驱动电路 太阳能LED路灯运行过程中，LED路灯都是在夜间运行的。因此太阳能LED路灯的工作方式为：在白天太阳能电池在控制器控制下通过充电路为蓄电池充电，而在夜间或连续阴雨天气里蓄电池放在控制器控制下通过放电/驱动电路点亮并调节LED路灯的亮度。另外因为太阳能电池受环境温度、光照条件、湿度等影响很大，所以供应的电力不稳定，蓄电池可以稳定整个路灯系统电路的势能，为控制器提供稳定的工作电压和电流。在太阳能LED路灯系统中，太阳能电池的使用寿命一般是在20～30年，而LED正常寿命也在10万小时以上，而寿命比较长的免维护铅酸蓄电池的寿命在使用得当的情况下，一般是5～6年，所以铅酸蓄电池的使用寿命基本上就代表着太阳能路灯的阶段性寿命。目前，市场上有各种各样的太阳能路灯，这些路灯系统主要问题是可靠性不高，其原因是：控制器对于蓄电池的保护不充分而导致蓄电池的损坏。这些控制器对蓄电池的充电采取了很多有效的措施，确保蓄电池不会过充电；比如当蓄电池的电压达到充满点（密封铅酸电池为单体2.35V，固定式铅酸电池为单体2.5V）时，控制器将充电回路断开，或者采用脉宽调制的办法或多路充电的办法，随蓄电池的电压接近充满点时，充电电流逐渐减小，从而达到保护蓄电池不被过充的目的。但是对于防止蓄电池过放电，目前市场上的太阳能路灯控制器只是一点式控制。即在蓄电池达到过放点之前不做任何控制。尽管目前的路灯控制器一般还具有光控开关和定时器，可以人为设定路灯的工作时间，也有将路灯的功率分档，前半夜满功率，后半夜半功率工作，但都没有通过在线检测蓄电池的剩余容量而自动调整负荷,这样仍然避免不了蓄电池的过放电，而蓄电池一旦过放电，或者强迫将负载断开，或者由于蓄电池电压过低使负载自动断电。这样做的后果是：切断负载影响整个系统的正常工作并且蓄电池已经处于深度放电状态，大大缩短了蓄电池的使用寿命[9]。 1.2.2设计思路
在本课题的设计过程中充分考虑了蓄电池过充与过放问题，根据蓄电池剩余荷电容量（SOC ）充放电数学模型和剩余荷电容量 （SOC）与蓄电池循环寿命的关系，在设计太阳能LED路灯控制器的时候，我们采用以下控制方案，
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汪婷婷：基于单片机的太阳能路灯控制器设计
完全避免蓄电池过充和过放，并保证LED路灯以尽可能延长点亮的时间。在充电阶段为三段控制：第一段（10% 基于对现有太阳能控制器的缺点的改进方案设计了可独立运行的太阳能LED路灯系统控制器的软硬件设计。设计独立运行的太阳能LED路灯控制器的技术可用于其他独立光伏系统的设计与控制。比如太阳能屋顶、光伏建筑一体化，风光水泵，户外独立工作的信号转播设施等等。当然光伏电源LED照明系统目前在实际应用过程中也都有着一些不足和技术瓶颈，例如太阳能光伏发电技术的效率一直不高，大功率LED的散热问题也一直有待更好的解决，蓄电池的使用寿命影响了整个系统的整体使用寿命等等，且光伏发电和LED照明两项技术都面临着成本较高，初期投入大的应用困难。但作为有潜力和市场需求的新兴技术，随着技术的发展，工业化商业化的进行，成本问题能得到有效的减少。太阳能利用技术和LED照明产业已经由技术开拓时期开始步入应用研究阶段，我们完全能相信集合了新一代能源和新一代光源优点的光伏电源LED照明系统定会进一步快速发展，引领我们进入一个绿色节能新时代。 - 4 - 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） 第2章 系统设计简介 本文介绍基于单片机的太阳能路灯控制器的设计,对12 V和24 V蓄电池可自动识别，可实现对蓄电池的科学管理，指示蓄电池过压、欠压等运行状态，同时具有负载过流、短路保护功能；具有较高的自动化和智能化水平。 2.1 单片机简介及选择 单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。 由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。 由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。 20世纪80年代以来，发展迅速，世界一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种，Intel公司的MCS-48、MCS-51，Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等。此外，荷兰的Philips公司、日本的NEC公司、日立公司等也相继推出了各自的产品。 尽管机型很多，但是在20世纪80年代以及90年代，在我国使用最多的8位单片机还是Intel公司的MCS-51系列单片机以及与其兼容的单片机（称为51系列单片机）MCS-51系列单片机主要包括 基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51）； 增强型：8032/8052/8752。 已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪80年代和90年代，MCS-51系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。表2-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源。 表2-1：基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源 片内数据存储器 （B） 128 128 128 256 256 256 中断源个数 （个） 5 5 5 6 6 6 型号 片内程序 存储器 无 4KB ROM 4KB EPROM 无 8KB ROM 8KB EPROM I/0口线 （位） 32 32 32 32 32 32 定时器计数器 （个） 2 2 2 2 2 2 8031 基本型 8051 8751 8032 增强型 8052 8752 AT89C52 ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机．片内含8KbyTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 byTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产， - 5 - 汪婷婷：基于单片机的太阳能路灯控制器设计 与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH由存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。 本设计中我们采用AT89C52单片机作为控制电路的核心器件。 2.1.1 AT89S52单片机 AT89C52为40 脚双列直插封装的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8xc52 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，红外遥控信号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。VCC（40 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 脚定义为握手信号功能端口，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。 ·P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。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。 ·P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 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，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。 P2 口：P2 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，某个引脚被外部信号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信号。 ·P3 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 - 6 -