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1、基于单片机的太阳能庭院灯设计目 录目 录- 2 -1. 引 言- 3 -2. 总体设计- 4 -2.1系统的原理结构图- 4 -2.2系统的工作原理- 4 -3. 硬件设计- 5 -3.1 基准电压源电路- 5 -3.2 充电电路- 5 -3.3 放电电路- 6 -3.4 过流检测电路- 6 -3.5 充满检测电路- 7 -3.6 过放电检测- 7 -3.7 光控电路- 8 -3.8 单片机控制电路- 9 -3.8.1 AT89C51芯片介绍- 9 -3.8.2 复位电路- 11 -3.8.3 A/D转换电路- 12 -3.8.4 集成A/D转换器典型芯片-ADC0809- 12 -3.9 A
2、DC0809与单片机接口电路- 14 -3. 软件设计- 16 -3.1 流程框图- 16 -3.2 程序清单- 17 -4. 调试与测试- 19 -4.1 硬件调试- 19 -4.2 软件调试- 19 -5. 总结- 20 -致谢- 21 -参考文献- 22 -1. 引 言世界能源的消耗结构在近20年中发生了很大变化。虽然，目前各种新型能源在不断开发利用，但在五大能源（煤炭、石油、天然气、水和核裂变能）中，主要依靠石油、天然气和煤三大能源，其他能源消耗比重还很低，不足以根本改变原有的以石油、天然气消耗为主体的结构类型。基于生产和发展的需要，人们需要不断开发和利用新能源，其中太阳能是一种很好的
3、可再生能源。太阳能行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔，在可再生能源行业中，太阳能没有污染、市场空间非常大，太阳能现已经在民用领域内广泛应用于照明、发电等方面，太阳能应用的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。太阳能是指太阳所负载的能量，它的计量一般以阳光照射到地面的辐射总量，包括太阳的直接辐射和天空散射辐射的总和。太阳能的利用方式主要有：光伏（太阳能电池）发电系统，将太阳能直接转换为电能；太阳能聚热系统，利用太阳的热能产生电能；被动式太阳房；太阳能热水系统；太阳能取暖和制冷。太阳能电池作为一种新能源，在民用方面首先应用在照明灯具上。目前，在西部光明工程，非主干道太阳能路灯，太阳能庭院
4、灯和太阳能草坪灯，太阳能装饰灯等方面的应用已经逐渐形成规模。太阳能灯作为一种新型独立环保照明灯具，是一个集光电转换、充电、自动控制及照明技术于一体的家用电子产品。它与传统灯具相比造型美观、精致典雅、节能环保、安全可靠，安装使用方便，能够实现白天自动把太阳能转换成电能储存于可充电池里，当夜幕降临时再自动接通电路使灯泡发光。它可以免去人工操作，具有自动工作功能，不用埋电缆或架电线而被方便的安装于任何需要的地方的特点。可用来作为缺电地区晚间照明用，有很大的发展潜力。而且产品性能好、寿命长，一次投入，长期受益。发展可持续能源和绿色能源从照明这种方面入手，可节约更多的电能。太阳能灯广泛应用于：家庭别墅，
5、居民小区，公园景点，广场绿地，城乡街道，湖边河沿，厂矿企业，机关学校，单位花园，山区旅游景点等场所的装饰照明。是太阳能灯照明中最经济性价比最高的照明灯，特别是拉线布线比较困难的山区旅游景点最适合的太阳能灯照明灯具。2. 总体设计2.1系统的原理结构图电路系统主要由充电电路、放电电路、过流检测电路、充满检测电路、过放电检测电路、光控电路组成。如图1所示。图2.1 系统的原理结构框图2.2系统的工作原理系统的工作原理为：白天，阳光照射在太阳能电池板上，电池板上的单晶硅吸收光子的能量后产生电能。在有光照的情况下，电压基本保持恒定，电流随着光照强度的强弱而变化，光照越强则电流越大。产生的电能通过充电器
6、储存到蓄电池中，由单片机控制检测电路对其进行检测控制充放电情况。系统可以在充放电过程中检测蓄电池端电压的变化情况来判断蓄电池的充放电程度，端电压达与预设定的电压参数值进行比较，当电压达到某一参数值时，说明充放电程度已达一定要求，可判定此时充放电的状态。通过单片机指令，控制开关工作，断开充放电主回路，结束充放电；单片机系统可以对温度信号进行检测，蓄电池外表面温度检测可以采用单片机控制温度传感器的方法来实现（温度传感器的信号通过专门的接口电路转换成数字信号再由单片机进行处理）。夜晚没有光照的情况下，白天存储在蓄电池的能量给负载供电。在遇到连续阴雨天气时，电池板所能吸收的光能很少，这种情况下向负载供
7、电的时间会有所减短。采取减少负载的方法以延长放电时间，为保护系统，当蓄电池的能量低于预先设定的电压值时，单片机控制器就会切断负载供电处于保护状态。白天由太阳能电池板给蓄电池充电到预先设定的电压值，则控制器到晚上会自动开启负载，系统恢复正常工作。 3. 硬件设计3.1 基准电压源电路基准电压源电路原理如图3.1所示：图3.1 基准电压源电路原理它为单片机、集成运算放大器等提供所需的工作电压。 3.2 充电电路系统充电原理如图3.2所示：图3.2 充电电路原理图Q1，D2组成充电主回路；由太阳能电池板提供一个16V的电压，当89C51的P1.0口输出高电平时，Q2导通，使Q1也导通，此时电源经Q1
8、、D2对电池进行充电。在充电过程中，防止充电电流超过额定最大电流，通过R6限流电阻并取出充电电流值，送过流检测电路。通过P1.0口输出高低电瓶，控制三极管的导通与截止，从而达到了间隙式脉冲充电的目的。 3.3 放电电路放电电路原理如图3.3所示： 图3.3 放电电路原理图到了晚上，P1.2口会输出一个高电平，使Q4导通，从而使得Q3导通，灯泡点亮，平时晴天时两盏灯同时打开，当为阴天时，蓄电池充电不足，开关S打开，仅给一盏灯供电。3.4 过流检测电路过流检测电路原理如图3.4所示： 图3.4 过流检测电路原理过流检测保护电路由R21、R20、R21、R22、R23及运放LM358组成。过流信号从
9、串接在电池负端的电阻R6两端取出。在正常充电时，LM358的电压U1低于U2的电压；若充电电流过大，U1电压高于U2电压，LM358输出低电平去触发单片机的INT0中断。3.5 充满检测电路充满检测电路原理如图3.5所示：图3.5 充满检测电路充满检测电路由Q5、Q6、C2、R12、R13及R14组成，在停充间隙，检测电池两端的电压。当单片机的P1.1口输出一高电平，使得Q6导通，此时Q5导通。由R12、R13、R14组成分压回路，输出为0-5V的电压信号，经A/D转化输入到单片机内。如果检测到V大于零，则继续充电，如果检测到V小于或等于0，连续检测20次后，V每次都小于或等于0，则说明电池已
10、充满，如果有一次不满足条件，则继续充电，直到20次都满足时停止充电。3.6 过放电检测蓄电池放电不可低于设定的放电终止电压，否则可能产生过放电，本设计中选用的蓄电池的终止电压为10.5V 。 过放电检测原理如图3.6所示图3.6 过放电检测电路 电阻R012、R013、滑动变阻器R014组成分压电路，R015、R016、LM324组成电压比较器。当蓄电池电压大于10.5V时，电压比较器输出一个低电平，小于10.5V时输出一个高电平，当P1.4口输入高电平时，就会给P1.2口输出一个低电平，从而使放电停止。3.7 光控电路 采用光敏电阻作为光传感器来判断是白天还是晚上。光控电路的原理如图3.7所
11、示：图3.7 光控电路在白天光敏电阻的阻值比较小，R08与R011的分压比较大，分得的电压大于运放LM324的参考电压2.5V，P1.3口输出低电平，晚上光敏电阻的阻值变的非常大，R08和R011的分压减小，小于参考电压2.5V，P1.3口输出高电平。此时，单片机给P1.2口输出一个高电平，从而使放电电路开始工作。3.8 单片机控制电路充电器设计中智能控制芯片采用了AT89C51单片机。3.8.1 AT89C51芯片介绍AT89C51管脚排列如图3.8.1所示：缺图标号AT89C51是一种带内带4K字节闪烁可编程可擦除存储器（FPEROMFalsh Programmable andErasab
12、le Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 图3.8.1 AT89C51管脚排列图3.8.1 AT89C51管脚排列指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两
13、个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 （2）管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。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，它可以被定义为数据/地址的第八位。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。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
14、，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，它利用内部上拉优势，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
15、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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管脚 备选功能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（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
16、RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效./PSEN：外部程序存储器
17、的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.8.2 复位电路复位引脚RST，通过片内斯密特触发器与片内复位电路相连。复位电路在每一个机器周期的
18、S5P2去采样斯密特触发器的输出。欲使单片机可靠复位，要求RST复位端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平。复位后不影响内部RAM中的数据。复位后，PC=0000H，指向程序存储器的0000地址单元，使CPU从首地址0000H单元开始重新读取程序。所以单片机系统在运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。RST端的外部复位电路如图3.8.2所示 图3.8.2 外部复位电路其电阻、电容参数适于6MHZ晶振，保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。上电复位是利用RC充放电来实现的。上电瞬间RST端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减小，RST的电位逐渐下降。外部脉冲复位是由外部提供
19、一个复位脉冲，此复位脉冲应保持宽度大于2个机器周期，复位脉冲过后，由内部下拉电阻保证RST端的低电平。 3.8.3 A/D转换电路在设计中，要测量电池两端的电压后输入单片机处理，因此输入单片机的信号必须变换为数字信号，这就用到了A/D转换器。使用ADC0809可以满足0.1的要求，可以在减少成本的同时满足要求,所以A/D转换器选用ADC0809。3.8.4 集成A/D转换器典型芯片-ADC0809 常用的集成A/D转换器有8位、10位、12位、16位等，每种又可分为不同的型号。下面以ADC0809为例介绍集成A/D转换器的内部结构与外部特性。（1）主要性能 分辨率：8位；转换时间：100s；相
20、对精度：1LSB；采用单电源供电、电源电压为+5V、功耗为15mW。（2）ADC0809的内部结构和引脚功能 ADC0809是较流行的中速廉价型单通道八位全MOS A/D转换器，它内部含时钟电路，只要外接一个电阻和一个电容就可由自身提供时钟信号，允许模拟输入信号是差动的或不共地的电压信号。ADC0809的工作过程如下：先送出控制信号使CS、WR为低电平，从而启动A/D转换器；当A/D转换器转换结束时有一低电平信号从A/D转换器的INTR端口输出；与之相连的系统得到这一信号后便可送出控制信号（读信号）使CS、RD为低电平，这时，转换后的数据便出现在DB7DB0端口上供系统读取。ADC0809是用
21、CMOS工艺制成的逐次比较型A/D转换器，采用28引脚双列直插式封装。(A)内部结构图和管脚排列图：该芯片的内部机构图和管脚排列图分别如图3.8.4 所示：图3.8.4 ADC0809内部机构图和管脚排列图(B)主要组成及功能：该芯片内部由8位模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与时序电路、三态输出锁存器等组成。虚线框中为芯片核心部分，各部分功能如下：地址锁存与译码器控制8位模拟开关，实现对8路模拟信号的选择。8个模拟输入端能接收8路模拟信号，但相对某一时刻只能选择其中的一路进行转换。树状开关与256R电阻网络一起构D/A转换电路，产生与逐次逼近寄存
22、器中二进制数字量对应的反馈模拟电压，送至比较器，与输入模拟电压进行比较。比较器的输出结果和控制与时序电路的输出一起控制逐次逼近寄存器中的数据从高位至低位变化，依次确定各位的值，直至最低位被确定为止。在转换完成后，转换结果送到三态输出缓冲器。当输出允许信号OE有效时，选通输出缓冲器，输出转换结果。(C)引脚功能ADC0809共有28个引脚，各引脚功能如下： IN0IN7：8路模拟电压输入端。 A，B，C：模拟输入通道的地址选择线。当CBA=000时，选中IN0；CBA=001时，选中IN1依此类推，当CBA=111时，选中IN ALE：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当该信号有效时
23、，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道。 START：启动转换脉冲输入端。该信号的上升沿清除ADC内的寄存器，在下降沿启动内部控制逻辑开始转换，此脉冲由程序给出，ALE为地址锁存控制信号，在该信号的前沿处把ADDA、ADDB、ADDC三条选择状态锁存在寄存器中，当该线为高电平时地址才解锁，便可选择通道。S D转换，其对应关系如表3.8.4.所示。表3.8.4. 地址译码与通道选择通道号IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDA01010101ADDB00110011ADDC00001111 CLK：时钟脉冲输入端。D7D0：数据输出端，D7为高位。OE：输出允许端，高电平有效
24、。该端为高电平时，打开三态输出缓冲器，输出转换结果。UREF(+)和UREF(-)：参考电压正端和负端。 3.9 ADC0809与单片机接口电路ADC0809和89C51的接口有查询和中断方式两种，在设计中我们采用中断方式。就是在单片机测量得到电池两端的电压后，通过系统控制芯片的程序处理，控制充电的过程。由于ADC0809片内无时钟，单片机控制板采用89C51， ADC0809的时钟信号由89C51的ALE信号经二分频后提供（晶振频率为6MHz时，ALE频率约500kHz）。如果单片机时钟频率采用6MHZ则ALE引脚的输出频率为1MHZ，再经二分频后为500KHZ正好符合AD0809对时钟频率
25、的要求，地址译码引脚ADDA、ADDB、ADDC分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相接，以选通IN0-IN7中的某一通道，将89C51的P2.0口与RD经或非门产生的正脉冲作为输出允许信号OE；P2.0与WR经或非门产生的正脉冲作为启动输入信号START、ALE启动转换，信号EOC经反向接入后作为查询标志接INT1口。A/D转换器与89C51的连接如图3.9所示：图3.9 A/D转换器与89C51的连接电路3. 软件设计3.1 流程框图3.2 程序清单ORG 0000H /系统复位后，单片机从0000H单元开始读取程序SJMP MAINORG 0003H /主程序STRAT从0003H开始
26、存放LJMP ZHONG /中断ORG 0030H /中断入口地址MAIN:MOV P1, #00H /初始化P1口，送0作输出 MOV DPTR,#2004H /AD转换初始化 MOV SP,#60H /堆栈指针 SETB EA SETB EX1 SETB IT1AA:JB P1.3,AA LCALL DELAY JB P1.3,AA SETB P1.0 MOVX DPTR,A /启动ADDD: JB P3.3,DD MOVX A,DPTR MOV 30H,A MOVX DPTR,A MOV A,30HBB:CJNE A,#5,BB LCALL DELAYEE:JB P3.3,EE MOVX
27、 A,DPTR MOV 30H,A MOVX DPTR,A MOV A,30H CJNE A,#5,BB CLR P1.0CC:JNB P1.3,CC LCALL DELAY JNB P1.3,CC SETB P1.2FF:JNB P1.4,FF CLR P1.2 LCALL DELAY CLR P1.3 LCALL DELAY SJMP AAZHONG:CLR P1.0 /中断 LCALL DELAY1 SETB P1.3 RETIDELAY:MOV R5,#4 /延时程序DL1:MOV R6,#20DL2:MOV R7,#123NOPDL3:DJNZ R7,$ DJNZ R6,DL2 DJ
28、NZ R5,DL1 RETDELAY1:MOV R5,#4 /6小时DL1:MOV R6,#20DL2:MOV R7,#123NOPDL3:DJNZ R7,$ DJNZ R6,DL2 DJNZ R5,DL1 RET END.4. 调试与测试4.1 硬件调试在上电之前先用万用表检测是否有短路现象，检查焊接是否有漏焊、虚焊，元器件是否对应等问题。检测无误后，将电路接好让电池通电，测量相应点的电压、电流值，还有经过调可调电阻的阻值后再测量相应点的电压电流值，观察现象。编写程序。4.2 软件调试电路正常工作时，根据流程框图写好控制程序，再将程序下载到89C51芯片中，然后再进行软件调试,检测程序是否实
29、现控制功能。5. 总结本系统采用常见的元件如:三极管,电阻,电位器等来组成,再加上AT89C51单片机做控制系统,电路简单,可操作性强.经过测试,基本实现用单片机控制系统采集太阳光对电池充电,放电的功能,还具有过流检测,充满检测和过电放检测的功能.虽然稳定性不高,但在一些要求不高的场合还是可以得到广泛推广。致谢本次设计是在李硕明老师和洪志刚老师的悉心指导和关怀下完成的，在此我首先感谢两位老师，在几个月的设计中李老师给我提供了大量的有关资料，进行了细心的指导，在本课题上花费了不少时间，同时洪老师给我解决了不少疑点难题，给予我很大的帮助。其次我还要感谢我的组员和设计中给予我帮助的其他老师和同学。在
30、毕业设计的这几个月中我收获了很多，不仅学到很多知识，而且培养了一种研究问题和解决问题的能力，还懂得了团队合作的重要性，从而为今后工作打下一定的基础。此外我还要感谢我的父母，是他们给了我学习的机会，他们用汗水和爱在背后默默地支持着我、鼓励着我！参考文献【1】赵玉文.21世纪我国利用太阳能发展趋势 .中国电力，2000，33（9）：7377【2】金步平,陈哲艮.家用太阳能光电照明系统. 照明工程学报， 2001,12 (1):2327【3】宁铎,张振国,王建文.太阳能庭院灯的研制.西北轻工业学院学报,1997,15（4）:3840【4】张冬洁,王志远,刘胜利.太阳能在我国的应用及发展前景.洛阳工学院学报,2001,22（4）:3537【5】孙有有.单片机在太阳能草坪灯上的应用 .农业装备技术 ,2003，29（5）：12【6】梁宗存,沈辉，李戬洪.太阳能电池研究进展. 能源工程, 2000（4）：811【7】赵玉文.21 世纪我国太阳能利用发展趋势,【8】韦卫平.家庭太阳能的开发利用 .云南电力技术, 2001，29（2）：6970【9】中国太阳能网 .光伏工业发展前景分外辽阔, -
