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1、摘要城市现代化建设步伐越来越快，对城市道路照明及城市亮化工程的要求也更高，2005年全国照明用电达3000亿度，约占全国总用电量的12左右，节电、节能、绿色照明的要求越来越迫切，国家“十一五规划纲要”明确要求要把节约资源作为国家的基本的国策，节能已成为社会发展的主流。太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全环保的新能源越来越受到重视。同时，随着光伏技术的发展和进步，太阳能路灯的应用已经形成规模。本课题主要实现用单片机控制太阳能电池对蓄电池的充电管理，控制路灯定时、低照度模式照明。通过GPRS通讯实时采样当前电池电压，放电电流，可以实现远程控制路灯开关。系统主要由太阳能电池、蓄电池、充电控制、
2、照明控制、LED灯、显示模块、GPRS模块、时钟电路和报警电路等部分组成。关键字：LED照明、GPRS模块、充电控制AbstractIncreasingly rapid pace of urban modernization, urban street lighting and city lighting engineering requirements are higher, and the national electricity for lighting in 2005 reached 3000 billion kWh, taking up about 12% of total elec
3、tricity consumption. Saving electricity, energy conservation and green lighting are more and more urgent, and the National Eleventh Five-Year Plan clearly required that we should consider saving resources as the basic policy of a state. Energy conservation has become the mainstream of social develop
4、ment. As one kind of inexhaustible, safe and environmental new energy, solar energy has been paid more and more attention. Meanwhile, with the development and advancement of photovoltaic technology, solar street lamps application has been formed the scale. This subject mainly realize solar cells wit
5、h single-chip microcomputer control of battery charging management, control the street lamp timing, low illumination model lighting. Through GPRS communication, it can take sample of the current battery voltage and discharge current, and can realize remote control street lamp switch. The system main
6、ly consists of solar battery, the battery, the charging control, lighting control, LED lamps, display module, GPRS module, clocking circuit and alarm circuit and so on.Key words: LED lighting, GPRS module, charging control目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 选题背景及意义11.1.1 背景11.1.2 意义31.2 主要设计（研究）内容41.3 系统实现的主
7、要功能41.4 解决的关键问题5第二章 系统总体结构方案设计62.1系统总体结构及其功能6第三章 太阳能光伏电池和铅酸蓄电池的特性及原理73.1 太阳能电池73.1.1太阳能电池的结构及工作原理73.1.2 太阳能电池的分类83.1.3 太阳能电池的发展种类93.1.4 太阳能电池的电气特性93.2蓄电池的设计11第四章 系统的硬件设计134.1 单片机134.1.1 方案选择134.1.2 外围电路144.2 GPRS模块154.2.1 GPRS模块的选型154.3 显示模块174.3.1 方案选择174.3.2 显示模块的接口电路174.3.3 小结184.4 时钟电路184.4.1 方案
8、选择184.4.2 接口电路194.5 电压采样模块204.5.1 方案选择204.5.2 电压检测电路204.6 电流采样模块214.6.1 方案选择214.6.2 采样电路：214.7 LED灯的设计224.7.1 LED 芯片选取及组合方式224.7.2 LED驱动的选取：244.7.3 驱动芯片PAM2842 外围元器件参数计算254.8 输入设定模块284.8.1 方案选择284.8.2 键盘电路284.9 报警电路设计294.10 充电控制电路294.11 照明控制电路324.11.1 方案设计324.11.2 光线检测电路334.11.3 继电器电路设计334.12 电源设计34
9、第五章 软件设计355.1系统软件的设计思想355.2系统主程序的设计355.3系统子程序的设计365.3.1 A/D转换子程序365.3.2 LCD显示子程序385.3.3 键盘控制子程序405.3.4 充电控制子程序415.3.5 照明控制子程序425.3.6 串口通信子程序435.3.7 GPRS通信子程序44第六章 设计总结466.1本次毕业设计的主要工作466.2 需要改进的地方46参考文献47英文原文及翻译49英文原文49翻译60致谢71附录72程序清单72第一章 绪论21 世纪以来，随着世界能源危机的加剧，太阳能作为地球上最普遍最清洁的能源，以其取之不尽、用之不竭、无污染等优点，
10、受到人类的重视。在人类生活中，太阳能光伏的应用非常的广泛，尤其在城市建设中对城市照明也大力的推广了太阳能光伏的应用。目前，国内太阳能光伏技术在城市亮化照明中的应用业已呈现出快速发展的势头。城市道路、学校、公园、住宅小区等场所的路灯、指示牌、草坪灯等都逐渐采用太阳能光伏照明技术，使城市公共照明更加环保、节能、方便、安全。本课题太阳能LED路灯以太阳光为能源，白天充电，晚上使用，无需复杂昂贵的管线铺设，采用GPRS通信技术对每个路灯状态进行实时监控，合理设置照明时段，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护。系统由太阳能电池、蓄电池、充电控制电路、照明控制、GPRS通讯模块、LED
11、灯源及其恒流驱动电路等部分组成，通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到蓄电池中,由蓄电池为整个系统提供电能。本设计主要通过单片机控制太阳能电池板对蓄电池的充电管理，控制LED路灯定时、低照度照明。通过GPRS通讯实时采样电池电压，充电电流，远程控制路灯开关。1.1 选题背景及意义1.1.1 背景进入21世纪的人类面临的三大主要问题是能源、环境和经济。能源和经济问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，人类当前所使用的矿物能源日趋耗尽，环境污染日益严重，在严峻的能源替代形势和人类生态环境逐渐恶化的双重压力下，开发新能源成为世界各国关注的焦点。开发可再生而且不污染环境的清洁能源的任务已经迫在眉睫。
12、众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭的可再生能源。从而太阳能光伏发电越来越受到人类青睐。如图1-1所示。图 1-1 能源对比图太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，太阳能资源从根本上讲就是太阳的辐射能。在人类对未知世界的不断求索的过程中，我们开始发现太阳辐射能不仅具有含量巨大的特点，其总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，太阳能到达地面的能量高达80 万KW/s，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达(5.61 012)KWh，相当于目前世界上能耗的40 倍；而且，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性、充足性和长寿命以及免维护
13、性等其它常规能源所不具备的优点，可谓是人类的生活宝库，是我们取之不尽的能量的源泉，因此光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。LED 是 Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写，半导体发光二极管（LED）是新型的发光体，LED 光源具有低电压驱动、节能、长寿命、安全、响应快、体积小、高亮度、低热量、色彩丰富、可视距离远、耐振动、符合环保要求等系列独特优点，LED光源比白炽灯节电87%、比荧光灯节电50%，而寿命比白炽灯长20-30 倍、比荧光灯长10 倍。其已经被广泛应用于指示灯、信号灯、仪表显示、车载光源等场合。LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，
14、一般人都认为，节能灯可节能4/5 是伟大的创举，但LED 比节能灯还要节能1/4，LED 在照明工程中的运用也已非常普遍，过去10 年来，LED 在颜色种类、亮度和功率都发生了极大的变化。LED 以其令人惊叹的应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。LED 寿命长达约10 万小时，意味着每天工作十小时，可以有27 年免维护的理论保障，低压运行，几乎可达到100的光输出，调光时低到零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小，能制作成平方毫米。经过二次光学设计，照明灯具达到理想的光强分布。快速发展的LED技术将为照明设计与应用带来崭新的可能性，这是固体光源伟大的改革，被认为是
15、节电降能耗的最佳实现途径，是下一代理想的照明器件。城市的大型化和现代化，迫切需要利用先进的调控管理手段来对路灯照明系统进行调控。移动通讯GPRS技术的发展为之提供了可能。由于电力通讯需要借助于高效，可靠的通信通道，将控制中心的控制命令准确地传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心，从而实现对配电设备运行参数的实时监视与控制。目前最先进的通用分组无线业务(GPRS)无线通讯技术，集计算机、通信、机电、自动控制等多种先进技术于一体，可以实现对城市路灯照明设施大范围、多区域、全大候的实时监控和管理。通常无线网络的建网费用在无线监控系统的建设费用中占很大的比重。采用
16、中国移动GPRS网络这一公共无线网络作为其数据传输网络，极大地节省了系统的建设费用和运维费用。GPRS业务采用按流量计费的方法，大大的降低了数据的传输费用，系统的运营费用十分经济。通过移动通信无线网络GPRS技术对城市路灯设施进行统一管理，既实现了实时和集中监控，又提高了整个路灯照明系统的运行效率，降低了维护成本。基于这些背景，提出了基于GPRS技术的太阳能LED路灯控制系统的设计，它通过单片机输出PWM斩波控制太阳能电池板对蓄电池的充电，延长了蓄电池的寿命。用GPRS这个无线通信技术来实现单片机与PC机的通信，远程控制路灯开关，从而使系统运行的更加快捷，最终实现节约能源。该系统安全可靠，可以
17、广泛的运用于路灯照明系统。1.1.2 意义路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。太阳能LED路灯照明系统就是通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到蓄电池中，由蓄电池为整个系统提供电能。太阳能LED路灯由太阳能电池、蓄电池、控制器、LED灯及其恒流驱动电路等部分组成，与常规高压钠灯路灯不同的是，太阳能LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度
18、快、显色指数高、不需要常规能源，适应了能源开发和环境保护的需求，不用连接公共电网，在安装时不必挖掘路面或草地，无须开沟埋设电缆，需要时可以移动位置，重新安装到另外的地点，灵活方便等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。随着城市建设的发展，城市照明建设越来越注重于城市的形象，道路照明和景观照明的要求和数量不断增加，因此国家各级政府和广大市民对城市的建设、道路照明和景观照明提出更高的要求，希望实现城市照明管理的现代化，使城市管理水平更上一层楼。1.2 主要设计（研究）内容本设计主要实现控制太阳能电池板对蓄电池进行充放电管理，充电时，单片机主要完成对电池充电过程中状态的检测，根据蓄电池的状态选择充电方
19、式，以及防止蓄电池过充。放电时，单片机处理蓄电池放电过程中的状态检测，当检测到蓄电池电量过低时，立即停止对负载供电，起到保护蓄电池的作用。同时控制LED路灯定时、低照度模式照明。GPRS数据模块通过串口与单片机相连，单片机与PC机的通信，实时采样当前电池电压、放电电流，并显示电压值、电流值，当电压过低时报警，出现故障时报警。还通过GPRS实现远程路灯开关控制。用一个键盘与单片机连接，设定一些相关参数，可以对LED灯进行灵活的功率调节，通过降低负载的电流实现减少能耗。设计任务包括：（1）系统总体设计；（2）硬件电路总体设计；（3）各结构单元的设计；（4）电气元器件参数的选择；（5）软件设计；（6
20、）软件调试；（7）软硬联调1.3 系统实现的主要功能（1）光控（时控）模式：开灯照度10LUX，也可以在光控基础上选择时控。（2）欠压保护功能：蓄电池电压低于欠压保护值时，控制器关闭负载，停止供电。（3）防雷击保护：通过TVS防雷管进行防雷，保证了相关组件的安全。（4）负载的短路保护、极性反接保护、负载过流保护。（5）充电涓流保护：充电时，蓄电池在达到峰值电压后立即降压1V，然后进入涓流充电状态，还提升了蓄电池的充电次数，使用寿命更长。（6）调功设定：可以通过调功功能对LED灯进行灵活的功率调节，通过降低负载的电流实现减少功耗。（7）GPRS实时数据通讯：实时采样电池电压、充电电流，低压以及故
21、障报警，远程控制开灯。1.4 解决的关键问题本系统的技术关键在于选择哪种充电管理方式对蓄电池进行充电，可以很好的给蓄电池充电，而且使蓄电池的寿命延长。怎样使系统总体低功耗，达到节能的目的也是技术关键之一。另外，控制照明模块选择开灯照度为10LUX,光控模式还是光控与时控相结合的模式。第二章 系统总体结构方案设计2.1系统总体结构及其功能图2-1 以单片机为处理器的系统框图本设计的系统总体结构方框图如图2-1所示。本设计主要是由太阳能电池板、蓄电池、充电控制、照明控制、GPRS模块、显示模块、时钟电路等部分组成。太阳能电池组把太阳能转变成电能对蓄电池充电。充电控制和照明控制主要由单片机来完成。充
22、电时，单片机对电池充电过程中状态进行检测，根据蓄电池的状态选择充电方式，以及防止蓄电池过充。放电时，单片机处理蓄电池放电过程中的状态检测，当检测到蓄电池电量过低时，立即停止对负载供电，起到保护蓄电池的作用。充电控制模块中还包括电压采样和电流采样，对电池电压和充电电流实时采样，通过单片机串口送给GPRS模块，并且用液晶显示器显示出来，当电压过低或者出现故障时报警。输入设定模块可以设置相关照明参数，也可以通过修改参数调节LED灯的功率。GPRS模块通过RS232与单片机串口连接，进行数据通讯，把实时采样到的电压、电流值送到GPRS模块。灯光控制采用光控和时控结合的方法。定时器给出所需控制时间的起始
23、和终止范围，然后经过单片机检测外界环境的光线，判断是否开关灯。第三章 太阳能光伏电池和铅酸蓄电池的特性及原理3.1 太阳能电池3.1.1太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光生伏打效应（简称光伏效应），太阳能电池就是产生光生伏打效应（简称光伏效应）的半导体器件。通常由硅材料制成，因此，太阳能电池又称为光伏电池。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置，1954 年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，并首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8%。197
24、3 年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近十几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。由于单个太阳能电池功率极小，所以在实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。硅太阳能电池的结构及工作原理：硅太阳能电池的外形及基本结构如图3-1。基本材料为P 型单晶硅，厚度为0.30.5mm 左右。上表面为N+型区，构成一个PN结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N区和P区形成欧姆接触
25、，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN结空间电荷区和P区中激发出光生电子空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N区，光生空穴留于P区，在PN结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N区，负载中就有功率输出。图 3-1 硅太阳能电池结构太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区的光生电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的510%（随N区厚度而变），PN结空间电荷的光生电流
26、对可见光敏感，约占5%左右。电池基体区域产生的光生电流对红外光敏感，占8090%，是光生电流的主要组成部分。3.1.2 太阳能电池的分类1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池，它的结构和生产工艺已基本定型，产品已广泛用于实际中。这种太阳能电池以高纯的单晶硅为原料，纯度要求99.999%。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，技术也最为成熟但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也使用
27、半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。单晶硅太阳能电池的单体片制成后，经过检验，就可以按所需要的规格组装成太阳能电池组件，在实际应用中通过串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，为负载所用，使用寿命一般可达15 年，最高可达25 年。2）多晶硅太阳能电池目前太阳能电池使用的多晶硅材料，大多是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料融合浇铸而成，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体后通过切片加工成方形太阳能电池片，提高了材料利用率和方便组装多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的制作工艺差不多，其光电转换率约12%左右，稍低
28、于单晶硅太阳能电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。3）非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，工艺过程大大简化，成本低重量轻,转换效率较高，便于大规模生产，非常吸引人。非晶硅太阳能电池的结构各有不同，其中有一种较好的结构叫Pi-N电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i层，然后再沉积一层掺硼的型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳能电池很薄，可以制
29、成叠层式或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。它的主要优点是在弱光条件也能发电，有极大的潜力。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，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，直接影响了它的实际应用。现在日本生产的非晶硅串联太阳能电池可达2.4伏，且不够稳定，如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。3.1.3 太阳能电池的发展种类多元化合物太阳能电池：多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。现在各国研究的品种
30、繁多，大多数尚未工业化生产。主要有硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟硒太阳能电池几种。聚合物多层修饰电极型太阳能电池：由于有机材料柔性好、制作容易、材料来源广泛、成本低等优势、从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但由于有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命、电池效率都不能和硅电池相比，能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。纳米晶化学太阳能电池：纳米晶TiO2 太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅系太阳能电池的1/51/10，寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发也刚刚
31、起步，所以还有待于进一步的研究探索。3.1.4 太阳能电池的电气特性太阳能电池的电气特性为研究、质量保证和生产所需。对于不同的行业来说测量精度和参数的重要性会有不同，以下是太阳能电池一些在任何测试环境都必须测量的重要参数：（1）开路电压(Voc )没有电流时的电池电压。（2）短路电流(Isc )负载电阻为零时从电池流出的电流。（3）电池最大功率输出(Pmax )电池产生最大功率时的电压和电流点，通常把I-V曲线上的点Pmax作为最大功率点。（4）Pmax的电压(Vmax )电池在Pmax的电压电平。（5）Pmax的电流(Imax )电池在Pmax 的电流电平。（6）太阳能的电池的转换效率()太
32、阳能电池接到电路时转换(从吸收光的电能) 和收集功率的百分比。是评估太阳电池好坏的重要因素。计算方法是用标准条件(STC) 和太阳能电池表面积( Ac，单位是m2 )下的最大功率点Pmax 除以输入光辐照度( E，单位是W/ m2 ) （3-1）目前：实验室：24%，产业化：15%（7）填充因子(FF)最大功率点max P 与开路电压(Voc) 及短路电流(Isc) 之比为： （3-2）（8） 电池的二极管特性（9） 电池的串联电阻（10） 电池的旁路电阻太阳能电池板通常定义为封装和连接在一起的一个以上的电池。太阳能电池板有不同的电压和电流范围，但功率产生能力一般为50W至300W。太阳能电池
33、和电池板有许多相同的参数，如Voc , Isc , Pmax 和I -V 曲线。图3-2是太阳能电池的I-V曲线。图 3-2 太阳能电池的I-V曲线3.2蓄电池的设计蓄电池的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用胶体、富液免维护铅酸蓄电池，深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。在光伏发电系统中
34、，蓄电池是唯一需要经常检查的部件，任何蓄电池的使用寿命都是有限的。最大限度地延长蓄电池的使用寿命是影响整个系统周期成本的关键因素。为了更进一步提高太阳能LED 照明系统的稳定性，在本课题中选用胶体铅酸蓄电池。胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。胶体电池具有使用性能稳定，可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力（高、低温）强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电及过放电自我保护等优点，其性能优于其它类型的阀控密封型铅酸电池。蓄电池的容量BC 计算可用下公
35、式： Ah (3-3) 式中： A 为安全系数，取1.11.4 之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；（QL=0.7A10=7Ah 这里的0.7A为驱动电路给负载LED提供的恒定电流）NL 为最长连续阴雨天数；T 为温度修正系数，一般在0以上取1，10以上取1.1，10以下取1.2；CC 为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。 （3-4）12V 胶体蓄电池浮充电压：2.25V-2.30V/单体，均充电压：2.35V-2.40V/单体则12V 胶体蓄电池的浮充电压为：2.256V-2.306V（13.5-13.8V）均充电压为：2.356V-2
36、.406V（14.1-14.4V）所以选用三个德国苏克士系列胶体电池中的MX12300 型号12V/30 Ah 蓄电池，满足太阳能LED 路灯照明系统的设计需要。SKSPOR 胶体电池性能特点：完全密封，无需加水维护；无酸气逸出，不污染环境，环保型产品；采用胶体电解质技术，绝无酸液浓度层化问题，完全消除因浓度层化引 起的极板腐蚀和钝化现象； 浮充寿命长，12V 系列电池设计寿命可达8-10 年； 采用特殊的德国胶体配方和板栅合金/极板配方，电池的循环性能和深放电恢复能力优越；采用欧洲进口的胶体电池专用隔板，孔率高，电阻低； 内部过量电解液设计，在高温和过充情况下工作可靠，性能明显优于AMG 电
37、池，更适合恶劣环境下使用；在正常浮充使用过程中，容量稳定，衰减率低；采用超纯材料制造，自放电极低。有如下特点：（1）完全密封，无需加水维护；无酸气逸出，不污染环境，环保型产品。 （2）采用胶体电解质技术，绝无酸液浓度层化问题，完全消除因浓度层化引 起的极板腐蚀和钝化现象。（3）浮充寿命长，12V系列电池设计寿命可达8-10年。 （4）采用特殊的德国胶体配方和板栅合金/极板配方，电池的循环性能和深放电恢复能力优越。 （5）采用欧洲进口的胶体电池专用隔板，孔率高，电阻低。 （6）内部过量电解液设计，在高温和过充情况下工作可靠，性能明显优于AMG 电池，更适合恶劣环境下使用。 （7）在正常浮充使用过
38、程中，容量稳定，衰减率低。（8）采用超纯材料制造，自放电极低。 第四章 系统的硬件设计4.1 单片机本设计采用单片机作为系统的控制器。主要原因是本系统对实时响应能力的。要求并不是非常的高，单片机所具有的运算能力，能够满足用软件编程实现各种算法和逻辑控制的要求，另外它的功耗低，体积小，成本非常低廉，在市场上有各种不同系列的单片机，技术已经十分成熟，在各方面的运用都十分广泛，特别是在控制系统的核心处理过程中，有它的特别的优势。使选择的余地非常的大且大多数单片机都能满足本系统的要求。4.1.1 方案选择方案一：采用Cygnal公司的高速SOC系列单片机中的C8051F020，此单片机是完全集成的混合
39、信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令完全兼容。C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片，具有64个数字I/O引脚。主要特性如下：高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS）。全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）。真正12 位（C8051F020/1）100 ksps 的8 通道ADC，带PGA和模拟多路开关。真正8 位500 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关。两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式。64K 字节可在系统编程的FLASH 存储器。4352（4096+256）字节的片内RAM。
40、可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口。硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口。5 个通用的16 位定时器。具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器具有片内。C8051F020的引脚图如图4-1所示： 图4-1 C8051F020的引脚图方案二：采用AVR系列的8位的单片机。AVR系列单片机是比较新的8位系列单片机，它在51的基础上采用了更加先进的处理技术，使单片机资源更加丰富，速度更加快，而且具有较大的RAM，FLASH ROM，内部自带EEPROM，并且内部集成ADC及看门狗电路，可以节省外围电路，同
41、时降低整体电路功耗和电路成本，性价比也比较高，并且该系列的单片机支持在系统编程功能，使程序的调试和升级更加方便。由于对51单片机比较熟悉，而C8051F020与51单片机兼容，而且可以满足本设计所需的要求，故选择C8051F020。4.1.2 外围电路1）时钟电路：每个单片机内部的各种功能电路几乎全部是由数字电路构筑而成的。大家知道，数字电路的工作离不开时钟信号，每一步细微动作都是在一个共同的时间基准信号协调之下完成的。作为时基发生器的时钟振荡电路，为整个单片机芯片的工作提供系统时钟信号，也为单片机与其它外接芯片之间的通讯提供可靠地同步时钟信号。微芯为C8051F020单片机的时钟电路设计了三
42、种工作模式：晶体、RC和C方式。本次设计选择晶体方式，时钟电路由一个晶振和两个小电容组成，晶振选用22.1184MHz，电容为30pF。其接口电路图如图4-2所示：图4-2 时钟电路2）复位电路：所谓复位，就是让微处理器进入一个初始化程序，使CPU恢复初始状态。C8051F020的复位功能设计的比较完善，实现复位或者说引起复位的条件和原因有：上电复位、掉电复位、外部复位、软件强制复位、时钟丢失检测器复位、比较器0复位、外部CNVSTR引脚复位、看门狗定时器复位。这些情况中的其中一个发生都会引起单片机复位。本次设计使用看门狗复位电路。其接口电路如4-3所示。图4-3 复位电路4.2 GPRS模块
43、GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量
44、的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS理论带宽可达171.2Kbps，实际应用带宽大约在40100Kbps，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP或X.25服务。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。4.2.1 GPRS模块的选型方案一：采用LQ-8200。L
45、Q-8200 无线数传模块是基于GSM/GPRS通信网络的数据传输和远程监控终端设备，采用国外技术的先进内核，是一款工业级的无线数传和监控终端产品，适用于GSM/GPRS网络覆盖范围内的各种室内或野外恶劣环境的使用场合。LQ-8200采用了目前先进的GPRS模块，结合远程（野外）数据（监控）传输的特点，在产品的稳定性、可靠性、安全性、以及供电系统等方面经过精心考虑设计而成，标准的工业接口，支持双频网络并且集成了SIM卡使它成为一个能应用与移动计算和多媒体领域的理想GPRS数传终端。基于最新的GPRS数字移动通讯网络，克服了通讯距离短、性能不稳定的缺点，真正实现无缝覆盖，并且没有距离限制，实现全
46、国漫游。LQ-8200采用的GPRS技术，实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。1.主要特点：实现串口透明的无线数据传输远程修改参数功能支持本地和远程软件升级稳定可靠：LQ-8200采用的是先进的GPRS模块，性能稳定可靠实现实时数据传输：当串口接收到数据时，通过GPRS模块将数据传送到中心 服务器，或接收中心服务器发送的串口数据，实现对终端设备的控制。内嵌TCP/IP协议栈，包括TCP、UDP、FTP、SOCKET、TELNET、POP3、SMTP、HTTP等，适用于更全面和广阔的应用。高速传输：GPRS网络的传输速度最快将达到171.2Kbps，速率的高低取
47、决于移 动运营商的网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供2040Kbps的 稳定数据传输。永远在线、按流量计费：LQ-8200上电即自动拨号上网，一直在线，断线重拨连接；按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，不收 费用。应用灵活、方便：LQ-8200有TTL、RS-232和RS-485三种接口，用户可根据自己的需要选择，LQ-8200只要跟用户设备连上，插入SIM卡、接上电源即可。组网简单、迅速、灵活：不依赖于运营商交换中心的数据接口设备，通过Internet网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络。动态IP地址管理，自动识别终端设备，保证虚拟专用网络的连接和安全
