基于單片機(jī)的智能太陽能路燈設(shè)計(jì)

 太陽能路燈的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是靠小規(guī)?；鹆Πl(fā)電或季節(jié)性水力發(fā)電的地區(qū)，更應(yīng)大力發(fā)展太陽能電力。太陽能路燈以其先進(jìn)、穩(wěn)定、智能、成熟的控制技術(shù)及顯著的節(jié)能特性、簡(jiǎn)便的維護(hù)方式等特點(diǎn)得到推廣。隨著太陽能照明燈具產(chǎn)品的普及，很多應(yīng)用項(xiàng)目存在質(zhì)量和售后服務(wù)問題。因此，需及時(shí)分析原因、規(guī)范市場(chǎng)，使太陽能路燈市場(chǎng)健康有序地發(fā)展。太陽能是地球上最為直接、普遍、清潔的能源，其作為一種可再生能源，每天達(dá)到地球表面的輻射能約2.5億萬桶石油。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

選擇DS1302計(jì)時(shí)器、AT24C02存儲(chǔ)器、4位數(shù)碼顯示器、過充過放電路、STC12C2051單片機(jī)等組成智能控制系統(tǒng)。根據(jù)各部分電路的功能不同，整體電路可分為以下幾個(gè)部分：太陽能電池板組件、過充過放電路、STC12C2051單片機(jī)、蓄電池、時(shí)控光控電路、照明負(fù)載和時(shí)間顯示電路。

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖1所示。系統(tǒng)由太陽能電池板供電，24 V蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5 V電壓，作為控制器的主電源。電容C2作為高頻旁路電容，將高頻信號(hào)旁路到地。同樣電容C1為濾波電容。

1.2 方案選擇

DS1302是美國(guó)Dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，其可對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5V采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。

在設(shè)計(jì)中一般使用的計(jì)時(shí)功能電路有軟件計(jì)時(shí)，定時(shí)器定時(shí)，但其缺點(diǎn)是計(jì)時(shí)有誤差，需隔一段時(shí)間校正一次;另一種是硬件計(jì)時(shí)，現(xiàn)在流行的串行時(shí)鐘電路有DS1302、DS1 307、PCF8485等，這些電路的接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛地采用。在設(shè)計(jì)中采用硬件定時(shí)，時(shí)鐘芯片DS1302。DS1302是Dallas公司的一種具有涓細(xì)電流充電能力的電路，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。

RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器。其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。

采用時(shí)鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時(shí)間，使路燈按時(shí)亮燈、準(zhǔn)時(shí)熄燈，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。優(yōu)點(diǎn)是定時(shí)開關(guān)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時(shí)間不受外界干擾，除本身故障外不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。缺點(diǎn)是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動(dòng)變換開關(guān)時(shí)間，需人工調(diào)整開關(guān)時(shí)間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于節(jié)能。定時(shí)開關(guān)又分為機(jī)械鐘表型和電子鐘表型，機(jī)械鐘表型以石英鐘為主，走時(shí)精準(zhǔn)，但是由于機(jī)芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會(huì)變形，從而導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象。

電子鐘表型定時(shí)開關(guān)使用的也較多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成塊為中心的電子鐘電路。圖2為與單片機(jī)的連接圖，其中VCC1為主電源，VCC2為后備電源。在一般情況下，SCL、I/O、RST與單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)1302的讀寫控制。

存儲(chǔ)器AT2402的1，2，3腳為空腳，4腳為接地端，5腳為數(shù)據(jù)端，6腳為時(shí)鐘端，7腳為寫保護(hù)端口，8腳為電源。

AT24C02在設(shè)計(jì)中的作用是掉電存儲(chǔ)器，是為防止電源突然斷開時(shí)，用戶信息不會(huì)丟失，存儲(chǔ)當(dāng)前設(shè)定的信息。AT24C02是Atmel公司的2 kB的電可擦除存儲(chǔ)芯片，由于AT24C 02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL(移位脈沖)和SDA(數(shù)據(jù)/地址)與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。電壓最低可達(dá)2.5 V，額定電流為1 mA，靜態(tài)電流10 μA(5.5 V)，芯片內(nèi)的資料可在斷電的情況下保存相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。其與單片機(jī)的連接如圖3所示。

太陽能路燈與普通路燈控制電路功能基本相同，均是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈以及對(duì)蓄電池的充電管理。國(guó)內(nèi)外常用的控制器有單獨(dú)的光控制型、時(shí)鐘控器型、經(jīng)緯型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括程序初始化、時(shí)間設(shè)定子程序、1302的讀寫程序、24C02的讀寫程序、時(shí)間比較子程序、按鍵子程序、顯示刷新子程序等共同組成。程序開始要進(jìn)行初始化，調(diào)用24C02內(nèi)部存儲(chǔ)的開關(guān)路燈時(shí)間點(diǎn)，程序每隔一段時(shí)間調(diào)一次1302中的時(shí)間。通過程序?qū)⒃O(shè)定的時(shí)間同系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行比較，設(shè)定的比較間隔為1 s/次，當(dāng)時(shí)間相同時(shí)，則通過程序輸出控制信號(hào)，如圖4所示。

能源電路部分中的器件參數(shù)可以通過計(jì)算得出，驅(qū)動(dòng)電路是一種成熟的電路，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，單片機(jī)的算法程序已在開發(fā)板上運(yùn)行成功。其中器件參數(shù)也可確定單片機(jī)的算法程序在開發(fā)板上運(yùn)行，到達(dá)預(yù)期的目的，因此該方案是可行的。圖5為該系統(tǒng)顯示部分仿真電路圖，圖6是過沖過放電路圖。該系統(tǒng)理論值是12 V，實(shí)際測(cè)量值為9.4 V，存在一定的誤差。

3 結(jié)束語

針對(duì)目前市場(chǎng)上太陽能路燈的普遍不足之處，本文提出了一種基于單片機(jī)智能控制的太陽能路燈設(shè)計(jì)方案。本方案不僅可以實(shí)現(xiàn)智能控制，且可使路燈系統(tǒng)運(yùn)行在節(jié)能狀態(tài)，提高能源的利用率。