毕业设计（论文）-基于单片机的太阳能路灯控制器设计.doc

摘 要太阳能是最环保的能源，利用太阳能来照明将是低碳生活的发展趋势。地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，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重视。太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电。太阳能路灯有着节能环保、可靠耐用、安装灵活方便、安全、自主供电等功能。太阳能路灯系统,主要由太阳能光电池组件、蓄电池、控制器和照明灯具组成。在路灯系统的控制下，白天有阳光就充电储能，晚上光控和时空点亮发光负载，照明道路。太阳能路灯系统的控制器是整个路灯系统中充当管理者的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，防反充电控制，防过充电控制，防过放电控制。本次设计由直流电源稳压电路，单片机控制电路，蓄电池过充过放控制电路，光控检测电路，时间定时电路和市电转换电路组成关键词：太阳能；光控；定时；蓄电池；过充；自动控制；单片机AbstractSolar energy is the most environmental protection energy, using solar energy to lighting will be the development trend of low carbon life. The earths resources, the increasingly poor based energy investment cost of safety and pollution increasingly up, it is ubiquitous, hidden solar energy as the one kind of mine, an inexhaustible new energy safety and environmental protection are becoming more and more attention.Solar street lamps use the sun battery light born volts effect principle, the daytime solar cell absorbs solar photon energy to produce electricity, through the controller in stored in the battery, when night falls or lamps and lanterns at low light around by the controller, battery power to light. Solar street lamps with energy conservation and environmental protection, reliable and durable, installation is flexible and convenient, safety, independent power supply, and other functions. Solar street lamps system, and the main test kit, batteries, solar controller and lighting lamps and lanterns composition. The streetlights system under the control of daytime have sunlight charge storage, evening light-activated and space-time light shine load, lighting road. Solar street lamps system controller is the whole street lamp system as the key components, managers of its biggest function is comprehensive management, battery charge control, prevent counter-attack charging control, prevent after discharge control.This design by dc power voltage circuit, SCM control circuit, battery overcharge had put control circuit, optical detection circuit, time timing circuits and utility of converter circuitKey words:Solar; Optical; Timing; Battery; Overcharge; Automatic control; microcontroller引言21 国内外的研究现状22 太阳能路灯简介32.1 太阳能路灯基本结构32.2 太阳能电池板组件42.3 太阳能电池的基本特性52.3.1太阳能电池的外特性52.3.2热岛效应52.4 蓄电池62.5 控制器72.5.1防反充电控制72.5.2防过充电控制72.5.3防过放电控制72.6 光源的选择72.7 太阳能LED路灯优势83单片机93.1 单片机的应用93.2 单片机的特点103.3单片机的管脚图104 时钟芯片DS1302124.1 DS132引脚功能及结构124.2 DS1302 与微控制器的接口软件简单说明145 方案选择145.1电源变换电路145.2 时间控制方式155.3 光控电路155.4 发光负载156 原理156.1 设计原理157 硬件电路设计167.1 电源电路167.2 单片机的时钟167.3 单片机复位电路167.4 光控模块177.5 单片机总电路187.6 充放电模块187.7 限制过放电电路的设计197.8 LED连接电路207.9 市电转直流电电路218 主要程序解析228.1 往DS1302写入和读入1Byte数据228.2 根据命令字，向1302写和读一个字节数据228.3 往DS1302中写入数据，对ds1302进行初始化238.4 获取时钟芯片ds1302时间的相关语句239 调试249.1 稳压电路249.2 太阳能电池板白天光照充电249.3 程序编写2410 PCB元件布局、布线基本规则2610.1 元件布局基本规则26谢 辞28参考文献29引言随着太阳电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛，在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统在国内的主要应用模式，被越来越多的所认识并接受。跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。主要表现为以下几个方面：(1)能源短缺。常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。(2)环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，是大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。(3)温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，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重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。1 国内外的研究现状在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。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。近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节电问题已引起政府部门的关注。在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。为此，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。总体而言，太阳能路灯在我国城市道路照明行业中仍处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬处境。在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能装置市场仍然持续增长。虽然太阳能公司的数量在减少，但保留下来的公司都趋向于更具规模、更能抵御市场的波动。在某些国家实行的电力公司私有化，可能提高他们将太阳能装置推向市场的兴趣。在奥地利等国，自己动手建造集热器的活动，促进了太阳能装置的主动发展。挪威已安装70000多套小型光伏装置，每年安装约5000套，大多数装置是为偏远小镇、山区和沿海地带度假旅社供电。芬兰人每年也购买几千套小型(40100W)光伏装置，用于消夏小屋。此外，有些国家在高性能太阳能发电窗、太阳能热水器、储能装置、透明隔热材料、日光照明等产品的商业化方面进行努力。然而真正要用太阳能来取代一切能源还是一个长期而艰巨的任务,任何新生事物最好先从小打小闹开始，而且采用“自产自销”的方式，路灯就是一个最好的采用太阳能的试点工程。而且，节能和减排一样，必须先由政府倡导，甚至像德国那样采用政府补贴的方法来推广。我们欣喜地发现,路灯工程原本即政府工程，是由政府来进行招投标的。因此,由LED路灯取代高压钠灯、由太阳能LED路灯取代交流电LED路灯正是大势所趋。2 太阳能路灯简介2.1 太阳能路灯基本结构太阳能路灯主要由太阳电池组件、蓄电池、控制器、发光负载、组件支架、灯杆等几部分组成。2.2 太阳能电池板组件太阳能电池板如图2.1所示图2.1 太阳能电池板在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。(1) 太阳能热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。有些国家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。(2) 太阳能光发电：不通过热过程，直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点：间歇性。受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。迄今已有100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。近年来，产量迅速增加生产成本开始下降。目前光伏发电主要用于三大方面：为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品。如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。2.3 太阳能电池的基本特性2.3.1太阳能电池的外特性从应用的角度论述，太阳能电池的外特性是比较重要的。首先，对于单片太阳能电池来说，它是一个PN结，除了当太阳光照射在上面时，它能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下，它的额定输出电压为0.48V。在太阳能照明灯具使用中的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池连接构成的。它具有负的温度系数，温度每上升一度，对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件，这是一个不可忽视的问题。它的输出特性曲线如图2.2所示。图2.2 太阳能电池输出特性曲线图2.2中，Isc是短路电流，Im是峰值电流，Voc是开路电压。Vm是峰值电压，Pm是峰值功率。在使用中，太阳能电池开路或者短路都不会造成损坏，实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄电池充放电进行控制的。太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000Wm2；太阳能电池温度T=25；大气质量AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“Wp”。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量。2.3.2热岛效应单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳太阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。2.4 蓄电池蓄电池实物图如图2.3所示图2.3 蓄电池蓄电池是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。2.5 控制器控制器是整个路灯系统中充当管理者的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，好的控制器应当根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点，恢复连接点及SOC放电控制等。在选择路灯控制器时，特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池有电压自恢复特性，当蓄电池处于过放电状态时，控制器切断负载，随后蓄电池电压恢复，如果些时控制器各参数点设置不当，则可能出现灯具闪烁不定，缩短蓄电池和光源的寿命。2.5.1防反充电控制防止反充电功能，一般来说，就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二极管应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管控制防止反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低，只是控制电路要比前面复杂一些。2.5.2防过充电控制防止过充电功能，可以在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管，电压鉴别电路控制晶体管的开关，将多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。2.5.3防过放电控制除了Ni-Cd电池外，其它蓄电池一般都要具有防止蓄电池过放电功能，因为会造成蓄电池过放电永久性损坏。需要注意的是，太阳能电池系统一般相对蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。2.6 光源的选择光源的选型对于太阳能路灯来说是最关键的一步，目前针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。目前常见的光源有直流节能灯、高频无极灯、低压钠灯和LED光源。LED 作为半导体光源，其发展势头强劲，是太阳能路灯最为理想的光源，LED路灯光源是一款多功能、环保节能型路灯光源，适合在各种场合的照明使用。LED路灯驱动器是专门针对LED路灯系统所研发的产品，用于提供LED灯具稳定的电源。运用先进的电子电力技术，设计了高效率增强以及超节能脉波宽度调变（PWM）两种输出模式，配合时间控制，可以在需要的时候（上半夜天黑人多车多的时候）以高效率增强模式点亮LED灯具，提供良好的照明，而其它时间段（后半夜人车稀少的时候）则以超节能模式输出，节约蓄电池的电力的消耗。（1）低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命2000小时，电压低灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。（2）低压钠灯：低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造高，采用较少。（3）无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、项位、电压都是不能和普通市电相比的）。（4）LED：LED灯光源，寿命长，可达1000000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50 Lm/w，进口80 Lm/w。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。2.7 太阳能LED路灯前景随着可持续发展的不断深入，人们在积极开发各类可再生新能源的同时也在倡导节能减排的绿色环保技术而在照明领域，寿命长节能安全绿色环保色彩丰富微型化的 LED固态照明也已被公认为世界一种节能环保的重要途径，太阳能LED路灯同时整合了这两者的优势。LED(Light Emitting Diode，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。传统的光源功耗比较大，而且大多在高压下工作，使用升压逆变环节又降低了能源利用率，而LED采用低压直流供电，安全而且光源控制成本低。LED的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒，使频繁开关，调节明暗成为可能。而且LED作为全固态发光体，耐震、耐冲击不易破碎、发热量低、无热辐射、是冷光源、不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收、没有污染。太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。基于单片机的太阳能控制系统很好地把太阳能光伏技术与单片机智能控制技术结合了起来。而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。（1）节能环保:据统计，所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。有关数据表明太阳能路灯每年可以减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本！（2）可靠耐用：太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。 （3）安装组件灵活性：安装方便，用户根据自己的需要选择和调整太阳能路灯的功耗和容量大小。 （4）安全：太阳能路灯不使用易燃燃料，而且不像交流电那样联网运行，导致在雷击等情况下经常会出现高压浪涌，对设备安全造成威胁，只要设计和安装适当，系统具有很高的安全性。（5）自主供电：以往运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。但是太阳能LED路灯的优势远远不仅这些。一般人认为，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，这是固体光源伟大的革新。除此之外，LED还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。由于LED具有的光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。5 方案选择5.1电源变换电路方案一：采用优质220V/12V*2，3W的成品电源变压器。能够提供低电压，以免烧坏元器件，而且价格也不贵。方案二：直接采用220V的交流电源。电压太高，容易损坏元器件，为了避免烧坏，还得采用较复杂的保护电路。根据情况，采用方案一5.2 时间控制方式方案一：因为电路中有采用单片机控制，所以可以采用单片机内部的时钟进行时间的控制。方案二：由单片机内部时钟有着蛮大的误差，所以就采用外部时钟电路，使用时钟芯片ds1320进行对时间的控制，所需器件不多，价格比较便宜。本次设计采用方案二。5.3 光控电路方案一：可以使用太阳能电池板作为光控信号的获取源头，这样就不需要另外设计光控电路，但是带来麻烦的是编程会变得比较麻烦。方案二：使用74hc04反相器和含有光敏电阻的分压电路组成光控电路，器件也比较简单，价格便宜，减少了编程的麻烦。选择方案二。5.4 发光负载方案一：使用多个小功率的白光LED灯作为发光载体，亮度也够，功耗小，省点，价格便宜，寿命更长。方案二：可以使用一般的钨丝电灯泡，但是这种灯泡功耗较高，而且大多在高压下工作，使用升压逆变环节又降低了能源利用率，对于LED，其采用低压直流电，安全而且光源控制成本低比较之下，采用方案一6 基本原理太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电一直到设定的时间后切断。做到白天有阳光就充电储能，晚上光控和时空点亮发光负载，照明道路。太阳能电池组件光控制电路时间控制模块蓄电池组智能控制器发光负载太阳能充电电路（防过充）驱动电路过放转市电系统框图如图6.1所示图6.1 系统框图7 硬件电路设计7.1单片机7.1.2 单片机的特点（1）高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 （2）控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。 （4）易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 7.1.3单片机的管脚图单片机的管脚图如图3.1图3.1 单片机的管脚图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P0口的管脚第一次写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，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： P3.0 RXD：串行输入口 P3.1 TXD：串行输出口 P3.2 /INT0：外部中断0P3.3 /INT1：外部中断1P3.4 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。 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。 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。7.2 时钟芯片DS1302 在设计中一般使用的计时功能电路有软件计时，定时器定时，但其缺点是计时有误差，需要隔一段时间校正一次；另一种就硬件计时，现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用17。在设计中采用是硬件定时，时钟芯片DS1302。DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1 RES 复位2 I/O 数据线3 SCLK串行时钟时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。7.2.1 DS132引脚功能及结构DS1302的引脚排列,其中Vcc2为后备电源，Vcc1为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。DS1302的引脚功能如表4.1，DS1302管脚图如图4.1。管脚名称功能X1、X232.768kHz晶振引脚RST复位I/O数据输入/输出SCLK写保护VCC1 、VCC2电源引脚GND地表4.1 DS1302的管脚功能图4.1 DS1302管脚图在本次设计的电路中的接线图如图4.2所示图4.2 本次设计的电路中的接线图BT1是备用电源，正常的工作电源是Vcc1，工作电压为2.5V5.5VP1.0、P1.1、P1.2，分别是单片机的P1.0口、 P1.1口和 P1.2口。7.2.2 DS1302 与微控制器的接口软件简单说明（1）写保护寄存器操作：当写保护寄存器的最高位为0 时允许数据写入寄存器写保护寄存器可以通过命令字节8E 8F 来规定禁止写入/读出写保护位不能在多字节传送模式下写入。（2）时钟停止位操作：当把秒寄存器的第7 位时钟停止位设置为0 时起动时钟开始（3）多字节传送方式：当命令字节为BE 或BF 时DS1302 工作在多字节传送模式8 个时钟/日历寄存器从寄存器0 地址开始连续读写从0 位开始的数据当命令字节为FE 或FF 时DS1302 工作在多字节RAM 传送模式31 个RAM 寄存器从0 地址开始连续读写从0 位开始的数据（4）单字节传送方式：例如写入8 时12 小时模式程序设置如下Write_Singlebyte:MOV Command,#84h；命令字节为84hMOV ByteCnt,#1； 单字节传送模式MOV R0,#XmtDat； 数据地址覆给R0MOV XmtDat,#88h； 数据内容为88hACALL Send_Byte ； 调用写入数据子程序RET ；返回调用本子程序处7.3 电源电路电源电路如图7.1所示。系统太阳能供电，12V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C6、C7作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C5、C4为滤波电容图7.1 电源电路7.4 单片机的时钟51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHz，12 MHz或24 MHz。内部振荡方式如图7.2，图中，电容器C1，C8起稳定振荡频率，、快速起振的作用。电容值一般为530pF，因此电路选用30pF，内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。图中的X1接单片机的XTAL1管脚， X2接单片机的XTAL2管脚图7.2 单片机的时钟内部振荡方式电路图7.5 单片机复位电路REST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图7.3（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图7.3（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图7.3（c）所示：（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图7.3复位电路本次设计采用的复位电路如图7.4所示图7.4 复位电路此电路属于按键电平复位电路7.6 光控模块光敏检测主要检测光线的强度是否应该开关路灯。光敏检测电路主要利用光敏电阻的感光特性进行工作。光敏检测电路如图7-5所示，当白天光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值降低，反向输入端电压随之降低，当低于反相器74HC04的门槛电压时，反相器发生翻转，提供给单片机一高电平，控制LED灯关闭。当弱光或无光照时(晚上)，由于光敏电阻的暗电阻很大，反向输入端电压较高，使得反相器输出为低电平，单片机控制LED灯的自动开启图7.5 光敏检测电路7.7 单片机总电路P1插针是接led灯的插口，P2.7口接光控电路，REST是复位电路接口，X2和X1是单片机时钟的连接口，P1.0 、P1.1和 P1.2是与时钟芯片ds1302相连的，vcc5是电源电路产生的5V电源。单片机总电路连接如图7.6图7.6 单片机电路7.8 充放电模块利用太阳能对蓄电池充电，设计了充电电路（如图7-7所时），其中LM324运放这一模块产生脉冲信号，LED指示灯连续闪烁，使三极管不间断地导通，通过电感不间断地对蓄电池充电，达到一定电压，当通过变阻器Rp，对电压的电压取样，通过运放LM324比较器，来控制LM324产生脉冲，即控制太阳能对蓄电池的充电过充情况，其中电阻R24和二极管组成的反馈电路与过放反馈电路的作用的一样的。在设计中给蓄电池加上充、放电保护装置，防止过充，见图7-8。图7.7 充电电路图7.8 过充保护电路7.9 限制过放电电路的设计在本限制过放电电路中，运放起比较作用，当运放的正端电压高于负端电压，使三极管导通，使继电器长闭开关断开，从而停止工作。具体原理详见图7.9。其中100K电阻和二极管起正反馈作用，使运放正端电压保持稳定，使三极端导通保持稳定性。至于电路图参数的确定，电路正常工作时稳压管两端电压5.1V，运放负端电压稍大于5.1V， R22电路计算公式为 式7.1由设计经验得R18通常1030K，这里取22K，计算得R22约为180K。图7.9 限制过放电电路原理图7.10 LED连接电路Led电路中与单片机的P0口的八个口相连，当单片机的P0口中的某个I/O置1时，信号经过排阻，进而到LED，点亮与次连接口相连的LED，电路图如图7.10所示图7.10 LED连接电路7.11 市电转直流电电路当连续几天都是阴雨天气，而且蓄电池的容量已经到了过放的时候就启用市电模块电路，220V交流电，经过变压器进行降压，再经过电桥，把交流电变成直流电，然后通过稳压电路，输出电压，供电路使用。稳压管为三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。市电转直流电电路图如图7.11图7.11 市电转直流电电路图8 软件设计ds1302的总程序见附录一。程序流程图如图9.1 当7hour18且光控有效当7hour18且光控有效读取光控管脚信号，为零时有效当7hour18且光控有效当7hour18且光控有效当7hour0; i-)T_IO = ACC0;T_CLK = 1;T_CLK = 0; /下降沿时传数据ACC = ACC 1; /数据右移一位，等待下次传输从DS1302读取1Byte数据的程序与往DS1302写入1Byte数据的程序大同小异，控制命令是一样的，也是下降沿时传数据。8.2 根据命令字，向1302写和读一个字节数据void v_W1302(uchar ucAddr, uchar ucDa) / ucAddr: DS1302地址, ucDa: 要写的数据T_RST = 0;/禁止数据传递T_CLK = 0;T_RST = 1;/允许传送数据v_RTInputByte(ucAddr); / 写地址 _nop_();_nop_();/ 等待，空操作v_RTInputByte(ucDa); / 写1Byte数据T_CLK = 1; /上升沿写入数据T_RST = 0;根据命令字，向1302读一个字节数据时也是先写地址命令，任何等待，再传数据，传数据时要注意用程序行程脉冲，在脉冲的情况下进行读数据！8.3 往DS1302中写入数据，对ds1302进行初始化void Write_DS1302Init(void)v_W1302(0 x8e,0);/根据写状态寄存器命令字，写入不保护指令v_W1302(0 x80,0 x01);/写入秒v_W1302(0 x8e,0);v_W1302(0 x82,0 x20);/写入分v_W1302(0 x8e,0);v_W1302(0 x84,0 x15);/写入小时v_W1302(0 x8e,0);v_W1302(0 x86,0 x21);/写入日v_W1302(0 x8e,0);v_W1302(0 x88,0 x05);/写入月v_W1302(0 x8e,0);v_W1302(0 x8a,0 x05);/写入星期v_W1302(0 x8e,0);v_W1302(0 x8c,0 x11);/写入年上面的时钟初始化程序的初始化时间是，2011年5月21日15时20分1秒，星期五！8.4 获取时钟芯片ds1302时间的相关语句v_W1302(0 x8f, 0);sec = bcdtodec(uc_R1302(0 x81); /读出DS1302中的秒 v_W1302(0 x8f, 0);min = bcdtodec(uc_R1302(0 x83); /读出DS1302中的分v_W1302(0 x8f, 0);hour = bcdtodec(uc_R1302(0 x85); /读出DS1302中的小时v_W1302(0 x8f, 0);day = bcdtodec(uc_R1302(0 x87); /读出DS1302中的日v_W1302(0 x8f, 0);month = bcdtodec(uc_R1302(0 x89); /读出DS1302中的月v_W1302(0 x8f, 0);year = bcdtodec(uc_R1302(0 x8d); /读出DS1302中的年9 调试9.1 稳压电路一开始7805三端稳压管输出为8.3V，这完全不是一个正常的电压。而此时，7805当中的地端的电压为3.3V，不是0V，这完全不合常理。经过检验，发现7805的地端为虚焊，而当焊好之后，再通电，7805输出为5.12V，输出电压处在了正常范围。9.2 太阳能电池板白天光照充电白天，在有阳光的情况下，对太阳能电池板进行了测试，数据如表9.1表9.1 太阳能电池板测试数据测试类型数据峰值电压17.28v峰值电流0.29A最大开路电压21.24V短路电流0.33A因为白天阳光比较强烈，使光伏板两端能产生足够的电压，对蓄电池进行充电。在测试中，把电路板放到屋外阳光直射下，发现指示充电的红色二极管在闪烁。过了一小时，经过电压表测试，电压比一小时前有明显的上升。9.3 程序编写使用keil软件，用C语言进行编写程序，并在单片机开发板上进行程序的验证。点亮LED的相关语句如下if（(0=hour)&( hour 5) /晚上0点到5点已经是晚上了，不需要光控信号P0=0 xae;if(5= hour)&( hour7)&(guangkong=0) /因为天亮时间的不同，所以要时空光控并用 P0=0 x08; if(7= hour)&( hour18)&(guangkong=0) / 白天大雾和阴雨比较暗那时候，点亮led P0=0 xae;if(18= hour)&( hour 20)&(guangkong=0) / 由于季节的原因，日落时间不一样，所以要根据时间控制和光控制双重有效P0=0 x5b;if（(20= hour)&( hour 24) /晚上8点到12点，已经天黑，不用光敏电阻控制 P0=0 xff;10 PCB元件布局、布线基本规则10.1 元件布局基本规则(1)按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开。(2)定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装元器件。(3)卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。(4)元器件的外侧距板边的距离为5mm。(5)贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧