基于單片機(jī)的智能太陽能路燈設(shè)計

太陽能路燈的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義，尤其是靠小規(guī)模火力發(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、簡便的維護(hù)方式等特點得到推廣。隨著太陽能照明燈具產(chǎn)品的普及，很多應(yīng)用項目存在質(zhì)量和售后服務(wù)問題。因此，需及時分析原因、規(guī)范市場，使太陽能路燈市場健康有序地發(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

選擇DS1302計時器、AT24C02存儲器、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、時控光控電路、照明負(fù)載和時間顯示電路。

1.1 電源電路設(shè)計

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，將高頻信號旁路到地。同樣電容C1為濾波電容。

1.2 方案選擇

DS1302是美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，其可對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補償功能，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)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。

在設(shè)計中一般使用的計時功能電路有軟件計時，定時器定時，但其缺點是計時有誤差，需隔一段時間校正一次;另一種是硬件計時，現(xiàn)在流行的串行時鐘電路有DS1302、DS1 307、PCF8485等，這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用。在設(shè)計中采用硬件定時，時鐘芯片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，所有數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。

采用時鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時間，使路燈按時亮燈、準(zhǔn)時熄燈，從而達(dá)到自動控制的目的。優(yōu)點是定時開關(guān)預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時間不受外界干擾，除本身故障外不會產(chǎn)生誤動作。缺點是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動變換開關(guān)時間，需人工調(diào)整開關(guān)時間，費時費力，不利于節(jié)能。定時開關(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，走時精準(zhǔn)，但是由于機(jī)芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象。

電子鐘表型定時開關(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)連接實現(xiàn)1302的讀寫控制。

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

AT24C02在設(shè)計中的作用是掉電存儲器，是為防止電源突然斷開時，用戶信息不會丟失，存儲當(dāng)前設(shè)定的信息。AT24C02是Atmel公司的2 kB的電可擦除存儲芯片，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)長的時間，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，早晨熄燈以及對蓄電池的充電管理。國內(nèi)外常用的控制器有單獨的光控制型、時鐘控器型、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。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括程序初始化、時間設(shè)定子程序、1302的讀寫程序、24C02的讀寫程序、時間比較子程序、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)部存儲的開關(guān)路燈時間點，程序每隔一段時間調(diào)一次1302中的時間。通過程序?qū)⒃O(shè)定的時間同系統(tǒng)當(dāng)前時間進(jìn)行比較，設(shè)定的比較間隔為1 s/次，當(dāng)時間相同時，則通過程序輸出控制信號，如圖4所示。

能源電路部分中的器件參數(shù)可以通過計算得出，驅(qū)動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，實際測量值為9.4 V，存在一定的誤差。

3 結(jié)束語

針對目前市場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)計方案。本方案不僅可以實現(xiàn)智能控制，且可使路燈系統(tǒng)運行在節(jié)能狀態(tài)，提高能源的利用率。