基于单片机的太阳能路灯控制系统(推荐).doc

1、摘要 本项目基于AT89C52单片机，完成了基于单片机的太阳能路灯控制系统的要求。项目电路主要分为核心单片机、太阳能采集电路、蓄电池存储及电压检测电路、红外传感器距离感应电路、负载输出控制与过流检测电路、键盘电路、节能LED电路、串口通信电路、LCD显示等模块。现已设计焊好整体电路，并深入调试取得成果；程序编写结构清晰，可读性强。项目中各状态均由按键控制，并以12864 点阵LCD显示，操作简单，功能齐全，界面友好。关键词：单片机 负载输出控制与检测电路 太阳能采集电路 红外感应 LED 目 录第一章绪论61.1 研究背景、目的与意义61.1.1 新能源开发的必要性61.1.2 太阳能利用的优

2、势61.1.3 太阳能LED路灯优势81.1.4 系统的拓展应用91.2 国内外应用现状101.3 项目成员的组成、特长、分工及成员间相互协调配合的情况，导师指导情况12第二章 项目完成情况及取得的创新成果132.1概述132.2 系统电路研究报告132.2.1系统模块介绍132.2.1.1AD电压采样模块132.2.1.2物体检测模块和环境明暗检测模块162.2.1.3LCD显示模块172.2.1.4 键盘电路模块182.2.1.5 路灯控制模块192.2.1.7串口通信模块202.2.1.8USB通信模块212.2.1.9时钟模块212.2.1.10 电源模块222.2.1.11 过流保护

3、222.2.1.12 太阳能电池组件及负载LED开关控制232.2.2本次系统电路搭建过程中的体会242.2.2.1 电路接地去噪问题242.2.2.2布线注意事项252.3系统软件研究报告262.3.1 软件编程要点262.3.2单片机软件编程262.3.2.1 程序主流程图262.3.2.2 按键功能规划272.3.2.3 AD转换程序282.3.2.4 蓄电池电压检测电路29第三章 项目实施过程中的收获和体会303.1 概述303.2 收获体会30袁子晴：团队合作教会我成长30费婷婷：团队智慧的碰撞32刘蓉：平凡也能追求卓越34周乐意：兴趣激发创造的火花37结 论39参考文献40致 谢4

4、1附 录42 第一章绪论1.1 研究背景、目的与意义由于全球性能源危机，世界普遍重视可再生能源的利用与研究。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用。太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆可以方便安装在广场、校园、公园以及不便于架设输电线路的地方等多方面的优点而越来越受到重视。1.1.1 新能源开发的必要性跨入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

5、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

6、球气候变化1.1.2 太阳能利用的优势人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。据预测，到本世纪中叶可再生能源在世界能源结构中将占到50以上，包括太阳能在内的可再生能源在本世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类社会基础能源的重点。太阳能具有独特的优势，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，全国各地太阳年辐射总量达335837 中值为586 。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁

7、、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为30057h，相对日照为68，年平均晴天为1085天，阴天为98.8天，太阳总辐射为816 ，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都之称的成都市，年平均日照时数仅为1 1522h，相对日照为26，年

8、平均晴天为247天，阴天达2446天。其它地区的太阳年辐射总量居中。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到重视。在这里我们就太阳能灯具和使用市电灯具的效果作实用对比。市电照明灯具安装复杂：在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。太阳能照明灯安装简便：太阳能灯具安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。市电照明灯具电费高昂：市电照明灯具工作中有固定高昂

9、的电费，要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能照明灯具免电费：太阳能照明灯具是一次性投入，无任何维护成本，三年可收回投资成本，长期受益。市电照明灯具有安全隐患：市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。太阳能照明没有安全隐患：太阳能灯具是超低压产品，运行安全可靠。太阳能灯照明的其它优势：绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点；可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市

10、政工程的建设直接带来明显可利用的优势。1.1.3 太阳能LED路灯优势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

11、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

12、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.安装组件积木化：安装灵活方便，便于用户根据自己的需要选择和调整太阳能路灯的容量大小。 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：离

13、网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

14、“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，我们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。1.1.4 系统的拓展应用 基于单片机的太阳能控制系统不仅可以利用在路灯应用，其设计思路及其技术还可以广泛使用到电池控制器，逆变控制器，汽车等领域，对相关科学具有推动作用并且有很大拓展价值。 1.用于基于AVR单片机的太阳能电池控制器的研制 太阳能电池发电是基于“光生伏特效应”原理，将太阳能转化为电能，利用充电效应将太阳辐射直接转化为电能。具有永久性、

15、清洁性和灵活性大的优点，是其他能源无法比拟的。2.用于太阳能逆变控制器的研制 采用高性能单片机、低损耗MOSFET全数字化控制方案的太阳能逆变控制器，不仅可靠性好、效率高，而且具有针对蓄电池过充、过放、逆变输出过载等异常情况的多种保护措施；价格低廉，功能齐全，具有广阔的市场空间大力推广使用后，必将创造出巨大的经济效益和社会效益。 3.用于太阳能车一体化智能化的控制系统设计该构想将太阳能车电力系统的特点和单片机控制的强大功能相结合，用单片机来实现有现代理念的一体化、智能化监控，给太阳能车这个“绿色汽车”注入了“智能集成化”的强大动力。1.2 国内外应用现状在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业

16、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。欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长2。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

17、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

18、几千套小型(40100W)光伏装置，用于消夏小屋。国家石油公司Neste对进一步开发太阳能发电有着强烈的兴趣，重点为建筑物薄膜光伏组件、蓄电池和成套装置。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、日光照明和与建筑物结合的光伏装置等产品的商业化方面进行努力。法国的太阳能设计师们，正在用“绿色设计”原则代替“太阳能”设计原则，就是要统筹考虑能源性能、安全材料的应用、日光照明、居住的舒适度和健康等因素。这种新设计方法，将应用于Angers的法国环境保护和能源管理署的办公大楼。现今,LED路灯相对于高压钠灯路灯的优越性已被绝大部分专业人士认可，然而遗憾的是目前大多数的L

19、ED路灯仍然采用交流电供电，一方面是交流电路灯的技术已经十分成熟，而太阳能路灯还有很多不确定因素，另一方面主要的考虑仍然是太阳能的初始投资过大，从而忽略了太阳能供电的很多根本优越性。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。近年来，随着我国城市建设规模的

20、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

21、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。 1.3 项目成员的组成、特长、分工及成员间相互协调配合的情况，导师指导情况小组五人均为武汉大学电子信息学院08级的学生，现已升入大二，其中在今年的奖学金评定中，有国家奖学金一人，励志奖学金两人，社会奖学金一人（相当于甲等），乙等奖学金一人，其中四人专业成绩排名在年组前20；具备低频电子线路，C、C+编程，以及微积分、线性代数、

22、大学基础物理、电路分析等相关基础知识。在这个团队中，不仅有精通编程语言，曾在全国数学、物理竞赛中获奖的同学，也有在英语方面有较深造诣的同学，还有善于沟通、组织、协调的同学。可以说，正是大家不同的特点使得这个团队充满活力、潜力及今后的爆发力，各尽其长，为这项研究做出自己的贡献。我们详细分工，按硬件、软件分为两组同时进行研究，于此同时又按核心单片机、负载输出控制与检测电路、采集电路、键盘电路、LED电路等攻关任务分给每一个人，这样做到在相互交流合作的同时又各有专攻，大大提高了科研的效率。我们以小组形式每周定期地就科研进程方面进行小组讨论，并且及时开组员会议，总结完成情况，讨论后期工作。同时，我们还

23、时常和导师联系交流方案，研究讨论在项目进展过程中遇到的一些问题。导师李燕待人和蔼，严格要求，在我们遇到困难的时候耐心指导，在项目上她给了我们极大的帮助与支持。 第二章 项目完成情况及取得的创新成果2.1概述从2009年9月至今，我们在导师耐心专业的指导下，积极努力地去实施该项目，逐渐掌握了一套科学的研究方法，项目已基本完成了预期要求。项目初期，我们在图书馆查阅大量文献资料，自主地积累专业基础知识，最后向导师交流取经并制定方案；项目中期，我们详细分工，按硬件、软件分为两组同时进行研究，于此同时又按核心单片机、太阳能采集电路、蓄电池存储及电压检测电路、红外传感器距离感应电路、负载输出控制与过流检测

24、电路、键盘电路、节能LED电路、LCD显示等模块等攻关任务分给每一个人，这样做到在相互交流合作的同时又各有专攻，大大提高了科研的效率；项目后期，在电路各模块以及软件流程初步编写都基本成型的情况下，开展了深入调试。项目进行到最后，我们已取得了如下的成果：硬件方面完成了AT89C52单片机系统平台的整体搭建、负载输出控制与检测电路、键盘电路、LED电路、LCD显示的各个组件的设计，并对AT89C52单片机有了系统、深刻的认识；软件的编写完毕，并应用于电路调试，调试基本成功，得到预期成果。2.2 系统电路研究报告本模拟系统以AT89C52为核心，主要以AD电压采样模块、过流保护模块、USB通信模块、

25、LCD显示模块、路灯控制模块、按键模块、环境明暗检测模块和物体检测等众多模块组成。2.2.1系统模块介绍2.2.1.1AD电压采样模块通过消除电源以及外围电路中的噪声源，将会大幅度的改进数据采集设计中的防噪性能在AD0809的电源和接地排针间具有足够高的本地高频去耦，可以更好的使用工作系统，但是芯片的不同电源总线间可能存在噪声耦合。除了本地去耦外，还可以在单个电源总线上添加滤波电路。（1）A/D误差影响ADC信噪比的因素：理想ADC的噪声由其固有的量化误差产生。但实际使用的ADC是非理想器件，它的实际转换曲线与理想转换曲线之间存在偏差，表现为多种误差，如零点误差、满度误差、增益误差、积分非线性

26、误差INL、微分非线性误差DNL等。另外，还有各种噪声，如热噪声、孔径抖动。而ADC的外围电路同样会带来噪声，如ADC输入级电路的热噪声、电源/地线上的杂波、空间电磁波干扰、外接时钟的不稳定性（导致ADC各采样时钟沿出现时刻不确定，带来孔径抖动）等，可以把它们都等效为ADC的上述两种内部噪声。对于理想的ADC，在奈奎斯特带宽内的噪声电压有效值可表示为 。其表示最低位码的权值，即ADC的量化电压，该值与输入信号的幅度与频率无关。对于一个满度的正弦波输入信号，理论上的信噪比（SNR）可表示为 式中，N是ADC的位数，fs是采样频率，B是模拟输入信号的带宽。上式第三项表示增加采样频率（过采样）可提高

27、信噪比。实际上ADC的误差表现为静态及动态非线性误差，并且动态误差随输入信号压摆率的增加而变大。因此实际测量的信噪比要比理论上的小一些。ADC输出电路：ADC的模拟输入与数据输出之间存在少量的寄生电容，ADC数据输出线上的噪声会通过这些寄生电容耦合到模拟输出端，导致ADC的SNR和有效位数ENOB下降。为解决这一问题，可在ADC数据输出端接一锁存器。为减小ADC电源的波动，应尽量降低ADC输出端的负载电容和输出电流。在ADC数据输出端接一锁存器可避免将其直接连在数据总线上，有效限制了其输出端的负载电容；在ADC每一个数据输出端都串联一个电阻，可限制其输出电流。ADC0809是CMOS工艺，采用

28、逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚双列直插式封装，片内除A/D装换部分外还有多路模拟开关部分，多路开关有8路模拟量输入，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。ADC0809工作原理ADC0809通过使用模拟开关切换，可以分时处理8路模拟量输入信号。在某一时刻，模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D转换。当地址锁存信号ALE为高电平时，ADDA、ADDB、ADDC三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道。当ALE0时，地址锁存器处于锁存状态，模拟开关始终与刚才选中的 输入通道接通。选中通道的模拟量到达A/D转换器时，

29、A/D转换器并未对其进行A/D转换。只有当转换启动信号端START出现下降沿并延迟一段时间后才启动芯片进行A/D转换， START的上升沿复位ADC0809。A/D转换结束后，A/D转换的结果(8位数字量)送到三态锁存输出缓冲器，此时A/D转换结果还没有现在DB0DB7八条数字量输出线上，单片机不能获取。单片机要想读到A/D转换结果，必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平，打开三态输了锁存器。图2-12中EOC为转换结束输出信号。在A/D转换期间，EOC维持低电平，当A/D转换结束时，EOC变成高电平。ADC0809的START端收到下降沿后，并不立即进行A/D转换，而是延迟10s后

30、，才开始A/D转换。当ADC0809用于单片机系统时，若单片机采用6MHz的晶振，则ADC0809的时钟信号可以由单片机的ALE经过一个二分频电路获取，这时ADC0809的时钟频率为500KHz，A/D转换时间为130s1。ADC0809应用ADC0809与单片机的连接可以采用查询方式，也可采用中断方式。图2-13为中断方式连接的电路图，由于ADC0809片内有三态输出锁存器，因此可直接与单片机接口。 图2.2.2 ADC0809与单片机连接这里由P2.7和 联合控制启动转换信号端(START)和ALE端，P2口的低三位地址线加到ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC端，用于控制选通模拟

31、输入通道。启动ADC0809的工作过程是：先送通道号地址到ADDA、ADDB、ADDC，由ALE信号锁存通道号地址，后让START有效，启动A/D转换，产生 信号，使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。A/D转换完毕，EOC端发出一正脉冲，申请中断。中断服务程序中，产生 信号，使OE端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据便读入到单片机中。2.2.1.2 物体检测模块和环境明暗检测模块 信号采集模块包括物体检测模块和环境明暗检测模块，两者功能如下：物体检测模块：采用红外传感器检测移动的物体时，感应的电压变化大，灵敏度比较高，经比较电路容易产生高低电平，适宜用于移动物体的检测，原理

32、图如上。该模块需要检测小车的移动，并根据小车的移动进行路灯开关的自动控制。基于此目的采用红外传感器进行检测，当传感器检测到小车时，传感器给单片机一个信号，然后单片机对路灯进行合理控制，达到题目要求。环境明暗检测模块：该模块需要检测环境光的变化，根据环境光的明暗进行路灯开关的自动控制。基于此要求采用由光敏电阻组成的分压电路进行检测。光敏电阻器又称光导管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。在不同的光强下，光敏电阻的电阻值会发生明显变化，光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光通过检测不同光强下电阻值的变化量来控

33、制路灯的开和关2。2.2.1.3 LCD显示模块液晶是一种介于液体与固体之间的热力学的中间稳定相，其特点是在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性，分子两头有极性。液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)的驱动方式由电极引线的选择方式确定，一般有静态驱动和时分驱动两种，由于直流电压驱动LCD会使液晶体产生电解和电极老化，从而大大降低LCD的使用寿命，所以驱动方式多采用交流电压驱动。由于现有的液晶显示器通常都集成了液晶显示驱动电路，使用时直接对液晶显示驱动芯片操作即可，这里对于液晶的驱动方式就不做过多的介绍。通常使用的LCD有两种，一种是字符型液晶显

34、示器，一种是点阵式液晶显示器。字符型LCD能够显示字母、数字、符号等192钟ASCII码对应的字符，而点阵式液晶显示器除了能够显示字符外还能够显示中文和图形。本体统采用点阵式液晶显示器。利用点阵式液晶显示器可以实现中文的操作和提示界面，增强人机交互性，同时图形显示的引入也对设备的显示性能有极大的改善。当然，点阵式液晶的操作和控制也相应的比字符型液晶的复杂一些3。 图2.2.3 LCD128*64显示路灯控制模块2.2.1.4 键盘电路模块矩阵键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上，一个4*4的行列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，很明显，在按键数量较多的场

35、合，矩阵键盘比独立键盘相比，要节省很多的I/O口。矩阵键盘的工作原理：按键设置在行列交点上，行列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键抖动时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行列线为多键共用，各按键均影响改键所在行和列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并且做适当的处理，才能确定闭合键的位置。通过矩阵按键对系统进行一定的设置。本太阳能路灯控制系统通过键盘设定。设计

36、为8个按键，键盘结构如图3-21所示。可根据实时需求选择LED太阳能路灯是处于何种工作模式，若选择时控模式，可通过SET按键，选择UP、DOWN、LIFT、RIGHT设定路灯系统运行的时、分，按ENTER确认，以保存设定的信息。键盘电路设计如下图所示，为了便于设定且有直观的人机操作界面，按键相对偏多【4】。 图2.2.4 矩阵键盘2.2.1.5 路灯控制模块 该模块采用节能的1W LED灯，当电路出现故障时，单片机通过AD采集电路采样点的电压变化量后对数据进行处理。 图2.2.5 路灯控制电路2.2.1.6 声光报警模块采用声光报警外接电路模块，当路灯出现故障时（灯不亮），蜂鸣器发出声光报警信

37、号，同时报警指示灯也会点亮【5】。 图2.2.6 声光报警电路2.2.1.7串口通信模块 max232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v+10v，max232就是用来进行电平转换的，该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路 24。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS 电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。电路连接图如下图所示【6】。 图2.2.7 串口通信及其电平转换2.2.1.8USB通信模块USB就是通用

38、串行总线，具有高速传输、热拔插、即插即用、配易于扩展及产品成本低等特点。是一种适应低、中、高速的PC机外结总线，而且它还支持最多127个外设的同时串联，目前成为PC机与外部通信的主流接口 图2.2.8 USB通信模块2.2.1.9时钟模块 时钟可以由两种方式产生，即内部方式和外部方式。内部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体做定时元件，内部反相放大自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频，即若石英频率为6MHz，则时钟频率为3MHz。外部方式：可以通过XTAL1和XTAL2接入外部时钟【7】。我们采用外部方式。 图2.2.9 时钟模块2.2.1.10 电源模块 采集的太阳能储存在

39、蓄电池，将蓄电池的电压经稳压后输出稳定的+5V直流电源【8】。 图2.2.10 电源模块2.2.1.11 过流保护 我们设计的负载输出有独立的控制和检测，具有完善的过流、短路保护措施,电路原理如图一所示。设计了两级保护：第一级采用了由R7(0.01 康铜丝)以及运放LM358、比较器LM393等器件组成的过流、短路检测电路，配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现负载过流及短路保护，是一种硬件+软件的方式，LM358的输出送A/D转换模拟信号输入端IN0口，用作过流信号识别，当电流超过额定电流20并维持30 s以上时，确认为过流；短路电流整定为10 A，响应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子

40、保险丝保护，当流经电子保险丝的电流骤然增加时，温度随之上升。其电阻大大增加，工作电流大大降低，达到保护电路目的，响应时间为秒数量级，过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体，无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后，预计在长达数小时的负载短路后控制器都不会出现电路烧毁现象，能有效解决用传统保险丝只能对电路进行一次性保护以及一旦器件烧毁必须人为更换的问题，同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比，也具有明显的优点。简化了太阳能路灯控制器维护，提高了系统的安全性能【9】。 图2.2.11 负载输出控制与检测电路2.2.1.12 太阳能电池组件及负载LED开关控制单片机检测蓄电池电

41、压，防止过放。低于最低限值时，单片机发出断开电池开关信号。当BAT-switch1为高电位时，经过非门变为低电位，光耦工作，右侧电阻输入信号为高电位，Q9工作，输出高电位，Mosfet开通。反之，当BAT-switch1为低电位时，经过非门变为高电位，光耦不工作，右侧电阻输入信号为低电位，Q11工作，输出低电位，Mosfet管关断20，如图3-15所示。 图2.2.12 蓄电池过放控制单片机检测LED负载电压，LED分为两组，每组可提供9W功率，一起工作可提供18W功率。根据时段不同，有选择的开启1组或2组以此满足功率需求，且在一定时段可节省能源。通过切断一组LED可控制负载输出为18w还是9

42、w。原理同上21。电气原理图如图3-16所示。 图2.2.13 负载LED开关控制2.2.2本次系统电路搭建过程中的体会2.2.2.1 接地问题是电路去噪关键任何一个电路系统，都会涉及到接地问题，实际上，接地是极其重要的设计考虑。可以使用两种不同的方法：一、使用拆分接地，其中包括模拟接地和数字接地，连接在一个点上；二、使用一个整体接地。使用拆分法接地可以很方便的获得最佳防噪性能。但可能遇到RFI/EMI问题。尽管使用单个接地板难以获得优良的设计，但可以更容易地把RFI/EMI问题最小化，因此本系统均使用单一接地方法。电路中不希望任何数字回路电流沿直线流动从而流过甚至接近其它模拟元件，特别是处理

43、低电平信号和ADC的元件。接地电流流经低电阻，可能导致在接地中出现一些噪声变化。如果来自模拟元件的接地电流从模拟部件返回电流遵循相同的路径，则模拟信号中的噪声将会增加，并且将显示在放大器和ADC中。如果决定使用两个接地板，则数字和模拟接地排针应该具有相同的电位。大多数数据表示他们应该为100mV，后者有时为50mV或250mV，但实际上它们应具有相同的电位。电路系统中不应该使用单个通孔将它们连接至接地板。应该将它们单独连接，尽量分开，距离尽可能为2到3厘米，原因是通路一般对于1到1.5nH的指令产生电感。该nH级电感是通过高速数字边缘率出现的大阻抗，这样的阻抗足以使数字信号在通路上产生噪声，该

44、噪声可以耦合至模拟接地，因此在ADC的输入端产生模拟噪声。因此应尽量避免在相同位置的接地板中布置模拟地和数字地插针，但是一定要确保模拟和数字接地插针应该有相同的电位，更重要的是，需要把数字输出驱动器回路排针与其它接地排针分隔开。我们尽量在所有IC器件的电源输入出采用一个0.1uF的瓷片电容和一个100uF的电解电容并联接地，形成一个电荷池，有效地抑制了IC对电源的影响。电容连线靠近电源并尽量短粗，一般我们直接用焊锡连接。模块与模块之间的信号用同轴线，可以有效地屏蔽信号，防止信号与外部串扰。2.2.2.2 布线时我们总结的注意事项（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。（2）布线时，电

45、源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置 端在不改变系统 逻辑的情况下接地或接电源。 （4）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字 电路。（5）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。（6）立项小细节收获干扰的耦合 2.3系统软件研究报告与本设计方案的硬件电路对应的软件程序包括：主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、LCD显示、负载管理子程序。单片机的软件编程以Keil编译器的Windows集成开发环境vision4作为开发平台，主要采用C51高级

46、语言编写。2.3.1 软件编程要点1) 本系统采用较少的按键实现了诸多功能，如负载工作模式的设置、负载工作时间的设定、自检功能等，为防止误操作采取了一些措施。这种方法实际上是一键多用的一种尝试，还可以推广到更复杂的人机对话的设计。其思路可参见按键处理流程图。2) 键盘在定时中断服务程序中读取，用中断间隔时间实现键盘的去抖，不必编写另外的延时程序，提高了CPU的利用效率。键盘值存入数据缓冲区，在主程序中读数据缓冲区的内容，执行键盘功能散转子程序。3) 环境光线(闪电、礼花燃放)对太阳能电池板的采样电压有明显影响，故在白天、黄昏的识别时。要进行软件延时，一般控制在23 min。4) 外部中断为高优

47、先级中断，编制子程序实现负载过流、短路保护时，要充分考虑到负载启动瞬间会产生数倍于额定电流的冲击电流冲击电流维持时间在3ms5 ms，应在软件上采取措施，避免短路与负载开启的误判。确定负载过流、短路后，切断负载输出。负载切断后，每隔一段时间，如20 s，应试接通负载开关，当发现过流、短路信号已消除，则恢复负载的输出。否则负载开关仍然保持断开。5) 为保护负载(灯具)，蓄电池过放保护恢复时应用软件设置一个回差电压，这样负载开关不会出现颤抖现象，有利于延长灯具的使用寿命。2.3.2单片机软件编程2.3.2.1 程序主流程图主程序主要完成按键判断及按键操作、定时器自动引发电流检测。以及对按键的操作，和电流检测过放的响应等，是程序的主体部分。用定时器定期检测负载是否过流，自动检测比手动按键更方便易行。程序中以定时器实现了看门