1、泉 州 师 范 学 院毕业论文 （设计）题 目 基于单片机的可光控时控的太阳能灯 物理与信息工程学 院电子信息科学与技术专 业 07 级 学生姓名 陈翠红 学 号 070303047 指导教师 林顺达 职 称 讲师 完成日期 2011 年 4 月 教务处 制2基于单片机的可光控时控太阳能灯物理与信息工程学院学院 电子信息科学与技术专业 070303047 陈翠红指导教师 林顺达 讲师【摘要】随着社会经济的发展，以及现在全球所面临的严峻环境问题，新的无污染的能源的开发应用引起广泛的关注，太阳能就是其中的一种。论文主要描述了一个简易的可光控时控的太阳能 LED 灯的设计与制作。硬件部分主要包括太阳
2、能充电模块、电源升压稳压模块、单片机系统模块、显示模块等，详细分析了各个部分的工作原理。软件部分主要是由单片机 STC89C52 和时钟芯片 DS1302 来实现一些硬件电路的控制及显示功能。【关键字】太阳能 LED 灯 光控时控 STC89C523目录引言 .4第一章 绪论 .51.1 研究背景 .51.1.1 太阳能的定义 .51.1.2 太阳能的应用方法 .51.1.3 太阳能的分类 .51.1.4 太阳能在本文中的应用 .51.2 选题目的和意义 .5第二章 系统设计 .62.1 系统设计任务 .62.2 系统设计的基本要求 .62.3 系统设计的方案论证 .62.3.1 太阳能电池板
3、的选择 .62.3.2 升压电路的选择 .62.3.3 光控电路的选择 .6第三章 硬件设计及工作原理 .83.1 总体方案及工作原理 .83.2 太阳能电池充电模块 .83.3 升压电路模块 .83.3.1 电路工作原理 .83.3.2 bau72 芯片的资料 .93.4 单片机时控显示部分 .93.4.1 电路原理 .93.4.2 DS1302 芯片资料 .10第四章 硬件调试 .114.1 调试仪器 .114.2 硬件制作与调试 .114.2.1 电路的制作 .114.2.2 电路问题分析 .114.2.3 电路调试过程 .114.3 功能实现分析 .12第五章 软件部分设计 .13第六
4、章 总结 .13致谢 .14参考文献 .14英文摘要 .15附录 .164引言随着社会经济的发展，人们对生活水平的要求也越来越高，在发展经济的同时在很多方面是以一定的环境为代价的，现在经济是快速增长着，但随之而来的是严峻的环境问题、能源问题。因此提出开发新能源，应用新能源的构想，所提出的这些新能源须是有利于保护环境的，例如：风能，太阳能，水能，地热能等等。太阳能发展已经有了一定的历史，也取得了一定的成就。在 1982 年主题为“能源推动世界”的世博会在美国田纳西州的诺克斯维尔举行。中国馆展出了太阳热水器、太阳灶、太阳能航标灯等，展示了我国太阳能应用技术。2000 年在德国汉诺威举办的世博会，展
5、示了当时世界最先进的太阳能建筑、光伏发电装置和当时世界最大的太阳能游艇，点燃了 21 世纪“太阳能世纪”的火星。直到2010 年上海世博会主题是“城市，让生活更美好” ，并在此主题下体现“科技世博” 、 “生态世博”的理念，特别是清洁能源利用方面。太阳能是可再生能源在城市中应用的主要形式之一。其中中国馆就是光伏一体化应用的典型。因此本次毕业设计我选择了一个简易太阳能灯的制作。本文就对如何设计制作整个系统进行了详细的阐述。5第一章 绪论1.1 研究背景1.1.1 太阳能的定义太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式广义上的太阳能是地
6、球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。1.1.2 太阳能的应用方法利用太阳能的方法主要有：太阳电能池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电等。1.1.3 太阳能的分类太阳能可分为 3 种：1.太阳能光伏 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连
7、接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。2.太阳热能 现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。3.太阳光合能：植物利用太阳光进行光合作用，合成有机物。因此，可以人为模拟植物光合作用，大量合成人类需要的有机物，提高太阳能利用效率。1.1.4 太阳能在本文中的应用太阳能是一种清洁可再生能源，在本设计中，利用太阳能电池
8、板，通过光电转换把太阳能转化为电能对可充电电池进行充电。电池在本设计中起到提供电源的作用，为了使设计理念“方便、简约”能够实现，所以利用太阳能充电使得在电池使用寿命器件能够长期稳定的供电。1.2 选题目的和意义随着经济的发展，人们文化水平的提高，新能源的开发利用，人们对能源的需求也越来越高了。石化能资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。从资源、环境、社会发展的需求看，开发和利用新能源和再生能源是必然的趋势。太阳能是一种非常重要的的可再生能源，而太阳能灯的普及和发展铺平了太阳能灯市场，由太阳能电池板将白天的光能转变成电能，加以储存。晚上经发光元件又由电能
9、转化为光的一种新产品 1。传统的照明系统都是由电网供电，功耗大，太阳能 LED 灯相对于传统的照明系统具有无需线路控制，节省电能和电费，采用直流低压供电，光敏控制，安全可靠、节能、经济、环保、实用等优点。6第二章 系统设计2.1 系统设计任务设计一个可光控时控的太阳能灯。通过太阳能电池对可充电池电池进行充电，再通过电池供电升压对整个电路供电。LED 灯的亮灭有两种方式。方式一：利用光敏电阻搭建光控电路对 LED 灯的亮灭进行控制；方式二：通过单片机和时钟芯片根据实时对 LED 的亮灭进行控制。2.2 系统设计的基本要求要求：（1）电池板功率的计算和选用；（2）可充电池的数量选择、充放电控制；（
10、3）光线暗时灯自动点亮，为节省电能可通过单片机调节控制灯的亮灭时间。（4）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。2.3 系统设计的方案论证2.3.1 太阳能电池板的选择方案一:用 6V/200mah 太阳能电池板接一个 1N4007 直接对可充电电池充电。方案二：用两块 6V/200mah 太阳能电池板串联接一个 1N4007，再经一个 LM7806 稳压电路进行稳压，然后通过电池充电保护电路对电池进行充电。通过比较可得方案一虽然电路简单，但是不能确保充电电压的稳定，这样会影响电池的使用寿命，而方案二电路通过稳压电路后可保证提供稳定的充电电压，再经保护电路对电池进行充电，这样可以延长电池的使
11、用寿面，所以选择方案二。2.3.2 升压电路的选择方案一：如图 2-3-1 所示。电路由三极管 VT、升压变压器 T，二极管 VD、电容 C 与电源 GB 五个元器件组成。三极管 VT 和升压变压器 T 构成变压器反馈式振荡器，当电源输出端有负载电流通过时，三极管 VT 就有基极电流通过，电路就震荡工作；反之，没有基极电流，电池也不消耗电流，所以电路不设电源开关 2。图 2-3-1 耦合升压电路方案二：采用 bau72 升压芯片，和一个电感，两个电容，一个 1N5817 二极管搭建外接电路，做一个升压电路，该升压电路最低输入电压为 0.9V，输出电压可达 5.5V，效率为80%。输出电压稳定，
12、效率高，电路简单等优点。综合设计需要，选择方案二比较适合。2.3.3 光控电路的选择方案一：220V 交流电经电容限流、桥式整流、滤波、稳压，在 A、B 两端获得稳定的12V 直流电。在白天由于光敏电阻 RG 受到自然光的照射呈现低阻值，三极管 VT 的基极电位低，反而被偏置，因此 VT 截止，单向可控硅 VS 门极为低电平被关断，LED 不亮。到天黑后光敏电阻 RG 因光照呈现高阻值，VT 导通，VS 的门极即有正向触发电压而导通，LED7通电发光。电路图如图 2-3-2 所示 3。图 2-3-2 变压光控电路方案二：由两节电池供电，两个三极管、两个电阻和一个光敏电阻组成。当自然光照射时，光
13、敏电阻呈低阻值状态，三极管 Q1 的基极电位低，处于偏置状态，因此截止，所以Q2 也不导通，LED 灯不亮。到天黑后光敏电阻呈高阻值，三极管 Q1 基极电位高，Q1 导通，集电极上的电阻得到分压，三极管 Q2 的基极电压高了可导通，LED 灯亮。电路如图 2-3-3所示。图 2-3-3 简单光控电路以上两个方案对比后，方案二相对于方案一更适合本设计题目，不仅电路较简单，所需电压也比较低，可用电池供电，满足太阳能充电的模块的要求，因此选用方案二。8第三章 硬件设计及工作原理3.1 总体方案及工作原理可光控时控的太阳能 LED 灯的总体模块可分为：太阳能电池组充电模块、电池升压模块、光控驱动电路模
14、块和单片机时控显示模块。白天通过太阳能电池板经过 LM7806 稳压电路输出稳定电压，对低电压的可充电电池组进行，晚上的时候，对电池组所提供的电压进行升压，分别给驱动电路和单片机供电。整个电路的工作原理方框图如图 3-1-1 所示。太阳能电池组充电模块电池供电升压模块光控驱动LED 灯电路单片机时控电路 显示部分图 3-1-1 工作原理方框图3.2 太阳能电池充电模块两块 6V 的太阳能电池板串联在自然光的照射下提供稳定的电压，经过稳压滤波电路后对可充电电池组充电，原理图如图 3-2-2 所示。图 3-2-1 太阳能充电电路3.3 升压电路模块3.3.1 电路工作原理由升压芯片 bau72 和
15、电感、电容、整流二极管构建一个升压电路模块。bau72 芯片的1 脚接地，3 脚为输入端接电感和整流二极管，2 脚位输出端口，电路原理图如图 3-3-1 所示。9图 3-3-1 升压电路3.3.2 bau72 芯片的资料bau72 系列是一种由基准电压源、振荡电路、比较器、控制电路等构成的 cmos 升压dc/dc 控制器。结合了微型封装和低静态电流等的特点，通过使用电感、电容器和二极管等外接部件而构成的升压 dc/dc 控制器。内置的 mosfet 使用保护电路，在开关管电流超过控制值时会自动断路，以防止损坏。并且可通过外扩 MOS，使输出电流达到更大值。 通过外加 MOS 管 及外部反馈电
16、阻 可以在 5-12V 之间任意的调节输出电压,并且外加 MOS 管 可以输出高达 1000mA 以上电流。 特点: 低电压工作：可保证以 0.9 v (iout = 1 ma)启动；占空系数：内置(66% / 78%)自动切换控制电路；外接部件：电感、电容器、肖特基、电阻； 输出电压：输出可调； 输出电压精度：2% ；较高的工作效率：85%（typ） ；带载能力强；封装形式：SOT89-5、SOT23-5 应用范围： 太阳能充电器 苹果充电器 外置电源 移动电源 外置电池 电池包 等产品 4。bau72 引脚图如图 3-3-2 所示 5。图 3-3-2bau72 引脚图3.4 单片机时控显示
17、部分3.4.1 电路原理现在市场上的单片机种类繁多，考虑到成本和实现所设计的功能，以及操作等原因综10合考虑我们本次选取了 STC89C526作为这次设计系统的主要控制部分。这块芯片的价格也相对便宜，而且用它实现设计要求相对容易，而且芯片自带的内存也足够我们使用不用外扩，可以大大简单我们的设计电路。而且用它做的最小系统扩展性能极好，需要增加额外功能只需略改硬件系统就可以实现。显示部分主要采用 DS1302 时钟芯片和 LCD16027作为显示。电路原理图如图 3-4-1 所示。图 3-4-1 电路原理图3.4.2 DS1302 芯片资料 8DS1302 是 美 国 DALLAS 公 司 推 出
18、 的 一 种 高 性 能 、 低 功 耗 、 带 RAM 的 实 时 时 钟电 路 ， 它 可 以 对 年 、 月 、 日 、 周 日 、 时 、 分 、 秒 进 行 计 时 ， 具 有 闰 年 补 偿 功 能 ， 工 作 电压 为 2.5V 5.5V。 采 用 三 线 接 口 与 CPU 进 行 同 步 通 信 ， 并 可 采 用 突 发 方 式 一 次 传 送多 个 字 节 的 时 钟 信 号 或 RAM 数 据 。 DS1302 内 部 有 一 个 318 的 用 于 临 时 性 存 放 数 据的 RAM 寄 存 器 。 DS1302 是 DS1202 的 升 级 产 品 ， 与 DS1202 兼 容 ， 但 增 加 了 主 电 源/后 背 电 源 双 电 源 引 脚 ， 同 时 提 供 了 对 后 背 电 源 进 行 涓 细 电 流 充 电 的 能 力 。下 图 为 DS1302 的 引 脚 功 能 图 图 3-4-1：图 3-4-2DS1302 的 引 脚 功 能 图
