基于单片机的可光控时控的太阳能灯.docx
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基于单片机的可光控时控的太阳能灯
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
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STC89C52
目录
引言4
第一章绪论5
1.1研究背景5
1.1.1太阳能的定义5
1.1.2太阳能的应用方法5
1.1.3太阳能的分类5
1.1.4太阳能在本文中的应用5
1.2选题目的和意义5
第二章系统设计6
2.1系统设计任务6
2.2系统设计的基本要求6
2.3系统设计的方案论证6
2.3.1太阳能电池板的选择6
2.3.2升压电路的选择6
2.3.3光控电路的选择6
第三章硬件设计及工作原理8
3.1总体方案及工作原理8
3.2太阳能电池充电模块8
3.3升压电路模块8
3.3.1电路工作原理8
3.3.2bau72芯片的资料9
3.4单片机时控显示部分9
3.4.1电路原理9
3.4.2DS1302芯片资料10
第四章硬件调试11
4.1调试仪器11
4.2硬件制作与调试11
4.2.1电路的制作11
4.2.2电路问题分析11
4.2.3电路调试过程11
4.3功能实现分析12
第五章软件部分设计13
第六章总结13
致谢14
参考文献14
英文摘要15
附录16
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。
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。
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；
（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，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，LED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。
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。
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。
图3-3-1升压电路
3.3.2bau72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0.9v（iout=1ma）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，以及操作等原因综合考虑我们本次选取了STC89C52[6]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LCD1602[7]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
3.4.2DS1302芯片资料[8]
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、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31×8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
第四章硬件调试
4.1调试仪器
万能表（DT9205N）；直流5V电源；电脑；
4.2硬件制作与调试
4.2.1电路的制作
为了方便调试电路，更好、更快的检查电路和找出问题所在，所以在电路的制作过程中，分模块制作调试是比较好的一种选择。
（1）光控电路的制作。
在决定做这块电路的时候，先找出一些相关的电路图资料，分析总结，最后选定方案。
在画图之前，先了解一下各个元器件的封装，如果没有选好正确的封装会增加工作量，还可能会导致材料的浪费。
在画图和布板的过程中，还需要合理放置器件，以便于检查电路。
（2）升压电路的制作。
在做升压这块的时候，关于选择芯片、电路是很重要的，在所找到的资料中有很多，有电路复杂的，也有简单的。
芯片也有比较多种类，选定芯片后，还要查找芯片详细资料以及构建电路。
（3）单片机最小系统的制作。
因为以前课程设计，还有单片机实验都有接触过，所以不管是在原理图，还是在布板、元器件的封装这些方面，都是比较熟悉的，因此在制作过程中也不会遇到比较大问题。
（4）时钟显示电路的制作。
虽然在单片机课程设计时没有选到这个题目，但也有一些了解，在找资料的时候也比较顺利。
4.2.2电路问题分析
1）调试硬件电路时。
用万用表测试所有芯片的电源和地是否确实接电源和接地了，测试各个芯片是否处于正常的工作电压，并测试电路是否有短路、断路、虚焊，有无接错线，同时要特别注意过孔是否连接正确。
（2）硬件电路通电时，注意用手背触摸下芯片是否发烫，防止芯片被烧坏掉。
（3）调试硬件电路，烧写程序看各项功能是否正常实现，分析未实现未实现原因。
（4）在调试光控电路时，要注意光敏电阻所处环境光线的变化。
（5）在调试硬件电路时，注意各部分电路之间的时序配合关系。
（6）在调式过程中，应分功能模块调试好了以后再整合成整体调试。
（7）在调试整机电路时，在排除故障中，检测不出故障，可就对各个芯片进行独立检测。
4.2.3电路调试过程
在整个调试过程中有比较顺利的也有比较不那么顺心的。
首先在调试光控电路时就出现了问题，光敏电阻在感光时出现不正常的现象，反复的检查电路，这个很简单的电路在器件的连接上并没有出现什么问题，最后在多方面的检测，思量下，发现可能是多加了电阻，拆掉之后，重新连接电路，这样光敏电阻在光线变化的情况下就正常了。
其次是升压电路，升压电路原本也是一个很简单的电路，当制作好后，调试时，发现输出电压与输入电压一样，检查了一下，发现升压芯片的引脚接反了。
芯片的封装是贴片的，在拆焊过程中很容易把芯片弄坏，在没有备用芯片的情况下，不能再调试电路了，bau72芯片还只能网购，去外面的器件店里买不到，在等了三天后，拿到新的器件，重新焊接测试一下，终于有升压了，说明之前的问题是芯片反接了，在焊接器件时要注意引脚的连接，特别是芯片引脚，错了就很容易烧毁损毁芯片。
再次是单片机还有显示的制作调试，因为之前有做过相关的，所以在整个制作调试的过程是最顺利的一组。
最后是整个电路整合调试，经过各个部分的单独调试，确认可行后，再把每一部分的原理图整合，画好PCB板，如图4-2-1所示。
图4-2-1PCB板
4.3功能实现分析
电池供电通过升压模块把电压升高，当光敏电阻受到自然光的照射时LED灯不亮，当其不受到自然光照时，LED灯串亮起，效果如图4-3-1所示。
图4-3-1效果图
第五章软件部分设计
在本次设计中，用到单片机最小系统，时钟LCD显示部分。
当夜幕降临时，光敏电阻处于高阻状态光控电路的三极管导通，驱动LED灯串亮起。
DS1302是一种高性能、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，具有闰年补偿功能的时钟芯片，通过编程对主程序进行赋初值，也可通过按键来设置显示的时间，单片机端口根据查询当前时间来对继电器进行控制，继而控制LED灯串的亮灭。
软件程序流程图如下所示：
第六章总结
本次设计的灵感来源于寒假去实习的所在公司给的灵感，经过一段时间的努力和奋斗，设计总体实现了基本功能和最初的设计要求，由于经费、时间和能力的限制，此次设计还有许多可以改进的地方。
致谢
本设计是在林顺达导师的指导下顺利完成的，在整个设计的过程中给我们提供了不少良好的建议，让本人受到了不小的启发，使整个设计过程顺利了许多。
还要感谢同班的竞佳同学，在程序方面给了我很大的帮助，由于有了同学和老师的帮助，让我在此次设计中少走了些弯路，才能比较顺利的完成设计，在此谨向他们表示衷心的感谢。
参考文献
[1]杨宝柱.太阳能灯的结构与原理[J].河北大学物理科学与技术学院.2007年第1期.
[2]升压电路资料.
[3]光控电路.
[4]bau72资料.
[5]bau72引脚图
[6]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：
北京航空航天大学出版社.1993.8，203-228.
[7]LCD1602资料.
[8]DS1302芯片.资料
[9]孙育才.单片微型计算机及其应用[M].东南大学出版社.第4版.南京:
东南大学出版社,2004年.
[10]江思敏，陈明.Protel电路设计教程[M].清华大学出版社.第2版.北京:
清华大学出版.
[11]谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社.第3版.北京：
清华大学出版.
英文摘要
BsaedonMCUcanlight-activatedandPossessioninSolarenergylamp
TheCollegeofPhysicsandInformationEngineering;
07classelectronicsinformationscienceandtechnology070303047CuihongChen
facultyadviserShundaLinlecturer
【Abstract】Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,andnowfacingsevereglobalenvironmentalissues,newuncontaminatedenergyforthedevelopmentandapplicationofsolarenergy,muchattentionisoneofthem.ThesismainlydescribesasimplebutpossessioninsolarenergystoresthedesignandmanufactureofLEDlights.Hardwaremainlyincludesolarchargingmodule,thepowersupplyvoltagemodule,single-chipmicrocomputersystemboostermodule,displaymodule,etc.Detailedanalysisoftheworkingprincipleofeachpart.Softwarepartmainlybysingle-chipmicrocomputerDS1302STC89C52andclockchiptoachievesomehardwarecircuitcontrolanddisplayfunction.
【KeyWords】SolarLEDlights；Light-activatedandpossessionin;STC89C52;
附录
程序
#include
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#defineuintunsignedint
ucharcodetable5[]="20--";
ucharcodetable6[]=":
:
";
ucharcodetable7[]="MON";
ucharcodetable8[]="TUE";
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uchardd[7];
ucharaa[7]={30,10,13,23,3,3,11};
ucharee[3]={13,12,0};
charmiao,fen,shi,ri,yue,zhou,nian;
ucharsw,gw;
uchars1num,s2num;
sbitlcdrs=P3^7;
sbitlcdrw=P3^6;
sbitlcden=P3^5;
sbitRST=P1^7;
sbitSCLK=P1^5;
sbitIO=P1^6;
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sbits2=P2^6;
sbits3=P2^5;
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sbitP3_0=P3^0;
sbitdeng=P2^0;
bitflag,flag3,flag6;
voiddelay（uinti）
{
uintj;
for（;i>0;i--）
for（j=100;j>0;j--）;
}
voiddelay1（uintnum）
{
wh
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