太阳能风能互补路灯控制系统

摘要

近年来，旧能源发展陷入瓶颈，对新能源发展更为迫切，国内经过三十年光伏产业建设与发展，现阶段光伏产业已经取得较大进步，总体规模已经较为可观，但仍需看到与国外差距：首先国内现阶段光伏发电依然占比极低，总发电规模仍有极大进步空间；其次国内光伏发电技术目前虽有部分前沿成果，但总体水平仍然不高；再次目前光伏电池利用率依然不尽如人意且封装水平尚待进步；第四国内光伏发电产出成本方面还需持续关注；第五光伏发电材料性能研发有待加强，且部分材料只有进口渠道；最后国内西部及东南沿海区域，拥有极具开发价值的丰富风能和光能，且都是环保能源，但二者发展长期不足，缺乏配套培育和支持政策或方案。据此，本文认为设计一套优化性更突出的太阳能风能互补路灯控制系统具有较大价值，且其中利用了STC89C52单片机。

关键词： 太阳能风能互补；路灯；STC89C52

　　第一章绪论

       1.1课题背景及其意义

进入新世纪以来，世界各国都开始认识到当前能源模式不可持续性，认为煤炭及石油等能量来源从长期来看显然不具有发展性，需要对此进行改变，因此开始探寻新的能源来源及应用模式，各类新能源开始不断推向市场被在各领域加以利用，其中主要涉及太能能和风能，这些能源形态缺点在于能源转换率无法达到令人非常满意的标准，但近乎无穷的能量来源及清洁与可再生性等优势依然非常突出，因此依然诸多场所利用，并探索基于这些能源类型的发电技术与机制，目前卫星供能方面已经形成一定规模就是太阳能。太阳能实质上就是来自太阳上核聚变反应而投射到地球的能量，并且也是地球能量形态的原点，植物光合作用，本质上也就是在进化中生成的太阳能利用机制，能够实现内部化学能转换及存储，而我们长期以来日常接触的化石能正是来自于漫长地球历史中植物化学演变结果。另外水能风能也同样是建立在太阳能基础之上。太阳能近乎无穷尽，但是密度过小且不具有能量集中性，不同纬度能够接收到的太阳能，其中密度变化就极为不同。目前地球轨道太阳能辐射强度，通过科学观测后得到数据是1.369W/m2，而考虑到赤道周长数据，能够获知地球在一定时刻内的太阳能接收规模，计算数据结果为17.3万TW。同时以海平面为条件进行计算，标准太阳能辐射强度峰值计算数据能够达到每平方1KW，以地球表面单点为例，其在24小时接收太阳能辐射强度，测量数据结果大约为每平方0.2KW。由此可见，太阳能总量的庞大，已经远远超过当前人类利用能源规模，但由于其分散性与密度性条件的不足，还没有研发出相应的高效率利用技术。尽管太阳辐射到大气层能量占比极少，只是其总量的微末，大约为22亿分之一，但是对人类来说，也已经极为惊人，即前文提到的17.2万TW，这意味着1s的太阳辐射能量，其规模已经等同于500万吨煤。如此庞大的储量自然引发各界关注，且普遍看好其利用前景，而这对于太阳能路灯来说，也同样如此，潜在市场广阔。近年来，旧能源发展陷入瓶颈，对新能源发展更为迫切，国内经过三十年光伏产业建设与发展，现阶段光伏产业已经取得较大进步，总体规模已经较为可观，但仍需看到与国外差距：首先国内现阶段光伏发电依然占比极低，总发电规模仍有极大进步空间；其次国内光伏发电技术目前虽有部分前沿成果，但总体水平仍然不高；再次目前光伏电池利用率依然不尽如人意且封装水平尚待进步；第四国内光伏发电产出成本方面还需持续关注；第五光伏发电材料性能研发有待加强，且部分材料只有进口渠道；最后国内西部及东南沿海区域，拥有极具开发价值的丰富风能和光能，且都是环保能源，但二者发展长期不足，缺乏配套培育和支持政策或方案。

人类发展需要摆脱以往竭泽而渔的模式走向更具未来性的发展方向，其中尤为关键就是能源来源及利用机制的改变，需要向可再生和清洁的能源利用形态发展，其中新能源就是引领者，其是建立在对高新技术利用上，并具有可再生且持久特性，面向人类更高能源需求的未来进行设计与供应，能够保护地球和人类的空间环境。太阳能发电无污染无次生物也不需要燃料，清洁性极高，目前太阳能电池组件，具有极高耐用性，寿命长达20年，同时运维成本相较来说非常低。

1.2国内外的研究状况

太阳能路灯的能源来源模式是通过有阳光照射的时候通过太阳能板给蓄电池充电，到了需要提供照明的时间则启动led灯。虽然该装置目前造价较高，比现在通用的传统路灯在成本方面会超出约20%，但是考虑到太阳能路灯不需要购买外部电源，因此将这部分电费成本摊平会发现该装置总费用能够与当前传统路灯成本持平。目前限制太阳能路灯一能用的因素主要有：一、蓄电池使用周期较短，需要定期更换；二是该路灯装置结构较为新颖和复杂，习惯维护传统路灯的老一批电工不适应或不会进行该装置的维护工作。太阳能路灯依然具有较强优势，其管线铺设简单且成本较低，能够对灯具布局进行大幅度的基于需要的调整或变换，同时排除人工操作影响，是一种安全节能的照明模式，且装置运行具有高可靠性。基于以上优点，太阳能路灯已经得到一定范围的利用，虽然都是在小范围或限定区域内如校园或家居环境等。由于太阳光密度欠缺的缘故，因此太阳能路灯也进行了综合性优化，在原来太阳能基础上，添加了另一种风能功能模式，从而构成了一种新型路灯装置，让太阳能和风能进行能源互补，一方面有效弥补太阳能供能不稳定现象如可能连续多天阴雨天，另一方面能够降低蓄电池容量。除了这种模式外，目前还存在着另一种双模供电机制，也就是传统电力供应与蓄电池两种模式并行，但是这一模式也有明显缺点，会导致太阳能路灯成本飙升。此时也提供了另一改进机制，那就是直接对传统路灯进行供能改造，保留原有线路及设备，在此技术上加入太阳能供能的器件及设备，从而有效抑制成本并压缩路灯能耗。太阳能路灯作为一种目前应用面并不广的太阳能利用装置，其利用效率并不高，因此需要强化对太阳能路灯控制器的研发，从而有效扩充该领域市场。

因此，传统太阳能路灯控制器，能够较为有效的提高该类路灯装置及组件的使用寿命，并且能够提高其中的能源转化率。在提高组件寿命这一问题上，由于蓄电池寿命一般来说并不太长，且更换成本较高，因此需要退该组件提供更完善的保护方案，在充电路与放电路上都有必要提高研究力度。如何节省能源也是当前阶段各领域的关注与发展重心之一，由于太阳光密度低，且其光强也直接受到当时环境的影响，因此对转换能源要进行更有效率且更合理的利用，目前主要利用的程序定时调节效率这一解决方案，此方案可靠性高，且的确返回了较大节能作用，但却欠缺灵活性。对这一方案的优化依靠的是传感器或未处理系统，从而能够有效适配太阳能变化较剧烈的工作环境。当前太阳能板技术还不完善，尤其是转换率始终难以得到充分提升，因此这一问题也成为太阳能控制器一个研究重点。

　1.3本文的主要研究内容及论文结构安排

.主要课题研究背景及国内外发展及研究现状阐述；.对方案选择逐一进行解释；第3章.对硬件电路设计及具体实现进行阐述；

第4章.对软件设计及具体实现进行阐述；

第5章.硬件调试相关内容的阐述；

　第二章 方案的设计与论证

　　2.1控制方案的确定

本文控制方案有如下电路方案组成，主要方向包括STC89C52单片机、风机、升压稳压、太阳能电池板、锂电池保护、LED灯、光敏电阻、开关以及适配的电源电路等

2.2控制方式的选择

2.2.1 单片机芯片的选择

方案一

控制器选择可以使用CPLD，其是一种可靠性非常突出的可编程逻辑器件，能够提供非常全面的功能，同时也提供了丰富的功能扩展，规模较大且稳定性高，此外还拥有较多I/O资源等等优点，输入输出模式在其中利用的是并行机制，有效提高处理效率，在实际应用中在大规模控制系统中具有较高应用性。考虑到本系统结构简单，不涉及复杂逻辑处理，同时也对数据处理并无过高要求，因此综合应用性和经济性，认为该方案在本文开发系统中并无较大价值。

方案二

控制器还有另一个备选是STC89C52单片机，这是目前市面上非常流行的一个8位微控制器，内部提供了8K闪存，其优点在于接口非常多元，且功耗与成本等控制得非常好，与本文方案要求适配度很高。

方案三

控制器的备选方案三是MSP430单片机，其开发者是德州仪器，作为一种16位混合处理器，其更多的是面向部分实际控制场合，具有高集成性，把模拟电路、微处理器等全都集中到同一芯片中，从而事实上“单片”能够实现非常复杂的混合信号环境。而本方案中型号是MSP430F149，内部提供了一个精简指令集，因此具有多领域适用性，目前在仪器仪表、过程控制等方面都发挥着重要作用，具有扩展丰富、使用简单且成本低廉、功耗较低同时还具有高度运行稳健性等诸多方面优势。但是相较而言，即便以其功能来说成本非常合理但本文方案设计需要更严格的成本控制，因此成本并不匹配。

故选择方案二。

2.2.2电池模块的选择

方案一

备选计划之一是蓄电池，其中主要开发原理是化学能到电能间的一种可行性和效率性的转化，作为一种充电装置，提供了再充电功能，其充电原理是基于对可逆化学反应的有效利用。目前市场上多为铅酸蓄电池，在类型上一般归入了二次电池。这代表着其使用一段时间后，需要进行内部填料补充，也就是硫酸添加，这是因为其中的能量形式转化需要稀硫酸含量必须在一定水平，即22~28%。

方案二

备选计划之二是锂电池，这是一种新电池技术，主要是对锂金属的高效率性能开发与利用，将之制作成负极材料。其能够稳定供电，同时具有较高安全性。

故选择方案二。

第三章硬件电路的设计

        3.1系统的功能分析及体系结构设计

3.1.1系统功能分析

前文已经提到，本文控制方案有如下电路方案组成，主要方向包括STC89C52单片机、风机、升压稳压、太阳能电池板、锂电池保护、LED灯、光敏电阻、开关以及适配的电源电路等。

1、锂电池充电供电来源主要有两种，即风机与太阳能板，并且提供了充电保护电路，同时为了能够让供电更稳定而添加了稳压电路。

2、锂电池需要进行升压处理并提高电压到5V，从而能够适配单片机及附属电路的供电电压要求。

3、提供了4个LED灯，其目的是进行路灯模拟。

4、提供两种控制模式，即自动与手动，前者是通过光敏电阻实现，后者是通过开关实现。

3.1.2系统总体结构

本系统具体框图如下图所示：

系统原理框图

　3.2模块电路的设计

3.2.1STC89C52单片机核心系统电路设计

STC89C52RC的技术所有方及推出者是STC公司，其是一种8位微控制器，内置了8K闪存，其中内核器件非常具有特色，利用的是MCS-51，但是并非简单利用而是进行诸多改进，提供了比传统51单片机更为丰富而多样的功能。由于具备8位CPU和闪存，因此也使得该单片机具备了更高的适用性能够为嵌入式控制场景提供更具效能且自由度较高的解决方案，其功能包括了8K闪存、定时器、4KEPRROM、共计32个I/O口、定时器、512RAM、16位计数器共计内置了3个、810复位电路、外部中断、全双共串行口等等。另外该单片机还能够允许静态逻辑操作，此时功率显示为0Hz，并提供2种节电选择。当CPU停止运行的条件下，其他部分功能依然能继续运行，包括RAM、串口、定时与计数器等等，提供掉电保护机制，能够让RAM当前内容存入闪存，振荡器被冻结，此时单片机所有功能停止，直到复位，也可能是中断再启。

一、STC89C52主要特性如下：

（1）8K闪存；

（2）512字节数据存储空间；

（3）EEPROM存储空间，容量大小为4K；

（4）提供串口下载。

二、STC89C52主要参数如下：

（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；

（2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）；

（3）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作 频率可达48MHz；

（4）用户应用程序空间为8K字节；

（5）片上集成512 字节RAM；

（6）通用I/O 口（32个），复位后为：P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O口用时，需加上拉电阻；

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

（8）具有EEPROM功能；

（9）共3个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；

（10）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

（11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；

（12）工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；

（13）PDIP封装。

三、STC89C52单片机相关引脚说明：

（1）VCC：供电电压。

（2）GND：接地。

（3）P3.0 RXD（串行输入口）

（4）P3.1 TXD（串行输出口）

（5）P3.2 /INT0（外部中断0）

（6）P3.3 /INT1（外部中断1）

（7）P3.4 T0（记时器0外部输入）

（8）P3.5 T1（记时器1外部输入）

（9）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

（10）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

（11）RST：复位输入。此时需要注意复位时，RST脚要保持高电平，且需要维持这一电平状态两个机器周期。

（12）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。在闪存编程过程中，该处引脚作用就是进行脉冲输入。在正常工作状态下，ALE进行正脉冲信号输出，且过程中始终保持恒定的周期频率，且其频率水平表现为振荡器频率水平的约16.67%，因此其具有两个作用，既能够实现脉冲输出，又能够提供定时动作。其中重点在于，当作为外部数据存储器时，需要跳过一个ALE脉冲，同时如果将让ALE输出停止，则可以使用方法为SFR8EH地址上置0。如此一来，MOVE指令执行就具有了限制条件，必须在执行MOEV时才能进行。

（13）/PSEN：这指的是所谓选通信号。具体来说就是外部程序存储器取指过程中，此时每完成一个机器周期，则会有两次该信号有效，但是如果是外部数据存储器，这两次信号会缺失。

（14）/EA/VPP：需要注意的是，当/EA保持低电平状态时，那么在这一状态持续过程中，外部程序存储器（0000H-FFFFH），且不需要考虑内部程序存储器是否存在。当加密方式1时，则会出现内部锁定，此时/EA为RESET；当/EA保持高电平状态时，么在这一状态持续过程中内部程序存储器。闪存编程过程中，该引脚会被用于施加12VPP。

（15）XTAL1：提供两个信号输入，一个是反向振荡放大器，一个是内部时钟。

（16）XTAL2：来自反向振荡器的输出。

单片机引脚图如下图所示：

STC89C52单片机引脚图

四、STC89C52单片机最小系统说明：

STC89C52单片机最小系统电路由复位电路、时钟电路和电源电路。拥有这三部分电路后，单片机即可正常工作。单片机最小系统原理图如下图所示。

单片机最小系统原理图

VCC和GND为单片机的电源引脚，为单片机提供电源：复位电路组成部分包括了案件S1、电容EC1，同时还包括了一个电阻R1，且提供两个了复位模式。所谓手动复位，其实现方式是提供两个高端信号输入，并由上电复位按键接口接收就可以实现该操作，这也是所谓的非自动按键复位；而通常所说的自动复电，就是电压进行低到高电平的变化，且一段时间后被系统检测到，通过电阻与接地之间构成一条通道，并且能够实现高电平降低，此时也导致单片机从高到低的电位变化，这也就是自动进行复位。时钟电路组成部分包括晶振Y1，及两个电容C1、C2。通常来说，在有控制芯片的条件下，此时数字电路工作一定需要装备有该电路，需要其能够分出系统时间，从而保证控制芯片正常运行。其功能非常直观，就是提供正常工作的信号，或也可以叫做“拍”，从而在其引导下让控制系统能够顺利运行，为了实现工作效能，在晶振选择上一般选用的类型是11.0592MHZ晶振，与此同时对于电容的选择，很多情况下都会选择30PF，其功能就是支持前者起振。JD1为单片机的下载接口。3.2.2 高亮LED灯照明电路（低电平有效）设计

本文方案中利用led所使用的高亮类型，该类型比普通led能够提供超过百倍的光源亮度，采用无色树脂封装方式，由于内置发光体能够发出某一波长光，使得其能够反射出某一对应颜色，本文设计方案中，采用白色高亮led。

一、白色高亮LED灯的优点。

（1）该类灯使用寿命长，且稳定性高，成本低廉可持续性突出，连续时长达到105h，这一指标超过普通白炽灯百倍。

（2）发光效率极高，能够达到80~90%，且能耗更低，以一般节能灯能耗少25%。

（3）点亮速度快。

本方案中，前文已经提到都是采用高亮led等，其驱动来源是通过三极管控制开闭，采用限流电阻，从而能够为三极管提供更高质量的保护。当控制引脚处在低电平状态时，三极管开始驱动led，并最终实现点亮。方案中的照明电路原理图如下。

高亮LED灯照明电路原理图

3.2.3 GMDZ光敏电阻传感器模块电路设计

本方案中对于光照检测这一问题，考虑实用性原则，确定利用光敏电阻传感器模块，其能够高效率实现对周围环境亮度和光强进行相应的信息采集。

所谓光敏电阻，是一类具有特殊用途的电阻器，这主要是由于其材料不同，采用的是半导体材料，如硫化隔等，其利用的理论来源主要就是内光电效应。其工作路径就是环境光照条件越强，此时相应的阻值就会越低，而一旦光照条件出现强度提升，相应的也会让阻值同步出现快速下滑，亮电阻值测量取值能够低至比1KΩ更小。其对光线具有高敏感，一旦处在无光条件下，则一直保持在高阻，同时暗电电阻测量取值能够达到1.5MΩ。这种特殊性能，也扩大了光敏电阻应用性，在诸多领域广泛使用。

光敏电阻器的主要功能包括了光测量、光电转换等等，市场上常见光敏电阻器类型仅有一种，那就是硫化镉光敏电阻器。另外光敏电阻器对光的感知测量范围与人眼可见光图谱非常接近，换言之人眼可感受的光，就能够导致阻值出现波动。

一、传感器参数

（1）灵敏性高，对周围环境亮度与光强能够进行精准测量与信息抓取。

（2）灵敏度能够基于需要进行一定范围调节。

（3）工作电压范围能够在3.3-5V时间。

（4）输出机制：包括两种，DP数字输出和AO模拟输出等。

（5）具有两个指示灯，其一是面向电源，其二是面向数字开关量输出。

（6）比较器输出，且其中使用了性能全面且良好的LM393芯片。

二、接口说明

（1）VCC 外接3.3V-5V

（2）GND 外接GND

（3）DO 小板数字量输出接口（0和1）

（4）AO 小板模拟量输出接口

三、使用说明

（1）该模块对环境光强具有非常高的灵敏性。

（2）该模块在无光或光强不满足预先设置的阈值要求时，DO口为高电平，只有当光强超出阈值，DO口才会为低电平。

（3）DO能够实现与单片机直连，从而通过后者进行电平检测，并借此对当前光强情况进行判断。

（4）DO能够与继电器之间建立直接联系，从而构成一个光电开关。

（5）AO可以和AD模块相连，实现AD转换，能够在环境光强测量中获得更高精度数值。

该模块内部电路图见下图，其中R1处代表的是分压电阻，其功能是能够将检测到的光照信息进行信号转换，即模拟量信号AO，之后会进入LM393比较器，在其中与该比较器芯片2号引脚所接收到的模拟量信号进行比较，其比较结果就形成了DO信号，详细来说就是高低电平信号。滤波电容为C1、C2，前者进行电源滤波，从而让其输出更可靠，后者进行模拟信号滤波，保证其输出稳定。限流电阻为R2、R3，主要作用就是保护led等，避免其被烧坏。上拉电阻为R4，其功能就是将不确定信号通过一个电阻钳位在高电平，另外也具有限流工鞥呢，从而让比较器输出的高低电平信号在与单片机引脚连接时电平信号的读取更加稳定。

模块内部电路图

光敏电阻传感器模块具体接口说明如下图所示

　　

3.2.4 二挡拨动开关检测电路设计

拨动开关，作为一个开关部件提供了一个拨动开关柄，能够轻松实现电路开关，从而实现电路切换。该类开关在市场中种类非常多，包括单极双位及三位，或者双极双位或三位等，其更适合低压电路环境，具有一定优点，如滑动灵活，且可靠性强等，目前该类开关应用领域非常多，如仪器仪表设备、传真设备、医疗设备及其电子领域等

简单来说，该类开关就是通过波动开关柄来实现电路控制信号的切换，当二档拨动开关被操作者拨下，此时控制引脚会呈现为低电平状态，而当其被拨上去时，此时引脚又呈现为高电平，利用这一过程实现电路信号顺利切换。具体电路原理见下图。

拨动开关检测电路原理图

3.2.5 太阳能发电路设计

所谓太阳能板，就是基于对光电或光化学效应的有效利用，通过转换装置实现太阳辐射向着电能的转换，多数太阳能板在设计时都采用了硅材料，但由于无法实现较大幅度成本控制，因此普及率还不足。

相较于普通电池，及已经实现一点环保作用的可循环充电电池这些老式电池类型来说，太阳能电池无疑更为绿色节能。

一、太阳能电池板结构组成

1）钢化玻璃，其功能就是对电池片提供较为周全的防护，因此其首先考虑的就是透光性，透光率一般需要能够超过91%，同时还需要对其进行超白钢化处理，如此才能满足当前场合使用要求。

2） EVA，其主要作用就是将钢化玻璃与电池片粘连并确保粘连稳固性，EVA材质性能会对组件寿命产生非常显著的影响，性能不好的EVA会在室外条件下快速老化发黄，从而严重降低组件原来的透光率，进而波及发电效率。另外需要关注EVA材质外，组件层压工艺也在其中具有较大的影响，比如EVA胶连度不足、背板粘结力不够等，都会导致EVA寿命流失。

3）电池片，其主要功能就是发电，目前市场上仅有两个代表类型，一个是晶体硅材质的电池品，一个则是薄膜电池片，两类产品各有优缺点。前者虽然设备成本方面有优势，但是电池片本身成本及过程中的能耗都较高，虽然能够提供更高的光电转换率，因此其比较适合室外阳光发电场合；后者在设备成本方面不具有优势，但是其电池本身成本及过程能耗却更低，虽然光电转化率仅为前者约一半左右，但却具有极佳的弱光效应，即便是在普通灯光下依旧能够提供一定电量，比如太阳能计算器等。

5） 背板，其主要功能就是提供密封、防水等方面效用。

6） 铝合金保护层压件，其主要作用就是能够发挥一定密封和支撑等方面效果。

7） 接线盒，其主要作用有两个，一是对发电系统提供防护，二是作为电流中转站角色，如果组件短路，此时其所在的电路串会被接线盒直接断开，从而保护其他没有受影响的系统部分。接线盒组件中最核心的就是二极管，需要依据电池片适配不同的二极管。

8） 硅胶，主要提供了密封作用，能够密封的地方包括了组件与合金边框或者与接线盒之间等，部分公司也会使用类似泡棉等材料来进行替代。但是国内还是以硅胶利用率最高，因为成本与工艺都具有经济性。

现阶段，光伏材料利用率最高的还是晶体硅，该类型材料市占率已经超过90%，且预计在今后很长时间都将持续这种市场主导地位。

单晶硅

该类型材料的太阳能电池，能够实现的光电转换率测算数据大约在18%上下，且能够达到24%的最高值，这也是当前市场上所有太阳能电池在该项性能上表现最高的，但制作成本非常高，导致应用性不强，目前该类材料使用寿命能够达到25年，在所有种类中表现较为出色。

多晶硅

该类材料电池制作工艺与前面提到的单晶硅相差无几，但是其光电转换率则显著更低，仅有16%左右，从制作成本角度考虑，价格略便宜，且制作工艺也更简单，电耗水平较低，总的乱说成本具有较大优势，因此普及率更高一些。虽然其使用寿命比前面提到的单晶硅要略短一些。

本文系统方案中对于发电元件的选择，在考虑性价比的基础上确定为9V多晶硅太阳能电池板。在太阳能发电后，需要经过一个稳压环节，这一环节实现是利用L7805CV芯片，保持电压在5V状态，之后对锂电池进行充放电，这一环节实现是利用P4056模块。考虑到锂电池电压范围仅能够在3.7到4.2V这个区间，而本文方案中各种电路电压条件是要求5V，因此还需要进行升压处理，这一环节利用的是升压模块。本文选定的太阳能电池板，前文已经提及是9V多晶硅，其中电容的功能之一就是滤除低频参量，从而让供电更稳定，实物图如下图。

太阳能电池板实物图

其电路原理图如下图所示。

太阳能电池板发电原理图

风力发电机采用的是5V输出的，其实物图下如图所示。

3.2.6 风能发电路设计

风力发电机工作原理几乎可以称得上一目了然，风力作用下实现风轮转动，在这个过程中实现动能到机械能的转换，之后又驱动发电机实现发电过程。风能本质上也是一种特殊状态太阳能，是一种热能利用发电机。

本文方案中风力发电元件选择在综合复杂因素考虑后确定为5V微型风力发电机模块，其具体供电路径为，发电完成后需要通过稳压环节，这一环节实现是利用L7805CV芯片，电压此时已经变成5V，之后对锂电池进行充放电，这一环节利用的是TP4056模块，考虑到锂电池电压范围仅能够在3.7到4.2V这个区间，而本文方案中各种电路电压条件是要求5V，因此还需要进行升压处理，这一环节利用的是升压模块。其中电容的功能之一就是滤除低频参量，从而让供电更稳定，实物图如下图。

3.2.7 TP4056锂电池充电模块电路设计

本文方案中对于充电器的选择，考虑适配性后确定为TP4056，其结构中底部封装方式在设计中采用的是SOP8/MSOP8，同时还需要配置少量外部元件，因此使得该型号充电器具有了便携式特点。因此TP4056具有非常高的适用性，能够与usb电源进行配合，也能够与适配器电源进行组合，其内部架构模式利用的是PMOSFET，并且在设计时就已经提供了防倒充电路，也就无需在外部再额外提供隔离二极管。该充电器充电电压恒定保持在4.2V，与此同时，对于充电电流的设置或调整，可以通过电阻器实现。当充电电流降至设定值 1/10 时，该充电器会停止充电。当外部输入电压被移走，则自动进入低电流状态，此时会将漏电流保持持续减低直至达到 2uA 以下。另外有电源条件下，依然能够进入停机状态。该充电器另外特点有自动再充、电池温度检测等等。

本模块外围电路简单，保护性能好，充电精度高。

一、TP4056芯片特点

（1）可编程充电电流，且其规格最高能到1000mA。

（2）不需要提供隔离二极管、 MOSFET等外部配件

（3）封装机制利用的是SOP，且面向的是单节锂电池

（4）恒定电流/恒定电压操作

（5）支持热调节

二、TP4056芯片功能

（1）预设充电电压非常恒定，精度偏差保持在±1%。

（2）用于电池电量检测

（3）支持自动再充

（4）提供多种显示，如充电状态、故障状态等

（5）C/10 充电停止

（6）当处在待机条件下，供电电流测试数值为55uA

（7）提供涓流充电器件版本，且电压规格为2.9V

（8）软启动限制了浪涌电流

（9）支持电池温度监测

（9）封装利用的是SOP。

三、TP4056芯片绝对最大额定值

（1）VCC：-0.3V～8V

（2）PROG：-0.3V～VCC+0.3V

（3）BAT：-0.3V～7V

（4）TEMP：-0.3V～10V

（5）CE：-0.3V～10V

（6）BAT 短路持续时间：连续

（7）BAT 引脚电流：1200mA

（8）PROG 引脚电流：1200uA

（9）最大结温：145℃

（10）工作环境温度范围：-40℃～85℃

（11）贮存温度范围：-65℃～125℃

（12）引脚温度（焊接时间 10 秒） ：260℃

四、本模块特点：

（1）管理芯片是TP4056，性能较好。

（2）提供MINI USB头，可与电脑直连。

（3）支持(IN+与IN-)排针供电。

（4）提供其他排针接口，如TEMP，其作用是为温度检测提供备用。

（5）输入电压范围能够在4~8V以内，最大电流是1000mA。

（6）充电亮红灯，充完会有对应的蓝灯提示。

五、接口说明

（1）IN+ 输入正极

（2）IN-输入负极

（3）BAT+锂电池正极

（4）BAT-锂电池负极

（5）MINI USB头 输入口

三、使用说明

（1）本模块充电模式有两种，其一是单节锂电池模式，其二是多节锂电池并联模式。

（2）充电过程中，红灯亮，完成充电，则会变换成蓝灯。

（3）电流表安装位置固定，仅能在充电板的输入端。

（4）限制充电线长度且保持一定直径大小，过细过长都会导致连接电阻大，进而让电池掉电。

（5）输入电压高于5V的情况下，充电电流会低于1000mA，这种状况并非异常，因为电压越高，相应的此时芯片发热量越大，会自动限制充电电流，以免出现热量过高损坏芯片的情况。

（6）模块输出端连接方向必须正确，一旦出现反接，就会瞬间破坏模块，。

该模块接口原理图见下图，其中并联的电容是滤波左右，能够让充电电压更稳定。

TP4056锂电池充电模块接口原理图

TP4056锂电池充电模块实物图如下图所示。

TP4056锂电池充电模块实物图

3.2.8 USB-5V升压模块电路设计

本文方案中对于USB-5V升压模块的选择，考虑经济性，确定是DC-DC升压模块，其功能主要是实现锂电池电压提升，从3.7V升至5V。

一、模块参数

（1）内部利用进口原装芯片，具有更突出的性能优势。

（2）适用性强，输入电压范围能够在0.9~5V之间，且都能够提供5V稳定输出电压，其供电成本低，单节AA电池完整条件下能够实现200~300MA的电流输出，因此能够为多种电子产品供电如手机。单片机等。

（3）能够适用的工作温度范围属于工业级，最低温为-40℃，最高温能到+85℃。

（4）高达96%的转换率。

（5）提供母座。

（6）体积小，适用于各种小型设备。

（7）支持指示灯功能。

二、接口说明

（1）IN+ 输入正极

（2）IN-输入负极

（3）USB母口 输出5VDC

三、使用说明

（1）本模块USB母口输出5V电压，可进行电源外接，有两种连接模式，一种是利用USB母口座的5V正极焊盘，另一种则是利用电容一端跳线取线。具体操作可见下图。

模块5V跳线取线图

（2）该模块焊接时，能够采用电源线与输入端直接进行焊接，或者采用插入单排针焊接后再与万用板等进行连接。

该模块接口原理图见下图，开关拨下后，升压模块进入启动，对锂电池进行升压处理。

USB-5V升压模块接口原理图

USB-5V升压模块实物图如下图所示。

 

USB-5V升压模块实物图

　第四章系统软件设计

控制系统设计方案需要提供软硬件系统两方面的方案，前一章主要是基于系统硬件设计进行的详细探讨与分析，想要系统设计功能得到实现，就需要设计一套适配的软件程序，这里主要指的就是烧写程序。

　4.1 编程语言选择

考虑到设计程序结构较为复杂，却需要提供较大的计算空间，因此利用了更多浮点数计算，从这些考虑出发，最终确定C语言作为此次程序设计语言。

对于51单片机，在其中适用C语言具有如下值得关注的优点：

基于C语言，可以不关注存储器结构，同时也可以对处理器指令集也采用与前者一样的做法。编译器功能有效覆盖寄存器分配与寻址，因此可以不关注存储器地址等其他语言需要强调的细节。程序具有更高可读性，这是因为指令变量提供了不同选择组合。关键字与操作函数等的利用能够与人类思维及时更接近。能够较大幅度压缩程序开发流程。内置库文件中包含了丰富耳朵痒的标准例程，让开发工作更简单。可支持模块化变成，并具有更大灵活性与适用性，已编制程序能够在一定条件下加入新程序，节约开发精力。具有很高的可移植性，同时已经在各种领域与方面得到应用，该类编译器适配当前几乎全部目标系统，且开发成果能够轻松转一台其他开发环境或语言框架下，由此可见该语言优势非常全面，在功能支持上、结构上、移植性上等都值得一提，且易学易用。4.2单片机程序开发环境

本文开发环境在经过综合考量后确定为Keil uVision4，该平台是当前能够适用于51单片机系统开发的一种具有非常高利用率的主流开发平台，其推出者是STC公司，且是该系列中的最新版，提供了编译、连接和调试等多种功能，因此具有高度功能集成性，能够有效压缩开发周期且具有经济性优势。Keil uVision4在其功能中，不仅具备windows开发界面，同时支持多种C语言，并且基于此的编译效率远高于同类产品，具有非常高的易用性，利用其进行C语言编程能够降低部分难度。总体来说，Keil uVision4具有下述可资参考的优点。

（1）支持windows下多种不同操作系统，如win7、winxp等，且包含了多元多样的库文件，及适用各种开发场合及需要的开发工具。

（2）能够支持整套开发流程，从开始的编辑编译到最后需要着手的调试环节等都集成一体。

（3）是在Keil C51上继续发展而来，功能更丰富，如其也具备了对内核微控制器的开发功能，同时也对原来的开发形式与界面进行了多层面的改进与完善，该软件界面具体详情见下图。

Keil uVision4开发界面图

　4.3 Keil uVision4软件开发流程

基于Keil uVision4开发环境的开发流程如下，首先，要在其中先创建一个“Project”项目，其实现路径是直接在该软件界面菜单，直接点选其上的“Project”，在下拉项中选择一个新增项，即“New uVision Project”，在进行自定义命名后点击保存；其次，选定单片机芯片型号，该软件提供了完善的型号库，几乎覆盖了市场上所有芯片型号，直接从中选择“STC89C52”即可，如此就正式完成相应“Project”的创建；当前的工程项目创建成功后，选择“Source Group”，能够在其中加入各种设计需要涉及的.c文件，如果需要对当前文件进行编辑，可直接点击“add”即可实现，也可以把经常需要使用的.c文件进行放置位置的变更，拷贝后直接放置在“Project”目录下，此时工程软件构建完毕，整个流程见下图。

Keil uVision4软件开发流程图

　4.4 STC-ISP-15xx-v6.85p程序烧录软件介绍

基于Keil uVision4开发环境，本文所需要的烧写软件考虑到预期计划与方案选定为

stc-isp-15xx-v6.85p烧录软件，其功能覆盖性比较强，提供代码下载，串口查看，同时还能够利用其进行在线仿真，因此该软件具备高度集成性，是当面市场中51系列智能产品研发活动中具有非常利用率的一款产品，性能非常强劲，现在已经成为51系列控制系统开发几乎可以称得上必备的组件。基于Keil环境，不能直接利用该烧录软件，需要进行一定配置，将下载器、设备和PC互相连接，必须先明确好单片机型号与对应的串口号，同时需要进行波特率设置，确保其能够与程序软件相同，之后找出项目程序“hex”位置，点击下载即可。详细下载界面内容及具体设置见下图。

烧录软件对话框

　4.5 PL2303串口程序烧写模块介绍

本文方案中对单片机程序烧写，其实现路径是经由PL2303串口烧写模块进行，该模块采用的接口模式是更适合移动端的usb，能够支持笔记本电脑的程序烧写工作，同时本下载器还具有突出的价格优势，性能全面且完善，是STC系列单片机开发中具有高价值的工具。

一、PL2303串口烧写模块特点：

提供多种usb通信支持。支持各种主流操作平台，如WIN98、VISTA、 WIN7 等等。支持usb供电模式。支持两种编程时供电电源模式，既可以利用目标系统自有电源，也可以利用usb供电，但是需要确保电流规格低于500mA，确保能够正常编程。目标板程序运行不受到编程进程状态影响，即完成不会有影响。能够为STC全系列提供所需要的烧录支持。提供两个电压输出口，包括3.3v、5v。相较于并口模式，该模式效率更高，更适合笔记本用户。芯片为进口原装，因此编程过程支持更出色，具有高速稳定优势。模块如下图所示。

PL2303串口烧写模块

二、PL2303串口烧写模块引脚说明

+5V 5V输出，假设为外接供电，则该引脚可暂时忽略。GND 接GND。RXD 接单片机的RXD引脚。TXD 接单片机的RXD引脚。3V3 3.3V输出。三、PL2303串口烧写模块与单片机的具体接线图如下图所示。

PL2303串口烧写模块与单片机接线图

4.6程序流程图

本文系统开发过程是基于Keil uVision4环境，并且采用c语言，有效利用其在易读性和继承性等方面特色。系统运行流程图如下图所示。

系统运行流程图

　第五章系统焊接与调试

  5.1 电路焊接

现阶段焊接方法早就已经出现了多样化发展，手工焊接是其中一种原始方案，目前工业焊接已经逐渐弃用这一方法，但是其在普通元器件领域依然具有非常高的利用率，如在维修或测试时几乎都还是使用这种原始焊接模式。这是因为一旦焊接点出现问题，则必然波及整个控制系统，换言之就是焊接操作不当，很可能让控制系统报废。手工焊接流程如下：

第一步开始焊接：

首先需要将焊接处进行清理，确保其表面干净，主要是处理灰尘或其他类型脏污，在正式焊接前，需要将目标元器件的脚向着焊接处的方向掰过去一点，但是需要保证脚不会出现相交的情况，否则会影响后续焊接操作，之后将电烙铁头放在脚下，并且需要同时放上焊锡丝，此时格外需要强调的操作要点是，烙铁头必须对准目标脚，不能碰他其他非目标脚。

第二步给焊接升温：

这一步的首个环节就是焊锡丝加热，主要实现方式就是将烧热的烙铁头去融化此前就已经放置好的焊锡丝，使其慢慢地融化，操作过程中要时刻注意电烙铁温度变化，关注一下加热时长，一旦时间超过要求，会迫害面包板焊盘，根据经验，通常此种操作环境下，电烙铁温度水平能够维持在400℃上下即可，且加热时长保持在2s左右，这是一般标准时间，需要根据器件材料与种类进行针对性调节或有所区别。在焊接时，如果觉得焊接没有达到预期效果，想把已经焊接好的元器件取下，此时方法还是对焊接处加热，这个作业过程是在焊接处又加上一些焊锡丝，从而保持焊点形状原有的圆润，之后再进行加热，在过程中快速将其取下，此时一定要动作敏捷注意时间，否则将可能造成焊盘损坏。

第三步清理焊接面：

进入这一步时，先需要观察焊接点，判断其是否完美，并且评估其是否存在虚焊。如果发现问题就必须即刻进行改正，这里又分为两种情况，一种就是由于焊锡丝供给不够充足，导致焊接点不够圆润，需要进行补焊锡，在进行这一处理工作时，要注意焊锡量要合适，过多过少都可能导致焊接效果达不到效果，过多就可能导致其他引脚被粘上。另一种焊锡过多，这种情况的处理方法是把电烙铁在焊接点以加热状态进行来回滑动，将这里明天溢出的焊锡带走，如果这个处理没有满足要求，则需要利用吸锡器。

第四步检查焊点：

在这一步主要是基于前面三个步骤进行最后的观察，评估焊接质量，主要是从焊接点圆润度和亮度等方面进行考量，并且查看其是否与其他脚存不存在粘连。

　5.2 系统调试

系统开发完毕，能够进行下一步上电调试前，有必要再次对整体焊接万的系统进行各方面检查，看有没有断裂情况，另外正负极是否正确，及脚粘连情况，或者判断存不存在虚焊等，利用万用表去检查是否存在短路等电路或电源等方面的问题，确保系统焊接状况良好。

搭建调试平台，先需要着手进行程序调试，如果调试结果与过程反应良好，没有出现问题，之后则进行系统功能测试，评估其是否与预期方案相符，若功能不相符出现了问题，需要返回去进行程序调试，重复上述流程，直到功能完全相符。

5.2.1 系统程序调试

软件调试流程为：

以Keil4软件为开发平台，在其中建立“工程”项目：直接点击菜单栏中的“工程”，在其下拉菜单中选择新建项，并输入设计方案名称，即“太阳能路灯设计与实现”并点击保存；在之后“”目录下找出自己所需的单片机型号，即“　”。新建用户源文件：源代码编写一般都是在新建文本中进行，写完则点击保存，并输入文件名即“太阳能路灯设计与实现”，则新文件建好。程序编译和调试：点击页面的编译按钮，会进入文件自运行，同时系统会给出相应提示信息，如果出现error信号，则需要依据提示去进行错误查找并及时进行有效调整或改正，直到再次进入运行且没有错误位置。这一过程见图5.3。

提示信息无错误

若程序运行正常，则实现烧写程序，此一步骤是经由PL2303串口烧写模块实现，并进行功能验证，确定其满足预期方案要求并且没有实现问题，如果无法满足则需要程序调试，确定全部功能满足则整个开发流程能够进入下一阶段。

5.2.2硬件测试

本文方案开发最后一个环节就是硬件测试，面向对象为焊接好的板子，需要利用到的工具与设备包括万用表、示波器及电源，这是一个整体调试过程，需要逐个对期间进行检测与调试，判断其是否能够正常运行，目前分成两个测试内容，即动静态调试，分别介绍如下：

静态调试，其又可以进行四类划分。肉眼观察。该方法就是用人眼去查看硬件的各项细节内容，包括焊接点饱满程度、焊接质量、器件连接是否正常等。万用表调试。利用该器件能够判断电源是否短路，之后可以对管脚连接进行实际测量以判断是否存在接线不良或错误等问题。上电检查。基于前面两个调试项目，在确定没有问题后进行该项调试，上电以后对器件运行进行观察，并保持一段运行时间以判断其稳健性，并进行详细功能检验。综合测试。这一方法买逆向的是单片机开发板开发的系统，本文并没有采用这种开发模式因此不需要进行该项测试。二、动态调试：

所谓动态调试，就是在全面所有静态调试都顺利完成并逐一进行错误修正确定方案正确无误的前提下进行的最后一个检查环节，判断功能与运行是否正常且符合预期目标，防止出现器件损坏情况，导致方案性能要求无法满足。

5.3实物测试

经过测试，显示结果为正常，具体见下图。

系统测试图

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