风光互补型智能路灯系统设计

风光互补型智能路灯系统设计主考院校：专业：指导老师：考生姓名：准考证号：二零一二年四月十日摘要随着科技的发展，我们的生活变好了，但是我们周围的环境越来越差，而且自然界中一次性能源也越来越少，这样就被迫我们要去寻找新的能源。太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性。由于风能和太阳能的随机性、间歇性，为满足稳定、持续的给路灯供电的需要，而新的能源单一化的使用却不能解决我们所面临的问题，能源的合理利用也越来越成为世界各国研究的主题。本文介绍了风光互补型智能路灯系统设计，此系统可将风能与太阳能合理的结合互补，风光互补型路灯是利用太阳能组件的光生伏特效应，将光能转换为电能，以及风力发电将风能转化为电能，并储存在蓄电池中供负载使用，它是集太阳能光伏技术、风能发电技术、蓄电池技术、照明光源技术于一体的新兴技术。由于小型风光互补路灯控制器的结构复杂，影响运行控制的因素很多，此文只着重考虑了在整个风光互补系统的经济性、可靠性的基础上进行蓄电池充放电控制系统和路灯控制系统的研究，为小型风光互补路灯控制器运行控制的深入研究和控制系统的不断完善提供了参考，以及用MCS-51中AT89C51单片机系统来控制整个电路，在电路中利用光敏电阻来对路灯的开与关进行控制，构成反馈电路来对路灯出现故障时的软件反馈，来对路灯的整体设计加以完整。关键词：新型能源；智能型路灯；单片机；能源互补目录绪论1.1研究背景1.2我国太阳能、风能发电的发展趋势太阳能发电的发展趋势风能发电的发展趋势1.3本课题的研究内容第二章太阳能和风能发电系统的工作原理2.1传统的电力给电系统的原理传统的电力给电系统的原理传统的电力给电系统的弊端2.2传统的光伏发电系统的原理传统的光伏发电系统的原理光伏发电系统的弊端2.3传统的风力发电系统的原理风力发电系统的原理风力发电系统的不足2.4风光互补发电系统的原理最合理的独立电源系统技术方案的最优配置第三章风光互补发电系统中蓄电池的工作原理3.1蓄电池的工作特性铅蓄电池的工作原理蓄电池的工作温度影响3.2蓄电池的检测第四章路灯定时控制4.1路灯的开关与外界光照强度的关系4.2采用光敏开关检测环境照度第五章控制器硬件部分及外围电路设计5.1风光互补控制器方框原理图5.2硬件设计原则5.3时钟电路5.4复位电路可靠性人工复位5.5按键电路5.6显示电路显示方式选择LED的驱动和显示第六章软件设计6．1主程序6．2计时程序6．3中断程序第七章系统的硬件抗干扰设计7.1抗干扰概念7.2干扰的消除第一章绪论1.1研究背景随着科技的发展，我们的生活变好了，但是我们周围的环境越来越差，而且自然界中一次性能源也越来越少，这样就被迫我们要去寻找新的能源。而我们所找到的能源也是单一性的使用，那样所用的能源利用率不高而且相对的成本也比较高，所以我们就要可以寻求一种新能源的互补技术，合理的利用两种或多种新能源互补运用的技术，这样多种能源的互补在能源相对强烈的情况下把能量储存起来，在能量相对弱的情况下把储存的能量释放出来合理地利用能量。随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，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重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。1.2我国太阳能、风能发电的发展趋势太阳能发电的发展趋势而长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。风能发电的发展趋势风力发电是一种主要的风能利用形式，风力发电已经开展了多年，随着能源环境的变化和风力发电产业的成熟，未来几年风力发电将呈现新的趋势。1风力发电成本将大幅降低随着风力发电技术的改进，风力发电机组将越来越便宜和高效。增大风力发电机组的单机容量就减少了基础设施的投入费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商的经验丰富，项目开发的成本也相应得到降低。风力发电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。总体上，风力发电成本将得到大幅降低。2技术装备国产化比例必然提高实现风力发电技术装备国产化的目的是提高我国风力发电装备的制造能力和技术水平，降低风力发电成本，提高市场竞争能力，为推动我国风力发电技术大规模商业化发展奠定基础。其重要意义不仅仅在于降低风力发电成本，还将推动我国风力发电机组产业的形成，利用我们的优势走向国际市场。3海上风力发电悄然兴起并将成为重要能源形式海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近来研究和应用的热点。多兆瓦级风力发电机组在近海风力发电场的商业化运行是国内外风能利用的新趋势。随着风力发电的发展，陆地上的风机总数已经趋于饱和，海上风力发电场将成为未来发展的重点。海上发电是近年来国际风力发电产业发展的新领域，是“方向中的方向”。随着海上风力发电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。4风力发电机组不断向大型化发展随着现代风力发电技术发展的日趋成熟，风力发电机组正不断向大型化发展。大体上大型风力发电机组有两种发展模式。陆地风力发电，其方向是低风速发电技术，主要机型是2—5MW的大型风力发电机组，这种模式关键是向电网输电。近海风力发电，主要用于比较浅的近海海域，安装5MW以上的大型风力发电机，布置大规模的风力发电场，这种模式的主要制约因素是风力发电场的规划和建设成本，但是近海风力发电的优势是明显的，即不占用土地，海上风力资源较好。以上我们所说的发电形式，无论是光伏发电还是风能发电，都不能在我国大多数城市实现，比如太阳光照在冬季的时候相对了说就比较弱，不能提供足够的能量来发电；而风能在我国大多城市群就更不能形成了，城市气候对城市中的风形成起到了较大的作用使得风力发电出现了短缺，这就让我们考虑是不是应该把两种或两种以上的新型能源形结合形成一种复合式能源提供给我们，这就说到本文提出的风光互补型复合型能源。1.3本课题的研究内容随着风能和太阳能的传统利用已经不能给现在这个急需能源的当前社会，单一的新型能源利用单调及其不协调，单一能源的弊端也逐渐显现出来，这就要我们寻找一种方法来充分的利用新型能源，我们就可以把两种或两种以上的新型能源结合利用，因为我国的地域广阔，每个地方的各种新型能源不一，这就让我们想尽各种方法去尝试，根据我对我国大部分地区的分析，发现我国春秋季节风能和太阳能相对适中，冬季风比较多，而夏季则风能相比较太阳能较弱，顾由此我分析我国可以把风能和太阳能进行互补利用。传统的风能或太阳能单一发电系统会造成我国的大部分地区在特定的时候就会出现能源部够用的枯竭，而如果采用风光互补就可以解决单一能源的不足。了解了大部分城市，我国在风光互补的路灯上面运用的几乎没有，现在路灯已经成为我们城市建设的必不可少的设施，然而我国目前所用的绝大多数都是单一的传统供给电能。城市的发展，道路的建设，路灯的架设，这是多么庞大的能源消耗，在这个能源短缺的时代，怎能如此消耗？寻去新的措施减少能源的消耗但又不能影响城市的发展，就要寻找能够代替的能源，这也成为我所写的课题的重要关键所在，根据上述的介绍也能初步了解了风光互补能源的利用，既不浪费大量的能源消耗，又不污染环境的风光互补新型路灯就成为我们新型城市的环保低碳生活的大势所需，那就让我们一起关注下面的论述。第二章太阳能和风能发电系统的工作原理2.1传统的电力给电系统的原理传统的电力给电系统的原理一次能源燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电的，发电系统主要由燃烧系统（以锅炉为核心）、汽水系统（主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成）、电气系统（以汽轮发电机、主变压器等为主）、控制系统等组成。前二者产生高温高压蒸汽；电气系统实现由热能、机械能到电能的转变；控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。而火力发电站的主要设备系统包括：燃料供给系统、给水系统、蒸汽系统、冷却系统、电气系统及其他一些辅助处理设备。简单介绍火力发电厂，如图2-1所示：图2-1火力发电的生产过程示意图传统的电力给电系统的弊端我们现在常用的电都是通过一次能源或者单一的新型能源经过发电机产生电能，这种供电的能源利用率比较低而且所用的传输线比较多并且传输线的架设也是比较费时费力还浪费钱。这个只是这种路等的前期投资，还用如果当一条路的路灯中又个别坏了，还要对整个线路进行排查，这也是一项庞大的工程，所以我们要找到一种合适的供电系统，以便解决当前我们所面临到的问题。2.2传统的光伏发电系统的原理传统的光伏发电系统的原理为了为子孙后代留下一点那些少的不能再少点不可再生能源，我们就要寻找新能源，所以随着科技的发展，我们寻到到太阳能作为提供能源的新型能源，但是我们大多数对这种能源知之甚少。然而我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。为边远地区供电的系统、太阳能户用电源系统、通讯信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电站是独立光伏系统。图2-2为一独立光伏发电系统的结构示意图，光伏发电系统由太阳能电池、阻塞二极管、调节控制器和蓄电池组成图2-2太阳能光伏发电系统结构示意图光伏发电系统的弊端1光电转化率很低。太阳能光伏发电的转换效率低，依旧是国家乃至世界研究组一直以来希望妥善解决的问题。2光伏发电需要很大的面积。太阳能电池板正越来越多地点缀于城市建筑的屋顶、墙壁，成为一座座所谓“清洁无污染”的太阳能电站。然而，在这种被称为“绿色电站”的身后，却“隐藏”着一系列高能耗、高污染的生产过程。此类电池的效率随面积放大而降低。这一点又与太阳能发电需要充足的日照和广域的面积相矛盾。3所需光照要求复杂。太阳能发电所需的必要条件就是光照指数，如在阳光不太充足的多云天气亦或者是雨天和闷热的天气里，太阳光伏效应转换的效率将会大幅度降低，然而系统还仍需连续供电。4光伏发电成本太高。阳能电池板效率只达到22%，而且晶硅太阳能电池的主要材料是硅片，然而目前，太阳能电池板主要用的硅，其高纯度是99.9999%。它的硅技术被德国、日本、美国等几个公司垄断了,但是国内的研发需要高端材料。可想而知，太阳能电池用的硅都是进口的。它的价值不菲，成本太高。2.3传统的风力发电系统的原理风力发电系统的原理将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。风力发电可视为备用电源，但是却可以长期利用。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型风力发电系统的不足风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能,从而推动叶轮旋转。如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。但是风电系统的不足也十分明显，而主要的有几下几点：1）噪声，视觉污染都是一种环境污染给人们生活造成不便；2）占用大片土地，在当前土地资源紧张的境况下造成资源的浪费；3)不稳定，不可控，风是自然形成而不受人有效的控制；4）不论材料成本还是技术成本都比较高，不利于普遍的使用风力；5)大量的建造风力发电的设备使鸟类失去了空间，对生态环境有不利的影响。2.4风光互补发电系统的原理最合理的独立电源系统偏远地区一般用电负荷都较小而且居住分散，所以用电网送电成本就很高，因此只能在当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机。但柴油的储运对偏远地区来说成本太高，而且难以保障。所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源，要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源——太阳能和风能。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。偏远地区往往太阳能和风能资源又非常丰富，这为在偏远地区推广风光互补发电系统提供了资源条件。太阳能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态（如沙土地面、植被地面和水面）对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。因此，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。技术方案的最优配置光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统日发电量大，系统造价低，运行维护成本低，缺点是我国的小型风力发电机的可靠性设计一直没能解决。另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。目前，推广风光互补发电系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性问题。第三章风光互补发电系统中蓄电池的工作原理3.1.蓄电池的工作特性蓄电池的工作特性包括：静止电动势、内阻、充电特性和放电特性。而我们通常所说的静止电动势就是蓄电池处于静止状态时，正负极板之间的电位差（即开路电压）称为静止电动势。蓄电池的内阻就是电流流过蓄电池时所受到的阻力，蓄电池的内阻包括以下几部分：（1）极板内阻很小，随活性物质的变化而变化，充电时变小，放电时变大；

（2）隔板内阻与材料有关；

（3）电解液内阻温度升高，内阻下降；

（4）联条内阻很小，为定值。在恒流充电过程中，蓄电池的端电压UC和电解液密度ρ25℃随时间ｔC而变化的规律，这个就是我们说的充电特性。可是在恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf和电解液密度ρ25℃随时间ｔf而变化的规律。在密度为1.05～1.30g/cm3范围内

ES=0.85+ρ25℃（V）

其中，ρ25℃（V）为25℃时电解液的相对密度ρ25℃=ρT+0.0007（T-25）

铅蓄电池的工作原理铅蓄电池属于二次电池，其充放电过程是一种可逆式电化学反应。由于铅蓄电池的电解液是硫酸水溶液，所以在充放电过程中，蓄电池内电流的形成就是靠正负离子的反方向运动来实现的。一、铅蓄电池的放电过程铅蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。蓄电池供给外电路电流时称为放电，放电时电流从正极流出，经用电器流向负极。在蓄电池内部的电流方向则与上述方向相反，电流是从负极流向正极的。在电流的作用下，电解液内部处于电离状态，硫酸和正负极板上的活性物质反应形成硫酸铅，硫酸量逐渐减少，硫酸中的氢和正负极板上的二氧化铅的氧气发生反应变成水。根椐电解液相对密度的大小可以判断蓄电池的放电程度和确定放电终了的主要标志。必需注意在正常使用情况下，蓄电池不宜放电过度，否则，将使和活性物质在一起的细小硫酸铅结成较大的结晶，增大了极板电阻，影响充电时的还原。整个放电过程的化学反应式是：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O二、铅蓄电池的充电过程铅蓄电池的充电过程是电能转换成化学能的过程。若使铅蓄电池在放电终了后，使正负极板上的生成物质恢复为原来的活性物质，就必须具备一定的条件，这个条件是利用直流电源进行充电。充电的过程与放电过程正好相反，铅蓄电池内部电流方向是从正极流向负极，充电的电流即从负极流出，经过充电设备流向正极。在充电电流的作用下，正负极板上硫酸铅分形成二氧化铅和铅，硫酸反回电解液中，当电池充电后，两极板活性物质被恢复为原来的状态，而且电解液中的硫酸成份增加，水份减少。铅蓄电池充电终期可由电解液相对密度的大小来判断。充电终期时，由于正负极上的硫酸铅（PbSO4）已大部分转变成二氧化铅（PbO2）和海绵状铅（Pb）。如果再继续充电，充电电流只能起分解水（H2O）的作用，结果在负极板便有氢气逸出（H2）,在正极板则有氧气（O2）逸出，形成强烈的冒气现象。因此充电终期，电流不宜过大，否则，产生气泡过于剧烈，易使极板活性物质脱落，所以充电电流应适当的减小。整个充电过程的化学反应式是：2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4蓄电池的工作温度影响在独立运行的太阳能光伏发电系统中,蓄电池是关键部件,其主要作用是存贮和调节电能.目前我国还没有专门用于太阳能光伏发电系统的蓄电池,而是使用常规的铅酸蓄电池,主要类型有:固定式铅酸电池、工业型密封电池、小型密封电池、启动型蓄电池等.温度是影响蓄电池使用寿命的主要因素之一.蓄电池的工作受到温度影响的主要表现在蓄电池的容量上和寿命上，由于蓄电池在低温或高温环境工作都会影响其工作性能，尤其是在低温下，其工作容量将会下降很多，这是蓄电池特性所决定的。在地表下1米-1.5米处，其环境温度受地温的影响较明显，起到一定的“恒温”作用，使其在冬季温度觉地表以上高，在夏季炎热时又比地表上温度低，有利于蓄电池性能的发挥。由于发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。[1]3.2蓄电池的检测1外观检测：检查产品的标志和标识，其内容包括生产厂家、规格型号、商标、正负极。如果上述内容缺漏，这项检测即为不合格。外观检查中应特别小心所标内容与实际不符的情况。外观检查还应该考核蓄电池外壳质量。确保外壳硬度、注液孔等指标。2低温启动检测：低温起动能力检测是将蓄电池完全充电后1h~5h内放入温度-18℃±1℃的环境中，至少持续20个小时以上。蓄电池在低温室内或低温箱内取出后1min内，以大电流放电，检测放电时间是否符合标准。标准要求使用4.5～5倍C20的电流放电，5s时，蓄电池单体电压不得低于1.5V.60s时,蓄电池单体电压不得低于1.4V，也就是模拟实际低温起动时5秒内蓄电池的放电电流。3蓄电池容量检测：可通过外观尺寸测量，储备容量检测法（国家标准简易，当蓄电池容量小于120Ah时，应当优先选用储备容量检测法。在检测过程中，这种方法放电电流大、时间短、电化学极化快且储备容量值明确。一般情况须要进行三次放电试验才能确定是否合格。）4耐温变性能检测：将蓄电池分别在高于65℃和低于-30℃的环境中放置24小时，然后在25±10℃的环境中放置12小时，然后进行气密性试验（按照标准给蓄电池每个单体充入或抽出气体，是单体与单体、单体与外界之间产生压差在3s～5s内是否变动，则可以确定气密性是否完好）如果试验合格，则说明蓄电池耐温变性能良好。第四章路灯定时控制4.1.路灯的开关与外界光照强度的关系在半导体技术的飞速发展下大促进了光能应用的快速进步，在发电，取暖等方面尤为突出，智能化电路设计引进光技术已不是新奇事了，在光控电路的设计中不同于声控电路复杂的结构，随着半导体光敏元器件的快速发展，我们在设计光控电路时面临的问题已由怎样使光信号转化为电信号变为怎样在电路中加大电信号的强度？这一问题如今也以得到了较好的解决，光敏元器件的应用在光照的情况下使其电参数发生变化从而使其对电流的阻碍作用减小或增大，进而使电路导通或截止，电信号强弱的改变光控转化为电控电路功能的实现便容易了。在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高尤其是光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确，稳定。故在选择这类元器件时一定要选择高灵敏度工作稳定可靠的元件，当然电路工作的稳定是否？功能能否实现？并不仅仅只和电路元器件有关，外加电源也是不可忽视的，与声控电路一样最好也是给光控电路加上一个稳压电路确保电路能正常工作。我们都知道现在城市中档光亮达到一定的时候，路灯就会开启，利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使其导通工作。光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通工作。就其方案而言多种多样，但我们在设计时必须要考虑方案的可行性，稳定性以及元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的这样电路功能才能较容易实现，为此我们在设计光控电路时，不但要尽量使电路结构简化，而且要使电路功能强，功能的实现要可靠稳定。4.2.采用光敏开关检测环境照度光敏电阻是一种半寻体器件，利用半寻体的光电效应。当有光照时电阻很小。无光照时电阻很大。可用晶体管组成放大器，做成自动控制电路。实现你所需要的电路。把光敏电阻作为晶体管的偏流电阻[2]。这样当有光照时晶体管导通，驱动灵敏继电器。用继电器接通电动机。将窗帘打开。继电器可用JRX--13F灵敏继电器。其吸合电流不大于50MA。前级放大器可用达林顿管组成。放大器后可接一个反向器。反向器驱动继电器原理及电路：如电路图所示,夸接于稳压二极管的光敏电阻,其值受照射光强弱而变化与稳压二极管并联故电压与稳压二极管相同,当光敏电阻值小时,其电压亦小,若小于崩溃电压时,稳压二极管无法崩溃,而无法提供触发电路之稳态电源电压,因此UJT无法振荡,所以SCR无法触法导通灯泡不亮。若光敏电阻因被遮掩而内电阻增加,其分压抑随只增加当增加只电压,大于稳压二极管的崩溃电压时,稳压二极管即崩溃,提供稳态之电压,供触发电路使用,因而UJT弛张震荡电路得以正常工作SCR(可控硅)因触发而导通,灯泡亦因通电而发光原理：光敏电阻大都是由硫化璃(cds)或化璃(cdse)等材料制成,其波长大约在4000-10000A之间,当光敏电阻受到光照射时,在其材料内部随着光罩设的增加,产生之电子电洞对亦增加,使光敏电阻直随之降低,反之若外界光线降低则光敏阻值增加。光敏电阻规格：型号最大功耗(mW)环境温度（℃）光谱峰值(nm)亮电阻（10Lux)(KΩ)暗电阻

（MΩ）100γ10响应时间

mS照度电阻特性最大电压GL4537-150-30～+7054054020.7304150NTC热敏电阻线性化的电路设计MAX6691的端就依次连接到热敏电阻上，再经过接基准电压，测量过程需102ms（典型值）。测量结束时，MAX6691先把I/O端拉成低电平并保持125，然后按照顺序输出4个脉宽信号,即表示高电平持续时间，它与外部电阻上的压将成正比。代表低电平持续时间，它与成正比，因为固定值，故恒定不变，＝4.9ms。比值的表达式为主要技术参数：

1、额定零功率电阻值范围(R25):0.1~1000KΩ

2、R25允许偏差:±1%、±2%,±3%,±5%,±10%.

3、B值范围(B25/50℃):1960~4480K

4、B值允许偏差:±0.5%,±1%,±2%.

5、耗散系数:2mW/℃(在静止空气中)

6、热时间常数:20S(在静止空气中)

7、工作温度范围:-55℃~+300℃

8、额定功率:≤50Mw第五章控制器硬件部分及外围电路设计5.1.风光互补控制器方框原理图由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。图5-1就是风光互补电路的控制框架图，我们可以了解到风电与光电相互结合的基本框架。图5-1风光互补电路的控制框架图我们可从图5-1风光互补电路的控制框架图中分析控制部分的原理图，根据要求需要设计感受外界光照强度的反馈电路和路灯故障反馈电路，感受外界光照强度一般采用光敏电阻或光敏二极管，通过单片机来对路灯的开与关的设置，以及电能的蓄电补充采用光敏二极管感受外届光照变化，无光照时,有很小的饱和反向漏电流，二极管截止；光照时反向电流增大，形成光电流。采用光敏电阻对光源的感应改变自身电阻，由电压比较器提取之间电压，考虑到电阻变化的灵敏度，采用两个光敏电阻串联的方式，通过改变与光敏电阻串联的电位器的值可以调节光敏电阻的感光范围。对于单片机的控制原理理解可以设计如图5-2风光互补路灯控制器原理图。图5-2风光互补路灯控制器原理图5.2.硬件设计原则一个大型的单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置应遵循以下原则：1、尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求。3、硬件结构应结合程序设计方案一并考虑。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。4、系统中的相关元器件要尽可能做到性能匹配。5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。6、尽量减少外围。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性[3]。因而在选择器件上尽量的简洁。根据要求，分析出需要的功能有：具备时钟功能、时间调节的调节、二极管(模拟路灯)的显示功能、定时开灯关灯的时间调整功能、按键控制功能。基于以上功能要求，我们决定使用AT89C51芯片，显示器件选用数码管（4个），通过电阻驱动，驱动数码管的显示。数码管采用动态显示。确定的结构框图为：单片机单片机时钟电路复位电路按键输入驱动电路数码管显示二极管显示图5-3结构框图5.3时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的。晶振的选择：6MHz的晶振，其机器周期是2us。12MHz的晶振，其机器周期是1us,也就是说在执行同一条指令时用6MHz的晶振所用的时间是12MHz晶振的两倍。为了提高整个系统的性能我选择了12MHz的晶振。振荡方式的选择：内部振荡方式，MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件，这样就构成了内部振荡方式。外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适合用来使单片机的时钟与外部信号一致。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振我选择了12MHz，相对于6MHz的晶振，整个系统的运行速度更快了。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值可以选择了30pF。内部振荡方式所得的时钟信号稳定性高。5.4复位电路可靠性计算机在启动运行是都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平。使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。此时ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平[4]。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。复位以后内部寄存器的初始状态为（SP=07，P0、P1、P2、P3为0FFH外，其它寄存器都为0。对于NMOS型单片机，在RST复位端接一个电容至VccHE一个电阻至Vss，就能实现上电自动复位，对于CMOS单片机只要接一个电容至Vcc即可。如图，在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使MCS-51有效地复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括Vcc的上升时间和振荡器起振时间，Vcc上升时间若为10ms，振荡器起振时间和频率有关。10MHz时间约为1ms，1MHz时约为10ms，所以一般为了可靠地复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。图5-4中，RC时间常数越大，上电时RST端保持高电平的时间越长。振荡频率为12MHZ时，典型值为C=10uF,R=8.2KΩ。若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。图5-4上电复位电路人工复位除上电自动复位以外，常常需要人工复位，将一个按钮开关并联于上电自动复位电路，按一下开关就RST端出现一段时间的高电平，即使器件复位。如图所示图5-5上电和开关复位而在这次的毕业设计中运用的上电复位电路.即只要一接+5V电压,系统就会自动的复位.出于可靠性和适时性的考虑，我选择了简单实用的上电复位电路上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。从而实现上电复位操作。我选择的C=10uF，R=1KΩ。5.5按键电路在单片机系统中，通常有且仅有一键按下才视为按键有效。有效的确认方式通常又可以分为两类。第一类为按下-释放键方式，系统要求从按下倒释放键才算一次有效按键。另一类为连击方式，就是一次按键可以产生多次击键效果，其连击频率可自己设定。根据设计的需要，选择了按下-释放方式，电路如下图5-6所示。电路为低电平有效输出方式，当按键按下时输出为低电平。图5-6开关电路图在按下-释放键方式时，系统先判断是否有键按下，若不用硬件去抖，则同时进行软件去抖，确认有键按下，然后等待至该按键释放才算依次按键，注意释放键判断同样要进行去抖处理。5.6显示电路显示方式选择LED数码显示器时常用的显示器之一，我用的是单片机并口设计的LED数码显示电路。LED有着显示亮度高、响应速度快的特点，最常用的是七段式LED显示器，又称数码管。七段式LED显示器内部由7个条形发光二极管和1个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。

所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离。

所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的。显示有以下两种方式：方式一：静态显示方式，就是把共阴极或共阳极的公共端（位选端）连接在一起接地或接5V电源，形成位控端；每一位的段选线（a～dp）作为段控端。方式二：动态显示方式，是单片机应用系统中最常用的显示方式，把所有的显示器的同名段选端选线相互并接在一起，由同一个8位并行输出口控制；而各显示器的位选线则分别由不同输出口线控制端。这样各显示位不能同时显示不同的数字或字符。因此要选择扫描的方法，即从左到右（或从右到左）依次轮流使每位显示器显示数字或字符并保留一段时间（通常位1ms），由于LED的余辉特性以及人眼视觉的惰性，尽管各位显示器实际上使分时断续地显示，但只要适当选取扫描频率，给人眼的视察印象就会是在连续地显示，而察觉不到闪烁现象。相对与静态显示动态显示方式虽然占用的CPU空间较多，但使用的硬件少，所占用的端口也较静态显示方式少，可以大大的节约系统的端口资源，所以根据我设计中没有扩展端口，端口资源比较紧张，因此我才用的是动态显示，能节约线路板空间，而且效果也不亚于静态显示。LED的驱动和显示在电路设计的过程中，单片机的的P0.0-P0.7作为段选输出口，经上拉电阻加到数码管的A-G和DP上，P2.0-P2.5作为位选输出口，经电阻驱动分别加到数码管的COM端。LED的驱动问题是显示设计中的一个非常重要的环节。如果驱动能力差，显示器高度就低；且驱动器长期在超负荷下运行很容易损坏。下面就简单介绍选择LED驱动器时应注意的问题。显示分为静态显示和动态显示两种方式，由于这两种方式有本质的不同，因此在选择LED驱动器时，一定要分清显示方式。如果是静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器的工作电流相匹配即可，而且只需要考虑段的驱动，因为，共阳极接+5V，而共阴极接地，所以位的驱动无须考虑。动态显示则不同，由于一位数据的表示是由段和位选信号共同配合完成的，因此必须同时考虑段与位的驱动能力和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。段的驱动能力是由驱动能力决定位的驱动能力。段的驱动能力是由显示器的亮度决定的，通过发光的二极管的电流较大，其亮度也就越多，对于静态显示器，当某位电量时，此位中点亮的段通过恒定的电流；而对于动态显示器，此电流却是以一定脉冲方式出现的，其峰值电流来考虑。我采用的是三个数码管集成在一起的管子，这种管子的好处是在接线的时候比较简单，三个COM端接位选接口，非常适合用于动态显示。下图为数码显示的硬件电路设计:图5-6数码显示的硬件电路第六章软件设计6．1主程序本软件设计的程序设计包括判断各个按钮按下之后能够实现什么功能，判断开灯关灯的时间。其中，动态显示是在中断子程序中进行的，每一次中断的时间为1MS，每中断一次扫描一次，实现动态显示。正常走时的动态显示是在T0中断中进行动态扫描的，设置开灯关灯的时间是在T1中断中进行动态扫描的。主程序流程图为：图6-1主程序流程图6．2计时程序MCS-51单片机内部有两个16位可编程的定时器/计数器，即定时器T0和定时器T1。它们既可用作定时器方式，又可用作计数器方式。（1）定时器/计数器结构定时器/计数器的基本部件是两个8位的计数器（其中TH1，TL1是T1的计数器，TH0，TL0是T0的计数器）拼装而成。在作定时器使用时，输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的，所以定时器也可看作是对计算机机器周期的计数器（因为每个机器周期包含12个振荡周期，故每一个机器周期定时器加1，可以把输入的时钟脉冲看成机器周期信号）。故其频率为晶振频率的1/12。如果晶振频率为12MHZ，则定时器每接收一个输入脉冲的时间为1us。定时器/计数器有四种工作方式，其工作方式的选择及控制都由两个特殊功能寄存器（TMOD和TCON）的内容来决定。用指令改变TMOD或TCON的内容后，则在下一条指令的第一个机器周期的S1P1时起作用。（2）定时器/计数器的工作方式AT89C51片内的定时器/计数器可以通过对特殊功能寄存器TMOD中的控制位C/的设置来选择定时器方式或计数器方式；通过对M1M0两位的设置来选择四种工作方式，由于我采用了T0,所以就以T0来加以说明。方式0当M1M0设置为00时，定时器选定为方式0工作。在这种方式下，16位寄存器只用了13位，TL0的高三位未用。由TH0的8位和TL0的低5位组成一个13位计数器。当GATE=0时，只要TCON中的TR0为1，TL0及TH0组成的13位计数器就开始计数；当GATE=1时，此时仅TR0=1仍不能使计数器计数，还需要引脚为1才能使计数器工作。由此可知，当GATE=1和TR0=1时，TH0+TL0是否计数取决于引脚的信号，当由0变1时，开始计数；当由1变0时，停止计数，这样就可以用来测量在端出现的脉冲宽度。当13位计数器从0或设定的初值，加1到全“1”以后，再加1就产生溢出。这时，置TCON的TF0位为1，同时把计数器变为全“0”。方式1方式1和方式0的工作相同，唯一的差别是TH0和TL0组成一个16位计数器。方式2方式2把TL0配置成一个可以自动恢复初值（初始常数自动重新装入）的8位计数器，TH0作为常数缓冲器，TH0由软件预置值。当TL0产生溢出时，一方面使溢出标志TF0置1，同时把TH0中的8位数据重新装入TL0中。方式2常用于定时控制。例如希望每隔250µs产生一个定时控制脉冲，则可以采用12MHz的振荡器，把TH0预置为6，并使C/=0就能实现。方式2不用作串行口波特率发生器。方式3方式3对定时器T0和定时器T1是不相同的。若T1设置为方式3，则停止工作（其效果与TR1=0相同）。所以方式3只适用于T0。方式0和方式1的最大特点是计数溢出后，计数器全为0，因此循环定时或计数应用时就存在重新设置计数初值的问题，这不但影响定时精度，而且也给程序设计带来不便。方式2就是针对此问题而设置的，它具有自动重新加载功能，因此也可以说方式2是自动重新加载工作方式。在这种工作方式下，把16位计数器分为两部分，即以TL0作计数器，以TH0作预置寄存器，初始化时把计数初值分别装入TL0和TH0中。当计数溢出后，由预置寄存器以硬件方法自动加载。初始化时，8位计数初值同时装入TL0和TH0中。当TL0计数溢出时，置位TF0，同时把保存在TH0中的计数初值自动加载装入TL0中，然后TL0重新计数，如此重复不止，这不但省去了用户程序中的重装指令，而且有利于提高定时精度。但这种方式下计数值有限，最大只能到256。这种自动重新加载工作方式非常适用于连续定时或计数应用。当为计数工作方式时，计数值的范围是：1-256（28）当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：（28-计数初值）x晶振周期x12或（28-计数初值）x机器周期通过上述四种方式的比较，根据本计时软件设计的要求，所以我们就采用了T0定时器的方式1。[5]时间调整子程序流程图：图6-2时间调整子程序流程图本次设计中用到了T0和T1进行中断控制，T0和T1用的都是方式一。在中断子程序中放进了显示程序，中断时间为1MS，可以实现数码管的动态扫描且无闪烁感。6．3中断程序所谓中断,是指在计算机执行程序过程中,当出现某种情况,如发生停电和其他情况时,由服务对象向CPU发出中断请求信号,要求CPU暂时中断当前程序的执行,而转去执行相应的处理程序,待处理程序执行完毕后,再继续处理执行原来被中断的程序。中断子程序能实现时钟自动走时功能，从而实现计时的运行，在程序设计的过程中有着重要的作用，其流程图为：图6-3中断程序流程图第七章系统的硬件抗干扰消除7.1.抗干扰概念抗干扰：用来对抗通讯或雷达运行的任何干扰的系统或技术。学术定义：（1）抗干扰的定义是：结合电路的特点使干扰减少到最小。（2）所谓抗干扰：是指设备能够防止经过天线输入端，设备的外壳以及沿电源线作用于设备的电磁干扰。而我们在风光互补型智能路灯系统中所要注意的就是对系统中硬件的干扰性，当路灯出现问题时怎么样去排除具体是哪个并且启动辅路LED光源来维持照明并向控制系统发布维修的指令；以及当定时路灯开关出现问题也要防止系统不能发布相关指令,而导致路灯系统接收不到相应的指令做出改变,这些都要考虑的硬件干扰。7.2.干扰的消除抗干扰措施的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。切断干扰传播路径的常用措施，充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施，布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。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。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。结束语为期三个多月的毕业设计即将结束了，我完成了风光互补型智能路灯控制系统的设计。本系统设计特点：1．电路采用动态显示方式，硬件电路比较简单，制作方便。2．采用中断定时的方法，准确度高，相对于延时来说计时更加准确。3．数据处理速度快，采用了12MHZ相对传统的6M晶振单片机运行速度明显更快。4.对风能与太阳能的结合利用技术加以完善，为其他的新型能源的互补利用起到一定发展空间另外，本设计也存在着缺点，那就是驱动能力不强。从刚接到毕业设计课题：我首先是查找一些相关的书籍及资料，并根据实际情况拟定设计方案，从而达到优化方案。在研究设计电路时，最难的是调试了，但在老师和同学的帮助下使得本次设计达到了预定的要求。同时，通过这次毕业设计，在各个方面都有了很大的提高，特别是在理论和实践结合方面使我受益匪浅，使我大学里学习的理论知识在根本上得到一次最完整的实践和提高。也为我即将面临的工作奠定了很好的基础。在本次毕业设计中深深认识到自己的各个方面的不足之处，蹦着提高动手能力以及检测四年所学知识的目的，我严格要求自己，每一环节都认真对待，定期向知道老师报告进展情况和请教不懂的地方，得以完成任务。在以后的工作中，我必须进一步深化在实践中去丰富理论，完善知识结构。由于环境条件的影响，理论与实践还是有一定的差距，这也要求我们在实践中注意检验的积累。参考文献[1]湖北电力2009年8月第4期第33卷[2]安毓英，刘继芳，李庆辉光电子技术北京：电子工业出版2004[3]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.[4]孙涵芳徐爱卿MCS-51/96系列单片机原理及应用北京：北京航空航天大学出版社，1996.[5]陈小忠.单片机接口技术实用子程序[M].北京：人民邮电大学出版社，2005.[6]李广弟.单片机基础[M].北京:北航出版社，2010[7]杜军,邱瑞学.PL2101在路灯控制系统中的应用[J].国外电子技术.2003.(9).[8]魏秋菊,张华.一种改进的51单片机大容量数据存储器的系统扩展[J].科技资讯,2006,(01).[9]熊涛,丁辛芳,陈德英.一种新颖的照明控制电路[J].传感器技术，1999[10]肖丽仙.基于单片机的网络化路灯控制系统设计[J].国外电子测量技术,2006,(02)[11]王海伦,叶冬芬.单片机控制的照明智能控制系统[J].电气时代,2005附录一:硬件电路总体设计图硬件电路原理图附录二主程序清单#include<at89X51.h>//作为功能切换键按一下为设置现在时间，再按一下为设置开灯时间,再按一下为设置关灯时间，再按一下显示当前时间sbitfunction=P1^0;sbithour_add=P1^1;sbithour_sub=P1^2;sbitminute_add =P1^3;sbitminute_sub =P1^4;sbitlamp1=P3^0;sbitlamp2=P3^1;sbitlamp3=P3^2;sbitlamp4=P3^3;bitEN_COCLK=1;bitBEGIN=0;unsignedcharcnt;unsignedcharhour;unsignedcharminute;unsignedcharsecond;unsignedcharhalf_second;unsignedintms50;structtime{ unsignedcharhour; unsignedcharminute; unsignedcharsecond;}ds[2];unsignedcharcodetab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //CA//unsignedcharcodechoose_bit[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; unsignedcharcodechoose_bit[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};unsignedcharidatadisdata[7];unsignedcharidatadissetup[7];unsignedcharturnon[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};unsignedcharkey_min_hour=0; //分或秒闪烁unsignedchardisp_type=0; //记录时间组unsignedcharrn; //按定时开关键次数/**************************************** 延时1毫秒*****************************************/voiddelay1ms(unsignedinti) { unsignedinta,b;for(a=0;a<i;a++) for(b=0;b<120;b++);}/******************************* 显示时钟*******************************/voiddisp_clock(void){ unsignedchardisplay; 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