论文-太阳能LED路灯智能控制系统研究

长春工程学院毕业设计（论文）PAGE摘要太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术。充分利用太阳能不仅可以节约日益减少的不可再生能源，又可以减少对环境的污染，这使太阳能成为现在社会的一种重要能源。太阳能LED路灯，是太阳能应用在现实生活中的实例，近几年受到普遍的关注与研究。本论文设计了一种智能太阳能LED路灯系统，以AT89S51单片机为核心，通过对光强的检测和蓄电池电量的检测，再由单片机实现设定功能。本文内容包括国内外太阳能发电现状及工作原理，方案选择，元器件选择，系统的硬件，软件设计及系统的改进方向。其中系统的硬件设计主要包括单片机最小系统、蓄电池充放电控制电路、主副电路的电压变换电路、A/D转换电路、主副电路切换电路、光强检测电路、电量检测电路、系统与上位机通信电路和温度检测等设计。关键词太阳能LED路灯光强检测电量检测Abstract：Solarphotovoltaicpowergenerationisakindofdon'tneedfuel,pollution-freeelectricityforhighandnewtechnology.Makefulluseofsolarlightcannotonlysaveincreasinglyreducenon-renewableenergysources,andcanreducethepollutiontotheenvironment,whichmakessolarenergysocietybeanimportantenergy.SolarLEDstreetlightisasolarenergyapplicationexamplesinreallife,soitiswidelyattentionandresearchinrecentyears.ThispaperdesignsakindofintelligentsolarLEDstreetlightsystem.ItisbasedonAT89S51asthecore,throughtheopticaldetectionandbatterypower,tosetfunctionbymicrocomputer.Inthispaper,theconcretecontentincludessolarpowerathomeandabroadpresentsituationandtheworkingprinciple,schemeselection,componentselection,systemhardware,softwaredesignandtheimprovementdirectionofthesystem.Thesystem'shardwaredesignmainlyincludestheSCMsmallestsystem,storagebatterycharginganddischargingcontrolcircuit,maincircuitandassistantcircuitvoltageconversioncircuit,A/Dconversioncircuit,maincircuitandassistantcircuitofswitchingcircuit,lightintensitydetectioncircuit,powercircuit,communicationcircuitofsystemandtheuppermachine,temperaturedetection.Keywords:SolarenergyLEDstreetlightLightintensitydetectionCapacitycheckPAGEII目录TOC\o"1-2"\h\z\u1绪论 11.1前言 11.2国内外发展现状 21.3研究的内容 52方案论证 72.1控制方式的选择 72.2蓄电池充电方式的选择 72.3电网电压的转换电路的选择 92.4电池电量检测方式的选择 113元器件选择 133.1太阳能电池的选择 133.2控制器的选择 143.3蓄电池的选择 163.4光强检测的选择 173.5LED的选择 193.6以长春地区为例的设计举例 204硬件电路设计 214.1单片机简介 214.2时钟电路 264.3复位电路 274.4过充过放控制电路 274.5副电源电压变换电路 284.6报警电路 294.7蓄电池电压变换电路 294.8A/D转换电路 304.9光强检测及传感电路 314.10主副电源电路切换电路 324.11电量检测电路 324.12系统与上位机通信电路 334.13温度检测电路 335系统软件设计 345.1路灯开关程序框图 355.2蓄电池充电程序框图 355.3主副电路切换程序框图 366系统设计展望 377总结 38参考文献 39致谢 40附录 41附录一主程序 41附录二原理图 46长春工程学院毕业设计（论文）PAGE261绪论1.1前言能源是当今世界存在和保持发展的核心动力，随着社会生产的扩大、人口的增长、科技的发展等，对能源的需求也在不断增长，当今世界已经面临着能源需求量成倍增长的挑战，随之而来的是全球范围内的能源危机。在传统的能源消费结构中，以石油、天然气和煤炭为主的化石能源占有重要比例。随着人类近百年的消费，这些化石能源的消耗非常快，据专家预计地球上25亿年累积的化石能源，人类只要400年就可以消耗殆尽，因此能源危机在当代显得更加危机。不仅如此，化石能源的大量使用还造成了全球的环境恶化，引起气候异常、臭氧层空洞扩大、酸雨频发等恶果，由化石能源的消耗所产生的二氧化碳是导致地球温室效应的最主要原因，目前全世界每天产生的温室效应气体以亿吨计，如果不加以控制，气温持续走高，会造成两极冰山融化、海平面上升，连人类生活的空间都将面临极大威胁。太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的新技术，具有安全可靠、无噪声、能量随处可得、不受地域限制、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便的与建筑物相结合等优点。因此，在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具潜力的研究领域。在光伏太阳能应用领域，太阳能照明占有重要的地位和份额，而LED太阳能路灯是一个具体而实际的应用。有资料显示，每年用于照明的电力在3000亿度以上，若采用LED照明，每年就可以节约1/3的照明用电，基本上相当于总投资规模超过2000亿元的三峡工程的全年发电量。由于太阳能电池板输出的是直流电能，而LED也是直流驱动光源，两者的结合更是提高整个系统的效率，降低了市政成本，所以LED太阳能路灯越来越受到人们的重视。我国太阳能资源丰富，全国2/3以上地区年日照时间大于2000h，其中西部较多地区日照时间超过3000h。但是我国实际开发利用的太阳能资源还不到可开发利用的1/1000，因此太阳能的发展潜力巨大。为了按照各地不同条件更好地利用太阳能，按接受太阳能辐射量的大小，全国大致可分为五类地区，如下表1-1[1]所示。吉林地区属于太阳能辐射量的三类地区，为中国太阳能资源的中等类型区，全年日照时数为2200～3000h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为5016～5852MJ，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。所以，如果把本地区的太阳能有效地利用起来，对于节约能源和环境保护都有着可预见的收益。表1-1我国太阳能资源分布情况地区类型年日照时数/(h/a)年辐射总量/[MJ/(m2·a)]等量热量所需标准燃煤/kg包括的主要地区备注一类3200～33006680～8400225～285宁夏北部，甘肃北部，新疆东南部，青海西部，西藏西部太阳能资源最丰富地区二类3000～32005852～6680200～225河北西北部，山西北部，内蒙古南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部较丰富地区三类2200～30005016～5852170～200山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部，福建南部，江苏北部，安徽北部，台湾西南部中等地区四类1400～22004180～5016140～170湖南，广西，江西，浙江，湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，江苏南部，安徽南部，黑龙江，四川西部，台湾东北部较差地区五类1000～14003344～4180115～140四川东部，贵州，重庆最差地区1.2国内外发展现状1.2.1太阳能发电的国内外发展现状太阳能发电主要利用光照的“光伏效应”。1839年，法国科学家A.E.贝克雷尔发现光照能够使由两片金属侵入电解液结构的伏打电池产生额外的电位势，这种现象被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。在所有能产生光伏效应的器件中，半导体PN结是迄今光电转换效率最高的器件，因此太阳能电池主要采用此结构。早期的太阳能电池光电转换效率低，生产成本高，阻碍了太阳能电池的使用。科学家们一直致力于太阳能电池的研究，以提高光电转换效率和降低生产成本。1954年，美国贝尔实验室首次制成了单晶硅太阳能电池，其光电转换效率达到6%，至此产生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。经过科学家的不断研究，太阳能电池的性能得到不断的提高，生产成本不断降低。近年来世界各国，特别是发达国家对光伏发电技术十分重视，世界太阳能电池年产量迅速增加，特别是在1996年到2004年期间，连续8年增速在30%左右，在2004年，达到1200MW，在日常生活中得到普遍使用。图1-1所示为1988～2004年世界太阳电池的产量柱状图，具体数值见表1-2。图1-1世界太阳电池的产量表1-2世界太阳电池产量具体数值198819901992199419961998200020022004其他国家9.7518.723.4255135美国11.114.818.125.6438.8553.774.97120135欧洲6.710.216.421.718.833.560.66135320日本12.816.818.816.521.249128.6251610合计33.646.557.969.4488.6154.9287.75611200我国光伏产业在2004年之后飞速发展，年平均增长率超过40%，如表1-3所示，尤其是在2007～2009年，太阳电池产量占居世界第一。通过自主创新和集成创新相结合，我国光伏产业形成了具有自主知识产权的核心技术体系。目前我国千吨级多晶硅规模化技术已取得突破，2010年基本实现自给，不再依赖进口；晶体硅太阳能电池已经占有技术和成本的绝对优势，2009年产量已达世界产量的40%。表1-32004～2012年累计安装容量项目2003200420052006200720082009201020112012年度增加/MWP1027385275105138180320累计安装/MWP5565921301822573625006801000注：平均年增长率41%。随着我国光伏生产设备的国产化率的不断提高，太阳能电池的成本会有很大的下降，将为太阳能在我国普及应用创造条件。太阳能未来在中国将有更大的发展空间，2013～2020年规划安装容量如表1-4所示，其年平均增长率将超过50%。表1-42013～2020年规划安装容量项目201220132014201520162017201820192020年度增加/GMP0.48.0751.171.822.844.426.8710.65累计安装/GMP1.001.482.233.405.228.0612.4819.3530.00注：平均年增长率为56%。就长春地区来说，已有很多地方在使用太阳能路灯，下图1-2为位于长春高新区的长春北湖国家湿地公园的路灯。它充分利用自然资源，综合了风能发电和太阳能发电，具有巨大的实际使用价值。图1-2长春市太阳能路灯实例尽管太阳能光伏技术在最近几十年得到了很大的进步，但目前仍有一些问题需要克服，以更好地推动太阳能光伏的推广应用，主要问题有：太阳电池的效率还不够高，太阳电池成本下降不够，光伏发电受气候环境的影响较大，晶硅材料的能源消耗大。随着科技发展，未来光伏发电成本会继续降低。各种相关技术如晶体硅、薄膜及其他的太阳电池将逐步提高性能，模块的转换效率将进一步提高。若光伏模块的能源转换率达到30%～50%，可以使太阳辐射能高效地使用，安装设计的成本会进一步降低，有利于太阳能的普及使用。尽管未来几十年，传统能源仍将是主要的能源，但可再生能源的使用比例会不断增加，发挥重要作用，这其中太阳能将成为首选。1.2.2太阳能LED路灯控制器的国内外发展现状在太阳能LED路灯控制系统中，控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设备的充电和对负载的放电控制任务。目前日本、德国、美国等发达国家对于独立光伏系统电源控制器的研究主要侧重在以下三个方面：提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池充电策略和提高系统稳定性。通过研究不同的电路拓扑结构和先进控制算法，在太阳光强度、太阳能电池温度以及负载改变的情况下，尽可能使太阳能电池时刻保持最大输出功率状态。即实现最大功率点跟踪。蓄电池充电策略直接影响到蓄电池的寿命，研究智能化的充电方法，提高蓄电池的充电接受率，减少充电时间，对于整个光伏系统的工作状态具有重要意义。独立光伏系统的应用环境一般比较恶劣，如何提高系统稳定性也是当前所有光伏电源控制器研究者最急需解决的问题之一。第三代控制器是具有两路调节功率的控制器，现已被广泛推广，在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明，节约用电，还可以针对LED灯进行功率调节，并具有对蓄电池等组件的保护功能。1.3研究的内容由于对光强使用较少，查找资料知，不同环境亮暗程度与光强对应关系如下表1-5所示。所以，把路灯由开到关的光强设定在40lux，把路灯由关到开的光强设定在70lux。表1-5（1）不同环境对应光强所处环境黑夜月夜阴天室内阴天室外晴天室内光强/lux0.001—0.020.02—0.35—5050—500100—1000表1-5（2）不同环境对应光强所处环境阅读书刊时所需照度家用摄像机标准照度夏季中午太阳光下光强/lux50—601400约为10^9本次设计研究的系统如下：系统需要同时进行3个过程。一方面，通过光强监测电路实时检测当前的光强l，路灯的开关与此时光强和此时路灯的亮灭有关，详见下表1-6所示。其次，蓄电池的充电过程，当太阳能电量大于蓄电池电量且蓄电池电量在可充电范围内时，太阳能将给蓄电池充电。当太阳能电池的电量不足时，阻止蓄电池倒充到太阳能电池中。最后，要判断蓄电池的电量是否足够给路灯供电，在蓄电池电量不足时，要实现与电网电路的自动切换，并在蓄电池重新储存电量之后，再切换回蓄电池供电，实现资源的最大利用化。由于蓄电池在使用过程中对温度的要求比较高，太高或太低都会对蓄电池的容量产生不可恢复的影响，所以在整个过程中还要实现对蓄电池周围的温度实现实时监控。表1-6路灯开关判断此时路灯状态光强l/lux路灯要实现的变化灭l<40灭→亮灭l>40保持当前状态亮l>70亮→灭亮l<70保持当前状态具体实现功能：（1）蓄电池储存电量足够连续三天阴雨天路灯照明；（2）当蓄电池电量不足时，电网自动接入，保证路灯的正常工作；（3）通过光线的亮暗实现路灯自动熄灭和自动点亮；（4）单片机始终处于工作状态。为了实现这些过程，具体实现步骤如下：（1）分析太阳能光伏发电技术和LED技术；（2）根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法；（3）设计LED和单片机供电电路；（4）设计电源控制电路；（5）根据系统方案设计控制器外围电路；（6）编写单片机执行程序。2方案论证2.1控制方式的选择太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本相同，都是为了完成晚上亮灯，早上熄灯的作用。国内外常用的控制器有单独的光控型、时钟控器型、经纬型等，由于其工作原理不同，各有优缺点。方式一：光控型单独的光控型一般采用感光探头，当早上光线较强时，自动关闭路灯，晚上光线弱时，自动开启路灯，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，采用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，在使用时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作[2]。方式二：时钟控器型采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。近几年还出现将电子钟、LED、液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于路灯控制中。方式三：经纬型经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。通过以上对比，为了更好地实时准确的控制LED路灯的开关，我选择控制方式一，光控型。因为在不同的季节，光线亮度有很大的区别，光控型避免了人工调节的麻烦，可以更好地实现全自动化的运作。2.2蓄电池充电方式的选择蓄电池的使用寿命除了它本身内在因素的影响外，还受到温度、放电深度DOD、过充过放程度等的影响，因此，为了延长蓄电池的使用寿命，节约系统的成本，在光伏系统中，应使蓄电池在浅放电、不过充过放电以及适合的温度下工作。这其中，充电方式占据着重要的地位。现有的充电方式主要有以下几种[3]：方式一：恒流充电法在充电过程中使充电电流始终保持不变的方法，叫做恒定电流充电法，简称恒流充电法或等流充电法。在充电过程中由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程必须逐渐升高电源电压，以维持充电电流始终不变，这对充电设备的自动化程度要求较高，一般简陋的充电设备是不能满足恒流充电要求的。对于恒流充电法，在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就越短。若从时间上考虑，采用此法是有利的。但在充电后期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用于电解水上，电解液出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且容易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废。鉴于此，这种充电方法很少采用。方式二:恒压充电法恒定电压充电法在充电过程中，充电电压始终保持不变，简称恒压充电法或等压充电法。由于恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在充电开始时充电电流会相当大，大大超过正常充电电流值。但随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。当蓄电池端电压和充电电压相等时，充电电流减至最小甚至为零。由此可见，采用恒压充电法可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。但其缺点是，在充电开始时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。而在充电后期充电电流又过小，使极板深处的活性物质得不到充电反应，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命。所以这种充电方法一般只适用于无配电设备或充电设备较简陋的特殊场合，如汽车上蓄电池的充电、1号至5号干电池式的小蓄电池的充电均采用等压充电法。采用等压充电法给蓄电池充电时，所需电源电压：酸性蓄电池每个单体电池为2.4～2.8V左右，碱性蓄电池每个单体电池为1.6～2.0V左右。方式三：恒压限流充电为补救恒定电压充电的缺点而采用的一种方法，即在充电电源与电池之间串联一电阻，这样充电初期的电流可以调整。但有时最大充电电流受到限制，因此随充电过程的进行，蓄电池电压逐渐上升，电流却几乎直线衰减。有时使用两个电阻值，约在2.4V时，从低电阻转换到高电阻，以减少出气。由于串联电阻将消耗掉有限的电能，这种采用串电阻限流的方式对于光伏系统来说，是不实用的。方式四：二阶段充电法二阶段法采用恒流充电法和恒压充电法相结合的快速充电方法，首先以恒流充电至预定的电压值，然后改为恒压充电完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压值就是第二阶段的恒电压值。方式五：三阶段充电法三阶段充电法是二阶段充电法和恒流充电法相结合的方式。充电开始和结束时采用恒流充电法，中间阶段为恒压充电法。蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改为恒定电压充电，当电流衰减到预定值时，由第二阶段转到第三阶段。采用三阶段充电法的优点是：避免了恒压充电法开始充电电流过大，而后期电流又过小的情况，比二阶段充电法在中间阶段更接近充电电流接受率曲线。这种充电法减少了充电出气量，充电又彻底，延长了蓄电池使用寿命。下图2-1为三阶段法充电电流充电电压曲线。图2-1三阶段法充电电流充电电压曲线综合比较，选择三阶段充电法来实现太阳能电池对蓄电池的充电过程，此法在蓄电池保护、充电时间、电路稳定性等方面都具有一定的优势。2.3电网电压的转换电路的选择由于在本设计中选用电网来作为备用电源，所以需要进行AC220V—DC24V/5V的交直流转换，下有两个方案可以选择：方案一：整流法整流电路是把交流电转换为直流电的电路它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。在本设计中电网取电经整流后给单片机供电，其电路图如下图2-2所示。7805芯片电压输出电压为标准的5V，应此选7805作为电源稳压芯片，78**系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。取LM7805的输入端电压为10V，变压器二次侧电压的有效值考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降，变压器的二次侧电压大约要高10%，即所以变压器变比。图2-2电网转换电路方案二：电源模块直接转换法电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为数字信号处理器、专用集成电路、存储器、微处理器、现场可编程门阵列及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说，这类模块称为负载点电源供应系统或使用点电源供应系统。由于模块式结构的优点甚多，因此模块电源广泛用于移动通讯、交换设备、接入设备、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超出了一次电源。模块电源具有隔离作用，抗干扰能力强，自带保护功能，便于集成。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。本设计采用SM900型号的电源模块，它可以实现24.5V/5.1V双路隔离，具体功能如下：（1）输入电压：220VAC（+15%，-10%），50Hz±2Hz；（2）输出电压：24.5VDC/5.1VDC；（3）额定功率：48W/35W；（4）支持热插播；（5）支持1+1冗余均流功能；（6）具备输出保护功能；（7）具备输出状态指示和输出状态查询功能；（8）输入输出隔离，双路输出分别隔离。SM900电源模块采用220VAC输入，经过EMI抑制和整流滤波电路后，分为相互隔离的两路输出，其工作电路也相互独立，并且分别具有均流冗余功能。SM900电源模块的交流输入电路负责完成开关电源的输入整流和滤波功能，并且抑制电网上传来的电磁干扰，同时抑制电源本身产生的电磁干扰，以保证交流输入不受电磁污染。整流滤波之后，分别输出24.5VDC和5.1VDC，并且通过指示报警电路，显示SM900电源模块的工作状态。两路输出直接提供到底板，为底板上各个模块及现场设备供电。综合比较而言，我选择SM900型电源模块实现电网对路灯和单片机的供电，因为对于路灯和单片机的供电来说，电路的稳定性非常重要，直接影响整个系统的工作状况，而这种方式相对比较稳定，是最佳选择。2.4电池电量检测方式的选择蓄电池的电量是本设计中一个重要的量，它关系着太阳能电池是否向蓄电池充电以及是否需要启动副电源，所以实现蓄电池电量的实时检测非常重要。设计使用SOC估计的方法来进行电量检测。剩余能量状态称为荷电状态（StateofCharge，SOC），这个概念被广泛应用在二次能源存储装置中。对于可循环使用的二次能源电池来说，SOC是一个表征电池剩余能量多少的重要参数。目前对SOC比较统一的定义为：电池在一定放电倍率下,剩余电量与相同条件下额定容量的比值。通常定义电池在一定温度下充电到不能吸收更多的能量时，SOC为1；放电到能量不能再放出时，SOC为0。剩余电量SOC的数学定义如下[4]：或者其中，QC是二次电池使用后的剩余容量，单位为安时（Ah），CI是二次电池充满电的情况下以恒定电流I放电的总电量，Q是已经放出的电量。研究与应用较多的SOC估算途径有：放电试验、实时安时计量、开路电压测量、卡尔曼滤波方法、阻抗谱法、负载电压法、神经网络法等，具体介绍如下。方案一：放电试验法放电试验一般是在实验室条件下对电池进行测试，可以得到电池在不同电流、温度等工况下的放电曲线，通过测试可以掌握大量关于电池工作特性的数据。但是，这种方法用来估算SOC存在两个缺点：（1）放电试验的时间一般较长，对于实时估算SOC并不合适；（2）通过放电试验估算SOC对电池能量是一种浪费。方案二：实时安时计量法该方法依据电池SOC的原始定义，对电池工作中的电流值进行采集并积分。实现较简单，是目前应用较多的方法。由于安时计量法的计算完全依据电流值，因此它要求很高的电流采集精度，另外，在电池组中加入均衡电路后，电流除了主回路还要考虑均衡电流的存在，为了检测每节电池上的均衡电流成本提高许多。方案三：电压测量方法测SOC与开路电压或负载电压存在一定的规律性，这样就可以简单的通过测量电压值进行SOC估算。开路电压法的缺点是需要电池移除负载，等待一段自恢复的时间，这样就大大降低了效率；负载电压法的缺点是工作电流对电压的影响较大，一般只能使用在恒定电流情况下。综合而言，选择电压测量方法来测剩余电量，这种方法虽然在精确度不够，但是电路简单，价格相对比较便宜，是目前来说最符合设计要求的电路。3元器件选择3.1太阳能电池的选择太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏[5]。3.1.1类型选择（1）单晶硅太阳能电池单晶硅是最重要的光伏电池材料，其生产工业也最为成熟，通过不断提高晶体质量，电池转换效率不断提高。现阶段单晶硅电池的转换效率一般为14%～17%，实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。单晶硅材料虽然光电转换率比较高，但价格昂贵，大幅度降低其成本很困难。（2）多晶硅太阳能电池多晶硅是单质硅的一种形式。多晶硅生产工艺的出现主要是为了降低晶体硅太阳能电池的成本。多晶硅太阳电池产量基本上与单晶硅电池相同，甚至更大，是光伏电池市场主要产品之一，与单晶硅电池相比，多晶硅电池价格较低，商品多晶硅电池组件转换效率一般为12%～14%，实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。多晶硅太阳能电池将有望成为太阳能电池的主导产品。（3）非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池重量轻、造价低廉，转换效率较高，易形成大规模生产，目前非晶硅太阳能电池已发展成为最实用、最廉价的太阳电池品种之一，但由于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了实际应用。目前非晶硅太阳能电池的研究主要着重于改善非晶硅膜本身的性质，以求得高效率和高稳定性。综合太阳能电池的转换效率、造价、稳定性等因素考虑，选择多晶硅太阳能电池作为本系统的太阳能电池类型。3.1.2工作电压太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。如给6V蓄电池充电需要用8～9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15～18V太阳能电池，给24V蓄电池充电需用33～36V太阳能电池。3.1.3输出功率Wp太阳能电池输出功率Wp即是标准太阳光照条件下，欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功功率。不同的时间太阳能电池的单位面积输出功率约127Wp/m2。太阳能电池一般由多个太阳能单元电池串联组成，其容量取决于照明光源、线路传输部件所消耗的总功率以及当地太阳能辐射能量。太阳能电池组输出功率宜为光源功率的3～5倍以上,光照丰富、开灯时短地区为3～4倍以上，反之为4～5倍以上。3.1.4路灯杆一般在5m以上，重心较高，大部分太阳电池板都是悬挂式，为增强整套设备的抗风力，一般选择多块太阳电池板组成所需要的组件功率。如下表3-1为我国主要城市年平均日照时间及最佳安装倾角，可以看到长春市地区年平均日照时间为4.8h，长春市所在纬度43.9°，最佳倾角是1°。表3-1我国主要城市年平均日照时间及最佳安装倾角城市纬度最佳倾角（°）年平均日照时间（h）城市纬度最佳倾角（°）年平均日照时间（h）哈尔滨45.68+34.4杭州30.23+33.42长春43.90+14.8南昌28.67+23.81沈阳41.77+14.6福州26.08+43.46北京39.8+45济南36.68+64.44天津39.10+54.65郑州34.72+74.04呼和浩特40.78+35.6武汉30.63+73.80太原37.78+54.8长沙28.20+63.22乌鲁木齐43.78+124.6广州23.13-73.52西宁36.75+15.5海口20.03+123.75兰州36.05+84.4南宁22.82+53.54银川38.48+25.5成都30.67+22.87西安34.30+143.6贵阳26.58+82.84上海31.17+33.8昆明25.02-84.26南京32.00+53.94拉萨29.70-86.7合肥31.85+93.693.2控制器的选择（1）单片机单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器/计时器、多种I/O口和中断系统等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。它的体积小，质量轻，价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件，基本结构包括：运算器、控制器和寄存器。其硬件特征为：主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP；单片机可靠性高，可工作到10^6～10^7小时无故障；系统结构简单，使用方便，实现模块化；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；处理功能强，速度快；控制功能强；环境适应能力强。（2）DSPDSP（DigitalSignalProcessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是它的两大特色。芯片特点是：采用多总线结构，采用哈佛结构，采用流水线技术，具有特殊的DSP指令，配有专用的硬件乘法-累加器，硬件配置强，快速的指令周期，支持多处理器结构，省电管理和低功耗。其优点是：对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小；容易实现集成；VLSI可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能；可用于频率非常低的信号。缺点是：受采样频率的限制，处理频率范围有限；需要模数转换；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。（3）PLCPLC（ProgrammableLogicController），可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，它为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、顺序控制、定时、执行逻辑运算、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。早期的PLC主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1969年美国数据设备公司研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。PLC的硬件结构基本与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元、存储器、功能模块、通信模块、输入输出接口电路。目前，PLC以其逻辑功能强、可靠性高、体积小、可在线修改控制程序、以易与计算机接口、具有远程通信联网功能、能对模拟量进行控制等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电—接触控制系统，但是造价太高。综合考虑，我们选择单片机作为整个系统的控制器，在单片机的芯片中，AT89S51符合设计要求，是比较理想的选择。3.3蓄电池的选择蓄电池组是太阳能电池的储能装置，它将直流电能转变为化学能储存起来，需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用即在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。3.3.1类型选择对于蓄电池的种类，就市场上主流产品而言，主要有四类：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池。（1）铅酸蓄电池铅酸蓄电池历史最悠久，其工艺、应用、结构、性能和生产都在不断发展。铅酸蓄电池放电工作电压较平稳，既可小电流放电，也可很大电流放电，工作温度范围宽，可在-40℃～65℃范围中工作，技术成熟、成本低廉，跟随负荷输出特性好，至今仍是蓄电池中重要产品，但铅酸蓄电池重量大，质量与能量比低，理论上，铅酸蓄电池的质量与能量比为240Wh/kg，实际只有10～50Wh/kg[6]。并且，铅酸蓄电池需要维护，充电时间慢。普通铅酸蓄电池由于使用寿命短，效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被淘汰。20世纪70年代，发展了阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”（2）镉镍蓄电池镉镍电池采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质的碱性蓄电池。用聚酰胺非织布等材料作隔离层，用氢氧化钾水溶液作电解质溶液，电极经卷绕或叠合组装在塑料或镀镍钢壳内。镉镍电池标称电压为1.2V，具有使用温度范围宽、循环和贮存寿命长、能以较大电流放电等特点，但存在“记忆”效应，常因规律性的不正确使用造成电性能下降。由于废弃镉镍电池对环境的污染，该系列的电池将逐渐被性能更好的金属氢化物镍电池所取代。（3）氢镍蓄电池氢镍电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金作负极活性物质，氢氧化钾水溶液作电解液，为绿色环保型电池。高容量型氢镍电池的比能量（即参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小）为60～100Wh/Kg，高功率型氢镍电池的比能量为40～50Wh/Kg。氢镍电池采取恒电流充电方式充电，根据电池对电流的接受能力可采用不同的电流对电池充电，充电过程中无需对电池单体的电压进行限制，同时，可以实现快速充电。氢镍电池由于采用高导电性电解液，电池内阻较小，可以适应大电流放电，因此它可分为低倍率、中倍率、高倍率电池，对于需要较大功率输出要求的场合比较适用。电池在高温时主要是充电方面的困难较大，氢镍电池在较高温时，副反应氧析出反应会加速，如果有较好的负极性能，在正极上析出的氧气可以在负极上还原，从而使电池内压得以消除。通过调整配方工艺，可以有效地提高电池在高温时的充电效率并可实现高温的快速充电。氢镍电池在-20（4）锂离子蓄电池锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插。锂离子电池能量密度大，平均输出电压高；自放电小，好的电池，每月在2%以下；没有记忆效应；工作温度范围宽为-20℃～60℃；循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大；使用寿命长，不含有毒有害物质，被称为绿色电池。锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，但综合性能、价格、维护等分析，我选择铅酸蓄电池的发展类型阀控密封式铅酸蓄电池。阀控密封式蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点，使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。3.3.2容量选择蓄电池容量过小，不能满足夜晚照明的需要；容量过大，蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，也造成浪费。蓄电池容量（Ah）与负载容量（Ah）之比宜在3～6倍以上，其中连续阴雨天数较少地区约为3～4倍以上，连续阴雨天教较多地区约为5～6倍以上。3.4光强检测的选择（1）光电管光电管是一种光敏元件，可使光信号转换成电信号，分为真空光电管和充气光电管。光电管原理是光电效应，在光电管中有一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下，常见的半导体材料有硅、锗等。还有一种是电子管类型的光电管，它的工作原理用碱金属做成一个曲面作为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开。由于制造过程中为了保持光电管中的真空度，会添加额外的碱金属作为去气剂，以及使用过程中部分碱金属电极因光线照射而成为游离态，使得光电管上经常附着著少许的碱金属。（2）光敏电阻光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料，在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性，这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。其优点为：内部的光电效应和电极无关，即可以使用直流电源；灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关；环氧树脂胶封装，可靠性好，体积小，灵敏度高，反应速度快，光谱特性好。缺点有：受温度影响较大；响应速度不快，在ms到s之间，延迟时间受入射光的光照度影响；耗材。在电源电压为12V的前提下，由R=U/I得，光敏电阻的光照特性如下表3-2所示，基本成线性关系。表3-2光敏电阻光照特性入射光照强度E/lm电流I/mA电阻R/Ω1001.956.151205.502.181406.501.851607.041.701808.021.502008.301.45（3）光敏二极管光敏二极管也叫光电二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。与普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。综合选择，光敏电阻比较符合本系统的要求，比较而言光敏电阻具有灵敏度高，高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。3.5LED的选择发光二极管（Light-EmittingDiode）简称LED，是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度，而用途也由初时作为指示灯、显示板等到现在的显示器、电视机、采光装饰和照明。LED只能往一个方向导通，叫做正向偏置，当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点，与常见光源的具体性能比较见表3-2[7]。LED具有高光效能，比传统霓虹灯节省电能80%以上，工作安全可靠。LED改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。LED的光谱几乎全部集中于可见光谱段，其发光效率可达80%～90%。LED是一种符合绿色照明要求的光源，所谓“绿色照明”就是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。表3-2LED光源和常见光源的性能比较名称耗电量/W工作电压/V协调控制发电量可靠性使用寿命/h金属卤素灯100220不易较高低3000霓虹灯500较高高高易室内3000镁氖灯16W/m220较好较高较好6000日光灯4～100220不易较高低5000～8000冷阴灯15W/m需逆变较好较低较好10000钨丝灯15～200220不宜高低3000节能灯3～150220不宜调光低低5000LED灯极低直流12～36V（可用220V）多种形式极低极高10万对于现在市场上常用的LED灯介绍如下[8]：（1）普通单色LED普通单色LED具有体积小、工作电压低、工作电流小、发电均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用于各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串联合适的限流电阻。（2）（超）高亮度LED高亮度单色LED和超高亮度单色LED使用的半导体材料与普通单色LED不同，所以发光的亮度也不同。通常，高亮度单色LED使用砷铝化稼（GaAlAs）等材料，超高亮度单色LED使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色LED使用磷化镓（GaP）或砷化镓（GaAsP）等材料。（3）闪烁LED闪烁LED是一种由CMOS集成电路和LED组成的特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示等。闪烁LED在使用时，无须外接其他元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压即可闪烁发光。综合而言，我选用超高亮度LED作为路灯使用。3.6以长春地区为例的设计举例长春市某道路人行道拟安装LED太阳能路灯，灯高5m，路灯输入电压24V，功率70W，平均每天工作8.5h，蓄电池电量能保证连续阴雨天数3天提供照明。下面介绍具体的参数设计3.6.1太阳能电池选择（1）长春市年平均日照时间：查“表3-1”（2）路灯日耗电：(70/24)*8.5=24.79(Ah)；（3）蓄电池组总充电电流：(24.79*1.05)／(4.04*0.85)=6.38(A)其中1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率；（4）太阳能电池组总功率P：6.38*34.8=222.02(W)选择2块Pm=135W太阳能电池板并联，最佳工作电压34.8V，最佳工作电流3.88A，组件尺寸800*1580*50(mm)。3.6.2蓄电池选择蓄电池容量：6.38*(3+1)=25.52(Ah)，所以选择24V—30Ah的免维护铅酸蓄电池。3.6.3太阳能电池倾角由“表3-1”可知，长春市太阳能电池倾角：43.90°+1°=44.90°，所以太阳能电池组方向正南稍偏西，与地平线倾角4硬件电路设计系统硬件的整体设计框图如下图4-1所示。图4-1系统结构框图下面介绍具体各个模块的实现电路。4.1单片机简介4.1.1单片机1946年第一台电子计算机的诞生，引发了一场数学化的技术革命，随着大规模集成电路技术的不断进步，微型计算机在办公自动化方面得到广泛应用；此外将微处理器、存储器和外围设备集成到一块芯片上形成的单片机，则在控制领域有了突出功用。单片机可以装入到各种智能化产品之中，所以又称为嵌入式微控制器。单片机的发展可以分为三个阶段[9]：20世纪70年代为单片机发展的初级阶段。以Intel公司的MCS-48系列单片机为典型代表，在一块芯片内含有CPU、并行口、定时器、RAM和ROM存储器，这是一种真正的单片机。这个阶段的单片机因受集成电路技术的限制，CPU指令系统功能相对较弱、存储器容量小、I/O部件种类和数量少，只能用在比较简单的场合，而且价格相对较高，单片机的应用未引起足够的重视。20年代80年代为高性能单片机的发展阶段。以Intel公司的MCS-51、MCS-96系列单片机为典型代表，出现了不少8位或16位的单片机，这些单片机的CPU和指令系统功能加强了，存储器容量显著增加，外围I/O部件品种多、数量大，有的包含了A/D之类的特殊I/O部件。单片机应用得到了推广，典型单片机开始应用到各个领域。20世纪90年代至今为单片机的高速发展阶段。世界上著名的半导体厂商都重视新型单片机的研制、生产和推广。单片机性能不断地完善，性能价格比显著提高，种类和型号快速增加。从性能和用途上看，单片机正朝着面向多层次用户的多品种多规模方向发展，既有特殊高档的单片机，用于高级家用电器、掌上电脑、复杂的实时控制系统等领域，又有特殊廉价、超小型、低功耗单片机，用于智能玩具等消费类应用领域。对应用单片机的技术人员来说，选择单片机有了更大的自由度。4.1.2单片机由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低，控制功能强及运算速度快等特点，因而在经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。对各个行业的技术改造和产品的更新换代起到重要的推动作用。（1）单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地应用于实验室、交通运输工具、计量等各种仪器仪表之中，使仪器仪表智能化，提高它们的测试精度，加强其功能，简化仪器仪表的结构，使仪器仪表便于使用、维护和改进。例如：电度表校验仪，电阻、电容、电感测量仪，船舶航行状态记录仪，烟叶水分测试器，智能超声波测厚仪等。（2）单片机在机电一体化中的应用机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如：微机控制的铣床、车床、钻床、磨床等。微型单片机的出现促进了机电一体化，它作为机电产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强、安装方便等优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。（3）单片机在实时控制中的应用单片机也广泛地用于各种实时控制系统中，如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥数据处理和实时控制功能，是系统工作于最佳状态，提高系统的生产效率和产品的质量。在航空航天、通信、遥控、遥测等各种实时控制系统中都可以用单片机作为控制器。（4）单片机在分布式多机系统中的应用分布式多级系统具有功能强、可靠性高的特点。在比较复杂的系统中，都采用分布式多机系统。系统中有若干功能各异的计算机，各自完成特定的任务，他们又通过通信相互联系、协调工作。单片机在这种多机系统中，往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。高档的单片机多机通信功能很强，它们在分布式舵机系统中发挥很大作用。（5）单片机在家用电器等消费类领域中的应用家用电器等消费类领域的产品特点是量多而广。单片机应用到消费类产品之中，能大大提高它们的性能价格比及市场竞争力。目前家用电器几乎都是单片机控制的电脑产品，例如空调、冰箱、洗衣机、微波炉、彩电、音响、家庭报警器、电子宠物等。4.1.3ATMEL公司生产的具有8051结构的FLASH型和EEPROM型单片机（尤其是89C51和89C52），由于和Intel的MCS-51系列单片机中典型产品完全兼容，开发和使用简便，在我国得到了广泛的应用。现在AT89S51、AT89S52已经取代了AT89C51、AT89C52，其性能对其如下表4-1[10]。所以在本系统中我才用了AT89S51型号的单片机。表4-1（1）AT89C51/52与AT89S51/52性能对比型号子系列片内存储器/BI/O口FlashRAMAT89C51/528位Flash系列4/8K128/25632AT89S51/52ISP-Flash系列4/8/12K128/256/25632表4-1（2）AT89C51/52与AT89S51/52性能对比型号UART中断源定时/计时器时钟频/MHzA/D通道其他特性AT89C51/52152/3330AT89S51/5215/5/62/3/3124/25/240WDT/ISPAT89S51单片机在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时/计时器、多功能I/O口和中断控制等基本功能部件，它的内部结构框图如图4-2所示，主要部件有：（1）一个8位CPU；（2）4KB程序存储器，采用ROM或EPROM；（3）128B通用数据存储器；（4）21个特殊功能寄存器；（5）4个8位并行口，其中P0、P2、P3是复用口；（6）一个可编程全双工串行口；（7）具有5个中断源，两个优先级嵌套结构；（8）两个16位定时/计数器；（9）一个片内振荡器与时钟电路。图4-2AT89S51内部结构框图AT89S51单片机封装形式有三种：PDIP40、PLCC44和PQFP/TQFP44，不同封装的芯片其引脚的排列位置有所不同，但它们的功能和特性都一样，实际使用的引脚都是40个。按引脚功能分类，有以下三类引脚[11]：（1）供电电源引脚：VCC和GND，占用2个引脚；（2）控制及时钟引脚：RST、PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、XTAL1、XTAL2，占用6个引脚；（3）可编程输入/输出引脚：P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7，占用32个引脚。AT89S51具体实物图如图4-3所示，PDIP40形式封装的AT89S51引脚图如图4-4所示。图4-3AT89S51实物图图4-4PDIP封装引脚图具体各引脚的功能介绍如下：VCC：供电电源的正输入端。GND：供电电源地和信号参考地。RST：复位信号输入端。在这个引脚输入大于两个机器周期宽度的高电平信号时，MCS-51单片机被复位，当该高电平保持时，CPU一直处于复位状态。当RST引脚上的高电平被撤消转为低电平后，CPU将从程序的起点重新开始顺序执行程序，即CPU进入运行状态。EA/VPP：外部程序访问使能控制输入或编程电压输入引脚。当该引脚与GND直接连接时，CPU被复位并退出复位状态之后，将从外部程序存储器的0000H地址开始执行程序；反之，该引脚与VCC直接连接时，CPU被复位并退出复位状态之后，将从内部程序存储器的0000H地址开始执行程序。ALE/PROG：低8位地址锁存使能信号的输出端或片内程序存储器被写入时的编程控制脉冲的输入端。在正常操作期间，从该引脚输出的脉冲信号频率为CPU外部晶体振荡器频率的1/6。PESN：外部程序存储器的读/输出使能信号输出端。有效电平为低电平，该引脚作为外部程序存储器的控制信号，当CPU到外部程序存储器读取指令时，该信号允许外部程序存储器将指令发送到数据总线，指令最终被锁存在CPU的指令锁存器中，在访问片内程序存储器时，该信号保持在高电平。XTAL1：外部晶振振荡器的输入端。该引脚与内部反相振荡器放大器以及内部时钟电路相连接。XTAL2：内部反相振荡器放大器的输入端。P0.0～0.7：8位并行可编程输入/输出端口。P0.0～0.7包括8个引脚，集合名称为P0端口，可以位寻址。作为输出端口时，每个引脚最多可以驱动8个TTL负载，当向该端口的引脚写“1”时，这些引脚可以作为高阻输入端口。P1.0～1.7：8位并行可编程输入/输出端口。P1.0～1.7包括8个引脚，集合名称为P1端口，可以位寻址。P1端口采用带有内部上拉电阻的双向结构，作为输出端口使用时，P1端口可以驱动4个TTL负载；作为输入端口使用时，一般还需要外部上拉或下拉电阻。P2.0～2.7：8位并行可编程输入/输出端口。P2.0～2.7包括8个引脚，集合名称为P2端口，可以位寻址。P2端口采用带有内部上拉电阻的双向结构，作为输出端口使用时，P2端口可以驱动4个TTL负载；作为输入端口使用时，一般还需要外部上拉或下拉电阻。P:3.0～3.7：8位并行可编程输入/输出端口。P3.0～3.7包括8个引脚，集合名称为P3端口，可以位寻址。P3端口采用带有内部上拉电阻的双向结构，当向该端口的任何位写“1”时，由于内部上拉电阻的作用，对应的引脚保持高电平；当外部被强制为低电平时，P3端口的对应引脚将为外部负载提供电流。P3端口的每个引脚都具有第二功能，如表4-表4-2P3端口的第二功能引脚第二功能名称第二功能P3.0RxD通用异步串行通信口的数据信号输入端P3.1TxD通用异步串行通信口的数据信号输出端P3.2INT0外部中断0的触发信号输入端P3.3INT1外部中断1的触发信号输入端P3.4T0定时器/计数器0的外部计数信号的输入端P3.5T1定时器/计数器1的外部计数信号的输入端P3.6/WR外部数据存储器的写控制信号输出端P3.7/RD外部数据存储器的读控制信号输出端4.2时钟电路AT89S51单片机片内有一个用于构成稳定振荡器的高增益反相放大器，XTAL1和XTAL2引脚分别是反相放大器的输入端和输出端，在整个单片机的时钟电路中，该放大器与作为反馈元件的外部晶体或陶瓷谐振器一起构成一个稳定的自激振荡器电路。系统的时钟电路如图4-5所示。图4-5时钟电路图外部并联电容C10和C12的大小会影响振荡器频率的稳定性和温度特性，另外还会影响振荡器电路起振的速度。C10和C12的大小在5～30pF之间选择，确定C10和C12的大小可以根据实际使用的MCS-51单片机的要求。振荡器电路的晶体或陶瓷谐振器的频率可在1～24MHz之间选择。本电路选用的晶振频率为11.0592MHz，电容为30pF。AT89S51单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性[12]。8片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率，即用来连接AT89S51片内OSC的定时反馈回路。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使AT89S51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fosc为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C10和C12可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fosc的目的。4.3复位电路单片机在开机时都需要复位，以便中央处理CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位[13]。AT89S51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。单片机的复位电路如图4-6所示。按键手动复位电路见图4-5所示。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。时钟频率选用11.0592MHZ时，C取10uF，R取10K。图4-6复位电路4.4过充过放控制电路本系统的控制电路位于太阳能电池和蓄电池之间，主要包括蓄电池的过冲控制和过放控制。过充控制，就是在蓄电池处于过充电状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。一般太阳能路灯中蓄电池的放电系数为0.7-0.8，所以把充放电的上下限设在28.8V和20.4V。过充、过放控制电路如图4-7所示。图4-7过充过放控制电路过充、过放判断的依据主要是蓄电池电压的高低，其工作原理如下：过充控制电路中将继电器K1的开关串联在充电电路中，当白天有太阳光时处于正常充电状态时，由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电，当蓄电池的电压高于28.8V时，认为蓄电池处于过充状态，U2“+”端电压高于“-”端电压时，U2输出高电平，使Q1导通，继电器线圈K1通电，则继电器常闭点断开，常开点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。过放控制电路中将继电器K2的开关串联在放电电路中，当处于正常放电状态时，放电电路正常工作。在晚上由蓄电池向负载供电时，当蓄电池的电压低于20.4V时，认为蓄电池处于过放状态，此时U4“+”端电压高于其“-”端电压，U4输出高电平，使Q3导通，继电器线圈K2通电，继电器开关由常闭点转到常开点，放电电路就断开，过放指示灯亮，停止向负载供电，达到过放保护功能。4.5副电源电压变换电路副电源电路是用来作为蓄电池的备用电源，它是直接从电网取电，经过变换供给路灯和单片机使用。本设计使用SM900直接实现220V交流电到24V和5V直流电的转换，具体电路图如图4-8。图4-8副电源电路4.6报警电路本次设计采用LED报警。系统有三个地方需要报警提示，其一：蓄电池在给LED路灯和单片机供电；其二：电网电路在给LED路灯和单片机供电；其三：DS18B20检测到蓄电池周围温度过高，电路图如4-9所示。图4-9报警电路4.7蓄电池电压变换电路由于蓄电池产生的电压为24V，而单片机需要5V的供电电压，所以需要对蓄电池的输出电压进行变换。在本设计中，使用78××系列三端稳压器实现24V—5V的变换。常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端稳压器是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。7812为输出正12V直流电压的三端稳压器，7805为输出正5V直流电压的三端稳压器。电压变换电路如图4-10所示，其中电路中的电容为输入端和输出端的滤波电容。图4-10电压变换电路4.8A/D转换电路ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。主要特性如下：（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；（2）具有转换起停控制端；（3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）；（4）单个+5V电源供电；（5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准；（6）工作温度范围为-40～+85℃（7）低功耗，约15mW。在本系统中需要对蓄电池电量和光照强度进行采样，转化为模拟量之后，送到单片机中进行处理控制，所以只需要两路输入通道即可。具体实现电路如图4-11。图中所示的基准电压是提供给A/D转换器在转时间所需要的基准电压，这是保证转换精度的基本条件。基准电压单独用高精度稳压电源供给，其电压的变化要小于1LSB。否则当被变幻的输入电压不变，而基准电压的变化大于1LSB，也会引起A/D转换器输出的数字量变化。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89S51单片机提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE引脚的频率是AT89S51单片机时钟信号频率的1/6（但要注意，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。如果单片机时钟频率采用11.0592MHz,则ALE引脚的输出频率约为2MHz，再经两个二分频后为500kHz,恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。当然也可以采用独立的时钟源输出，直接加到ADC0809的CLK脚上。由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚D0～D7可直接与单片机的P0口相连。地址译码引脚C、B、A分别与地址总线的低三位A2、A1、A0相连，以选通IN0~IN7中的一个通道。在启动A/D转换时，由单片机的写信号/WR和P2.7控制ADC0809的地址锁存和转换