基于51單片機多功能太陽能路燈的設計與實現

梅衛龍，肖 偉，代 森，廖先奎

（西藏大學工學院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

隨著社會發展的步伐日益加快，人們對新型能源地開發利用程度不斷加大，太陽能作為一種新型能源，越來越受到人們的重視，合理有效的利用好太陽能，已逐步成為節能環保的一種趨勢。西藏太陽能資源居中國首位，也是世界上最豐富的地區之一，全年平均日照時數在3 000小時左右。因此為了更環保、更加節能，合理有效地利用太陽能，我們設計出一款多功能太陽能路燈。文中采用 C8051F020[1]作為主控芯片，通過51單片機[2]控制片內高速AD對紫外線傳感器、溫度傳感器、光照度傳感器[3]等進行采樣，對拉薩環境進行監測（特別是紫外線強度的監測），相關數據參數經過LCD顯示，用戶可通過需要顯示廣告信息，如進行公益廣告，商業廣告相關信息的宣傳；同時利用具有高效節能的LED燈作為發光源提供照明，蓄電池作為儲存電能的工具，將獲取的太陽能存儲起來。本設計不僅具有良好的市場前景，而且實現了能源的高效利用。

1 系統設計方案

1.1 系統硬件設計

文中設計的硬件包括，新華龍電子公司的C8051F0201單片機 、穩壓電路。文中主要利用太陽能電池板[4]將太陽能轉化為電能，并儲存在蓄電池中，由蓄電池給硬件部分提供電源，通過穩壓電路提供單片機工作電壓[5]，主控芯片C8051 F0201控制LCD顯示和AD采樣，太陽系統硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 Structure diagram of system hardware

1.1.1 C8051F020簡介

C8051F020（以下簡稱51單片機）器件是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有32個數字I/O引腳。此款51單片機具有高速、流水線結構的 8051兼容的 CIP-51內核（可達 25MIPS）。全速、非侵入式的在系統調試接口（片內）。12位、100 ksps的8通道 ADC，帶 PGA和模擬多路開關。8位500 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關和兩個 12位DAC，具有可編程數據更新方式。64 k字節可在系統編程的FLASH存儲器。4 352（4 096+256）字節的片內RAM，可尋址64 K字節地址空間的外部數據存儲器接口。硬件實現的 SPI、Sm Bus/I2C和兩個 UART串行接口，5個通用的16位定時器。具有 5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣。列片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器，每個MCU都可在工業溫度范圍（－45～+85℃）內用 2.7～3.6 V的電壓工作。端口 I/O、/RST和 JTAG引腳都容許 5 V的輸入信號電壓。C8051F0201引腳如圖2所示。

圖2 引腳圖Fig.2 Diagram of pins

1.1.2 AD采樣

C8051F020 有一個片內 12 位 SAR ADC[3]（ADC0），一個 9通道輸入多路選擇開關和可編程增益放大器。該ADC工作在100 ksps的最大采樣速率時可提供真正的12位精度，INL為±1LSB，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器.只有當ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置 ‘1’時ADC0子系統 （ADC0、跟蹤保持器和PGA0）才被允許工作。當AD0EN位為 ‘0’時，AD0C子系統處于低功耗關斷方式。ADC0的最高轉換速度為100 ksps，其轉換時鐘來源于系統時鐘分頻，分頻值保存在寄存器ADC0CF的ADCSC位。文中設計的AD采樣的啟動方式為定時器3溢出（即定時的連續轉換，便于實施數據采集），選用的通道如表1所示。

表1 AD通道選擇Tab.1 Selection of AD channel

1.1.3 LCD顯示電路

LCD顯示電路采用T6963C液晶顯示控制器，T6963C多用于小規模的液晶顯示器件，常被裝配在圖形液晶顯示模塊上，以內藏控制器型圖形液晶顯示模塊的形式出現。內藏T6963C單屏結構點陣圖形液晶顯示的模塊方框圖如圖3所示。單片機對T6963C有2種訪問方式：直接訪問與間接訪問。直接訪問利用三總線以I/O設備訪問形式進行控制；間接訪問則由單片機提供并行接口[6]，以程序控制時序的方式進行控制。為簡化程序，這里采用直接訪問方式，如圖4所示。LCD引腳及其功能如表2所示。

圖3 模塊方框圖Fig.3 Module block diagram

1.2 C8051單片機軟件設計

圖4 直接訪問方式Fig.4 Method of direct access

表2 LCD引腳及其功能Tab.2 Pins and function of LCD

C8051單片機軟件主要包括顯示函數、AD采樣函數、初始化函數以及主函數。軟件設計的主程序流程框圖如圖5所示，子函數詳細功能如表3所示。

圖5 主程序流程框圖Fig.5 Flow chart of main program

表3 子函數功能說明Tab.3 Explaining function of subfunction

1.3 AD采樣模塊程序

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//文件名稱:AD.C

//功能描述:處理傳感器采集的數據

//維護記錄:V1.0 2012－4－18

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void Time1_ISR（void） interrupt 3

{

unsigned char k=0，i=0；

unsigned int temp；

TR1=0； //關閉定時器1

for（i=0；i＜4；i++）

{

voltage[i]=0；

AMX0SL=i； //AINi作為輸入，電源電壓監控

temp=0；

for（k=0；k＜20；k++）； //延時，等待通道開關穩定

for（k=0；k＜N；k++）

{

AD0INT=0； //轉換結束標志

AD0BUSY=1； //啟動AD轉換

while（!AD0INT）；

ADC_data[k]=ADC0H；//voltage[7]

ADC_data[k]＜＜=8；

ADC_data[k]+=ADC0L；

temp+=ADC_data[k]/N； //測試N次，取平均值

}

voltage[i]=（temp*VR）/0x0fff；//計算實際電壓值

}

voltage[0]=60.89－29.27*voltage[0]；

voltage[1]=voltage[1]＜531?1:voltage[2]＜2301?2:3；

voltage[2]=voltage[2]*1000；

voltage[2]=voltage[2]＜318?1:voltage[2]＜408?2:voltage[2]＜503?3:voltage[2]＜606?4:voltage[2]＜696?5:voltage[2]＜795?6:voltage[2]＜881?7:voltage[2]＜976?8:voltage[2]＜1079?9:10；

word_flag=voltage[2]＜3?0:voltage[2]＜5?1:voltage[2]＜7?2:word_flag＜7?3:word_flag＜10?4:5；

TL1=TH1；

TR1=1；

}

2 整體測試結果

整體測試結果如表4所示。

表4 整體測試結果表Tab.4 Overall test result in table

3 結束語

圖6 整體實物圖Fig.6 Overall physical figure

文中運用C8051F020作為主控芯片結合溫度傳感器、紫外線傳感器、光照度傳感器等制作一個由太陽能電池板將太陽能轉化為電能，充分并有效地利用了能源，對環境實時監測。本文采用的C8051F020控制芯片具有較高的執行效率，功耗低，易控制，總體設計不需外加電源，實現了智能化控制[7]。通過對太陽能的合理利用，本設計具有非常好的市場前景，實現工業智能化，是節能減排，構建資源節約型社會的一個良好發展趨勢。

[1]潘琢金.C8051F單片機應用解析[M].北京：北京航天航空大學出版社，2002.

[2]張毅剛.單片機原理及應用[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[3]王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2007.

[4]周志敏，周紀海，紀愛華.太陽能LED路燈設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[5]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[6]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].3版.北京：清華大學出版社，2010.

[7]董尚斌.電子線路[M].北京：清華大學出版社，2006.