基于51單片機(jī)多功能太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梅衛(wèi)龍，肖 偉，代 森，廖先奎

（西藏大學(xué)工學(xué)院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

隨著社會(huì)發(fā)展的步伐日益加快，人們對(duì)新型能源地開(kāi)發(fā)利用程度不斷加大，太陽(yáng)能作為一種新型能源，越來(lái)越受到人們的重視，合理有效的利用好太陽(yáng)能，已逐步成為節(jié)能環(huán)保的一種趨勢(shì)。西藏太陽(yáng)能資源居中國(guó)首位，也是世界上最豐富的地區(qū)之一，全年平均日照時(shí)數(shù)在3 000小時(shí)左右。因此為了更環(huán)保、更加節(jié)能，合理有效地利用太陽(yáng)能，我們?cè)O(shè)計(jì)出一款多功能太陽(yáng)能路燈。文中采用 C8051F020[1]作為主控芯片，通過(guò)51單片機(jī)[2]控制片內(nèi)高速AD對(duì)紫外線傳感器、溫度傳感器、光照度傳感器[3]等進(jìn)行采樣，對(duì)拉薩環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)（特別是紫外線強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)），相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)經(jīng)過(guò)LCD顯示，用戶(hù)可通過(guò)需要顯示廣告信息，如進(jìn)行公益廣告，商業(yè)廣告相關(guān)信息的宣傳；同時(shí)利用具有高效節(jié)能的LED燈作為發(fā)光源提供照明，蓄電池作為儲(chǔ)存電能的工具，將獲取的太陽(yáng)能存儲(chǔ)起來(lái)。本設(shè)計(jì)不僅具有良好的市場(chǎng)前景，而且實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的硬件包括，新華龍電子公司的C8051F0201單片機(jī) 、穩(wěn)壓電路。文中主要利用太陽(yáng)能電池板[4]將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在蓄電池中，由蓄電池給硬件部分提供電源，通過(guò)穩(wěn)壓電路提供單片機(jī)工作電壓[5]，主控芯片C8051 F0201控制LCD顯示和AD采樣，太陽(yáng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of system hardware

1.1.1 C8051F020簡(jiǎn)介

C8051F020（以下簡(jiǎn)稱(chēng)51單片機(jī)）器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有32個(gè)數(shù)字I/O引腳。此款51單片機(jī)具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051兼容的 CIP-51內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS）。全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）。12位、100 ksps的8通道 ADC，帶 PGA和模擬多路開(kāi)關(guān)。8位500 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)關(guān)和兩個(gè) 12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。64 k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器。4 352（4 096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM，可尋址64 K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口。硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、Sm Bus/I2C和兩個(gè) UART串行接口，5個(gè)通用的16位定時(shí)器。具有 5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣。列片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍（－45～+85℃）內(nèi)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(hào)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(gè)片內(nèi) 12 位 SAR ADC[3]（ADC0），一個(gè) 9通道輸入多路選擇開(kāi)關(guān)和可編程增益放大器。該ADC工作在100 ksps的最大采樣速率時(shí)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(cè)器.只有當(dāng)ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置 ‘1’時(shí)ADC0子系統(tǒng) （ADC0、跟蹤保持器和PGA0）才被允許工作。當(dāng)AD0EN位為 ‘0’時(shí)，AD0C子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為100 ksps，其轉(zhuǎn)換時(shí)鐘來(lái)源于系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，分頻值保存在寄存器ADC0CF的ADCSC位。文中設(shè)計(jì)的AD采樣的啟動(dòng)方式為定時(shí)器3溢出（即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換，便于實(shí)施數(shù)據(jù)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(guī)模的液晶顯示器件，常被裝配在圖形液晶顯示模塊上，以?xún)?nèi)藏控制器型圖形液晶顯示模塊的形式出現(xiàn)。內(nèi)藏T6963C單屏結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣圖形液晶顯示的模塊方框圖如圖3所示。單片機(jī)對(duì)T6963C有2種訪問(wèn)方式：直接訪問(wèn)與間接訪問(wèn)。直接訪問(wèn)利用三總線以I/O設(shè)備訪問(wèn)形式進(jìn)行控制；間接訪問(wèn)則由單片機(jī)提供并行接口[6]，以程序控制時(shí)序的方式進(jìn)行控制。為簡(jiǎn)化程序，這里采用直接訪問(wèn)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖4 直接訪問(wèn)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(jī)軟件主要包括顯示函數(shù)、AD采樣函數(shù)、初始化函數(shù)以及主函數(shù)。軟件設(shè)計(jì)的主程序流程框圖如圖5所示，子函數(shù)詳細(xì)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(shù)功能說(shuō)明Tab.3 Explaining function of subfunction

1.3 AD采樣模塊程序

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//文件名稱(chēng):AD.C

//功能描述:處理傳感器采集的數(shù)據(jù)

//維護(hù)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(guān)閉定時(shí)器1

for（i=0；i＜4；i++）

{

voltage[i]=0；

AMX0SL=i； //AINi作為輸入，電源電壓監(jiān)控

temp=0；

for（k=0；k＜20；k++）； //延時(shí)，等待通道開(kāi)關(guān)穩(wěn)定

for（k=0；k＜N；k++）

{

AD0INT=0； //轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志

AD0BUSY=1； //啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換

while（!AD0INT）；

ADC_data[k]=ADC0H；//voltage[7]

ADC_data[k]＜＜=8；

ADC_data[k]+=ADC0L；

temp+=ADC_data[k]/N； //測(cè)試N次，取平均值

}

voltage[i]=（temp*VR）/0x0fff；//計(jì)算實(shí)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(cè)試結(jié)果

整體測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 整體測(cè)試結(jié)果表Tab.4 Overall test result in table

3 結(jié)束語(yǔ)

圖6 整體實(shí)物圖Fig.6 Overall physical figure

文中運(yùn)用C8051F020作為主控芯片結(jié)合溫度傳感器、紫外線傳感器、光照度傳感器等制作一個(gè)由太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，充分并有效地利用了能源，對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文采用的C8051F020控制芯片具有較高的執(zhí)行效率，功耗低，易控制，總體設(shè)計(jì)不需外加電源，實(shí)現(xiàn)了智能化控制[7]。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能的合理利用，本設(shè)計(jì)具有非常好的市場(chǎng)前景，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化，是節(jié)能減排，構(gòu)建資源節(jié)約型社會(huì)的一個(gè)良好發(fā)展趨勢(shì)。

[1]潘琢金.C8051F單片機(jī)應(yīng)用解析[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2002.

[2]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2007.

[4]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.太陽(yáng)能LED路燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

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

[6]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[7]董尚斌.電子線路[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.