基于單片機(jī)控制的太陽能LED智能路燈照明系統(tǒng)

張曉暉，杜學(xué)東

（山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展必然伴隨著能源的大量消耗，節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是政府堅持的基本國策，目前國家大力倡導(dǎo)既環(huán)保又再生的能源（水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等）的開發(fā)，特別是太陽能的應(yīng)用。本文基于此，結(jié)合單片機(jī)設(shè)計了一種太陽能LED路燈控制器，利用太陽能對蓄電池充電和LED路燈照明，并且具過充電、過放電保護(hù)功能、可根據(jù)白天晚上亮度自動啟動和關(guān)閉LED燈等智能功能的路燈照明系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[1-5]，由7個模塊組成，分別為主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、過充電保護(hù)模塊、過放電保護(hù)模塊、光控模塊和遙控模塊組成。1）主控模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與外部電路控制；2）數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集蓄電池兩端的電壓并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出；3）顯示模塊主要用于顯示當(dāng)前電壓和時間；4）過充電保護(hù)模塊主要用于避免蓄電池被過度充電而損壞；5）過放電模塊主要用于避免蓄電池過度放電而損壞；6）光電模塊主要用于根據(jù)白天和晚上的亮度自動啟動和關(guān)閉LED燈；7）遙控模塊主要用于實現(xiàn)對LED燈的人為控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控及數(shù)據(jù)采集模塊

主控及數(shù)據(jù)采集電路[2]如圖2所示，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)和A/D0809芯片，其中單片機(jī)P1口向數(shù)碼管發(fā)送顯示數(shù)據(jù)；P0口連接A/D0809芯片數(shù)據(jù)輸出端，用于接收模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；ALE（30引腳）連接 A/D0809的 CLOCK端，用于給 A/D0809提供時鐘信號；P2.7，P2.6分別用于控制過充過放電路，通過這2個端的高低電平變化，對電路進(jìn)行過充過放保護(hù)以及對指示燈亮滅控制；P2.5連接A/D0809的OE端，用于控制A/D0809轉(zhuǎn)換輸出允許；P2.4連接A/D0809的轉(zhuǎn)換啟動端START，用于控制AD轉(zhuǎn)換啟動信號；P2.3連接A/D0809地址鎖存端ALE，用于控制地址鎖存信號；P2.0，P2.1，P2.2連接A/D0809模擬通道地址端ADDA，ADDB，ADDC，用于對模擬通道進(jìn)行選擇。主控電路功能實現(xiàn)：單片機(jī)通過P2.0，P2.1，P2.2控制 A/D0809 ADDA，ADDB，ADDC，選擇 A/D0809模擬輸入IN0端作為模擬信號輸入端，A/D0809通過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過一系列處理控制數(shù)碼管顯示以及充放電控制端。

圖2 主控及數(shù)據(jù)采集電路Fig.2 Master control and data acquisition circuit

2.2 過充過放控制模塊

過充控制是在蓄電池處于過充狀態(tài)時斷開充電電路，過放控制是在蓄電池處于過放狀態(tài)時斷開放電電路。過充、過放控制都是為了保護(hù)蓄電池，延長蓄電池的使用壽命。過充、過放判斷的依據(jù)主要是蓄電池電壓的高低。其功能實現(xiàn)：過充控制電路中將繼電器J1的開關(guān)串聯(lián)在充電電路中，當(dāng)白天有太陽光時處于正常充電狀態(tài)時，由太陽能板吸熱經(jīng)繼電器開關(guān)常閉點向蓄電池充電，當(dāng)蓄電池的電壓高于26 V時，認(rèn)為蓄電池處于過充狀態(tài)，單片機(jī)向P2.6送出一個低電平，使得繼電器線圈J1通電，則繼電器常閉點斷開，常開點閉合，充電電路斷開，過充指示燈亮，停止向蓄電池充電，達(dá)到過充保護(hù)功能。過放控制電路中將繼電器J2的開關(guān)串聯(lián)在放電電路中，當(dāng)處于正常放電狀態(tài)時，放電電路正常工作。在晚上由蓄電池向負(fù)載供電時，當(dāng)蓄電池的電壓低于10.3 V時，認(rèn)為蓄電池處于過放狀態(tài)，此時單片機(jī)向P2.7送一個低電平，使得繼電器線圈J2通電，繼電器開關(guān)由常閉點轉(zhuǎn)到常開點，放電電路就斷開，過放指示燈亮，停止向負(fù)載供電，達(dá)到過放保護(hù)功能，該模塊電路如圖3所示[3]。

2.3 顯示電路模塊

圖4為數(shù)碼管顯示電路，本電路采用單片機(jī)并行口顯示，由74ls373作為數(shù)碼管驅(qū)動及位選電路，數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前時間，以及當(dāng)前電壓。74ls373 位選端 LE1，LE2，LE3，LE4分別接單片機(jī)P3.4，P3.5，P3.6，P3.7端口，單片機(jī)通過每次選擇74ls373的一位位選，選擇當(dāng)前顯示的數(shù)碼管送入顯示編碼，然后選擇另外一位位選，送入顯示編碼，依次類推，實現(xiàn)數(shù)碼管靜態(tài)顯示。

2.4 光敏電阻控制模塊

利用通常情況下單片機(jī)低電平應(yīng)低于0.8 V的特點，結(jié)合光敏電阻受光照影響電阻變化靈敏的特點，通過光敏電阻與固定電阻串聯(lián)的方式，即通過檢測固定電阻的分壓值來檢測白天與黑夜。當(dāng)黑夜時設(shè)計固定電阻的分壓值為0.8 V以下，即單片機(jī)引腳低電平值范圍，此時通過單片機(jī)給P2.7送高電平，使放電電路工作，LED正常工作，否則LED滅。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖5所示為該系統(tǒng)程序流程圖，上電之后進(jìn)行初始化操作，包括關(guān)頭關(guān)閉LED，禁止電池充電與放電，初始化數(shù)碼管顯示等。啟動AD0809轉(zhuǎn)換，讀取外界電壓值，判斷蓄電池是否過沖或過放，之后判斷是否有外界控制和時間是否大于6點，如果有外界控制則強(qiáng)制開燈或關(guān)燈，否則根據(jù)光強(qiáng)判斷開燈或關(guān)燈，時間小于6點時，定時為關(guān)燈。

4 結(jié)束語

圖3 過充過放控制電路Fig.3 Overcharge/over discharge control circuit

圖4 數(shù)碼管顯示電路Fig.4 Digital display

本文對基于單片機(jī)控制的太陽能LED路燈照明系統(tǒng)硬件進(jìn)件進(jìn)行了模塊化設(shè)計，并著重介紹了系統(tǒng)的主要模塊主控及數(shù)據(jù)采集模塊、過充過放控制模塊、顯示電路模塊、光敏電阻控制模塊。軟件設(shè)計給出了程序流程。目前系統(tǒng)的實驗效果良好，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)字顯示電壓值，無觸點充放電控制，外界隨時遙控LED燈的亮滅，可據(jù)外界光線的強(qiáng)度開燈或關(guān)燈，一定時間可定時為滅燈狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計充分且可行的利用太陽能供電，節(jié)約了大量能源，對LED路燈照明系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化，具有較強(qiáng)的實用性。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 System program flow

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