31摘 要太陽能作為可再生能源的一種，指太陽能的直接轉化和利用，通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能，再利用熱能進行發電。本設計是對目前草坪燈存在的抗干擾性低，不能自動化控制，且壽命短等缺陷進行改進與創新。本設計首先采用了太陽能電池作為能源，以達到環保節能的目的；利用單片機技術實現草坪燈的光電控制、定時控制和節能控制，其次內部設置有蓄電池，用于保證在陰雨天氣對蓄電池進行充電，以給草坪燈供電。控制電路分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略，能根據光線和定時控制的要求決定草坪燈的點亮和關斷。系統有很好的抗干擾性，斷電時可以保存用戶所設定的各種參數。關鍵詞：太陽能光電池，控制器，蓄電池，草坪燈，單片機The design of Solar lawn lampAbstractSolar energy as a renewable energy that the direct conversion of solar energy and use, through the conversion device to convert solar radiation into heat, and then use heat to generate electricity. This design is the existence of the current anti-lawn lamp low, can not be automatic control, and defects such as short life improvements and innovation.First of all, the design of solar cells used as a source of energy in order to achieve the purpose of environmental protection and energy saving; Lawn lamp single-chip technology using opto-electronic control, time control and energy-saving control，followed by internal battery set up for wet weather to ensure that the battery charger to power supply to the lawn.Control circuit analysis and discussion of the various parts of the circuit principle and control strategy, based on the control of lighting and timing requirements of the decision of the lawn lamp lit, and turn-off. Have a good anti-jamming system, the power can be saved when the user set various parameters. Key words: Solar PV，Controller，Batteries，Lawn lamp，Single-chip目 錄1 引言01.1 國內外太陽能的發展現狀11.2 太陽能的利用22 方案論證32.1 設計要求32.2 方案選擇33 系統整體電路43.1 太陽能電池板43.2 太陽能控制器63.3 蓄電池的選擇73.4 單片機介紹83.4.1 主要特性83.4.2 管腳說明83.4.3 振蕩器特性103.4.4 芯片擦除103.4.5 結構特點104 系統單元電路的設計104.1 照明負載104.2 充放電控制原理124.3 太陽能供電系統容量的計算134.4 控制器電源電路144.5 光控電路144.6 系統時鐘電路154.7 掉電存儲電路164.8 數碼管顯示電路174.9 單片機硬件電路185 系統程序設計196 結束語19致謝20參考文獻21附錄1 總體電路圖22附錄2 程序231 引言太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉化和利用。通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術，再利用熱能進行發電的稱為太陽能熱發電，也屬于這一技術領域；通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬于太陽能光發電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。70年代以來，鑒于常規能源供給的有限性和環保壓力的增加，世界上許多國家掀起了開發利用太陽能和可再生能源的熱潮。1973年，美國制定了政府級的陽光發電計劃，1980年又正式將光伏發電列入公共電力規劃，累計投入達8億多美元。1992年，美國政府頒布了新的光伏發電計劃，制定了宏偉的發展目標。日本在70年代制定了“陽光計劃”，1993年將“月光計劃”（節能計劃）、“環境計劃”、“陽光計劃”合并成“新陽光計劃”。德國等歐共體國家及一些發展中國家也紛紛制定了相應的發展計劃。90年代以來聯合國召開了一系列有各國領導人參加的高峰會議，討論和制定世界太陽能戰略規劃、國際太陽能公約，設立國際太陽能基金等，推動全球太陽能和可再生能源的開發利用。開發利用太陽能和可再生能源成為國際社會的一大主題和共同行動，成為各國制定可持續發展戰略的重要內容。自“六五”以來我國政府一直把研究開發太陽能和可再生能源技術列入國家科技攻關計劃，大大推動了我國太陽能和可再生能源技術和產業的發展。二十多年來，太陽能利用技術在研究開發、商業化生產、市場開拓方面都獲得了長足發展，成為世界快速、穩定發展的新興產業之一。1.1 國內外太陽能的發展現狀國際光伏工業在過去15年的平均年增長率為20。90年代后期，世界市場出現了供不應求的局面，發展更加迅速。以美國為代表，政府（能源部）在1990年起動了PVMaT（光伏制造技術）的產業化計劃，通過國家可再生能源實驗室（NREI實施，并成立了國家PV中心，聯合產業界、大學和研究機構共同進行攻關，以求大幅度降低成本。這一計劃的實施已經產生了非常明顯的效果，使商品化電池效率提高到12-15。市場發展將逐步由邊遠地區和農村的補充能源向全社會的替代能源過渡。預測到下世紀中葉，太陽能光伏發電將達到世界總發電量15-20，成為人類的基礎能源之一。第二屆世界太陽能光伏會議主席Jurgen Schmidt在大會上說到：“作為全球一種能源，光伏發電在下世紀前半期將超過核電，是2030年還是2050年的最后幾年超過，只是個時間問題。” 我國太陽能光伏發電技術產業化及市場發展經過近20年的努力，已經奠定良好的基礎。目前有4個單晶硅電池及組件生產廠和2個非晶硅電池生產廠。但在總體水平上我國同國外相比還有很大差距，主要表現在以下幾個方面：（1）生產規模小。目前4個單晶硅電池生產廠基本上保持在1986-1990年引進時的規模和水平。各廠家在引進時標稱生產能力為1MW年，但在不同的工藝環節上都存在著“瓶頸”，實際生產能力都在05MW年左右，所以我國太陽電池總的實際生產能力約2MW年， 1998年我國太陽電他的產量為2MW，約占世界產量的13。生產的規模化程度比國外5-20MW生產規模低一個數量級。目前各廠都在努力擴大生產能力，可望在1-2年內將各廠的實際生產能力擴大到1MW年，總能力達到4MW年。多晶硅電池有利于進一步降低成本，目前我國還是空白。國家已將多晶硅電他的產業化作為“九五”計劃的重點進行了安排，可望在2000年形成規模化生產。（2）技術水平較低。我國太陽電他的效率較低，平均在14-16；組件封裝水平低，工程現場證明，部分產品大約3-5年就出現發黃、起泡、焊線脫落、效率下降等問題，近幾年產品質量有提高，但同國外仍有一定差距。（3）專用原材料國產化程度不高。專用材料如銀漿、封裝玻璃、EVA等尚未完全實現國產化。國家曾將提高商業化電池效率和材料國產化列入“八五”計劃，并取得一定成果，但性能有待進一步改進，各廠家部分材料仍然采用進口品。（4）成本高。目前我國電池組件成本約35元Wp（42美元Wp），平均售價44元Wp（53美元Wp)，成本和售價都高于國外產品。我國地域廣大、人口眾多，7000萬人生活在無電地區，光伏發電的潛在市場非常巨大。但由于光伏發電成本高，目前尚不能與常規發電相比。盡管如此，我國的光伏市場仍在逐年地發展和擴大，1998年的安裝容量約25MW。到1998年底，光伏發電系統總保有量約12MW。面對這樣一個將被開發的巨大市場，我國的光伏發電產業必須加快發展步伐。1.2 太陽能的利用 人類對太陽能的利用有著悠久的歷史。我國早在兩千多年前的戰國時期，就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火；利用太陽能來干燥農副產品。發展到現代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉換）和光電轉換兩種方式。使用太陽電池，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能，使用太陽能熱水器，利用太陽光的熱量加熱水，并利用熱水發電，利用太陽能進行海水淡化。太陽能發電一種新興的可再生能源利用方式18。本課題將充分利用太陽能資源、太陽能電池和光電轉換技術給草坪燈提供電力，利用單片機技術實現草坪燈的光電控制、定時控制和節能控制。2 方案論證2.1 設計要求（1）電池板面積、功率的計算和選用；（2）蓄電池容量、恒流充放電控制和充放電狀態顯示；（3）光電控制要求光線較暗、路燈未點亮時草坪燈開始照明草坪，天亮后自動關斷；（4）定時控制要求晚上12點時關斷草坪燈電源，早上6點接通、天亮后自動關斷；（5）系統有很好的抗干擾性，斷電時可以保存用戶所設定的各種參數。2.2 方案選擇太陽能草坪燈控制與路燈控制電路功能一樣，都是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈的作用,還有就是對蓄電池的充電管理。國內外常用的控制器有光控制開關，鐘控器、經緯型控制器等，但由于其工作原理不同，各有優缺點。單獨的光控開關一般采用感光探頭，當晚上光線弱時，自動開啟草坪燈；早上光線較強時，自動關閉草坪燈，達到自動控制的作用。為節省電力，早期的光控開關，使用分立半導體器件，電路復雜，元器件較多，體積也較大，并且故障率高。隨著半導體技術的發展，出現了時基集成電路，如NE555等，使光控開關電路簡化。感光探頭是影響光控開關性能的關鍵元器件，同時對它安裝位置也有一定要求，力求避免各種干擾光線，但在實際使用中，感光探頭難以判斷各種干擾光線，經常會產生誤動作1。采用鐘控器的草坪燈控制器，要預先設定開關時間，使草坪燈按時亮燈、準時熄燈，從而達到自動控制的目的。優點是定時開關預先設定的開關時間不受外界干擾，除本身故障外不會產生誤動作。缺點是不能根據季節變化和特殊的天氣情況自動變換開關時間，需人工經常調整開關時間，費時費力，不利于節省電力。定時開關又分為機械鐘表型和電子鐘表型，機械鐘表型以石英鐘為主，走時精準，但是由于機芯內使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導致停機現象。電子鐘表型定時開關使用的也較多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成塊為中心的電子鐘電路。近幾年還出現將電子鐘LED液晶顯示為一體的集成塊，體積小、外圍元器件少，可設六組開關點，有星期功能，許多廠家大量生產該產品，但現在大多用于路燈控制中，草坪燈控制中尚未大規模使用5。經緯型控制器采用單片機技術，模擬日照規律，晚上能自動開燈、早晨能自動關燈。它采取光控開關時間的優點，克服了光控開關易受干擾的缺點，取鐘控器時間準確之長處，克服了定時開關不會自動變換開關時間之短處。目前路燈控制常采用這種控制方式，但其價格較高，在草坪燈中使用將會增加不必要的成本。燈箱的智能控制這一課題己有研究者，但目前尚未有成熟的產品上市。本設計是結合以上幾種控制方式的優點，綜合從節電、經濟和實用等方面考慮，利用定時控制和光敏電阻控制相結合的方式，來實現根據天氣狀況自動控制燈箱電源的目的。經過綜合考慮，決定采用光控和定時控制相結合的控制方式。3 系統整體電路充放電控制器單片機系統時控電路光控電路掉電存儲充放電總電路太陽能電池板LED負載蓄電池組圖1 總體方框圖太陽能草坪燈由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）、燈源等組成。利用單片機技術實現草坪燈的光電控制、定時控制和節能控制，其次內部設置有蓄電池，用于保證在陰雨天氣對蓄電池進行充電，以給草坪燈供電。總體設計電路圖見附錄1。3.1 太陽能電池板太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。太陽能電池方陣一般由多塊太陽能電池組件串并聯而成，每個支路通過防反充二極管、充電控制器并聯向蓄電池充電。太陽能電池方陣分為若干個子陣列，每個陣列由一個電子開關控制。當蓄電池的充電電壓達到設定的最電高壓時，自動依次切斷一個或數個子陣列，以限制蓄電池的充電電壓繼續增長確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲存太陽能電池發出的電能。晴天時，太陽能電池為蓄電池充電，在夜幕來臨時通過定時裝置為太陽能草坪燈供電。太陽能電池的發電原理是利用光入射于半導體時所引起的光伏效應。其轉換過程由以下三個階段組成：（1）光的吸收和空穴電子對的產生4在外部不給半導體任何能量的狀態（絕對零度）下，電子充滿介電子帶，而導帶則不存在電子。在這種狀態下，半導體不顯示導電性，而是絕緣體。當具有一定能量的光入射半導體時，如果光子的能量大小比特定值Eg大時，那么，這種光就被半導體吸收。如果半導體晶格吸收的光足夠大，能夠解除半導體晶格對電子的約束，就產生自由電子，留下空穴。為使被晶格約束的電子變為自由電子，光子的能量必須等于或大于該半導體的禁帶寬度，即Eg電子伏。若比攜帶能量 Eg小的光子被半導體吸收，那么它僅能透過半導體晶格，而對光電轉換沒有作用。（2）電子空穴對的分離當半導體中沒有電場時，光激發的電子空穴對均勻的分布在半導體中，但在外電路中并不能得到電流。只有以某種方法在半導體中形成勢壘，才能使受激發的電子空穴對分開，從而可向外電路供電。這種勢壘常用PN結實現。PN結產生的電子空穴對的分離是有限的，但如果沒有連接外部電路，則被分離的電荷不能消失，從而電荷蓄積在PN兩層，使PN結正向，即向著電位勢壘變小的方向偏轉，結果分離過程停止，得到正常狀態。這時，把PN結兩端產生的電壓叫開路電壓。若考慮使電荷短路狀態，則分離的電荷在外部回路中流動而形成短路電流。因此，短路電流與照射的光量成正比。（3）過剩載流子的移動圖2 太陽能電池的發電原理圖吸收入射光能產生的電子空穴對也不一定全部分離，電子空穴對產生的數目與分離的數目之比叫做收集效率。半導體中產生的電子空穴對借助存在于半導體中的電場產生的偏移效應和電荷的濃度梯度產生的擴散而移動。過剩載流子是超過熱平衡狀態存在的載流子，所以，通常在某個時間常數下，具有返回平衡狀態的傾向。通常把這個時間常數叫做過剩載流子壽命。因此，在產生的電荷從產生的地方向PN結移動所需要的時間比過剩載流子壽命還長的情況下，電荷不會因PN結而分離，對能量的產生沒有作用。這樣，收集效率就由過剩載流子的壽命和PN結的位置來決定。如圖2所示那樣，當具有適當能量的光子入射于半導體時，光與構成半導體的材料相互作用產生電子與空穴（因失去電子而帶正的電荷）。如半導體中存在PN結，那么電子向N型半導體擴散，空穴向P型半導體擴散，并分別聚集于兩個電極部分，即負電荷和正電荷聚集于兩端。這樣如用導線連接這兩個電極，就有電荷流動產生電能。當受光照的太陽能電池接上負載時，光生電流流經負載，并在負載兩端建起端電壓，這時太陽能電池的工作情況可用圖3所示的等效電路來描述。在恒定光照下，一個處于工作狀態下的光電池，其光電流 IL不隨工作狀態而變化，在等效電路中，可把它看作恒流源，光電流一部分流經負載RL，同時在負載兩端建立起端電壓V，此電壓反過來它又正向偏置于p-n結二極管，引起與光電流反向的暗電流ID。但是，由于太陽板前表面和背表面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經負載的電流經過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯電阻Rs來表示；同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負載的電流短路，這種作用可用一個并聯電阻Rsh來等效。圖3 PN結太陽能電池的等效電路圖3.2 太陽能控制器太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，可以設定草坪燈的工作時間并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。對負載供電時，也是讓蓄電池的電流先流入太陽能控制器，經過它的調節后，再把電流送入負載。這樣做的目的：一是為了穩定放電電流；二是為了保證蓄電池不被過放電；三是可對負載和蓄電池進行一系列的監測保護。若要使用交流用電設備，還需在負載前加入逆變器逆變為交流。控制器由CPU控制，根據蓄電池電壓高低，調節充電電流大小，決定是否向負載供電，并具有以下性能：經常保持蓄電池處在飽滿狀態，防止蓄電池過度充電，防止蓄電池過度放電，防止夜間蓄電池向太陽能板反向充電，蓄電池反接保護，太陽能極板反接保護。3.3 蓄電池的選擇蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄電池，重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價格較高，相對來說應用沒有前一種廣泛。蓄電池是一種化學電源，它將直流電能轉變為化學能儲存起來。需要時再把化學能轉變為電能釋放出來。能量轉換過程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏發電系統中，蓄電池對系統產生的電能起著儲存和調節作用。由于光伏系統的功率輸出每天都在變化，在日照不足發電很少或需要維修光伏系統時。蓄電池也能夠提供相對穩定的電能12。蓄電池的循環壽命主要由電池工藝結構與制造質量所決定。但是使用過程和維護工作對蓄電池壽命也有很大影響，有時是重大影響。首先，放電深度對蓄電池的循環壽命影響很大，蓄電池經常深度放電，循環壽命將縮短。其次，同一額定容量的蓄電池經常采用大電流充電和放電，對蓄電池壽命都產生影響。大電流充電，特別是過充時極板活性物質容易脫落，嚴重時使正負極板短路；大電流放電時，產生的硫酸鹽顆粒大，極板活性物質不能被充分利用，長此下去電池的實際容量將逐漸減小，這樣使用壽命也會受到影響。本電路采用鉛酸免維護蓄電池，不需專門的維護；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。但是對蓄電池的過充電更為敏感，因此對過充保護要求高；當長時間反復過充電后，蓄電池極板易變形。在光伏發電系統中，蓄電池處于浮充放電狀態，夏天日照量大，方陣給蓄電池充電；冬天日照量小，這部分儲存的電能逐步放出。在這種季節性循環的基礎上還要加上小得多的日循環：白天方陣給蓄電池充電，晚上負載用電則全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐過充放，而且充放電效率要高，當然還要考慮價格低廉，使用方便等因素。如前所述，當蓄電池端電壓達到設定的最高值時，由電壓檢測電路得到信號電壓，通過控制電路進行開關切換，使系統進入穩壓閉環控制，既保持對蓄電池充電，又不致使蓄電池過充，造成電解液中水的大量分解和過熱而導致極板損壞，從而使蓄電池得到合理的保護和利用。如過充保護失靈導致蓄電池端電壓過高時，系統發出報警指令。當蓄電池端電壓下降至過放值時，系統也會發出報警指示，同時草坪燈自動關閉，以保證蓄電池不再繼續放電。3.4 單片機介紹89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。89C2051是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 3.4.1 主要特性與MCS-51兼容，4K字節可編程閃爍存儲器，壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：10年，全靜態工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內部RAM32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數器5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內振蕩器和時鐘電路。3.4.2 管腳說明VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.4.3 振蕩器特性 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 3.4.4 芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。 此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 3.4.5 結構特點8位CPU；片內振蕩器和時鐘電路；32根I/O線；外部存貯器尋址范圍ROM、RAM64K；2個16位的定時器/計數器；5個中斷源，兩個中斷優先級；全雙工串行口；布爾處理器。4 系統單元電路的設計4.1 照明負載LED外施電壓后在其內部會產生受激電子躍遷光輻射。按照不同半導體基本材料的物理特性，所產生的光波長是不同的。發光二極管的實質性結構是PN結，在半導體PN結通以正向電流時注入少數載流子，少數載流子的發光復合就是發光二極管的工作機理。半導體PN結發光實質為固體發光，而各種固體發光都是固體內不同能量狀態的電子躍遷的結果。半導體材料的發光機理決定了單一LED芯片不可能發出連續光譜的白光，必須以其它的方式合成白光。白光LED通常是在發射藍光的InGaN基材上涂熒光材料，熒光材料在受到藍光激勵時會發出黃光，藍光和黃光的混合物形成白光8。由于LED是直流供電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應用于直流系統，如太陽能燈具產品。應首選平光型超高亮LED或平光型與束光型超高亮LED組合使用，將多個LED集中于一起，排列組合成一定規則的LED發光源。超高亮白光LED發光源既要保證有一定的照射強度，又要使其具有較高的光效，然而電流的增大，光通量雖然增大，但是，另一方面電流的增加會引起光源熱損耗的增加，通常導致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合點為最佳工作點，一般為17.5 mA 。太陽能LED燈具的具體技術指標如表1所示。超高亮白光LED發光源具有如下優點：壽命長。LED的壽命長達100000h，而白熾燈的壽命一般不超過2000 h，熒光燈的壽命也不過5000 h左右。效率高。相對于傳統的第一代照明光源白熾燈，LED的功耗只有前者的1020。綠色環保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比，LED不含汞、無頻閃，是一種環保光源。耐低溫。環境使用溫度在一4080 ，環境適應性非常強15。這種電路的關鍵是針對蓄電池的充放電特性設計一個比較好的電壓比較點，再加上發光二極管構成的充放電狀態指示電路，便成了一個具有實用功能的智能控制器，具有防蓄電池過放電、過充電功能。在太陽輻照不足的幾個月，由于蓄電池的充電狀態通常較低，使蓄電池放電時端電壓也較低，這樣負載工作電流較小、功率小，系統也能夠工作更長的時間。反之在太陽輻照比較充足時，負載工作電流較大、功率大、也更亮。表1 太陽能LED燈具的主要性能指標太陽能電池40W ，12 VLED發光源柱式排列，96粒LED、平均功耗3W工作溫度-40+80過充保護電壓144V(25C)過放保護電壓11V蓄電池40Ah12V照明時間天黑后，光控自動啟動電光轉換功能；天亮后光控自動恢復到光電轉換模式太陽能LED燈具的柱式光源耗能僅3w左右，但所發出的光的亮度已達到了20W 節能燈或40W白熾燈的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有效利用太陽能，使用太陽能電池的容量只需要40 w，12V30 Ah的蓄電池組就已經能夠保證此種LED發光源在5個陰雨天持續有效工作，而20w節能燈要想在同等條件下正常工作，太陽能電池容量最少要達到70W以上，蓄電池組也要到達70 Ah以上，而且超高亮LED平均使用壽命10萬小時，使用期最少在10年以上，而節能燈的使用壽命僅為800010000h。由于單個高亮管的正常工作電壓只有3V，所以燈具采用4個高亮管串聯后并聯于電路中，這樣也可以減少當電路中的某一個高亮管出現故障時對其他高亮管的影響，96個高亮管共分成六列圍成一個柱形，每列由16個高亮管組成。用384個高亮管來代替四個40W的日光燈。由于高亮管的直射效果好，所以燈具的體積要盡量小一些，這樣可以使高亮管的照射范圍更大一些，高亮管盡量選用照射角度大一些的高亮管。這對于一般的廣告燈箱來說已經可以提供照明了，但對一些更大的廣告燈箱，則需要更多的高亮管來提供照明。 4.2 充放電控制原理本系統的設計包括充電控制電路、防過充電路、防過放電路、穩壓電路、太陽能電池板和蓄電池的選用等。充放電控制器是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設備。由于蓄電池的循環充放電次數及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設備。圖4所示為充放電控制電路，工作原理當直流電流經過J1-1常閉觸點和R1，使LED發光，等待對蓄電池進行充電；三端穩壓器輸出8V電壓，電路開始工作，過充電壓檢測比較控制電路和過放電壓檢測比較控制電路同時對蓄電池端電壓進行檢測比較。當蓄電池端電壓小于預先設定的過充電壓值時，IC1的腳電位高于腳電位，腳輸出低電位使Q1截止，Q2導通，LED2發光指示充電，J1動作，其接點J1-1轉換位置，電路通過D1對蓄電池充電。蓄電池逐漸被充滿，當其端電壓大于預先設定的過充電壓值時，IC1的腳電位低于腳電位，腳輸出高電位使Q1導通，Q2截止，LED2熄滅，J1釋放，J1-1斷開充電回路，LED1發光，指示停止充電。當蓄電池端電壓大于預先設定的過放電壓值時，IC2的腳電位高于腳電位，腳輸出高電位使Q3導通，Q4截止，LED3熄滅，J2釋放。其常閉觸點J2-1閉合，LED4發光，指示負載工作正常；蓄電池對負載放電時端電壓會逐漸降低，當端電壓降低到小于預先設定的過放電壓值時，IC2的腳電位低于腳電位，腳輸出低電位使Q3截止，Q4導通，LED3發光指示過放電，J2動作，其接點J2-1斷開，正常指示燈LED4熄滅。圖4 充電控制器電路4.3 太陽能供電系統容量的計算該電源給草坪燈供電,該草坪燈的工作電壓為12V,總耗電量約3W（該燈用96粒LED構成，四個LED串聯后并聯構成）,工作電流約0.5A。由于草坪燈一天要工作九個小時左右(19:00-6:00),考慮陰天情況下系統的供電,后備電源須具有48h的供電能力,且按80%的放電率計算,則蓄電池的容量為:Qx=(TxIs)=(480.5)/0.8=30(Ah)。式中:Qx蓄電池容量;Tx蓄電池放電時間;Is設備工作電流。應選用12V/30Ah免維護蓄電池。有日照時,要求太陽能電池供給設備用電,同時給蓄電池充電。如按10h充電計算,充電電流為:Ic=Qx/Tc=30/10=3(A)。式中:Ic充電電流;Qx蓄電池容量;Tc充電時間。要求太陽能電池提供的總電流為:Ia=Ic+Is=3+0.5=3.5(A)。計算中,加上30%的余量,則要求太陽能電池提供的輸出功率為:P=(VgIa)(1+0.3)=123.51.3=32.3(W)。式中:P太陽能電池提供的輸出功率;Vg設備工作電壓。就是按照這樣的計算,給電陣屏供電應使用1塊12V/40W的電池板（總容量為40W)供電的。4.4 控制器電源電路電源電路如圖5所示。系統太陽能供電，12V蓄電池電壓經過7805穩壓后產生5V電壓，作為控制器的主電源。電容C2作為高頻旁路電容，將高頻信號旁路到地。同樣電容C3為濾波電容，C4為高頻旁路電容。R1為限流電阻，LED1為5V電源指示燈。圖5 電源電路4.5 光控電路該電路由光照度檢測電路和單片機控制電路組成，如圖6所示：圖 6 光控電路光照度檢測電路由光敏電阻器RG，電位器RP，電阻器R1，R2和非門集成電路IC1組成。控制電路為單片機控制電路。白天光照較強，RG受光照射而呈低阻狀態，IC1的輸入端為低電平，輸出端為高電平， 6腳為高電位，即給單片機P2.7口送入的是高電平。當光線較弱時，RG的阻值開始增大。隨著光線的逐漸變弱，IC1的輸入端電壓也逐漸上升，當該電壓上升至IC1的閥值電壓時，其輸出端變為低電平，6腳為低電位，即給單片機P2.7口送入的是低電平，單片機控制下級電路工作。調節RP的阻值，可以改變電路動作的靈敏度。 4.6 系統時鐘電路為了系統定時準確性的需要，系統需要一個實時的時鐘，而平常的電子設計中常用的時鐘是直接通過匯編語言對單片機進行編程實現的，這樣的時鐘在電源斷電時不能正常運行，再次通電后也不能保證時鐘的持續運轉。由于系統要求根據時間來準時開關燈箱電源，所以要求系統時間一定要準確，為了避免斷電時鐘不運行情況的發生，在本設計中選用了低功耗的實時時鐘芯片DS1302提供系統的時鐘，它具有功耗低、性能穩定、自帶RAM、具有年月日功能，確保定時的可靠性。DS1302實時時鐘芯片包括實時時鐘/日歷和31字節的靜態RAM。它經過一個簡單的串行接口與微處理器通信。實時時鐘/日歷提供秒、分、時、日、周、月和年等信息。對于小于31天的月，月末的日期自動進行調整，還包括了閏年校正的功能。時鐘的運行可以采用24小時或帶AM（上午）/PM（下午）的12小時格式。DS1302工作時為了對任何數據傳送進行初始化，需要將復位腳（RST）置為高電平且將8位地址和命令信息裝入移位寄存器。數據在時鐘（SCLK）的上升沿串行輸入，前8位指定訪問地址，命令字裝入移位寄存器后，在之后的時鐘周期，讀操作時輸出數據，寫操作時輸出數據。數據可以以每次一個字節或多達31字節的多字節形式傳送至時鐘/RAM或從其中送出。而且DS1302能在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存數據和時鐘信息。DS1302具有一個用于主電源和備用電源的雙電源引腳，即除了主電源外，我們可以在其8腳和地之間接一個大電容或者接一個備用電源，主電源正常時對電容或備用電源充電，當電源突然斷電或者進行電力維修時，電容或備用電源工作，以表2 DS1302的管腳介紹管腳名稱功能X1X232.768kHz晶振引腳RST復位I/O數據輸入/輸出SCLK寫保護VCC1VCC2電源引腳GND地保證時鐘芯片的正常工作。DS1302各腳功能如表2所示。DS1302主要由移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實時時鐘以及RAM組成。為了初始化時進行數據傳送，將RST置為高電平且把提供地址和命令信息的8位裝入到移位寄存器。數據在SCLK的上升沿串行輸入。無論是讀周期還是寫周期發生，也無論傳送方式是單字節傳送還是多字節傳送，開始8位指定40個字節中的哪個單元將被訪問。在開始的8個時鐘周期把命令字節裝入移位寄存器之后，時鐘在讀操作時輸出數據，在寫操作時輸入數據。時鐘脈沖的個數在單字節方式下為8加8，在多字節方式下為8加最大可達248的時鐘脈沖個數。圖7 DS1302實用時鐘電路本設計采用的是24小時運行模式。因為DS1302采用的是同步串行通信，簡化了與微處理器的通信，微處理器與時鐘芯片通信僅需三根線聯接：（1）RST（復位）、（2）I/O（數據線）、和（3）SCLK（串行時鐘）。在I/O口接到處理器的命令后，控制芯片的SCLK端向單片機傳送數據或由單片機通過SCLK端向1302中寫入數據。具體應用電路如圖7所示。在系統正常工作時，晶振X1為時鐘芯片提供工作必需的32.768KHZ的振蕩周期，使時鐘正常工作，系統電源對電容C4充電，在系統斷電時，C4中存儲的電量可以作為芯片的備用電源，維持時鐘芯片正常工作，再次通電時系統電源為芯片供電，并且為電容C4充電，為系統下次斷電做好電能的儲備。4.7 掉電存儲電路為了能將系統所設定的一些參數，如設定的密碼，設定的時間在系統掉電之后能夠恢復，在設計時必須考慮如何存儲這些參數。由于AT89C51片內沒有EEPROM，必須采用外部擴展方式。在系統的設計過程中，通常采用的掉電存儲芯片是24C02系列存儲芯片，為了方便以后擴展，在這里選用有4K存儲空間的24C04芯片。24C04接口采用I2C總線接口方式。I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。連接總線的器件的輸出級必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能。I2C總線的數據傳送速率在標準工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達400kbit/s。它通過串行數據線SDA及串行時鐘線SCL兩根線和連在總線上的處理機進行通信，并根據地址識別每個器件。采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內部不僅有I2C接口電路，而且將內部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現片選，減少了器件片選線的連接。CPU能通過指令將某個功能單元電路進行讀或寫的操作，還可對該單元的工作狀況進行檢測，從而實現對硬件系統既簡單又靈活的擴展與控制。管腳功能如表3所示。24C04作為系統的掉電存儲單元，在設計中的作用是在系統失電的瞬間，由電容供電完成對系統中數據的存儲。主要存儲的內容是定時數據、系統時間等參數，在系統恢復供電時取出定時時間與實時時鐘數據進行對比，完成定時控制和時鐘顯示功能。其應用電路如圖8所示。表3 24C04的管腳介紹管腳名稱功能A0、A1、A2器件地址選擇SDA串行數據/地址SCL串行時鐘WP寫保護VCC+1.8V6.0V工作電壓GND地圖8 24C04應用電路4.8 數碼管顯示電路數碼管顯示的串口輸出電路，串口六位數碼顯示主要由供電電路、串并轉換電路、數碼顯示電路組成(如圖9)。串并轉換電路主要由六塊移位寄存器74ALS164組成。當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當一組數據依次輸入時，寄存器中的數據在每個時鐘脈沖的作用下依次向下一個寄存器傳遞。最終在輸出端（QAQH）得到八位并行輸出的數據。由于寄存器是級聯的，所以在時鐘脈沖的作用下依次為每個數碼管提供八位的數據。數碼顯示電路主要由八段數碼管組成，其電路是共陽的，當輸出一定的編碼數據時顯示相應的數字。圖 9 顯示電路4.9 單片機硬件電路AT89S系列單片機提供的ISP在線編程技術徹底地改變了傳統開發模式，開發單片機系統時不會損壞芯片的引腳，加速了產品的上市并降低了研發成本，縮短了從設計制造到現場調試的時間，簡化了生產流程，大大提高了工作效率。單片機控制電路采用89s51系列單片機及其外圍電路組成，電路如圖10所示。復位電路采用按鍵手動復位方式，當S6按鍵按下后，VCC通過R12給單片機9腳一個高電平，就可以完成復位操作，時鐘電路用12MHz晶振及2個33pF的電容組成，片內的時鐘信號主用由該電路產生。圖 10 單片機電路5 系統程序設計該系統的軟件程序設計主要有主程序，中斷程序，顯示子程序和延時子程序。系統流程圖如圖11所示，主程序見附錄2。6 結束語本次畢業設計的太陽能草坪燈設計是針對已經存在的普通草坪燈進行改進，首先采用了太陽能電池作為能源，以達到環保節約的目的。太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來