基于STC12C2051单片机的智能太阳能路灯设计

简介：太阳能路灯的应用具有重要的现实意义，尤其是靠小规模火力发电或季节性水力发电的地区，更应大力发展太阳能电力。太阳能路灯以其先进、稳定、智能、成熟的控制技术及显著的节能特性、简便的维护方式等特点得到推广。随着太阳能照明灯具产品的普及，很多应用项目存在质量和售后服务问题。

太阳能路灯的应用具有重要的现实意义，尤其是靠小规模火力发电或季节性水力发电的地区，更应大力发展太阳能电力。太阳能路灯以其先进、稳定、智能、成熟的控制技术及显著的节能特性、简便的维护方式等特点得到推广。随着太阳能照明灯具产品的普及，很多应用项目存在质量和售后服务问题。因此，需及时分析原因、规范市场，使太阳能路灯市场健康有序地发展。太阳能是地球上最为直接、普遍、清洁的能源，其作为一种可再生能源，每天达到地球表面的辐射能约2.5亿万桶石油。

1 硬件电路设计

选择DS1302计时器、AT24C02存储器、4位数码显示器、过充过放电路、STC12C2051单片机等组成智能控制系统。根据各部分电路的功能不同，整体电路可分为以下几个部分：太阳能电池板组件、过充过放电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。

1.1 电源电路设计

电源电路如图1所示。系统由太阳能电池板供电，24 V蓄电池电压经过7805稳压后产生5 V电压，作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C1为滤波电容。

1.2 方案选择

DS1302是美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，其可对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

在设计中一般使用的计时功能电路有软件计时，定时器定时，但其缺点是计时有误差，需隔一段时间校正一次;另一种是硬件计时，现在流行的串行时钟电路有DS1302、DS1 307、PCF8485等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。在设计中采用硬件定时，时钟芯片DS1302。DS1302是Dallas公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器。其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

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，需人工调整开关时间，费时费力，不利于节能。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。图2为与单片机的连接图，其中VCC1为主电源，VCC2为后备电源。在一般情况下，SCL、I/O、RST与单片机连接实现1302的读写控制。

存储器AT2402的1，2，3脚为空脚，4脚为接地端，5脚为数据端，6脚为时钟端，7脚为写保护端口，8脚为电源。

AT24C02在设计中的作用是掉电存储器，是为防止电源突然断开时，用户信息不会丢失，存储当前设定的信息。AT24C02是Atmel公司的2 kB的电可擦除存储芯片，由于AT24C 02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL(移位脉冲)和SDA(数据/地址)与单片机传送数据。电压最低可达2.5 V，额定电流为1 mA，静态电流10 μA(5.5 V)，芯片内的资料可在断电的情况下保存相当长的时间，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。其与单片机的连接如图3所示。

太阳能路灯与普通路灯控制电路功能基本相同，均是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯以及对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

2 软件设计

系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、1302的读写程序、24C02的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成。程序开始要进行初始化，调用24C02内部存储的开关路灯时间点，程序每隔一段时间调一次1302中的时间。通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较，设定的比较间隔为1 s/次，当时间相同时，则通过程序输出控制信号，如图4所示。

能源电路部分中的器件参数可以通过计算得出，驱动电路是一种成熟的电路，已经得到广泛应用，单片机的算法程序已在开发板上运行成功。其中器件参数也可确定单片机的算法程序在开发板上运行，到达预期的目的，因此该方案是可行的。图5为该系统显示部分仿真电路图，图6是过冲过放电路图。该系统理论值是12 V，实际测量值为9.4 V，存在一定的误差。

3 结束语

针对目前市场上太阳能路灯的普遍不足之处，本文提出了一种基于单片机智能控制的太阳能路灯设计方案。本方案不仅可以实现智能控制，且可使路灯系统运行在节能状态，提高能源的利用率。