基于STC8單片機(jī)的太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì)

張維全，周麗紅

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，江蘇淮安，223003）

近年來，全球可持續(xù)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。而且，這些能源在使用過程中嚴(yán)重污染環(huán)境，直接影響人們的健康。因此，越來越多的人將目光轉(zhuǎn)向可再生太陽能新能源。隨著太陽能的大量使用和大功率、高亮度照明LED技術(shù)的成熟，太陽能LED路燈得到了廣泛的推廣應(yīng)用。太陽能LED路燈巧妙地使低功耗照明光源LED燈更加明亮節(jié)能，LED封裝外殼不需要使用玻璃等易碎物品作為外殼，更具有抗沖擊和耐壓能力，而且太陽能路燈不需布線，不用接入電網(wǎng)即可使用。因?yàn)樘柲茈姵匕蹇梢栽诠庹盏那闆r下儲(chǔ)存電能，有陽光的地方，他們就可以工作，應(yīng)用范圍廣。因此，越來越多的人開始重視太陽能路燈的研究與應(yīng)用。

1 太陽能路燈控制器設(shè)計(jì)

太陽能路燈控制原理：白天，太陽能模塊將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，通過太陽能控制器儲(chǔ)存在電池中；晚上，電池通過太陽能控制器為LED光源供電，實(shí)現(xiàn)照明功能。太陽能路燈照明控制電路由光伏電池、充放電及保護(hù)電路、路燈控制器及傳感器電路四部分組成。本系統(tǒng)中采用STC8單片機(jī)作為路燈控制器的核心器件，通過太陽能和鋰電池充放電及保護(hù)電路給LED燈提供電能，利用環(huán)境光傳感器檢測環(huán)境光信號(hào)給控制器以便控制白天不發(fā)光但晚間有條件的發(fā)光；利用人體熱釋電傳感器和人體感應(yīng)雷達(dá)傳感器判斷人是否走近了的信號(hào)給控制器以便控制晚間人到燈亮人走燈暗，從而實(shí)現(xiàn)夜晚照明；再利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)給控制器以便控制按照規(guī)定時(shí)間點(diǎn)后是否需要完全熄滅或微亮照明。外圍電路主要包括太陽能充放電電路、充放電保護(hù)電路、人體熱釋電紅外傳感器及檢測電路、人體感應(yīng)雷達(dá)信號(hào)傳感器等，由檢測電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案如方框圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)智能控制模塊

本項(xiàng)目采用南通國芯微電子科技有限公司研發(fā)的最新STC8單片機(jī)作為核心控制器，它是一款高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，工作電壓范圍為3.3V～5.5V，包含2M字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核(STC Y5)。

圖2 單片機(jī)接口電路

■2.2 電源電路模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)正常工作電壓為5V，系統(tǒng)采用 12V/24V 的鉛酸蓄電池供電，控制器電源經(jīng)由蓄電池正極并通過1N5819肖特基二極管D1引入。其中圖中11V作為三極管驅(qū)動(dòng)電壓，11V電壓經(jīng)過AMS117三端可調(diào)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓輸出5V電壓，提供給單片機(jī)正常工作電壓，電路簡單，使用起來非常方便，工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)電源電路如圖3 所示。

圖3 電源電路

■2.3 環(huán)境光檢測電路

環(huán)境光線檢測電路采用環(huán)境光敏二極管（波長450nm）作為檢測光線的元件，光敏二極管的特性是在特定波長的光線照射下，它的阻值會(huì)極速的減小。電路由555定時(shí)器、光敏二極管、4148二極管和電阻、電容等元件構(gòu)成。用NE555加外圍元件構(gòu)成施密特觸發(fā)器，功能主要是防閃爍檢測抗干擾，傳遞給單片機(jī)，電路如圖4所示。其中555芯片及外圍電路組成施密特觸發(fā)器，光敏電阻器D2白天在光照時(shí)呈現(xiàn)很低的電阻值，因此555芯片的閾值端⑥腳與觸發(fā)端②腳平均高于2/3電源電壓，集成塊處于復(fù)位狀態(tài)，③腳輸出低電平；當(dāng)晚間環(huán)境光線變暗時(shí)，光敏電阻呈現(xiàn)高電阻，使得集成塊觸發(fā)端②腳電平下降，當(dāng)降至1/3電源電壓時(shí)，555電路③腳輸出高電平。R2、C4構(gòu)成積分電路，起到吸收抗干擾作用，防止夜間電路發(fā)生誤翻轉(zhuǎn)。

圖4 環(huán)境光檢測模塊電路

■2.4 人體感應(yīng)模塊電路

本項(xiàng)目使用了兩個(gè)傳感器模塊，包括熱釋電傳感器模塊和人體雷達(dá)傳感器模塊，它是一種能檢測人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。這里采用芯片BISS0001，它的最大優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定可靠，工作電壓為DC6～24V，感應(yīng)距離為0.5～5米，當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)檢測范圍時(shí)輸出3v高電平，無人時(shí)0v低電平。由于熱釋電傳感器檢測距離近，所以外加雷達(dá)傳感器擴(kuò)大檢測范圍，雷達(dá)傳感器，感應(yīng)距離遠(yuǎn)，可靠性強(qiáng)。工作電壓范圍寬，是一款專門檢測物體移動(dòng)的微波感應(yīng)模塊，配合人體熱釋電傳感器來檢測有無人員走近太陽能路燈控制器，最高檢測范圍可以達(dá)到9米，從而控制路燈的亮與滅，實(shí)現(xiàn)路燈控制照明。人體感應(yīng)模塊電路接口如圖5所示。

圖5 人體感應(yīng)模塊電路

■2.5 驅(qū)動(dòng)電路

本項(xiàng)目的終端設(shè)備LED燈發(fā)光需要一定的條件，工作電流必須滿足合適的數(shù)值范圍，工作電流既不能過大，也不能過小，如果電流太大會(huì)燒壞LED 燈，如果太小發(fā)光效率降低，達(dá)不到照亮的目的，必須對(duì)LED工作電流進(jìn)行限制，同時(shí)考慮LED的驅(qū)動(dòng)電壓，因此采用SIS302場效應(yīng)管，來驅(qū)動(dòng)LED燈是否發(fā)光。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路

■2.6 太陽能路燈太陽能板選擇

太陽能電池是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。 太陽能電池板主要包括單晶硅和多晶硅。 單晶硅太陽能的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24%，在所有太陽能電池中最高。 它使用壽命長，但是生產(chǎn)成本高。 雖然單晶硅的價(jià)格高昂，本項(xiàng)目中仍然單晶硅太陽能電池板， 單塊太陽能電池板的額定電壓5V，額定電流200mA,額定功率為1000W， 兩個(gè)太陽能電池板串聯(lián)連接，以使其工作功率更大，并使它們更快地充滿電。

■2.7 音頻信號(hào)處理電路

當(dāng)有人在夜間接近太陽能路燈時(shí)，控制器收集聲音信號(hào)。這里使用。由于駐極體話筒結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價(jià)比高、聲電性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此我們選擇駐極體傳聲器作為聲信號(hào)采集的傳感器。

當(dāng)沒有聲音時(shí)，只輸出低電壓信號(hào)。當(dāng)有聲音時(shí)，它會(huì)輸出一個(gè)被集成運(yùn)放放大的電壓值。音頻信號(hào)處理電路通過駐極體話筒將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的mv電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)過由集成運(yùn)放358構(gòu)成的兩級(jí)放大電路，然后被放大成伏特的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)送給單片機(jī)控制器與參考電壓進(jìn)行比較，得到觸發(fā)照明的電壓閾值。當(dāng)信號(hào)電壓高于閾值時(shí)，確定環(huán)境音量達(dá)到預(yù)設(shè)水平以觸發(fā)照明。音頻信號(hào)處理電路如圖7所示。

圖7 音頻信號(hào)處理電路

3 軟件設(shè)計(jì)

控控制流軟件的流程圖如圖所示。當(dāng)按下電源開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)首先初始化程序。在初始化程序中，主要對(duì)單片機(jī)的定時(shí)器、中斷進(jìn)行初始化，然后通過太陽能電池光敏板檢測是否為夜間。如果檢測結(jié)果不是夜間，則在控制器的監(jiān)控下開始對(duì)電池充電；如果結(jié)果是晚上，使 LED 燈發(fā)光照明。

圖8 軟件流程圖

4 結(jié)束語

控制器是太陽能路燈系統(tǒng)的重要組成部分。其性能直接影響系統(tǒng)的可靠性。本文利用STC單片機(jī)等芯片及外圍電路設(shè)計(jì)了一種太陽能路燈控制器，經(jīng)過硬件測試，軟件編程控制，系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠滿足小區(qū)照明需求，達(dá)到設(shè)計(jì)要求！是一款可以推廣的產(chǎn)品。