全自动太阳能路灯控制器的设计.doc

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1、毕 业 设 计学生姓名： 周大力 学 号： 080803124 学 院： 电气信息学院 专 业： 测控技术与仪器 题 目： 全自动太阳能路灯控制器的设计 指导教师： 孟凡华 (讲师) 评阅教师： 2012年6月 河北科技大学毕业设计成绩评定表姓 名周大力学 号080803124成 绩专 业测控技术与仪器题 目全自动太阳能路灯控制器的设计指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中毕 业 设 计 中 文 摘

2、要全自动太阳能路灯控制系统包括太阳能供电部分，微控制器部分以及输出部分。太阳能供电部分主要由太阳能电池板、太阳能电池控制器、蓄电池组成，将太阳能转化为电能储存在蓄电池中。微控制器部分由时钟芯片、光敏传感器、红外传感器、单片机以及按键和显示部分组成。白天单片机的输出信号主要取决于光敏传感器，当光照强度低于设定值时路灯点亮，并且亮度随着光照强度的变化而变化。午夜11点至凌晨5点，单片机控制路灯熄灭，当有行人经过时路灯点亮30S后熄灭。按键部分可修改时钟时间，显示部分用于显示时间以及光照强度。输出部分通过三极管加MOS管的两级运放实现，放大了PWM波的电流和电压信号。并且，输出可由太阳能供电切换至市

3、电供电。至此，完成了全自动太阳能路灯控制器的设计。关键词 太阳能 光敏传感器 红外传感器 控制器毕 业 设 计 外 文 摘 要Title The controller design of automatic solar lights AbstractAutomatic solar street lamps control system including solar energy power supply part, micro controller part and output part. Solar power supply parts mainly by the solar panel

4、s and solar battery controller, storage battery composition, solar energy into electrical energy stored in the battery. Micro controller in part by the clock chip, photosensitive sensors, infrared sensor, a single chip microcomputer and buttons and display parts. During the day the output signal of

5、single chip mainly depends on photosensitive sensor, when light intensity below the set street lamps to light, and the brightness with light intensity changes. 11 p.m. at midnight at 5 PM, SCM control street lamp burn out, and as a pedestrian street lamp lit by the 30 S after go out. Key part can be

6、 modified clock time, shows partial to display time and light intensity. Output part through the transistor and MOS pipe of the two level op-amp realization, magnifies the PWM wave of electric current and voltage signal. And, the output should be the solar power switch to the utility power supply. S

7、o far, the completion of the automatic solar lights the controller design.Key Words Solar power Photosensitive sensor Infrared sensor Controller目 录1 引言11.1 本课题研究的背景11.2 本课题的主要目标及任务22 系统总体方案设计33 硬件设计43.1 供电系统的设计43.2 微控制器系统的设计93.3 输出系统的设计204 软件设计245 仿真部分265.1 传感器部分仿真265.2 按键及输出部分仿真28结 论30致 谢31参 考 文 献3

8、2附录A：单片机C语言程序33附录B：仿真原理图附录C：电路原理图 1 引言1.1 本课题研究的背景随着人们生产和生活方式的改变，能源的使用量也在逐年增加，能源危机日益加重。据资料显示，目前全球的油量储蓄仅约为13 000亿桶。而当前的原油消耗在世界范围内每年以1.5%的比例在增加。从2007年7 500万桶/ 日增长到2020年1. 03亿桶/ 日。因而，各国能源设施的投入需要大幅度的增加。近年来，原油价格的不断增长导致了2008 年上半年石油价格的暴涨，在短时间内价格急剧波动，突显了价格对于市场失衡的敏感程度非常之高。这些现象警示着人们：石油资源终究是有限的。第一次工业革命后煤炭便成为人类

9、所使用的重要能源。虽然目前其重要位置已经逐渐开始下降，但随着石油储量的日渐减少，而煤炭资源的储蓄量相对来说比较大，况且煤炭气化、液化等新技术的出现，使得煤炭的利用更加便捷、有效。目前中国的煤炭消耗中，大部分用于发电、炼钢等重工业。然而，煤炭的现有储量也仅可供使用约100年1。因此，开发和利用新能源已经迫在眉睫，目前的新能源主要有太阳能，风能，潮汐能，地热能等。相比较潮汐能、空气能、地热能、核能来说，太阳能更加清洁，更加安全，并且技术已经较为成熟。与太阳能相关的产业，例如：太阳能电池产业、免维护蓄电池产业、太阳能电池控制器产业的生产已经能够达到国家或相关产业的生产标准。并且太阳能转化为电能的效率

10、也在逐年提高。这都为太阳能产业的蓬勃发展创造了有利条件。在照明方面，传统路灯一般为高压钠灯，其使用期限是10 000小时，而LED路灯的使用期是70 000小时，按照每天10小时计算，LED路灯约可使用20年，是高压钠灯的7倍2。并且，高压钠灯采用交流供电，光照不稳定。而LED路灯可以采用直流供电，照明稳定，光照方向比较固定，不像高压钠灯采用360度照明。而且亮度对视力损害少，也减少了维护时间。目前，大功率LED灯的生产技术已经较为成熟，并且生产产业已经具有一定规模。上海、深圳等城市已经开始普及LED路灯。在未来的50100年，传统能源将趋于枯竭，太阳能以其取之不尽、用之不竭的优势，必将在未来

11、的能源应用中发挥中流砥柱的作用。而使用太阳能供电的LED路灯照明设施，也必将在不久的将来得到普及，并发挥其重大作用。1.2 本课题的主要目标及任务1.2.1 主要目标相对于传统路灯的照明能源消耗多、光照不稳定、夜间长时间点亮等缺点，本课题要设计出一种稳定、节能、智能的太阳能路灯照明装置。主要目标有以下几点：供电系统采用太阳能电池板供电。白天，太阳能电池板将太阳能转换为电能并通过电池控制器向蓄电池稳压充电；夜间以及阴雨天，由蓄电池向LED路灯供电。当遇到连绵的阴雨天使蓄电池电量耗尽时，供电系统可及时切换至市电系统供电，使路灯装置仍可正常工作。路灯的亮度可随着光照强度的变化而变化。傍晚，当光照强度

12、低于设定值时，路灯开始点亮，并随着光照强度的变化而逐渐变化直至达到最亮状态。清晨，当光照强度大于设定值时，路灯熄灭，节约电能。在午夜11点至凌晨5点之间，由于路上行人较少，微控制器控制路灯熄灭。当检测到有行人或者车辆经过时，路灯点亮30S然后熄灭，如果无人经过则路灯一直熄灭，从而达到智能、节能的目的。对于微控制器的时间和设定的光照强度可进行调整。1.2.2 主要任务跟据以上课题目标，本课题的主要任务如下：太阳能电池板，蓄电池，太阳能电池控制器的选型。白天，太阳能电池板向蓄电池充电时要满足稳压充电的需求，防止蓄电池的过充的要求。晚间，蓄电池对路灯供电时要防止发生过放现象。并且要使路灯在连绵的阴雨

13、天气可持续供电至少四天。检测光照强度的传感器的选型，使其可以准确测量光照强度。并且传感器的输出应是模拟量输出，而非开关量的输出，从而实现光照亮度逐渐变化的控制。时钟芯片的选型，人体感测传感器的选型。时钟芯片的计时要精确、稳定性好、工作寿命长。人体感测传感器要在一定的距离内可以检测到人员的移动，并将检测结果及时送给控制芯片，便于控制芯片的立即处理。微控制芯片的选择，要使其能够实时接收光照强度检测传感器，时钟芯片，人体检测传感器的传送的信号，并可及时、实时的进行处理，返回准确的控制信号，使LED路灯工作在最佳状态。根据以上的控制目标和控制任务，一个全自动太阳能路灯控制系统的雏形已经初步形成，下面是

14、其总体设计方案。2 系统总体方案设计 跟据本系统的主要目标及主要任务，设计出本系统的总体方案框图如图2.1所示。PWM光敏元件时钟芯片红外传感器路灯太阳能电池板市电控制器蓄电池单片机MCU按键图2.1 总体方案框图根据照明需求，本系统中的LED路灯设计为额定电压12V，额定功率30W。由于太阳能电池板不能存储电能，因此设计选用蓄电池进行供电，又由于太阳能电池板向蓄电池充电时电压不稳，因此中间加一个太阳能电池控制器。本系统中要求路灯在凌晨5点到午夜11点由光敏传感器传入的信号控制LED路灯，因此设计选用时钟芯片及光敏传感器，而且又要求随着光照强度的变化路灯亮度逐渐变化，设计光敏传感器的输出为模拟

15、量输出，通过调节PWM波的占空比来调节路灯亮度。在午夜11点至凌晨5点，路上行人较少，控制路灯熄灭，当有人经过此区域时，路灯点亮，因此设计选用红外传感器检测人体的移动，有人经过则产生外部中断。为了使时钟芯片显示的时间准确，设计了按键电路，可以调整时钟芯片的时间。3 硬件设计3.1 供电系统的设计3.1.1 供电系统的概述电能是居民生产生活中必不可少的能源，电能主要由供电系统进行传输，电能通过变电站将电压升高到十几甚至几十万伏，进而进行远距离输送，并且输电线路采用低电阻率的材料，保证了最低的电能损耗。供电系统的一般原则是：供电可靠，操作方便，运行安全灵活，经济合理，具有发展的可能性。供电可靠性：

16、在输电时，由于通常均采用高压方式，因此高压输电线路多在无人的山区进行，在室内输电时，应将电线架高，周围无其他建筑物。操作方便，运行安全灵活 ：为了使供电灵活，检修方便，输电线路多采用多路输电，当检修此条线路时，保证其他通路仍可正常工作，避免不能及时供电现象的发生。经济合理 ：输电用的导线应在电阻率低的前提下，价格尽量便宜，通常采用铜线或者铝线进行电能的远距离传输。具有发展的可能性：接线方式应保证便于将来发展，同时能够适应不同时期建设的需要。供电系统是本装置的首要环节，也是非常重要的环节，没有供电系统提供电能所有器件均不能工作。本装置供电系统包括太阳能电池供电系统以及在连绵的阴雨天使得蓄电池电量

17、耗尽后切换为市电的供电系统。其中太阳能供电系统主要包括太阳能电池板，太阳能电池控制器，蓄电池，以及各种稳压和降压电路等。在本装置中LED路灯的取电，各种传感器以及微控制器的取电均来自于供电系统。LED路灯可直接由蓄电池供电，其中可以选择的供电电压模式为12V/24V。各种传感器以及微控制器的供电则需要采用5V供电，因此需要采用降压电路和稳压电路，将供电电压稳压到5V。市电供电系统主要包括转换开关，晶闸管等。如遇到连绵的阴雨天时，太阳能转化到蓄电池的电能持续损耗，当蓄电池中的电量低于设定值时，断开LED路灯和蓄电池之间的供电回路，而由市电给LED路灯供电。蓄电池只是负责给微控制器以及各种传感器供

18、电，而这些器件的耗电量极低，有些器件还具有睡眠模式，足可以保证其正常工作至少30天。天气转晴后，则自动切换回蓄电池供电。3.1.2 供电系统中各个元件的选型（1）太阳能电池板的选型太阳能电池板主要有晶体硅电池板（包括多晶硅和单晶硅）和非晶硅电池板（包括薄膜太阳能电池和有机太阳能电池）组成。而目前90% 的太阳能电池板是由晶体硅制作而成，其技术相对成熟，生产已经具有一定的规模。本系统要求太阳能电池板的输出电压要达到12V，输出功率要求能够达到60W。因此太阳能电池板有两种备选方案，一种是单晶硅电池板，另一种是多晶硅电池板。方案一：单晶硅太阳能电池板单晶硅太阳能电池，它的主要原料是高纯的单晶硅棒组

19、成的，是当前开发得技术最为成熟的太阳能电池。它的生产已经具有相当大的规模，产品已广泛用于空间和地面。单晶硅电池板实物如图3.1所示。单晶硅电池板性能指标：型号：JHGF 60W/12V 峰值电压：18V 峰值电流：3.36A 开路电压：22.48V 短路电流：3.83A 功率：60W 尺寸：840X540X35mm 重量：5.0Kg 价格：380元 使用寿命：25年 图3.1 单晶硅电池板图3.2 多晶硅电池板方案二：多晶硅太阳能电池板多晶硅太阳能电池板和单晶硅太阳能电池板一样具有较高的转换效率和使用寿命长等优势。并且它的制造材料比单晶硅丰富、廉价，它的转化效率大约13%，比单晶硅太阳电池的转

20、换效率略低，效率衰减并不严重，而且制造材料廉价，其成本比单晶硅电池要低3。多晶硅电池板实物如图3.2所示。多晶硅电池板性能指标：型号：60(17.0)P/G782X672 标称功率：60W 最佳工作电压：17V 最佳工作电流：3.54A 短路电流：3.9A 尺寸：782X672X35mm 价格：236元 使用寿命：25年对于本供电系统，主要考虑的性能指标是使用寿命，价格，供电电压，输出功率。比较以上两种方案，单晶硅和多晶硅使用寿命和输出功率等参数均可满足要求，而多晶硅电池价格比单晶硅电池价格低约1/3，故选择方案二多晶硅太阳能电池。（2）太阳能电池控制器的选型太阳能电池控制器的主要作用是保证电

21、池板对蓄电池的稳压充电，防止过充和过放。控制器需要根据负载需求进行电流控制，使蓄电池在最短时间充满电能，并且不能出现过充现象。当蓄电池的电量衰减到低于设定值时，控制器需能够及时切断蓄电池对外供电，保护蓄电池的正常使用。目前，该类控制器主要采用单片机进行控制，并结合专用软件，通过PWM调节，实现智能控制。太阳能电池控制器如图3.3所示。本系统采用光合太阳能电池控制器。参数如下：总额定充电电流5A， 系统电压12V ， 超压保护20V， 控制方式PWM调节，价格70元该控制器的超压保护最大值20V，大于太阳能电池板的最大输出电压17V，输入电流大于太阳能电池板的短路电流，故满足设计要求。图3.3

22、太阳能电池控制器（3）蓄电池的选型蓄电池即是贮存化学能量，于必要时释放出电能的一种电气化学设备。它的工作原理是充电时利用外部的电能使其内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再把化学能转化为电能输出。目前，我们常用的车用蓄电池主要分为三类，分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种。普通蓄电池的主要优点是价格便宜，制作材料广泛，目前主要是使用铅的氧化物，便于生产。缺点是使用寿命短，维护时间长，每过一段时间就要加入双氧水，保证其电解液处于一定的容量。干荷蓄电池的主要优点是存储电能的能力较高，容量大，充电时间快，在蓄电池无电时充电半小时即可使用。缺点是体积较大，一般为汽车上使用。免维护

23、蓄电池的优点是使用寿命长，不必进行维护，不必重复加入电解液。缺点是价格昂贵4。由于太阳能路灯对于使用寿命，储电能力要求较高。因此，有两种方案可以选择。一种是干荷蓄电池，如图3.4所示，另一种是免维护蓄电池，如图3.5所示。 图3.4 干荷蓄电池 图3.5 免维护蓄电池方案一：干荷蓄电池性能参数：品牌：飞帆 型号：6-QA-150 最大放电电流：10A 充电电压：12V 放电时间：15h 使用寿命：2年 价格：450元方案二：免维护蓄电池性能参数：品牌：APCPOWER 型号：12V100AH 放电电流：4A 充电电压：12V 放电时间25h 使用寿命：5年 价格：360元综合以上两种方案，且结

24、合本系统的额定电压，额定功率的要求，比较分析，方案一中的蓄电池价格较高，体积大，不便于安装，并且需要定时维护。方案二中的蓄电池使用电量足，价格便宜，寿命较长，而且电解液一次添加，没有二次消费，而且不必要进行维护。因此，本设计选择方案二，免维护蓄电池。（4）降压稳压电路的选型稳压电路是指在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。这种电路能提供稳定的直流电源，广为各种电子设备所采用。LED路灯的供电可由蓄电池直接供电，而单片机以及各种传感器等器件需要5V供电，因此需要降压稳压电路。在各种降压稳压芯片中，78XX系列稳压降压芯片性能稳定，较为常用。本系统采用7812

25、和7805芯片并搭载实际电路进行降压稳压，其实物如图3.6所示。其中，7805输入电压范围7.520V，输出电流5mA1A。7812的输入电压范围14.527V，输出电流5mA1A。使用温度范围0125摄氏度。图3.6 78XX稳压芯片3.1.3 供电系统方案设计（1）太阳能充电方案设计根据以上选择的太阳能电池板，太阳能电池控制器，蓄电池等，无需其他元件，即可实现太阳能的转化与存储。太阳能电池控制器有六条接线，两条输入，四条输出。输入的两条线接到太阳能电池板的正负极，输出中的两条线接到蓄电池的正负极，给蓄电池充电，其余两条可连接到负载直接供电。本系统中，由于LED路灯由蓄电池供电，因此，连接负

26、载的两个端子可不进行连接。太阳能电池控制器保证了蓄电池的稳压充电，防止了过充、过放现象。（2）降压稳压电路方案设计蓄电池的输出电压为12V，为了给微控制器以及传感器等器件供电，需将电压降压并稳压到5V。因此，本系统设计了降压稳压电路，该电路中的降压由两部分组成。当供电电压为24V时，电源连接到7812的输入端，先稳压到12V，然后在经过7805稳压到5V。如果采用12V供电，可直接连接到7805的输入端，稳压到5V即可。用Protel画出原理图，图3.7为24V降压到12V，图3.8为12V降压到5V，芯片两端的电容主要是滤波和防止自激震荡的作用。 图3.7 稳压到12V图3.8 稳压到5V降

27、压部分焊接的实物图如图3.9所示，考虑到散热问题，在7812和7805芯片处都增加了一个散热片进行快速散热。图3.9 降压稳压实物3.2 微控制器系统的设计3.2.1 微控制器系统概述微控制器部分是本装置的核心环节，也是最为重要的环节。微控制器在整个系统中就像人的大脑一样，起着反应和控制作用。微控制器部分包括各个传感器部分，显示部分，按键部分，单片机部分。本部分中，单片机作为控制芯片的主要作用是接收各个传感器传送的信号，进而对输出的PWM波的占空比进行及时的调节。另外，单片机还要接收按键信号，以便修改控制器设定的控制参数，达到针对不同季节气候，设定参数可及时调整的目的。3.2.2 微控制器系统

28、选型（1）时间传感器的选择本装置要求在晚上11:00至凌晨5:00路上行人较少时，路灯熄灭，若此时有人经过则点亮路灯30S后熄灭，若无人则路灯一直熄灭。因此需要一个时间模块进行计时，当时间到达夜间11点后单片机控制路灯熄灭。目前市场上的时钟芯片中，美信公司的DS系列时钟芯片使用范围最广，性能最稳定，评价效果最好。因此，本系统中选用DS1302时钟芯片。这种芯片只有8个引脚，电路连接非常方便，占用单片机的I/O口少。其采用串行传输方式读取和修改时钟芯片的时间，工作温度为070摄氏度，使其能够在各种条件下使用，工作电压为2.35.5V。本系统要求时间精度为1分钟，而此芯片的精度为1秒，故满足系统设

29、计要求，其引脚图如图3.10所示。图3.10 DS1302芯片引脚图该芯片引脚功能如下：VCC1为电源引脚，VCC2为备用电源，可接一个3.3V的纽扣电池。X1和X2为晶振输入引脚，外接一个32768Hz的晶体发生器。SCLK为时钟信号，I/O为数据传输，CE为复位引脚，这三个引脚和单片机的I/O口进行连接，构成SPI三线架构。该芯片内部有31字节静态RAM，分别为秒、分、时、日、月、年、星期的读写寄存器和控制寄存器，寄存器输出采用BCD码。可通过单片机对该芯片的各个时间寄存器进行时间读取和时间修改校正。（2）光敏传感器选型光敏传感器的主要原理是利用光敏元件将光信号转变为电流信号或电压信号，其

30、一般工作在可见光区，红外线和紫外线的波长也可进行测量。光敏传感器一般的组成原料是半导体材料，原料价格便宜。其传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。较为常用的光敏元件主要有光敏电阻和光敏三极管。因此，本传感器有两种方案可供选择5。 图3.11 光敏电阻图3.12 光敏三极管方案一：光敏电阻光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。光敏电阻的阻值在高照下会随着光照强度的变化而逐渐变化。因此，通常使用时将光敏电阻串接一个电阻，通

31、过测量光敏电阻的分压值来测量光照强度的变化。光敏电阻如图3.11所示。性能参数：类别：光敏电阻 基片尺寸：5mm 最大电压：150VDC 环境温度：-30+70摄氏度 暗电阻：大于1M欧 响应时间：上升20ms下降30ms 价格：0.8元方案二：光敏三极管和普通的三极管相比较，光敏三极管在放大方面没有区别，只是其放大的倍数和光照强度有关。当光照强度变大时，三极管中的导电粒子激活，使其导电能力增强，从而使三极管的放大倍数增大。当光照强度变低时，三极管中的载流子运动变慢，使得三极管放大倍数变低，甚至不能起到放大的作用。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放

32、大作用，即很高的灵敏度。基本特性：光谱特性 伏安特性光照特性温度特 频率响应性6。光敏三极管实物如图3.12所示。性能参数：型号：3DU33 最高工作电压：30V 暗电流：10mA 上升时间：5us 下降时间：5us 使用温度：-3080摄氏度 价格：2.8元 对于本装置，要求LED路灯的亮度随着光照强度的变化而变化。反应时间要求不是很高，考虑到实用性和价格，本系统选择光敏电阻。当光照强度变化时，光敏电阻两端的电压将发生变化。通过AD转换将该电压信号送入单片机，单片机通过传进数值的大小，对灯的亮度进行调节。（3）人体感应传感器的选型本系统要求在夜间11点至凌晨5点期间，路灯熄灭，当有人经过时路

33、灯点亮30S，然后熄灭。因此，需要采用人体检测传感器进行人体检测。人体感应传感器是指通过红外探测，压力检测，微波检测等方法检测出人体发出物质或者表现出的行为状态，从而达到识别人体的目的。目前应用较为广泛且易于实现的主要有红外感应开关，压力传感器。因此，本系统有两种方案可供选择。 图3.13 红外热释电传感器图3.14 压力传感器方案一：红外热释电传感器热释电红外线传感器主要是一种探测人体移动的器件，其实物如图3.13所示。它的主要材料是由半导体制成的。前方有一个到两个探测元件，并将两个探测元件以相反的极性连接在一起，从而抑制了环境温度的干扰。探测元件将探测并接收到的红外辐射信号转变成微弱的电压

34、信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了增大探测距离必须提高探测器的灵敏度，一般做法是在探测器的前方配备一个合适的透镜，该透镜是一种具有特殊光学系统的透镜，一般用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分分成若干等份，与放大电路进行配合使用，信号可以放大70分贝以上，这样就可以测出10米范围内人的行动。当人在其感应区时输出高电平，当人离开时输出低电平。触发方式可以选择为重复触发方式或者不重复触发方式7。性能参数：工作电压：5V20V 测量距离：7m 工作温度：-1570摄氏度 价格：11.5元方案二：压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电

35、效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压力传感器内部为1000欧半桥应变片，当压力发生变化时，应变片两端的电压发生变化。当检测到电压的变化接近与人体的重量变化时，发出反馈信号给单片机。压力传感器如图3.14所示。性能参数：供电电压：5V 量程：100Kg 价格：8.5元 工作温度：070摄氏度在本装置中，考虑到实用性，主要是便于安装的特性和测量距离的特性，方案一的红外热释电传感器更为符合要求。（4）按键及显示部分选型本系统中，要求通过按键对时钟的时间进行调节，使其指示准确。因此选用普通按键，并自行搭载设计电路。显示部分要求实时显示时间，光照强度。这里有两种显示方案。一种是通过数码管显示

36、，其优点是价格便宜，功耗低。但多个数码管连接使得连线非常复杂，容易造成短路。并且，数码管只能显示数字，较为单调。另一种方案是选用LCD1602，该方案的缺点是造价较高。但该显示器可以同时显示数字和字母，使人理解容易，并且连线所用的引脚少，方便连接。因此，本显示部分选择LCD1602进行显示。（5）微控制器选型微控制器是本装置的核心环节，承担着信号采集与处理的任务。本系统选用单片机作为微控制器，因此微控制器的选型就是单片机的选型。单片机选型合适，系统的设计就会简单，单片机选型不合适，系统就会复杂。目前，使用最广的单片机为宏晶公司生产的STC系列单片机。这种单片机支持串口烧写，加密性强，超强抗干扰

37、，温度范围宽，超低功耗。然而，STC系列单片机种类众多，仅提出以下三种方案。方案一：STC89S52单片机该单片机最多有40个引脚，双列直插式封装，相对于普通的单片机，该单片机增加了一个16位定时器/计数器T2。在本系统中由于需要采用PWM波对输出电压进行调节，以实现对LED路灯亮度的控制，需要使用一个定时器产生PWM波。此外在夜间有人经过时，还需使用一个定时器用于定时30S的亮灯时间。还需要一个定时器作为波特率发生器，以便进行远程的串口通信。因此，该单片机符合设计要求。方案二：STC12C5410AD单片机该单片机最多有32个引脚，双列直插式。相对于普通单片机，该单片机的P1口可作为8路AD

38、转换器使用，有4路可调占空比的PWM波输出，两个定时器/计数器。读写速度比普通单片机快612倍。由于该单片机有PWM波输出功能，可省去一个定时器，故也可满足要求。并且具有AD转换功能，省去了AD转换电路。方案三：STC12C5A60S2单片机该单片机最多有40引脚，双列直插式。相对于普通单片机，该单片机的P1口可作为AD转换器，有两路可调占空比的PWM波输出功能，双串口，两个定时器/计数器，36个I/O口，存储容量大。省去了AD转换电路，也可满足设计要求。比较以上三种方案，方案一中的89S52单片机不具有AD转换功能，需要搭载AD转换电路，锁存电路等，实现较为麻烦。方案二中的12C5410AD

39、单片机I/O引脚比较少，不便于日后扩展。而方案三中的12C5A60S2单片机具有AD转换的功能，引脚充足，便于日后的功能扩展。存储空间大，方便更为精细的程序的编写。因此，本系统选用STC12C5A60S2系列单片机。3.2.3 微控制器系统方案设计（1）时钟传感器设计本时钟部分采用DS1302时钟芯片，该芯片接一个32768Hz的晶振，每秒钟计时一次。芯片的SCLK、I/O、RST引脚分别和单片机的P2.2、P2.1、P2.0口连接，用于修改时钟芯片内部的寄存器数值，并可实时读取当前时间。芯片的第八引脚接了一个3.3V的纽扣电池，当供电系统发生故障时仍可保证芯片的正常工作，进而使路灯晚间工作正

40、常。时钟传感器模块内部原理图如图3.15所示。图3.15 时钟传感器原理图（2）光敏传感器设计光敏传感器采用光敏电阻进行设计，光敏电阻的阻值随着光照强度的变化而变化。因此，光敏电阻两端的电压也随着光照强度的变化而变化。光照强度越大，光敏电阻的阻值越小，电阻两端的电压越低。在原理图中，光敏电阻有两种输出类型。一种是数字量输出，即为原理图中的OUT引脚。将光敏电阻所分电压输入到比较器LM393的同向输入端的输入信号，并采用10K的滑动变阻器的可调分压作为反向输入端的输入信号，当光敏电阻所分电压高于负输入端电压时，说明光照强度变暗，输出为1。另一种为模拟量的电压输出AC，即为光敏电阻两端电压的输出。

41、OUT和AC分别接到单片机的P1.2和P1.1引脚。由于本系统中要求灯的亮度随着光照强度的变化而变化，故采用模拟量输入，而本系统选用的单片机STC12C5A60S2的P1口具有AD转换的功能，故不需在加AD转换电路，直接由单片机处理即可。单片机的P1口作为AD转换口时，可以选用八位输出和十位输出两种方式，本系统选用八位输出形式。光敏电阻两端的电压范围为0V5V，经过AD转换，转换后的数据范围为0255，数据值越大说明光敏电阻分压越高，即亮度越暗。经过测量，本系统中，高照亮度的设定值选为88，当高照值大于88时，LED路灯开始点亮，并随着亮度的变化而逐渐变化。光敏传感器模块内部原理图如图3.16

42、所示，其有两种输出模式，一种是模拟电压输出AC，一种是开关量输出OUT。本系统选择的是模拟量输出。图3.16 光敏传感器原理图（3）红外传感器设计本部分选用的DYP-ME003人体感应模块，该模块有两种触发方式，一种是不可重复触发，一种是可重复触发，本系统选用可重复触发方式。重复触发的时间间隔为5S，传感器的测量范围是7m，当检测到有人移动时输出3.3V，当此区域无人时输出0V。由于单片机为5V供电，模块的输出接到比较器LM339正向，反向输入通过变阻器调到3V。当红外输出大于3V时，LM339输出为1，经过反相器74LS04连接到单片机的外部中断0引脚，当晚间11点至凌晨5点之间有人经过时，

43、产生外部中断，从而亮灯30S。红外传感器原理图如图3.17所示。图3.17 红外传感器设计（4）按键及显示设计按键部分，采用标准的四按键方式，并由外部中断1的边沿方式触发。从上到下第一个按键为功能键，用于选择要修改的选项（包括时、分、秒）。第二个按键为增加，第三个按键为减少，用于修改选定选项的内容。第四个按键为确认按键，确认修改结果。本系统按键的主要功能是修改、校正时间，按键采用中断方式，按下某一按键则产生外部中断1，在中断中判断究竟是哪个按键按下，并进行相应的处理。按键部分原理图如图3.18所示，为了消除按键抖动，此处增加了阻容滤波消抖电路。当按键未按下时，电容两端电压为5V，按键按下后电容

44、开始放电直至电容两端电压降到0V，根据f=2RC可以算出消抖时间为约为60ms。同理，按键抬起时电容逐渐充电，消抖时间也约为60ms。然而消抖并不明显，因此在程序中还是增加了延时消抖的程序。图3.18 按键部分原理图显示部分为LCD1602双行显示，每行可以显示16个字符。第一行显示当前的时间，第二行显示光照强度。当按下按键修改时间时，第二行显示的内容变为要修改的时间内容。1602的数据端口通过10K的上拉电阻连接到单片机的P0口。控制口RS、RW、E分别连接到单片机的P2.6、P2.7、P2.5口。通过单片机控制1602的显示内容及读写状态。1602和单片机的接线图如图3.19所示。图3.1

45、9 显示部分原理图（5）单片机方案设计除去以上各个部分的连线，单片机部分主要还包括复位电路，晶振电路，上电指示，程序烧录以及远程控制。单片机部分原理图如图3.20所示。图3.20 单片机部分原理图由于本单片机内部自带复位电路，复位电路部分采用经典的10K电阻和10uF电容方式即可（也可不连）。单片机刚刚上电时，电容两端电压为0V，单片机的RST引脚为高电平，RST引脚经过两个周期的高电平即可完成复位，电容充满电后RST引脚变为低电平，开始正常工作。晶振部分选用11.0592MHz的晶振，并配有30PF的瓷片电容，作为单片机的外部时钟源。单片机的P2.3口与发光二极管，1K电阻相连接到VCC作为

46、上电指示电路，当单片机上电后发光二极管点亮。程序烧录通过P3.0和P3.1口进行烧录，将其通过引线连接到单片机开发板的P3.0和P3.1口，在通过STC官方烧录软件，即可实现程序烧录。单片机部分焊接的实物图如图3.21所示。图3.21 单片机部分实物图3.3 输出系统的设计3.3.1 输出系统概述输出部分主要是通过单片机输出PWM波，也即是脉宽调制技术。脉宽调制技术的主要原理是，利用定时器产生一定频率的方波，而方波的高低电平所占的时间却不是固定的。通过调节高低电平所占的时间比也就是占空比，来调节电压的有效值。例如，电路的输出部分供电电压为12V，当高低电平的时间比为0时，则输出为0V，当高低电平的输出比为0.25时，输出的电压为3V，当高低电平的时间比为1时，输出电压即为12V的全压输出。PWM脉宽调制技术广泛应用于工业生产的各个领域。例如流量的大小，电机的转速，交直流调速等等8。单片机输出PWM波后，通过功率放大电路，使得最终输出的PWM波满足负载所需的功率要求，进而使得LE