汪婷婷：基于单片机的太阳能路灯控制器设计
LM317电源芯片输出能提供1.5A的电流，输出电压可调，范围1.2～37V,内部具有过载和短路保护。C5选择50V/47μF的电解电容，C2选择25V/47μF的电解电容。D2二极管的作用当输入端短路C2电容上的电荷可以通过D2管放出,这样如果输入端短路,短路电流不会经过LM317,导致芯片的损坏,因此D2管是一个保护二极管。D1管的作用和D2管的作用一样起保护芯片的作用,到输出端短路,C3上的积累电荷可通过D1管放掉。其中V=(1+R2/R1)×1.25out（V），可选R14=240Ω，R15=1.68KΩ，则输出为10V。调整电阻R14、R5的相对大小，即可确定输出电压的大小，在一定的输入范围之内，输出电压与输入电压无关，但是输入输出电压的差值要超过1.8V。LM7805把＋10V的输入电压，输出稳定在+5V。
图2-3 电源模块总电路
如图2-3所示，蓄电池通过LM317和LM7805，能为系统提供两种电压＋10V和＋5V，+10V的电压主要用来驱动功率MOSFET管,而+5V的电压供系统中的控制器（AT89C52、MAX810、DS1307、DS18B20等）。 2.4.2 晶振电路
单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。时钟电路如图2-4所示。电路中，电容器C1和C2对振荡频率有微调作用，通常取(30±10)pF，本设计选用22pF。电路中的晶振采用石英晶体震荡器，晶振频率选择12MHz。石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。
图2-4 时钟电路
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安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
2.4.3 复位电路
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)，则CPU就可响应并且将系统复位。复位分为手动复位和上电复位。 1、手动按钮复位
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 2、上电复位
上电复位电路只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1pF。在上电复位的电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
本系统采用的是上电自动复位方式。其引脚连接如图2-5
图 2-5 复位电路
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第3章 I/O控制部分硬件设计
3.1电压采样模块设计
3.1.1太阳能路灯系统设计的关键技术
太阳能电池是太阳能路灯系统的动力源泉，由于受环境影响比较大，所发电力微弱而不稳定，而且安装方式对其影响也很大，所以必须对太阳能电池板进行最佳安装倾角和太阳能电池倾斜面上辐射强度的计算。
对这两方面的计算主要采用由各向异性Hay数学模型的推导的太阳能电池板安装最佳倾角的数学表达式来计算：
(3-1)
式中：
Hb——水平面上直接辐射量 Hd——散射辐射量
Rb——倾斜面与水平面上直接辐射量之比 H0——大气层外水平面上太阳辐射量 β——太阳能电池板倾角 H——水平面上总辐射量 ρ为地物表面反射率 φ——当地纬度 ω——日出时角
以及各向异性Hay模型的推导所得的倾斜面上太阳辐射量的公式：
(3-2)
式中：
Hb——水平面上直接 Hd——散射辐射量
Rb——倾斜面与水平面上直接辐射量之比 H0——大气层外水平面上太阳辐射量 β——太阳能电池板倾角 H——水平面上总辐射量 ρ为地物表面反射率
铅酸蓄电池虽然结构简单，但实际上是一个比较复杂的储电装备。铅酸蓄电池的容量检测由于受到诸多因素(温度、电压、充放电电流及次数、放电深度、内阻、溶液的密度、使用时间、自放电等)的影响,难以准确进行在线测量，因此对蓄电池剩余荷电容量的准确测试提出了很高的要求。对蓄电池剩余容量的检测，通常有电液比重法，开路电压法，内阻法等。电液比重法对于阀控式密封
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铅酸蓄电池不适用。开路电压法，是基于Nernst热力学方程电液比重与开路电压有确定关系的原理，对于新电池尚可采用。蓄电池使用后期，当其容量下降后，开路电压的变化已经无法反映真实剩余容量。此外，开路电压法还无法进行在线测试。内阻法，是根据蓄电池内阻与蓄电池的容量有着更为确定的关系，但通常必须先测出某一规格和型号蓄电池的内阻一容量曲线，然后采用比较法通过测量内阻得知同型号、同规格蓄电池的剩余容量，通用性比较差，测量过程也相当复杂。综合以上蓄电池荷电容量（SOC）测试法的缺陷，本文采用了综合考虑铅酸蓄电池充放电率、充放电过程中的端电压、电液比重、内阻等各个物理化学参数的蓄电池剩余荷电容量（SOC）的数学模型，该数学模型就能够较为准确地反映出各个物理化学参数的变化对蓄电池剩余容量的影响。有了这样的通用性强的，能够反映各个物理化学参数连续变化对蓄电池荷电状态影响的数学模型，就可以很方便地在线测量蓄电池的剩余容量。
蓄电池剩余容量充电和放电过程的数学模型如下。蓄电池充电过程数学模型：
(3-3)
式中：
U——静止电压
SOC——蓄电池剩余荷电容量
DOD——放电深度（DOD=1－SOC） I——充电电流
Ah——电池标称容量 T——环境温度
a——由于反应物和生成物比例的改变引起的电压变化的常数，0.1~0.2； b——电化学极化项常数，0.2~0.25； c——内阻极化项常数，0.15~0.25。
蓄电池放电过程数学模型：
式中：
d——由于反应物和生成物比例的改变引起的电压变化的常数，0.1~0.2； e——电化学极化项常数，0.1~0.15； f——内阻极化项常数，0.08~0.15。
蓄电池的循环寿命与蓄电池的放电深度有着密切的关系，阀控式密封式铅酸蓄电池在放电深度(DOD)为20%时，循环寿命大于1500次；当放电深度为50%时，则循环寿命将降到500次左右，而当放电深度为80%时，循环寿命将只有
U充
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(3-4)
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大约200次(见图0-2)。由此可以看出放电深度在20%以下时的循环寿命分别是放电深度在50%时的循环寿命3倍以上，是放电深度在80%时的循环寿命5倍以上。
控制蓄电池尽量工作在浅放电状态(SOC>50%)，将有利于延长蓄电池的使用寿命。另外蓄电池如果经常处于过放（SOC<10%～20%）或者过充（SOC=100%，但仍充电），其寿命一般会比长期处于相对饱和状态的蓄电池寿命要缩短到正常寿命的1/3或者更短的1/5的时间。因此，在这些仅仅依赖太阳电池对蓄电池充电的光伏系统，控制器对蓄电池的控制对系统的稳定性能及成本的作用是显而易见的[9]。
根据太阳LED路灯控制器的功能框图所示，需要对铅酸蓄电池的电压进行采样,为了保证准确性,电压基准零点选在太阳电池的负极。对于铅酸蓄电池，我们测量其端点电压，并根据我们在蓄电池性能分析所得的数学模型，可以判断蓄电池的剩余荷电容量SOC。并依据这个数据来控制电池的放电，避免电池的深度放电，尽量延长蓄电池的正常使用寿命。
在控制器设计中，我们选择LM331芯片对太阳能电池和蓄电池进行电压采样。LM331把电压信号转变成与电压信号大小相对应的一定频率的方波信号，检测频率信号即可知道太阳能电池和铅酸电池的电压的大小，另外当太阳能电池的电压<0.5V，即可断定为环境光线暗弱（天黑、阴天或是大雾等等），需打开路灯照明[8]。
表3-1给出了12V蓄电池放电过程中其容量与电压的对应值，图3-1给出了太阳能电池与铅酸蓄电池电压采样模块电路设计原理图。
表3-1 12V蓄电池放电过程容量－电压对应值
12 11.85 11.35 11 电压/V
SOC/% >95 90 80 70
10.6 10.35 10.2 10.05 电压/V
SOC/% 40 30 20 10
10.85 60 10.05 <5 10.75 50
图3-1 太阳能电池与铅酸蓄电池电压采样模块电路设计
3.2温度采样模块
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