汪婷婷：基于单片机的太阳能路灯控制器设计
(3)绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。
(4)耐低温。环境使用温度在一40℃～80℃ ，环境适应性非常强。
这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。在太阳光照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳光照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。
该驱动电路与充电电路基本相同，只是电源是蓄电池，负载为大功率白光LED发光板，并去掉了防反冲二极管部分。输入端调节LED路灯亮度的PWM信号宽度是根据蓄电池的剩余荷电容量（SOC）的大小来计算，并在计算时要用LED路灯的温度进行补偿，以防止LED器件节温超过120℃而产生光衰现象[13]
。电路实现如图3-8所示。
图3-8 LED路灯驱动与亮度调节电路示意图
3.7单片机实现脉宽调制信号（PWM）输出的软硬件设计
一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种是采用模拟电路中的调节方法，另一种方法是使用脉冲计数法。在模拟电路中，我们可以使用比较器将正玄波与三角波调变为PWM波，如图3-9所示为PWM调变电路采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在困难，这主要是因为滤波频率比较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。因此这里主要采用有单片机控制实现的脉冲计数法。用单片机产生PWM信号的方法有两种，一种是应用延时函数来产生PWM波，另外一种就是采用专用的带有PWM信号输出的专用计数芯片来产生PWM的输出。PWM的输出端可接于上面所示的PWM充电控制电路。
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安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
图3-9PWM调
正弦波三角波PWM波形变电路
-锯齿波PWM波形+正弦波
图3-10 PWM调变示意图
本文采用可编程定时/计数芯片8253实现PWM信号输出，好处是比单片机利用延时函数产生的控制更精确的脉宽，而且在控制器处理中断程序时，仍可自主控制，而不会干扰到控制精度。
（一）8253芯片功能概述
Intel系列的计数器/定时器电路为可编程序间隔定时器PIT(Programmable Interval Timer)，型号为8253，改进型为8253。
Intel 8253具有3个独立的16位计数器通道，使用单一5V电源，它是24个引脚的双列直插式器件。
Intel 8253-PIT具有以下主要功能：
(1) 一个芯片上有三个独立的16位计数器通道；
(2) 每个计数器都可以按照二进制或二—十进制计数；
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(3) 每个计数器的计数速率可高达2MHz。（82C54-2计数频率可达到10MHz）；
(4) 每个通道有6种工作方式，可由程序设置和改变； (5) 所有的输入输出都与TTL兼容。
图3-11 8253的内部接口和引脚
1.数据总线缓冲器
这是8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器。CPU用输入输出指令对8253进行读写的所有信息，都是通过这8条总线传送的。包括：
(1) CPU在初始化编程时，写入8253的控制字； (2) CPU向某一通道写入的计数值； (3) CPU从某一个通道读取的计数值。
2.读/写逻辑
这是8253内部操作的控制部分。首先有选片信号CS的控制部分，当CS为高电平(无效)时，数据总线缓冲器处在三态，与系统的数据总线脱开，故不能进行编程，也不能进行读写操作。其次，由这部分选择读写操作的端口(三个计数器及控制字寄存器)，也由这部分控制数据传送的方向，读——数据由8253传向CPU，写——数据由CPU传向8253。
3.控制字寄存器
在8253的初始化编程时，由CPU写入控制字以决定通道的工作方式。此寄存器只能写入而不能读出。
4.计数器0，计数器1，计数器2
这是三个计数器/定时器通道，每一个都是由一个16位的可预置值的减法计数器构成。这三个通道的操作是完全独立的。
每个通道都是对输入脉冲CLK按二进制或二—十进制，从预置值开始减1计数。当预置值减到零时，从OUT输出端输出一信号。
计数器/定时器电路的本质是一个计数器。若计数器对频率精确的时钟脉冲计数，则计数器就可作为定时器。计数频率取决于输入脉冲的频率。在计数过程中，计数器受到门控信号GATE的控制。计数器的输入与输出以及与门控信号之间的关系，取决于工作方式。
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计数器的初值必须在开始计数之前，由CPU用输出指令预置。在计数过程中，CPU随时可用输入指令读取任一计数器的当前计数值，这一操作对计数没有影响。
8253-PIT与CPU接口的引线，除了没有复位信号RESET引脚外，其他与8255并行输入输出接口芯片相同(请参阅本书第10章)。
每一个通道有三条引线：
CLK： 输入脉冲线。计数器就是对这个脉冲计数。8253规定，加在CLK引脚的输入时钟周期不能小于380ns。
GATE： 门控信号输入引脚。这是控制计数器工作的一个外部信号。当GATE引脚为低电平(无效)时，通常都是禁止计数器工作；只有当GATE为高电平时，才允许计数器工作。
OUT： 输出引脚。当计数到“0”时，OUT引线上必然有输出，输出信号的波形取决于工作方式。
8253内部端口的选择是由引线A1和A0决定的，它们通常接至地址总线的A1和A0。 电路设计
8253具有三个独立的计数器，只需一片即可同时输出3路PWM信号。硬件电路的单片机电路部分、8253部分电路及8253与单片机的接口电路构成。图3-12所示为单片机器部分的电路的原理图，示例电路的连接方法为：P0口与计数芯片8254的数据端口D0～D7相连，P2.0向8254提供片选，P2.1和P2.2与
图3-12 PWM信号产生电路计数芯片8253部分原理图
8253地址线A0、A1连接。P3.7（读）、P3.6(写)分别和8253的读、写引脚直接连接。三个信号输出分别为PWM1（充电控制信号输出）、PWM2（放电控制信号输出）、PWM3（LED驱动输出）。
计数芯片8253首先程序通过定时器0中断实现20ms的周期信号，然后通过对计数芯片的计数值寄存器的赋值实现不同占空比,使用中断方式控制8253输出脉宽信号。
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第4章 系统软件设计
4.1太阳能LED路灯控制电路程序的设计
独立运行太阳能LED路灯控制器固件程序功能详解：
1．控制器从上电后开始运行初始化程序，主要是设置各硬件端口的初始状态。 2．放电/充电部分要测量太阳能电池电压小于阈值(<0.5 V)，以此来判断是否环境光线已经暗弱（天黑、阴天大雾等等）到需要打开路灯照明的程度，反之进入充电状态。
3．在充电时，对于是否可充电的判断是通过对太阳能电池电压采样数据和铅酸蓄电池电压采样数据的比较来判断。太阳能电池电压大于蓄电池电压的时候才真正进入充电状态。
（1）在充电状态，首先对太阳能电池和蓄电池电压测量取值，并计算二者的差值。并根据剩余荷电容量（SOC）数学模型进行铅酸蓄电池剩余荷电容量（SOC）的计算以判断铅酸蓄电池的荷电状态。以差值和蓄电池剩余荷电容量（SOC）为参数计算出对应于快充、过充（慢充）或者浮充时控制充电电路的脉宽信号（PWM）对应的键值。
（2）将键值输入到控制充电电路的脉宽信号发生器的锁存器上，随后主程序可进行相关的延时处理，而脉宽信号（PWM）发生器在此期间不断发送控制信号到充电电路控制端对铅酸蓄电池进行充电（过充、快充或者浮充）。 （3）主程序要根据不同的充电状态，需要设定延时程度不同长短的延迟时间。以使因不同充方式要有大致相同的延迟时间，因为要求速度要求不高，可以设置30s～40s延时。
（4）延时30s～40s后返回程序段，继续判断应该充电（白天）还是放电（夜间）继续执行。
（5）当太阳能电池电压相对要低于蓄电池电压时候，这部分的延时间程序除了对控制器中必要的接口锁存器操作外，基本处于空闲状态，延时的时间可以设定为充电（快充、过充、浮充）总延时的3～5倍，这样控制器在运行时能量消耗可以相应降低。
4．在放电时，测量蓄电池电压，根据数学模型计算出蓄电池剩余荷电容量（SOC），计算各区间（[90%，100%]、[80%，90%]、[70%，80%]、[60%，70%][50%，60%]、[40%，50%]）中驱动并调节LED照明亮度的脉宽信号（PWM）的对应键值，为了减少系统运算量，保证系统控制的实时性，可在各区段取对应的固定值，然后加上LED温度作为补偿值，防止LED温度过高出现光衰，甚至因过热损坏。当SOC处于40%以下时候，应该做特殊处理，以最低亮度标准运行，并且一定要在过放之前切断负载供电，在设计中，我们一般在剩余荷电容量（SOC）为25%时候就切断电源，以阻止蓄电池进入深度放电状态。虽然与一点式控制的控制器都是切断了电源的处理方法，但是在过放之前分段控制能大大延长路灯的点亮时长，实践中本文设计的太阳能LED路灯点亮的时长，在很少牺牲亮度的前提下，是用同样型号的太阳能电池、蓄电池、负载（LED照明器件）过放点监控的太阳能LED路灯2～3倍。
5．以上在计算蓄电池剩余荷电容量（SOC）时及判断电池所处状态定点值的时候，为了提高数值准确性，都要进行温度补偿。例如太阳电池对蓄电池充
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