【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 涂熒光材料，熒光材料在受到藍(lán)光激勵(lì)時(shí)會(huì)發(fā)出黃光，藍(lán)光和黃光的 混合物形成白光 [8]。 由于 LED 是直流供電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應(yīng)用于直流系統(tǒng)，如太陽能燈具產(chǎn)品。應(yīng)首選平光型超高亮 LED 或平光型與束光型超高亮 LED 組合使用，將多個(gè) LED 集中于一起，排列組合成一定規(guī)則的 LED 發(fā)光源。超高亮白光LED 發(fā)光源既要保證有一定的照射強(qiáng)度，又要使其具有較高的光效，然而電流的增大，光通量雖然增大，但是，另一方面電流的增加會(huì)引起光源熱損耗的增加，通常導(dǎo)致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合點(diǎn)為最佳工作點(diǎn)，一般為 175 mA 。太陽能 LED 燈具的具體技術(shù)指 標(biāo)如表所示超高亮白光 LED 發(fā)光源具有如下優(yōu)點(diǎn)壽命長(zhǎng)。 LED 的壽命長(zhǎng)達(dá) 10h，而白熾燈的壽命一般不超過 2020 h，熒光燈的壽命也不過 5000 h 左右。效率高。相對(duì)于傳統(tǒng)的第一代照明光源白熾燈， LED 的功耗只有前者的 10％～ 20％。綠色環(huán)保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比， LED 不含汞、無頻閃，是一種環(huán)保光源。耐低溫。環(huán)境使用溫度在一 40℃～ 80℃ ，環(huán)境適應(yīng)性非常強(qiáng) [15]。這種電路的關(guān)鍵是針對(duì)蓄電池的充放電特性設(shè)計(jì)一個(gè)比較好的電壓比較點(diǎn)，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個(gè)具有實(shí)用功能的 智能控制器，具有防蓄電池過放電、過充電功能。在太陽輻照不足的幾個(gè)月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時(shí)端電壓也較低，這樣負(fù)載工作電流較小、功率小，系統(tǒng)也能夠工作更長(zhǎng)的時(shí)間。反之在太陽輻照比較充足時(shí)，負(fù)載工作電流較大、功率大、也更亮。 表 1 太陽能 LED 燈具的主要性能指標(biāo)太陽能電池 W ， 12 V LED 發(fā)光源 柱式排列， 96 粒 LED、平均功耗 3W 工作溫度 40℃ +80℃ 過充保護(hù)電壓 14． 4V 25C 過放保護(hù)電壓 11V 蓄電池 Ah． 12V 照明時(shí)間 天黑后，光控自動(dòng)啟動(dòng)電 光轉(zhuǎn)換功能；天亮后光控自動(dòng)恢復(fù)到光電轉(zhuǎn)換模式 太陽能 LED 燈具的柱式光源耗能僅 3w 左右，但所發(fā)出的光的亮度已達(dá)到了 20W 節(jié)能燈或 40W 白熾燈的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有效利用太陽能，使用太陽能電池的容量只需要 w， 12V／ Ah 的蓄電池組就已經(jīng)能夠保證此種 LED 發(fā)光源在 5 個(gè)陰雨天持續(xù)有效工作，而 20w 節(jié)能燈要想在同等條件下正常工作，太陽能電池容量最少要達(dá)到 0W 以上，蓄電池組也要到達(dá) 70 Ah 以上，而且超高亮 LED 平均使用壽命 10 萬小時(shí)，使用期最少在 10 年以上，而節(jié)能燈的使用壽命僅為 8000～ 10000h。 由于單個(gè)高亮管的正常工作電壓只有 3V，所以燈具采用 4 個(gè)高亮管串聯(lián)后并聯(lián)于電路中，這樣也可以減少當(dāng)電路中的某一個(gè)高亮管出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)其他高亮管的影響， 96 個(gè)高亮管共分成六列圍成一個(gè)柱形，每列由 16 個(gè)高亮管組成。用384 個(gè)高亮管來代替四個(gè) 40W 的日光燈。由于高亮管的直射效果好，所以燈具的體積要盡量小一些，這樣可以使高亮管的照射范圍更大一些，高亮管盡量選用照射角度大一些的高亮管。這對(duì)于一般的廣告燈箱來說已經(jīng)可以提供照明了，但對(duì)一些更大的廣告燈箱，則需要更多的高亮管來提供照明。 充放電控制器是能自動(dòng) 防止蓄電池過充電和過放電的設(shè)備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設(shè)備。 4 所示為充放電控制電路，工作原理當(dāng)直流電流經(jīng)過 J11 常閉觸點(diǎn)和 R1，使 LED１發(fā)光，等待對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；三端穩(wěn)壓器輸出 8V 電壓，電路開始工作，過充電壓檢測(cè)比較控制電路和過放電壓檢測(cè)比較控制電路同時(shí)對(duì)蓄電池端電壓進(jìn)行檢測(cè)比較。當(dāng)蓄電池端電壓小于預(yù)先設(shè)定的過充電壓值時(shí)， IC1 的⑥腳電位高于⑤腳電位，⑦腳輸出低電位使 Q1 截止， Q2 導(dǎo)通，LED2 發(fā)光 指示充電， J1 動(dòng)作，其接點(diǎn) J11 轉(zhuǎn)換位置，電路通過 D1 對(duì)蓄電池充電。蓄電池逐漸被充滿，當(dāng)其端電壓大于預(yù)先設(shè)定的過充電壓值時(shí)， IC1 的⑥腳電位低于⑤腳電位，⑦腳輸出高電位使 Q1 導(dǎo)通， Q2 截止， LED2 熄滅， J1 釋放，J11 斷開充電回路， LED1 發(fā)光，指示停止充電。 當(dāng)蓄電池端電壓大于預(yù)先設(shè)定的過放電壓值時(shí)， IC2 的③腳電位高于②腳電位，①腳輸出高電位使 Q3 導(dǎo)通， Q4 截止， LED3 熄滅， J2 釋放。其常閉觸點(diǎn) J21閉合， LED4 發(fā)光，指示負(fù)載工作正常；蓄電池對(duì)負(fù)載放電時(shí)端電壓會(huì)逐漸降低，當(dāng)端電壓降低到小于預(yù) 先設(shè)定的過放電壓值時(shí)， IC2 的③腳電位低于②腳電位，①腳輸出低電位使 Q3 截止， Q4 導(dǎo)通， LED3 發(fā)光指示過放電， J2 動(dòng)作，其接點(diǎn)J21 斷開，正常指示燈 LED4 熄滅。 圖 4 充電控制器電路 太陽能供電系統(tǒng)容量的計(jì)算 該電源給草坪燈供電 ,該草坪燈的工作電壓為 12V,總耗電量約 3W（該燈用96 粒 LED 構(gòu)成，四個(gè) LED 串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成） ,工作電流約 。由于草坪燈一天要工作九個(gè)小時(shí)左右 19:006:00 ,考慮陰天情況下系統(tǒng)的供電 ,后備電源須具有 48h 的供電能力 ,且按 80%的放電率計(jì)算 ,則蓄電池的容 量為 : Qx Tx Is 48 / 30 Ah 。 Qx――蓄電池容量 。 Tx――蓄電池放電時(shí)間 。 Is――設(shè)備工作電流。 應(yīng)選用 12V/30Ah 免維護(hù)蓄電池。 有日照時(shí) ,要求太陽能電池供給設(shè)備用電 ,同時(shí)給蓄電池充電。如按 10h 充電計(jì)算 ,充電電流為 : Ic Qx/Tc 30/10 3 A 。 式中 :Ic――充電電流 。 Qx――蓄電池容量 。 Tc――充電時(shí)間。 要求太陽能電池提供的總電流為 : Ia Ic+Is 3+ A 。 計(jì)算中 ,加上 30%的余量 ,則要求太陽能電池提供的輸出 功率為 : P Vg Ia 1+ 12 W 。 式中 :P――太陽能電池提供的輸出功率 。 Vg――設(shè)備工作電壓。 就是按照這樣的計(jì)算 ,給電陣屏供電應(yīng)使用 1 塊 12V/40W 的電池板（總?cè)萘繛?40W 供電的。 控制器電源電路 電源電路如圖所示。系統(tǒng)太陽能供電， 12V 蓄電池電壓經(jīng)過 7805 穩(wěn)壓后產(chǎn)生 5V 電壓，作為控制器的主電源。電容 C2 作為高頻旁路電容，將高頻信號(hào)旁路到地。同樣電容 C3 為濾波電容， C4 為高頻旁路電容。 R1 為限流電阻， LED1 為5V 電源指示燈。電源電路 RST 復(fù)位 I/O 數(shù)據(jù)輸入 /輸出 SCLK 寫保護(hù) VCC1\VCC2 電源引腳 GND 地 保證時(shí)鐘芯片的正常工作。 DS1302 各腳功能如表 2 所示。 DS1302 主要由移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及 RAM 組成。為了初始化時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，將 RST 置為高電平且把提供地址和命令信息的 8 位裝入到移位寄存器。數(shù)據(jù)在 SCLK 的上升沿串行輸入。無論是讀周期還是寫周期發(fā)生，也無論傳送方式是單字節(jié)傳送還是多字節(jié)傳送，開始 8 位指定 40 個(gè)字節(jié)中的哪個(gè)單元將被訪問。在開始的 8 個(gè)時(shí)鐘周期把命令字節(jié)裝入移位寄存器 之后，時(shí)鐘在讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)，在寫操作時(shí)輸入數(shù)據(jù)。時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)在單字節(jié)方式下為 8 加 8，在多字節(jié)方式下為 8 加最大可達(dá) 248的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)。 圖 7 DS1302 實(shí)用時(shí)鐘電路 本設(shè)計(jì)采用的是 24 小時(shí)運(yùn)行模式。因?yàn)?DS1302 采用的是同步串行通信，簡(jiǎn)化了與微處理器的通信，微處理器與時(shí)鐘芯片通信僅需三根線聯(lián)接：（ 1） RST（復(fù)位）、（ 2） I/O（數(shù)據(jù)線）、和（ 3） SCLK（串行時(shí)鐘）。在 I/O 口接到處理器的命令后，控制芯片的 SCLK 端向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)或由單片機(jī)通過 SCLK 端向 1302 中寫入數(shù)據(jù)。 具體應(yīng)用電路如圖 7 所示。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，晶振 X1 為時(shí)鐘芯片提供工作必需的 的振蕩周期，使時(shí)鐘正常工作，系統(tǒng)電源對(duì)電容 C4 充電，在系統(tǒng)斷電時(shí)， C4 中存儲(chǔ)的電量可以作為芯片的備用電源，維持時(shí)鐘芯片正常工作，再次通電時(shí)系統(tǒng)電源為芯片供電，并且為電容 C4 充電，為系統(tǒng)下次斷電做好電能的儲(chǔ)備。 掉電存儲(chǔ)電路 為了能將系統(tǒng)所設(shè)定的一些參數(shù)，如設(shè)定的密碼，設(shè)定的時(shí)間在系統(tǒng)掉電之后能夠恢復(fù)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮如何存儲(chǔ)這些參數(shù)。由于 AT89C51 片內(nèi)沒有EEPROM，必須采用外部擴(kuò)展方式。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，通常采用的掉 電存儲(chǔ)芯片是 24C02 系列存儲(chǔ)芯片，為了方便以后擴(kuò)展，在這里選用有 4K 存儲(chǔ)空間的24C04 芯片。 24C04 接口采用 I2C 總線接口方式。 I2C 總線是一種用于 IC 器件之間連接的二線制總線。連接總線的器件的輸出級(jí)必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能。 I2C 總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為 100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達(dá) 400kbit/s。它通過串行數(shù)據(jù)線 SDA 及串行時(shí)鐘線 SCL 兩根線和連在總線上的處理機(jī)進(jìn)行通信，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件。采用 I2C 總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或 IC 器件，其內(nèi)部不僅 有 I2C 接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，通過軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。 CPU 能通過指令將某個(gè)功能單元電路進(jìn)行讀或?qū)懙牟僮?，還可對(duì)該單元的工作狀況進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)既簡(jiǎn)單又靈活的擴(kuò)展與控制。管腳功能如表 3 所示。 24C04 作為系統(tǒng)的掉電存儲(chǔ)單元，在設(shè)計(jì)中的作用是在系統(tǒng)失電的瞬間，由電容供電完成對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。主要存儲(chǔ)的內(nèi)容是定時(shí)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)時(shí)間等參數(shù)，在系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)取出定時(shí)時(shí)間與實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，完成定時(shí)控制和時(shí)鐘顯示功能。其應(yīng)用電路如圖 8 所示。 表 3 24C04 的管腳介紹 管腳名稱 功能 A0、 A A2 器件地址選擇 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址 SCL 串行時(shí)鐘 WP 寫保護(hù) VCC +～ 工作電壓 GND 地 圖 8 24C04 應(yīng)用電路 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管顯示的串口輸出電路，串口六位數(shù)碼顯示主要由供電電路、串并轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示電路組成 如圖 9 。串并轉(zhuǎn)換電路主要由六塊移位寄存器74ALS164 組成。當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)一組 數(shù)據(jù)依次輸入時(shí)，寄存器中的數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下依次向下一個(gè)寄存器傳遞。最終在輸出端（ QA－ QH）得到八位并行輸出的數(shù)據(jù)。由于寄存器是級(jí)聯(lián)的，所以在時(shí)鐘脈沖的作用下依次為每個(gè)數(shù)碼管提供八位的數(shù)據(jù)。數(shù)碼顯示電路主要由八段數(shù)碼管組成，其電路是共陽的，當(dāng)輸出一定的編碼數(shù)據(jù)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)字。 圖 9 顯示電路 單片機(jī)硬件電路 AT89S 系列單片機(jī)提供的 ISP 在線編程技術(shù)徹底地改變了傳統(tǒng)開發(fā)模式，開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)不會(huì)損壞芯片的引腳，加速了產(chǎn)品的上市并降低了研發(fā)成本，縮短了從設(shè)計(jì)制造到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間，簡(jiǎn)化了 生產(chǎn)流程，大大提高了工作效率89s51 系列單片機(jī)及其外圍電路組成，電路如圖 10 所示。復(fù)位電路采用按鍵手動(dòng)復(fù)位方式，當(dāng) S6 按鍵按下后， VCC 通過 R12 給單片機(jī) 9 腳一個(gè)高電平，就可以完成復(fù)位操作，時(shí)鐘電路用 12MHz 晶振及 2 個(gè) 33pF 的電容組成，片內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)主用由該電路產(chǎn)生。 圖 10 單片機(jī)電路 5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)主要有主程序，中斷程序，顯示子程序和延時(shí)子程序。系統(tǒng)流程圖如圖 11 所示，主程序見附錄 2。 6 結(jié)束語 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的太陽能草坪燈設(shè)計(jì)是針對(duì)已經(jīng)存在的普通草坪燈進(jìn)行改進(jìn)，首先采用 了太陽能電池作為能源，以達(dá)到環(huán)保節(jié)約的目的。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力