【文章內容簡介】 池的能量轉換效率最大和蓄電池的使用壽命等問題。本課題從這些存在的問題著手研究，設計一種具有節(jié)能控制功能的太陽能路燈控制器：并根據 LED 燈的組合方式，設計 一種與之匹配的驅動電源。使整個系統(tǒng)能夠達到預期設定的功能和指標，能夠穩(wěn)定長久高效地運行。 論文的組織結構： 本論文分為五個章節(jié)，每章內容分布如下： 第一章：緒論。主要闡述本課題的研究背景和意義，以及論文的研究目標和論文的組織結構。 第二章：太陽能 LED 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)整體設計。本章從太陽能路燈控制系統(tǒng)的實際應用出發(fā)，確定了太陽能路燈控制器需要實現的功能。 第三章：路燈控制系統(tǒng)控制器的硬件電路實現。本章設計了太陽能 LED 路燈系統(tǒng)控制器的硬件電路，并畫出原理圖。 第四章：路燈控制系統(tǒng)控制器的軟件實現 。在系統(tǒng)硬件的基礎上，結合 MSP430系列單片機的 C 語言編程特點編寫整個系統(tǒng)的程序。 第五章：總結與展望。分析了本次課題中的不足之處和以后的努力方向，展望下一階段的工作。 6 2 系統(tǒng)總體方案設計 總體方案設計 [4] 太陽能 LED 路燈利用太陽能電池的光生伏特效應原理 [5]，白天太陽電池吸收太陽能光子能量產生電能，通過控制器儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電一直到設定的時間后切斷。做到白天有陽光就充電儲能，晚上光控和時控點亮發(fā)光負載，照明道路。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng) 總體框圖如圖 21 所示： 根據對設計題目的了解，該控制器以 MSP430 單片機為控制中心，外圍電路主要由 LED 恒流驅動電路、環(huán)境光檢測、紅外檢測電路、蓄電池電壓、充放電控制電路、太陽能電池電壓檢測與分組切換電路、狀態(tài)顯示電路等構成。 其基本原理是 ，電壓檢測電路用于識別光照強度和獲取蓄電池端電壓，溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補償，環(huán)境光及紅外檢測電路用于檢測環(huán)境亮度及車輛人員情況。 由電源模塊給單片機、驅動電路、傳感檢測電路等供電 ，單片機接受時間設定及外部檢測信號來控制 LED驅動電路，從而控制 LED 燈的亮度。 本設計完成白光 LED 路燈照明部分的控制 [6]，該控制總圖如圖 22 所示： 太陽能電池板 蓄電池 LED 燈 MSP430F149 單片機 測量電壓電流 充電控制 測量電壓 放電控制 LED驅動 圖 21 太陽能 LED路燈控制系統(tǒng)總體框圖 7 該控制器以 MSP430 單片機為控制中心，外圍電路主要由 LED 驅動電路、光電傳感電路和熱釋電紅外檢測電路、時鐘電路、電源電路、鍵盤電路及顯示電路組成。其基本原理是 ：電源模塊給 MSP430F149 單片機和各個電路模塊供電，光電傳感電路和熱釋電紅外檢測電路用于檢測光照強度和車輛人員活動情況，與時鐘電路一 起控制LED 驅動電路，從而控制 LED 燈的亮度及亮滅，鍵盤電路用于手動輸入控制參數，顯示電路顯示控制中需要顯示的參數。 PWM 調光技術 脈沖寬度調制 (PWM)技術 [7]，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換及 LED 照明等許多領域中。通過以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和 DSP 已經在芯片上包含了 PWM 控制器，這使數字控制的實現變得更加容易了。隨著電子技術的發(fā)展，出現了多種 PWM 技術，其中包括：相 電壓控制 PWM、脈寬 PWM 法、隨機 PWM、 SPWM 法、線電壓控制 PWM 等。 PWM 控制 LED 暗亮原理： 對于控制 LED 燈 由 暗到亮或由亮到暗，采用的是脈寬 PWM 法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作 PWM 波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調變化。可以通過調整 PWM 的周期、 PWM 的占空比而達到控制 放 電電流的目的。 這次設計利用 MSP430F149 單片機產生占空比可變的矩形波，當產生此矩形波的I/O 口通過 驅動 電路再與 LED 燈相接后，由于輸出矩形波占 空比不斷變化，那么一個周期內有一部分時間 LED 導通，一部分時間截止，從整體來看有一個平均電 流 ， PWM MSP430F149 熱釋電紅外探測電路 光電傳感器 鍵盤電路 電源電路 LED 驅動電路 顯示電路 實時時鐘電路 LED 燈 圖 22 照明控制部分總體框圖 8 信號頻率很高的，我們無法通過肉眼來觀察到每一個周期 LED 燈亮滅的變化過程，所以只好通過平均電 流 這樣一種方式來決定這個 LED 的亮的程度了。 隨著波形占空比不斷變化， LED 燈也會 由 暗到亮再從亮到暗不斷變化 9 3 硬件電路設計 MSP430F149 單片機簡介 本設計選用 MSP430F149 單片機 [8]。 MSP430 系列單片機是美國 德州儀器 （ TI）1996 年開始推向市場的一種 16 位超低 功耗、具有 精簡指令集 （ RISC）的混合信號處理器。該單片機將多個不同功能的 模擬電路 、 數字電路 模塊和 微處理器 集成在一個芯片上。 由于其超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境得到廣大用戶的高度評價。該單片機引腳圖如圖31 所示。 圖 31 MSP430F149 單片機引腳圖 MSP430F149 單片機特點 ◆ 具有很低的供電電壓。單片機的供電電壓最低為 ，其供電電壓的范圍是： 10 ～ 。 ◆ 超低的功耗。這是目前其他單片機沒有的特色。它在休眠條件下工作的電流只有，就是在 、 1MHz 條件下工作的電流只有 280uA。 ◆ 快速的喚醒時 間。從休眠方式喚醒只需要 6us 的時間。 ◆ 快速的指令執(zhí)行時間。它采用的是 16 位的 RISC 結構，指令的執(zhí)行時間只需要150ns 的時間，是傳統(tǒng)單片機不能比擬的。 ◆ 片內有 12 位的 A/D 轉換器，并提供參考電壓。 A/D 轉換器具有采樣保持和自動掃描特點。 ◆ 16 位的定時器 Timer_B 帶有 7 個捕獲 /比較寄存器。 ◆ 片內提供溫度傳感器。 ◆ 具有靈活的時鐘設置。主要有一下幾種方式： 32kHz 的晶體方式、高頻率晶體方式、諧振器方式和外部時鐘源方式。這樣可以根據功耗要求和速度要求進行靈活的時鐘設置。 ◆ 16 位的定時器 Timer_A 帶有 3 個捕獲 /比較寄存器。 ◆ 片內提供模擬信號比較器。 ◆ 串口通信模塊： USART0、 USART1。兩個串口都可以通過軟件設置成 UART 方式或者 SPI 方式，由于該系列單片機提供了兩個串口，因此能為用戶進行多機通信設計提供了方便。 ◆ 片內提供較多的存儲器， MSP430F149 提供的片內 FLASH 為 60KB，同時片內還提供較多的 RAM，以便進行運算時處理。 ◆ 提供較多的外圍接口，提供 ～ 共 6 個數據端口，能為用戶提供更多的處理功能。在提供的外圍數據端口中 ，有兩個端口具有中斷功能，這樣能豐富硬件系統(tǒng)的中斷資源，也為實現多任務系統(tǒng)提供了方便。 ◆ 代碼保護功能。單片機的安全熔絲功能可以對程序的代碼進行保護，從而可以對知識產權進行保護。 ◆ 具有 JTAG 仿真調試接口，這樣非常便于軟件的調試。 MSP430F149 單片機引腳簡介 表 1 MSP430F149 單片機引腳功能表 引腳號 符號 引腳功能 1 DVcc 數字電源端 2 3 4 11 5 6 7 A/D 轉換器內部基準電壓的正輸出端 8 XIN 晶體振蕩器 XT1 的輸入端 9 XOUT/TCLK 晶體振蕩器 XT1 的輸出端 /測試時鐘輸入端 10 A/D 轉換器外部基準電壓 11 / A/D 轉換器內部基準電壓或者外部基準電壓負端 12 ， TACLK 時鐘輸入信號 13 通用數字 I/O 管腳 /Timer_A，捕獲： CCI0A 輸入，比較： OUT0 輸出 14 通用數字 I/O 管腳 /Timer_A，捕獲： CCI1A 輸入，比較： OUT1 輸出 15 通用數字 I/O 管腳 /Timer_A，捕獲： CCI2A 輸入，比較： OUT2輸出 16 17 ，比較： OUT0 輸出 18 ，比較： OUT1 輸出 19 ，比較： OUT2 輸出 20 21 ， INCLK 時鐘信號 22 A0 通用數字 I/O 管腳 / Timer_A，捕獲： CCI0B輸入，比較： OUT0 輸出 23 通用數字 I/O 管腳 / Timer_A，捕獲： CCI0B 輸入，比較： OUT1 輸出 24 ，比較： OUT2 輸出 25 通用數字 I/O 管腳 /作為外接電阻管腳，通過接入一個電阻來確定DCO 的工作頻率 26 LK 通用數字 I/O 管腳 /12 位的 A/D 轉換器的轉換時鐘 27 ，比 較： OUT0 輸出 28 ： USART0/SPI 模式 29 30 12 31 通用數字 I/O 管腳 /外部時鐘輸入 ——USART0/UART 或 SPI 模式，時鐘輸出 ——USART0/SPI 模式 32 ——USART0/SPI 模式 33 ——USART0/SPI 模式 34 ——USART1/SPI 模式 35 ——USART1/SPI 模式 36 通用數字 I/O 管腳 / 定時器 Timer_B，捕獲： CCI0A 或者 CCI0B 輸入，比較： OUT0 輸出 37 通用數字 I/O 管腳 / 定時器 Timer_B，捕獲： CCI1A 或者 CCI1B 輸入，比較： OUT1 輸出 38 通用數字 I/O 管腳 / 定時器 Timer_B，捕獲： CCI2A 或者 CCI2B 輸入，比較： OUT2 輸出 39 通用數字 I/O 管腳 / 定時器 Timer_B，捕獲： CCI3A 或者 CCI3B 輸入，比較： OUT3 輸出 40 通用數字 I/O 管腳 / 定時器 Timer_B，捕獲： CCI4A 或者 CCI4B 輸入，比較： OUT4 輸出 41 通用數字 I/O 管腳 / 定時器 Timer_B，捕獲： CCI5A 或者 CCI5B 輸入，比較： OUT5 輸出 42 通用數字 I/O 管腳 / 定時器 Timer_B，捕獲： CCI6A 或者 CCI6B 輸入，比較： OUT6 輸出 43 44 ： USART1/SPI 模式 45 46 47 通用數字 I/O 管腳 /外部時鐘輸入 ——USART1/UART 或 SPI 模式，時鐘輸出 ——USART1/SPI 模式 48 49 50 51 通用數字 I/O管腳 /切換所有的 PWM 數字輸出口為高阻抗 ——定時器 B_3 TB0～ TB3 52 XT2OUT 晶體振蕩器 XT2 的輸出端 53 XT2IN 晶體振蕩器 XT2 的輸入端 54 TDO/TDI 測試數據輸出端 /編程時數據輸入端 13 55 TDI 測試數據輸入端 56 TMS 測試方式的選擇，器件編程和測試輸入端 57 TCK 測試時鐘，用于器件編程和測試時的時鐘輸入端 58 /NMI 復位信號輸入端 /不可屏蔽中斷輸入端 59 60 61 62 AVss 模擬電源地 63 DVss 數字電源地 64 AVcc 模擬電源端 單片機電路 復位電路 在單片機系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)在上電時進行初始化，同時也為了保證對電源的監(jiān)視，需要采用復位芯片。本設計中選用 MAX809STR 復位芯片，具體復位電路如圖 32 所示。 GNDGNDGND1RESET2Vcc3MAX809STRC1175。RST/NMI 圖 32 單片機復位電路 該復位電路非常簡單，只需要在電源管腳 Vcc 處加一個 F 的電容進行濾波處理 ，以減少干擾。管腳 GND 接地，管腳 接單片機的 /NMI 引腳。 單片機 時鐘電路設計 時鐘是 MSP430 單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基 14 準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 MSP430 單片機的時鐘設計上與其他的單片機有一定的區(qū)別： MSP430F149 單片機采用兩個時鐘輸入 。 XT2IN 和 XT2OUT 引腳 跨接石英振蕩器和微調電容， XIN 和 XOUT 引腳跨接石英振 蕩器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器。 高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現更高的信號采樣率，從而實現更多的功能。但是 在 系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻 的情況下，