基于STC8单片机的太阳能路灯控制器的设计

2021-06-17张维全周丽红

电子制作 2021年8期

张维全，周丽红

（江苏电子信息职业学院，江苏淮安，223003）

近年来，全球可持续发展面临重大挑战。而且，这些能源在使用过程中严重污染环境，直接影响人们的健康。因此，越来越多的人将目光转向可再生太阳能新能源。随着太阳能的大量使用和大功率、高亮度照明LED技术的成熟，太阳能LED路灯得到了广泛的推广应用。太阳能LED路灯巧妙地使低功耗照明光源LED灯更加明亮节能，LED封装外壳不需要使用玻璃等易碎物品作为外壳，更具有抗冲击和耐压能力，而且太阳能路灯不需布线，不用接入电网即可使用。因为太阳能电池板可以在光照的情况下储存电能，有阳光的地方，他们就可以工作，应用范围广。因此，越来越多的人开始重视太阳能路灯的研究与应用。

1 太阳能路灯控制器设计

太阳能路灯控制原理：白天，太阳能模块将太阳能转化为直流电，通过太阳能控制器储存在电池中；晚上，电池通过太阳能控制器为LED光源供电，实现照明功能。太阳能路灯照明控制电路由光伏电池、充放电及保护电路、路灯控制器及传感器电路四部分组成。本系统中采用STC8单片机作为路灯控制器的核心器件，通过太阳能和锂电池充放电及保护电路给LED灯提供电能，利用环境光传感器检测环境光信号给控制器以便控制白天不发光但晚间有条件的发光；利用人体热释电传感器和人体感应雷达传感器判断人是否走近了的信号给控制器以便控制晚间人到灯亮人走灯暗，从而实现夜晚照明；再利用实时时钟信号给控制器以便控制按照规定时间点后是否需要完全熄灭或微亮照明。外围电路主要包括太阳能充放电电路、充放电保护电路、人体热释电红外传感器及检测电路、人体感应雷达信号传感器等，由检测电路和实时时钟电路组成。系统设计的总体方案如方框图1所示。

2 硬件电路设计

■2.1 单片机智能控制模块

本项目采用南通国芯微电子科技有限公司研发的最新STC8单片机作为核心控制器，它是一款高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，工作电压范围为3.3V～5.5V，包含2M字节片内RAM数据存储器，1个时钟/机器周期，增强型8051内核(STC Y5)。

图2 单片机接口电路

■2.2 电源电路模块设计

系统正常工作电压为5V，系统采用 12V/24V 的铅酸蓄电池供电，控制器电源经由蓄电池正极并通过1N5819肖特基二极管D1引入。其中图中11V作为三极管驱动电压，11V电压经过AMS117三端可调稳压管的稳压输出5V电压，提供给单片机正常工作电压，电路简单，使用起来非常方便，工作稳定可靠，系统电源电路如图3 所示。

图3 电源电路

■2.3 环境光检测电路

环境光线检测电路采用环境光敏二极管（波长450nm）作为检测光线的元件，光敏二极管的特性是在特定波长的光线照射下，它的阻值会极速的减小。电路由555定时器、光敏二极管、4148二极管和电阻、电容等元件构成。用NE555加外围元件构成施密特触发器，功能主要是防闪烁检测抗干扰，传递给单片机，电路如图4所示。其中555芯片及外围电路组成施密特触发器，光敏电阻器D2白天在光照时呈现很低的电阻值，因此555芯片的阈值端⑥脚与触发端②脚平均高于2/3电源电压，集成块处于复位状态，③脚输出低电平；当晚间环境光线变暗时，光敏电阻呈现高电阻，使得集成块触发端②脚电平下降，当降至1/3电源电压时，555电路③脚输出高电平。R2、C4构成积分电路，起到吸收抗干扰作用，防止夜间电路发生误翻转。

图4 环境光检测模块电路

■2.4 人体感应模块电路

本项目使用了两个传感器模块，包括热释电传感器模块和人体雷达传感器模块，它是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。这里采用芯片BISS0001，它的最大优点是性能稳定可靠，工作电压为DC6～24V，感应距离为0.5～5米，当人体进入感应检测范围时输出3v高电平，无人时0v低电平。由于热释电传感器检测距离近，所以外加雷达传感器扩大检测范围，雷达传感器，感应距离远，可靠性强。工作电压范围宽，是一款专门检测物体移动的微波感应模块，配合人体热释电传感器来检测有无人员走近太阳能路灯控制器，最高检测范围可以达到9米，从而控制路灯的亮与灭，实现路灯控制照明。人体感应模块电路接口如图5所示。

图5 人体感应模块电路

■2.5 驱动电路

本项目的终端设备LED灯发光需要一定的条件，工作电流必须满足合适的数值范围，工作电流既不能过大，也不能过小，如果电流太大会烧坏LED 灯，如果太小发光效率降低，达不到照亮的目的，必须对LED工作电流进行限制，同时考虑LED的驱动电压，因此采用SIS302场效应管，来驱动LED灯是否发光。

图6 驱动电路

■2.6 太阳能路灯太阳能板选择

太阳能电池是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的设备。太阳能电池板主要包括单晶硅和多晶硅。单晶硅太阳能的光电转换效率高达24%，在所有太阳能电池中最高。它使用寿命长，但是生产成本高。虽然单晶硅的价格高昂，本项目中仍然单晶硅太阳能电池板，单块太阳能电池板的额定电压5V，额定电流200mA,额定功率为1000W，两个太阳能电池板串联连接，以使其工作功率更大，并使它们更快地充满电。

■2.7 音频信号处理电路

当有人在夜间接近太阳能路灯时，控制器收集声音信号。这里使用。由于驻极体话筒结构简单、体积小、性价比高、声电性能好等优点，因此我们选择驻极体传声器作为声信号采集的传感器。

当没有声音时，只输出低电压信号。当有声音时，它会输出一个被集成运放放大的电压值。音频信号处理电路通过驻极体话筒将语音信号转换为微弱的mv电信号。电信号经过由集成运放358构成的两级放大电路，然后被放大成伏特的电压信号。该电压信号送给单片机控制器与参考电压进行比较，得到触发照明的电压阈值。当信号电压高于阈值时，确定环境音量达到预设水平以触发照明。音频信号处理电路如图7所示。