1、移動式太陽能交通信號燈摘要太陽能的優點及太陽能光伏技術的迅速發展為解決能源問題提供了一個有效地途徑。現今太陽能光伏組件應用領域包括農村電氣化、交通、通信、石油、氣象、國防等。本文將太陽能電池組件應用到交通信號燈控制就是太陽能光伏組件在交通領域中應用的一個實例。本系統采用vrla蓄電池專用充電芯片uc3096將太陽能電池板的輸出電能存儲在12v的蓄電池中作為系統總電源。存儲在蓄電池的電能分為兩路，一路通過恒流驅動芯片pam2842的升壓作用將蓄電池的12v升高到24v，給每一組交通信號燈供電；另一路通過穩壓芯片lm7805穩壓作用輸出5v電壓，給stc89c52、lcd12864、ds1302等

2、芯片及電路供電。stc89c52通過人機界面得到兩相位交通信號燈的控制參數，經過處理之后，完成對交通信號燈的控制。關鍵字：stc89c52 vrla uc3906 恒流驅動畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期：

3、使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本

4、聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日目錄第一章 系統概述3第二章 單元電路設計與分析42.1 電源電路42.1.1 太陽能電池板及蓄電池的選型及參數計算42.1.2 vrla蓄電池充電電路設計62.1.3 5v電

5、源電路設計92.2 led驅動電路設計102.2.1 led驅動方式選擇102.2.2 led驅動電路102.2.3 光耦隔離電路132.3 人機界面電路132.4 時鐘電路152.5 單片機最小系統電路16第三章 軟件程序設計173.1 軟件系統框圖173.2 人機界面權限驗證及參數設定框圖183.3 各時間段信號控制程序框圖19第四章 展望20第一章 系統概述本設計是基于stc89c52單片機的兩相位太陽能交通信號燈控制系統。該系統由stc89c52單片機、lcd12864、鍵盤、基于uc3906控制電路的太陽能充電電路、以及基于升壓恒流驅動芯片pam2842的led驅動電路組成。本系統采

6、用閥控密封式鉛酸（vrla）蓄電池專用充電芯片uc3096將太陽能電池板的輸出電能存儲在12v的蓄電池中。存儲在蓄電池的電能分為兩路，一路通過pam2842的升壓恒流控制作用將蓄電池的12v升高到24v，給每一組交通信號燈供電；另一路通過穩壓芯片lm7805穩壓作用輸出5v電壓，給stc89c52、lcd12864、ds1302等芯片及電路供電。假設信號燈的四個方向為東南西北四個方向，那么，系統的總體框圖如圖1。圖1 系統總體框圖stc89c52通過人機界面得到交通信號燈的控制參數，經過處理之后，完成對交通信號燈的控制。太陽能電池板及蓄電池均為直流器件，考慮到太陽能電池板及蓄電池的這一特性，我

7、們選擇直流12v/8w，200mm的交通信號燈，這樣就減少了電路設計的復雜性。系統的具體設計如下：（1）太陽能電池板給整個系統供電。（2）整個系統的設計是一體的，便于攜帶的。（3）兩相位交通信號燈分時段控制。（4）具有設置權限的功能。（5）具有良好的人機界面。通過人機界面，工作人員能夠查看、修改交通信號燈分時段的控制參數（包括黃燈過渡時間參數、紅燈過渡時間參數及綠燈過渡時間參數）。（6）開機運行相位啟動時序：狀態為黃閃12s，全紅7s。（7）能夠做到連續3個陰雨天正常工作。第二章 單元電路設計與分析2.1 電源電路2.1.1 太陽能電池板及蓄電池的選型及參數計算電源電路包括led工作電源及單片

8、機芯片及外圍電路的工作電源。這兩部分的電源是由12v蓄電池總電源分支而來。12v蓄電池電源電路是由太陽能電池板、uc3906、12v蓄電池等構成。太陽能電池板將太陽能轉換成的電能通過基于vrla蓄電池專用充電芯片uc3096的充電電路存儲在蓄電池中，蓄電池中的電能成為整個系統的電源。為了滿足系統的設計目標，蓄電池的容量及太陽能電池板的功率成為系統設計的關鍵指標。在這先介紹一下太陽能電池板和蓄電池的選型及參數選擇。目前市場上的太陽能電池板的種類大致分為三種：單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池。雖然單晶硅具有較高轉換率，發電性能穩定等優點，但是因其昂貴的價格，最終選擇多晶

9、硅太陽能電池?；谄胀ㄣU酸蓄電池使用壽命短、效率低、維護復雜、所產生的酸霧污染環境問題等各方面的考慮，我們選用閥控密封式鉛酸（vrla）蓄電池。vrla蓄電池整體采用密封結構，不存在普通鉛酸電池的氣漲、電解液泄漏等現象，具有使用安全可靠、能量高、成本低、使用壽命長、容量大、不漏液、安全等優點。對于太陽能電池板和vrla蓄電池參數的選擇則需要一些計算。計算過程1如下：每一個led交通信號燈的功率為，工作電壓為。正常情況下，每一時刻同時有4個led交通信號燈工作，那么，每一時刻負載的總功率為。每一組交通信號燈（相反方向同色信號燈串聯）的工作電壓為。假設該系統每天工作的時間為。經查表可得，西安的太陽

10、能標準峰值時間是2。一個連續陰雨天的時間為，兩個連續陰雨天之間的間隔時間為。太陽能電池組件的工作電壓是。負載日耗電量為：滿足負載日用電的太陽能電池組件的充電電流為：式中，1.05為太陽能充電綜合損失系數；0.85為蓄電池充電效率；0.9為控制其效率。蓄電池容量為：式中，0.75為蓄電池放電深度；1.1為蓄電池安全系數。連續陰雨天過后需要恢復蓄電池容量太陽能電池組件充電電流為：式中，0.75為蓄電池放電深度。太陽能電池組件的功率為：以上計算只是理論值，所以我們選擇時要適當的增加。我們選擇的蓄電池的規格為12v，120（ah）；太陽能電池板的規格選擇為兩個18v，80w的太陽能電池板，總的最大峰值

11、電流約為9.32a。2.1.2 vrla蓄電池充電電路設計通過以上的計算參數，接下來，我們設計太陽能電池板給蓄電池充電電路。根據vrla的溫度特性，我們設計基于vrla蓄電池充電專用芯片uc3906的vrla蓄電池充電電路。uc3906作為密封鉛酸蓄電池充電專用控制集成芯片，能夠提供密封鉛酸蓄電池的三種充電邏輯狀態（大電流充電、可控過充電和浮充充電）控制，能使充電器的充電電壓隨電池電壓溫度系數的變化而變化，從而使密封式鉛酸蓄電池在很寬的溫度范圍內能夠達到最佳充電狀態（如電池容量和使用壽命）、可分別對充電電流、充電電壓（通過電壓控制環和電流控制環）實現控制，具有靜態工作功耗低的優點，能提供實現密

12、封鉛酸蓄電池最佳充電所需的控制和檢測功能。1） uc3906的特性和結構uc3906內部結構框圖如圖2所示，該芯片內含有獨立的電壓控制電路和限流放大器，控制芯片內的驅動器可提供的輸出電流達25ma，可直接驅動外部串聯調整管，從而調整充電器的輸出電壓和電流。電壓和電流檢測比較器檢測蓄電池的充電狀態，并控制充電狀態邏輯電路的輸入信號。圖2 uc3906內部結構框圖當vrla蓄電池電壓或溫度過低時，充電使能比較器控制充電器進入浮充狀態，該比較器還能輸出25ma浮充電流。這樣，當vrla蓄電池短路或反接時，充電器只能小電流充電，避免因充電電流過大而損壞vrla蓄電池。uc3906的非常重要的特性就是具

13、有精確的基準電壓，其基準電壓隨環境溫度而變，且變化規律與vrla蓄電池電壓的溫度特性完全一致。同時，芯片只需1.7ma的輸入電流就可工作，這樣可以盡量減小芯片的功耗，實現對工作環境溫度的準確檢測，保證vrla蓄電池既能充足電又不會嚴重過充電。除此之外，芯片內部還包括一個輸入欠壓檢測電路以對充電周期進行初始化。這個電路還驅動一個邏輯輸出，當加上輸入電源后，腳7可以指示電源狀態。2） 充電過程及充電參數的確定充電過程從大電流恒流充電狀態開始，在這種狀態下充電器輸出恒定的充電電流，同時充電器連續監控電池組的兩端電壓，當電池電壓達到轉換電壓時，電池的電量已經恢復到額定容量的7090，充電器轉入過充電狀

14、態。在此狀態下，充電器輸出電壓升高到；由于充電器輸出電壓保持恒定不變，所以充電電流連續下降，當電流下降到時，電池的容量已達到額定容量的100，充電器輸出電壓下降到較低的浮充電壓。充電過程如圖2所示。圖1 uc3906充電狀態曲線vrla蓄電池的充電參數主要有過充電電壓、浮充電壓、過轉換電壓、最大充電電流、過充電終止電流。它們與、之間的關系可以從下面的公式反映出來：過充電壓 浮充電壓 過沖轉換電壓 最大充電電流 過充電終止電流 、和成正比。為2.3v，溫度系數是-3.9mv/。、可以獨立地設置。只要所提供的輸入電源允許或功率管可以承受，的值可以盡可能的大。雖然某些充電器有過充保護電路，充電率可以

15、達到甚至超過2c，但是蓄電池廠商推薦的充電率范圍是c/20c/3。的選擇盡可能的使vrla蓄電池接近100%充電。合適值取決于和在時vrla蓄電池充電電流的衰減特性。和分別由電流限制放大器和電流檢測放大器的偏置電壓和檢測電流的電阻決定。、的值由內部參考電壓和外部電阻、組成的網絡決定。3） 電路設計本電路的設計電路圖如圖2所示。由于充電器始終接在蓄電池上，為防止vrla蓄電池電流倒流入充電器，在串聯調整管與輸出端之間串入一支二極管。在選擇和器件時必須要考慮它們是否能夠承受，最終分別選擇了tip142（達林頓管）和mbr1040（二極管）。同時，為了避免輸入電源中斷后，vrla蓄電池通過分壓電阻、

16、放電，使通過電源指示管（腳7）接地。圖2 uc3906充電電路18v輸入電壓加入之后，、導通，開始恒流充電，充電電流為太陽能電池板輸出地最大電流9.32a（滿足蓄電池廠商推薦的充電率范圍c/20c/3），vrla蓄電池電壓逐漸升高。當vrla蓄電池電壓達到過充電壓的95（即14.25v）時，vrla蓄電池轉入過充電狀態，充電電壓維持在過充電壓，充電電流開始下降。當充電電流降到過充電終止電流（）時，uc3906的腳10輸出高電平，比較器lm339輸出低電平，vrla蓄電池自動轉入浮充狀態。同時充足電指示發光管（dxs1）發光，只是蓄電池已充足電。由于只需要很少的外部器件就可以在很寬的范圍內實現對

17、vrla蓄電池的精確快速充電，所以采用uc3906簡化了vrla蓄電池充電器的設計過程。2.1.3 5v電源電路設計12v蓄電池電源分別為led和工作電壓為5v的芯片供電。其中，5v電源是由12v電源通過lm7805穩壓芯片得到。采用lm7805系列三端穩壓ic組成的穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。由蓄電池12v電源得到5v電源的電路如圖3所示。圖3 5v電源電路lm7805最大輸出電流為1.5a，能夠滿足單片機及外圍電路各芯片功率的需求。在使用lm7805穩壓芯片時，要注意輸出電壓差約為2v，否則不能輸出穩定的電壓，一般

18、應使電壓差保持在45。、和、分別為輸入端和輸出端濾波電容，使穩壓器輸出比較純凈的5v電壓。圖中阻值為零，用來減小模擬地對數字地的干擾。2.2 led驅動電路設計2.2.1 led驅動方式選擇led的驅動方式可以分為兩大類：恒流式和穩壓式。由于led的電流和電壓的關系與環境溫度及生產工藝有關，所以led工作在電壓模式下易導致led失控。因此，驅動led的最佳方法是使其工作在電流模式下，即恒流驅動。恒流驅動實現的方法是通過檢測串聯電阻的電壓作為反饋，來調節led和電阻之間的電壓，使串聯電阻的電壓保持在一定的范圍內，保證電路的電流是恒定的，達到恒流驅動的目的。2.2.2 led驅動電路1） 驅動芯片

19、選擇系統設計是兩相位控制，采用將反方向同色的這組交通信號燈串聯，可以通過單片機某一端口控制。單片機控制六組交通信號燈完成交通信號燈兩相位的控制。每一組組交通信號燈的電壓為24v，電流為0.667a。由于蓄電池的工作電壓是12v，這就需要一個升壓電路將蓄電池的電壓升到24v，并且能夠滿足0.667a的輸出電流。綜合考慮之后，最后選擇了升壓恒流驅動芯片pam2842。2） led驅動芯片特性pam2842最大輸出電壓可達40v，最大輸出電流可達1.75a，但總輸出功率不能大于30w。led信號燈的電流由串聯的采樣電阻決定，pam2842要求其反饋電壓為0.1v，串聯電阻的阻值就可以根據所要求的正向

20、電流來設定?，F在每一組交通信號燈的工作電流為0.667a，那么反饋電阻為0.15歐，其損耗為0.06w，對效率的影響可以忽略。pam2842的工作頻率可以有三種選擇：500khz、1mhz、1.6mhz。為降低其開關損耗，建議選擇500khz開關頻率，此時可以把rt端接地。pam2842具有很好的恒流特性，當輸入電壓從12v降至10v時，led中電流的變化還不到3%，這樣就可以保證led的亮度基本不變。芯片內部具有過壓保護電路(ov)，只要根據的公式調整電阻參數就可以改變輸出電壓的最大值。如果出現一個led開路，芯片的升壓會被限制而不至于過高，保護芯片本身不至于損壞。但由于所有led為串聯，如

21、果一顆led開路，必然會導致所有led不亮。但是，假如有一顆led短路，這時候，由于有恒流環控制，所以芯片會自動降低其輸出電壓，而保持流過led的電流不變，因此不影響其它led的工作。此外，pam2842是目前同類內置大功率mosfet恒流驅動芯片中，輸出功率最大的。圖4 pam2842驅動電路3） pam2842驅動芯片的工作原理pam2842驅動led的電路圖如圖4所示。其中，二極管必須采用低壓降、大電流的肖特基二極管，以減小功耗，在這里選擇in5400；電感需要采用高飽和電流、低dcr（等效電阻）的電感，在這里選擇33uh/3a的電感。我們設置輸出電壓的最大值為30v，取，那么。當使能管

22、腳en為低電平時，芯片停止工作。當使能管腳en為高電平時，芯片被激活，進入工作狀態。當檢測到rr11兩端的電壓小于0.1v時，也就意味著電路中的電流小于0.667a，電阻和led兩端的電壓小于24v，pam2842接收到這一反饋之后，通過增大pam2842內置大功率mosfet的占空比增加電感lr11的能量，由電感lr11和電容cr16共同完成升壓。當檢測到rr11兩端的電壓大于0.1v時，pam2842接收到這一反饋之后，通過減小pam2842內置大功率mosfet的占空比來減小電感lr11的能量，由電感lr11和電容cr16共同完成降壓。通過檢測rr11兩端的電壓作為反饋，調整pam284

23、2內置大功率mosfet的占空比來改變電感lr11的能量，進而調整電容cr16兩端的電壓，從而達到了led信號的恒流控制。2.2.3 光耦隔離電路為了減小單片機與pam2842之間的干擾，在單片機接口與pam2842之間用光耦進行隔離，這里光耦選擇型號為4n25。其電路為圖5。圖5 光耦隔離電路當red1被單片機的i/o口置為高電平時，發光二極管導通，接收管接收到發光管發出的光線隨即導通，導通之后，red_1輸出高電平，使得pam2842的使能端有效，led交通燈發光；當red1為低電平時，發光二極管截止，接收管截止，red_1輸出低電平，pam2842的使能端無效，led交通燈熄滅，進而完成

24、信號燈的控制。2.3 人機界面電路1） 人機界面概述本系統的人機界面電路包括按鍵電路和液晶顯示電路。按鍵電路采用4*4矩陣鍵盤電路組成，stc89c52利用查詢的方法對按鍵狀態進行判定。矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是由4條i/o線作為行線，4條i/o線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設置一個按鍵。這種行列式鍵盤能夠有效地提高單片機系統中i/o口的利用效率。4*4個按鍵分配如下：09每一個數字對應一個按鍵，共十個按鍵；上下左右各一個；“確定”、“取消”各一個。液晶顯示電路采用的帶有中文字庫的液晶顯示屏lcd12864。對交通信號燈控制參數進行設置時，單片機stc89c52通過查

25、詢按鍵的輸入信號，經過處理后在lcd12864上顯示出來，供設置人員更好的進行校對及修改等操作，從而建立了良好的人機交互環境。在系統進入工作狀態時，單片機stc89c52將交通信號燈的運行狀態顯示在lcd12864。人機界面電路如圖6所示。圖6 人機界面電路2） 人機界面工作原理4*4按鍵引腳port0port7分別于stc89c52的p1.0p1.7相連。4*4按鍵的處理過程如下：先從p1口的高四位輸出低電平，低四位輸出高電平，從p1口的低四位讀取鍵盤狀態。再從p1口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，從p1口的高四位讀取鍵盤狀態。經兩次結果組合起來就可以得到當前按鍵的特征編碼。通過獲得的

26、編碼值來確定按鍵。電路圖中只畫出lcd12864的引腳連接圖，具體管腳連接見附表，管腳連接圖見附圖。帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864,內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ascii字符集?？梢燥@示84行1616點陣的漢字，也可完成圖形顯示。單片機stc89c52與lcd12864之間的數據通信具體見lcd12864使用說明。2.4 時鐘電路由于現在交通流大多存在時段分布不均的現象，需要對交通信號控制參數進行分段設置，這就需要用到時鐘。本設計用到的時鐘芯片是

27、美國dallas公司推出的一種高性能低功耗的實時時鐘芯片ds1302。該芯片附加31字節靜態ram，采用spi三線接口與單片機進行同步通信，并可采用突發方式一次傳輸多個字節的時鐘信號和ram數據。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于30天時可以自動調整，并具有閏年補償功能。工作電壓寬大，在2.55.5v范圍內。采用雙電源供電（主電源和備用電源）。時鐘電路的設計要求就是能夠提供給stc89c52準確的時間參數以及接收并采用基準時鐘的時鐘參數。其工作電路如圖7。圖7 ds1302工作電路其中，vcc為5v電源，而vcc2為利用3v紐扣電池做成的備用電源。ds1302的雙電源工作模

28、式如下：ds1302是由vcc1和vcc2兩者中較大者供電。當vcc2大于vcc1+0.2v時，vcc2給ds1302供電；當vcc2小于vcc1時，ds1302由vcc1供電。當圖1中開關閉合時，由于接在vcc2上的3v紐扣電池電壓為小于蓄電池經lm7805得到5v電壓，此時ds1302由5v供電；當圖1中的開關斷開時，vcc1端沒有電壓，此時ds1302由3v的紐扣電池供電。通過以上的方式就能夠實現ds1302數據保存的功能。2.5 單片機最小系統電路單片機最小系統是整個系統最核心的部分。本系統采用的控制芯片是高可靠、低功耗、性價比高的單片機stc89c52。單片機最小系統有stc89c5

29、2芯片、復位電路及外圍晶振。本設計中將stc89c52的外部晶振頻率設置在11.0592mhz。管教分配圖見附表1。其電路如圖8。圖8 單片機最小系統第三章 軟件程序設計3.1 軟件系統框圖軟件系統框圖可以看出本設計的軟件系統主要由初始化、人機交互及信號燈控制三大模塊構成。其中，初始化的內容包括定時器初始化、lcd12864初始化、單片機各i/o口初始化以及ds1302的初始化等。人機交互主要有權限驗證、參數設置兩部分內容。信號燈控制主要包括led信號燈時段配時、led信號燈時段控制。3.2 人機界面權限驗證及參數設定框圖權限驗證及更改密碼模式中，在沒有掉電的情況下，事先將密碼設置在程序存儲空

30、間內，通過權限驗證之后，能夠設置新的密碼。掉電之后，修改的密碼不能夠被存儲，密碼恢復成原程序事先設置的密碼。時間參數的設置主要有時間段的設置和相位控制的時間設置?？紤]到stc89c52的ram的存儲空間，其設置時間段最多可設置成10段。3.3 各時間段信號控制程序框圖根據從ds1302讀取的時間信息，經過stc89c52處理之后，按照相應時段相位配時，對led交通信號燈進行控制。注明：第一狀態 南北方向紅燈 東西方向綠燈第二狀態 南北方向紅燈 東西方向黃燈第三狀態 南北方向綠燈 東西方向紅燈第四狀態 南北方向黃燈 東西方向紅燈第四章 后續工作在完成系統已設計的功能外，在后續的工作中還可以繼續完成以下功能：（1） 停電保