移动式太阳能交通信号灯大学生毕业设计--学位论文.doc

移动式太阳能交通信号灯
摘要
太阳能的优点及太阳能光伏技术的迅速发展为解决能源问题提供了一个有效地途径。现今太阳能光伏组件应用领域包括农村电气化、交通、通信、石油、气象、国防等。本文将太阳能电池组件应用到交通信号灯控制就是太阳能光伏组件在交通领域中应用的一个实例。
本系统采用VRLA蓄电池专用充电芯片UC3096将太阳能电池板的输出电能存储在12V的蓄电池中作为系统总电源。存储在蓄电池的电能分为两路，一路通过恒流驱动芯片PAM2842的升压作用将蓄电池的12V升高到24V，给每一组交通信号灯供电；另一路通过稳压芯片LM7805稳压作用输出5V电压，给STC89C52、LCD12864、DS1302等芯片及电路供电。
STC89C52通过人机界面得到两相位交通信号灯的控制参数，经过处理之后，完成对交通信号灯的控制。
关键字：STC89C52 VRLA UC3906 恒流驱动
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目录
第一章 系统概述 3
第二章 单元电路设计与分析 4
2.1 电源电路 4
2.1.1 太阳能电池板及蓄电池的选型及参数计算 4
2.1.2 VRLA蓄电池充电电路设计 6
2.1.3 5V电源电路设计 9
2.2 LED驱动电路设计 10
2.2.1 LED驱动方式选择 10
2.2.2 LED驱动电路 10
2.2.3 光耦隔离电路 13
2.3 人机界面电路 13
2.4 时钟电路 15
2.5 单片机最小系统电路 16
第三章 软件程序设计 17
3.1 软件系统框图 17
3.2 人机界面权限验证及参数设定框图 18
3.3 各时间段信号控制程序框图 19
第四章 展望 20

第一章 系统概述
本设计是基于STC89C52单片机的两相位太阳能交通信号灯控制系统。该系统由STC89C52单片机、LCD12864、键盘、基于UC3906控制电路的太阳能充电电路、以及基于升压恒流驱动芯片PAM2842的LED驱动电路组成。
本系统采用阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池专用充电芯片UC3096将太阳能电池板的输出电能存储在12V的蓄电池中。存储在蓄电池的电能分为两路，一路通过PAM2842的升压恒流控制作用将蓄电池的12V升高到24V，给每一组交通信号灯供电；另一路通过稳压芯片LM7805稳压作用输出5V电压，给STC89C52、LCD12864、DS1302等芯片及电路供电。假设信号灯的四个方向为东南西北四个方向，那么，系统的总体框图如图1。

图1 系统总体框图
STC89C52通过人机界面得到交通信号灯的控制参数，经过处理之后，完成对交通信号灯的控制。太阳能电池板及蓄电池均为直流器件，考虑到太阳能电池板及蓄电池的这一特性，我们选择直流12V/8W，200mm的交通信号灯，这样就减少了电路设计的复杂性。
系统的具体设计如下：
（1）太阳能电池板给整个系统供电。
（2）整个系统的设计是一体的，便于携带的。
（3）两相位交通信号灯分时段控制。
（4）具有设置权限的功能。
（5）具有良好的人机界面。通过人机界面，工作人员能够查看、修改交通信号灯分时段的控制参数（包括黄灯过渡时间参数、红灯过渡时间参数及绿灯过渡时间参数）。
（6）开机运行相位启动时序：状态为黄闪12s，全红7s。
（7）能够做到连续3个阴雨天正常工作。
第二章 单元电路设计与分析
2.1 电源电路
2.1.1 太阳能电池板及蓄电池的选型及参数计算
电源电路包括LED工作电源及单片机芯片及外围电路的工作电源。这两部分的电源是由12V蓄电池总电源分支而来。12V蓄电池电源电路是由太阳能电池板、UC3906、12V蓄电池等构成。太阳能电池板将太阳能转换成的电能通过基于VRLA蓄电池专用充电芯片UC3096的充电电路存储在蓄电池中，蓄电池中的电能成为整个系统的电源。为了满足系统的设计目标，蓄电池的容量及太阳能电池板的功率成为系统设计的关键指标。在这先介绍一下太阳能电池板和蓄电池的选型及参数选择。
目前市场上的太阳能电池板的种类大致分为三种：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池。虽然单晶硅具有较高转换率，发电性能稳定等优点，但是因其昂贵的价格，最终选择多晶硅太阳能电池。
基于普通铅酸蓄电池使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境问题等各方面的考虑，我们选用阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池。VRLA蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸电池的气涨、电解液泄漏等现象，具有使用安全可靠、能量高、成本低、使用寿命长、容量大、不漏液、安全等优点。
对于太阳能电池板和VRLA蓄电池参数的选择则需要一些计算。计算过程[1]如下：
每一个LED交通信号灯的功率为，工作电压为。正常情况下，每一时刻同时有4个LED交通信号灯工作，那么，每一时刻负载的总功率为。每一组交通信号灯（相反方向同色信号灯串联）的工作电压为。假设该系统每天工作的时间为。经查表可得，西安的太阳能标准峰值时间是[2]。一个连续阴雨天的时间为，两个连续阴雨天之间的间隔时间为。太阳能电池组件的工作电压是。
①负载日耗电量为：

②满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流为：

式中，1.05为太阳能充电综合损失系数；0.85为蓄电池充电效率；0.9为控制其效率。
③蓄电池容量为：

式中，0.75为蓄电池放电深度；1.1为蓄电池安全系数。
④连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量太阳能电池组件充电电流为：

式中，0.75为蓄电池放电深度。
⑤太阳能电池组件的功率为：

以上计算只是理论值，所以我们选择时要适当的增加。我们选择的蓄电池的规格为12V，120（Ah）；太阳能电池板的规格选择为两个18V，80W的太阳能电池板，总的最大峰值电流约为9.32A。
2.1.2 VRLA蓄电池充电电路设计
通过以上的计算参数，接下来，我们设计太阳能电池板给蓄电池充电电路。
根据VRLA的温度特性，我们设计基于VRLA蓄电池充电专用芯片UC3906的VRLA蓄电池充电电路。UC3906作为密封铅酸蓄电池充电专用控制集成芯片，能够提供密封铅酸蓄电池的三种充电逻辑状态（大电流充电、可控过充电和浮充充电）控制，能使充电器的充电电压随电池电压温度系数的变化而变化，从而使密封式铅酸蓄电池在很宽的温度范围内能够达到最佳充电状态（如电池容量和使用寿命）、可分别对充电电流、充电电压（通过电压控制环和电流控制环）实现控制，具有静态工作功耗低的优点，能提供实现密封铅酸蓄电池最佳充电所需的控制和检测功能。
1） UC3906的特性和结构
UC3906内部结构框图如图2所示，该芯片内含有独立的电压控制电路和限流放大器，控制芯片内的驱动器可提供的输出电流达25mA，可直接驱动外部串联调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。电压和电流检测比较器检测蓄电池的充电状态，并控制充电状态逻辑电路的输入信号。

图2 UC3906内部结构框图
当VRLA蓄电池电压或温度过低时，充电使能比较器控制充电器进入浮充状态，该比较器还能输出25mA浮充电流。这样，当VRLA蓄电池短路或反接时，充电器只能小电流充电，避免因充电电流过大而损坏VRLA蓄电池。
UC3906的非常重要的特性就是具有精确的基准电压，其基准电压随环境温度而变，且变化规律与VRLA蓄电池电压的温度特性完全一致。同时，芯片只需1.7mA的输入电流就可工作，这样可以尽量减小芯片的功耗，实现对工作环境温度的准确检测，保证VRLA蓄电池既能充足电又不会严重过充电。除此之外，芯片内部还包括一个输入欠压检测电路以对充电周期进行初始化。这个电路还驱动一个逻辑输出，当加上输入电源后，脚7可以指示电源状态。
2） 充电过程及充电参数的确定
充电过程从大电流恒流充电状态开始，在这种状态下充电器输出恒定的充电电流，同时充电器连续监控电池组的两端电压，当电池电压达到转换电压时，电池的电量已经恢复到额定容量的70％～90％，充电器转入过充电状态。在此状态下，充电器输出电压升高到；由于充电器输出电压保持恒定不变，所以充电电流连续下降，当电流下降到时，电池的容量已达到额定容量的100％，充电器输出电压下降到较低的浮充电压。充电过程如图2所示。

图1 UC3906充电状态曲线
VRLA蓄电池的充电参数主要有过充电电压、浮充电压、过转换电压、最大充电电流、过充电终止电流。它们与、、、、之间的关系可以从下面的公式反映出来：
过充电压
浮充电压
过冲转换电压
最大充电电流
过充电终止电流
、和成正比。为2.3V，温度系数是-3.9mV/℃。、、、可以独立地设置。只要所提供的输入电源允许或功率管可以承受，的值可以尽可能的大。虽然某些充电器有过充保护电路，充电率可以达到甚至超过2C，但是蓄电池厂商推荐的充电率范围是C/20～C/3。的选择尽可能的使VRLA蓄电池接近100%充电。合适值取决于和在时VRLA蓄电池充电电流的衰减特性。和分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和检测电流的电阻决定。、的值由内部参考电压和外部电阻、、、组成的网络决定。
3） 电路设计
本电路的设计电路图如图2所示。由于充电器始终接在蓄电池上，为防止VRLA蓄电池电流倒流入充电器，在串联调整管与输出端之间串入一支二极管。在选择和器件时必须要考虑它们是否能够承受，最终分别选择了TIP142（达林顿管）和MBR1040（二极管）。同时，为了避免输入电源中断后，VRLA蓄电池通过分压电阻、、放电，使通过电源指示管（脚7）接地。

图2 UC3906充电电路
18V输入电压加入之后，、导通，开始恒流充电，充电电流为太阳能电池板输出地最大电流9.32A（满足蓄电池厂商推荐的充电率范围C/20～C/3），VRLA蓄电池电压逐渐升高。当VRLA蓄电池电压达到过充电压的95％（即14.25V）时，VRLA蓄电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流（）时，UC3906的脚10输出高电平，比较器LM339输出低电平，VRLA蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管（DXS1）发光，只是蓄电池已充足电。
由于只需要很少的外部器件就可以在很宽的范围内实现对VRLA蓄电池的精确快速充电，所以采用UC3906简化了VRLA蓄电池充电器的设计过程。
2.1.3 5V电源电路设计
12V蓄电池电源分别为LED和工作电压为5V的芯片供电。其中，5V电源是由12V电源通过LM7805稳压芯片得到。采用LM7805系列三端稳压IC组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。由蓄电池12V电源得到5V电源的电路如图3所示。

图3 5V电源电路
LM7805最大输出电流为1.5A，能够满足单片机及外围电路各芯片功率的需求。在使用LM7805稳压芯片时，要注意输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4～5。、和、分别为输入端和输出端滤波电容，使稳压器输出比较纯净的5V电压。图中阻值为零，用来减小模拟地对数字地的干扰。
2.2 LED驱动电路设计
2.2.1 LED驱动方式选择
LED的驱动方式可以分为两大类：恒流式和稳压式。由于LED的电流和电压的关系与环境温度及生产工艺有关，所以LED工作在电压模式下易导致LED失控。因此，驱动LED的最佳方法是使其工作在电流模式下，即恒流驱动。恒流驱动实现的方法是通过检测串联电阻的电压作为反馈，来调节LED和电阻之间的电压，使串联电阻的电压保持在一定的范围内，保证电路的电流是恒定的，达到恒流驱动的目的。
2.2.2 LED驱动电路
1） 驱动芯片选择
系统设计是两相位控制，采用将反方向同色的这组交通信号灯串联，可以通过单片机某一端口控制。单片机控制六组交通信号灯完成交通信号灯两相位的控制。每一组组交通信号灯的电压为24V，电流为0.667A。由于蓄电池的工作电压是12V，这就需要一个升压电路将蓄电池的电压升到24V，并且能够满足0.667A的输出电流。综合考虑之后，最后选择了升压恒流驱动芯片PAM2842。
2） LED驱动芯片特性
PAM2842最大输出电压可达40V，最大输出电流可达1.75A，但总输出功率不能大于30W。LED信号灯的电流由串联的采样电阻决定，PAM2842要求其反馈电压为0.1V，串联电阻的阻值就可以根据所要求的正向电流来设定。现在每一组交通信号灯的工作电流为0.667A，那么反馈电阻为0.15欧，其损耗为0.06W，对效率的影响可以忽略。
PAM2842的工作频率可以有三种选择：500kHz、1MHz、1.6MHz。为降低其开关损耗，建议选择500kHz开关频率，此时可以把RT端接地。PAM2842具有很好的恒流特性，当输入电压从12V降至10V时，LED中电流的变化还不到3%，这样就可以保证LED的亮度基本不变。
芯片内部具有过压保护电路(OV)，只要根据的公式调整电阻参数就可以改变输出电压的最大值。如果出现一个LED开路，芯片的升压会被限制而不至于过高，保护芯片本身不至于损坏。但由于所有LED为串联，如果一颗LED开路，必然会导致所有LED不亮。但是，假如有一颗LED短路，这时候，由于有恒流环控制，所以芯片会自动降低其输出电压，而保持流过LED的电流不变，因此不影响其它LED的工作。
此外，PAM2842是目前同类内置大功率MOSFET恒流驱动芯片中，输出功率最大的。

图4 PAM2842驱动电路
3） PAM2842驱动芯片的工作原理
PAM2842驱动LED的电路图如图4所示。其中，二极管必须采用低压降、大电流的肖特基二极管，以减小功耗，在这里选择IN5400；电感需要采用高饱和电流、低DCR（等效电阻）的电感，在这里选择33uH/3A的电感。我们设置输出电压的最大值为30V，取，那么。
当使能管脚EN为低电平时，芯片停止工作。当使能管脚EN为高电平时，芯片被激活，进入工作状态。当检测到RR11两端的电压小于0.1V时，也就意味着电路中的电流小于0.667A，电阻和LED两端的电压小于24V，PAM2842接收到这一反馈之后，通过增大PAM2842内置大功率MOSFET的占空比增加电感LR11的能量，由电感LR11和电容CR16共同完成升压。当检测到RR11两端的电压大于0.1V时，PAM2842接收到这一反馈之后，通过减小PAM2842内置大功率MOSFET的占空比来减小电感LR11的能量，由电感LR11和电容CR16共同完成降压。通过检测RR11两端的电压作为反馈，调整PAM2842内置大功率MOSFET的占空比来改变电感LR11的能量，进而调整电容CR16两端的电压，从而达到了LED信号的恒流控制。
2.2.3 光耦隔离电路
为了减小单片机与PAM2842之间的干扰，在单片机接口与PAM2842之间用光耦进行隔离，这里光耦选择型号为4N25。其电路为图5。

图5 光耦隔离电路
当RED1被单片机的I/O口置为高电平时，发光二极管导通，接收管接收到发光管发出的光线随即导通，导通之后，RED_1输出高电平，使得PAM2842的使能端有效，LED交通灯发光；当RED1为低电平时，发光二极管截止，接收管截止，RED_1输出低电平，PAM2842的使能端无效，LED交通灯熄灭，进而完成信号灯的控制。
2.3 人机界面电路
1） 人机界面概述
本系统的人机界面电路包括按键电路和液晶显示电路。按键电路采用4*4矩阵键盘电路组成，STC89C52利用查询的方法对按键状态进行判定。矩阵键盘又称为行列式键盘，它是由4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这种行列式键盘能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用效率。4*4个按键分配如下：0～9每一个数字对应一个按键，共十个按键；上下左右各一个；“确定”、“取消”各一个。
液晶显示电路采用的带有中文字库的液晶显示屏LCD12864。对交通信号灯控制参数进行设置时，单片机STC89C52通过查询按键的输入信号，经过处理后在LCD12864上显示出来，供设置人员更好的进行校对及修改等操作，从而建立了良好的人机交互环境。在系统进入工作状态时，单片机STC89C52将交通信号灯的运行状态显示在LCD12864。人机界面电路如图6所示。

图6 人机界面电路
2） 人机界面工作原理
4*4按键引脚Port0～Port7分别于STC89C52的P1.0～P1.7相连。4*4按键的处理过程如下：先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。经两次结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。通过获得的编码值来确定按键。
电路图中只画出LCD12864的引脚连接图，具体管脚连接见附表，管脚连接图见附图。带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。单片机STC89C52与LCD12864之间的数据通信具体见《LCD12864使用说明》。
2.4 时钟电路
由于现在交通流大多存在时段分布不均的现象，需要对交通信号控制参数进行分段设置，这就需要用到时钟。本设计用到的时钟芯片是美国DALLAS公司推出的一种高性能低功耗的实时时钟芯片DS1302。该芯片附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与单片机进行同步通信，并可采用突发方式一次传输多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于30天时可以自动调整，并具有闰年补偿功能。工作电压宽大，在2.5～5.5V范围内。采用双电源供电（主电源和备用电源）。时钟电路的设计要求就是能够提供给STC89C52准确的时间参数以及接收并采用基准时钟的时钟参数。其工作电路如图7。

图7 DS1302工作电路
其中，VCC为5V电源，而VCC2为利用3V纽扣电池做成的备用电源。DS1302的双电源工作模式如下：DS1302是由VCC1和VCC2两者中较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电；当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。当图1中开关闭合时，由于接在VCC2上的3V纽扣电池电压为小于蓄电池经LM7805得到5V电压，此时DS1302由5V供电；当图1中的开关断开时，VCC1端没有电压，此时DS1302由3V的纽扣电池供电。通过以上的方式就能够实现DS1302数据保存的功能。
2.5 单片机最小系统电路
单片机最小系统是整个系统最核心的部分。本系统采用的控制芯片是高可靠、低功耗、性价比高的单片机STC89C52。单片机最小系统有STC89C52芯片、复位电路及外围晶振。本设计中将STC89C52的外部晶振频率设置在11.0592MHz。管教分配图见附表1。其电路如图8。

图8 单片机最小系统
第三章 软件程序设计
3.1 软件系统框图

软件系统框图可以看出本设计的软件系统主要由初始化、人机交互及信号灯控制三大模块构成。其中，初始化的内容包括定时器初始化、LCD12864初始化、单片机各I/O口初始化以及DS1302的初始化等。人机交互主要有权限验证、参数设置两部分内容。信号灯控制主要包括LED信号灯时段配时、LED信号灯时段控制。
3.2 人机界面权限验证及参数设定框图

权限验证及更改密码模式中，在没有掉电的情况下，事先将密码设置在程序存储空间内，通过权限验证之后，能够设置新的密码。掉电之后，修改的密码不能够被存储，密码恢复成原程序事先设置的密码。
时间参数的设置主要有时间段的设置和相位控制的时间设置。考虑到STC89C52的RAM的存储空间，其设置时间段最多可设置成10段。
3.3 各时间段信号控制程序框图

根据从DS1302读取的时间信息，经过STC89C52处理之后，按照相应时段相位配时，对LED交通信号灯进行控制。
注明：
第一状态 南北方向红灯 东西方向绿灯
第二状态 南北方向红灯 东西方向黄灯
第三状态 南北方向绿灯 东西方向红灯
第四状态 南北方向黄灯 东西方向红灯
第四章 后续工作
在完成系统已设计的功能外，在后续的工作中还可以继续完成以下功能：
（1） 停电保持：设定好的数据停电后，不会丢失。
（2） 具有亮度调整功能：根据环境亮度自动调整信号灯的亮度，从而减小功耗，延长蓄电池供电时间。
（3） 系统具有无线或有线的通信实现在线设置功能。在设置过程中信号机可正常运行，路口不会出现混乱情况。
（4） 系统具有故障自检测功能。

元器件明细表
1 实际应用元器件明细表及费用（见附表《器件清单》）
2 实验元器件明细表及费用（建议）（见附表《器件清单》）

附图
总电路图见附图《原理图》
附表
STC89C52管脚分配表
管脚号及说明
链接外围电路
管脚号及说明
链接外围电路
1(P1.0)
第一行按键控制口
40(VCC)
5V
2(P1.1)
第二行按键控制口
39(P0.0)
南北红灯控制口
3(P1.2)
第三行按键控制口
38(P0.1)
南北黄灯控制口
4(P1.3)
第四行按键控制口
37(P0.2)
南北绿灯控制口
5(P1.4)
第一列按键控制口
36(P0.3)
东西红灯控制口
6(P1.5)
第二列按键控制口
35(P0.4)
东西黄灯控制口
7(P1.6)
第三列按键控制口
34(P0.5)
东西绿灯控制口
8(P1.7)
第四列按键控制口
33(P0.6)
空
9(RESET)
空
32(P0.7)
空
10(P3.0/RXD)
空
31(EA)
空
11(P3.1/TXD)
空
30(ALE)
空
12(P3.2/INT0)
LCD12864的RS脚
29(PSEN)
空
13(P3.3/INT1)
LCD12864的RW脚
28(P2.7)
LCD12864的数据口D7
14(P3.4/T0)
LCD12864的E脚
27(P2.6)
LCD12864的数据口D6
15(P3.5/T1)
DS1302的SCLK脚
26(P2.5)
LCD12864的数据口D5
16(P3.6/WR)
DS1302的I/O脚
25(P2.4)
LCD12864的数据口D4
17(P3.7/RD)
DS1302的RST脚
24(P2.3)
LCD12864的数据口D3
18(XTAL0)
晶振1脚
23(P2.2)
LCD12864的数据口D2
19(XTAL1)
晶振2脚
22(P2.1)
LCD12864的数据口D1
20(GND)
GND
21(P2.0)
LCD12864的数据口D0
注明：“空”为不外连接的端口。
参考文献
[1] 周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例.[M].北京电子工业出版社，2010.
周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例.[M].北京电子工业出版社，2010.
[2] 太阳能产业联盟网.