基于51单片机的太阳能风能风光互补发电系统路灯控制器方案原理图设计

硬件电路的设计

（下方附文件）
系统的功能分析及体系结构设计
3.1.1系统功能分析
本设计由STC89C52单片机电路+太阳能电池板电路+风机发电电路+锂电池充电保护电路+升压电路+稳压电路+光敏电阻电路+4位高亮LED灯电路+2档拨动开关电路+电源电路设计而成。
1、采用风机和太阳能电池板给锂电池充电，具有充电保护电路和稳压电路。
2、锂电池升压到5V给单片机和附属电路供电。
3、路灯用4个高亮LED灯模拟。
4、路灯控制分为手动模式和自动模式，手动模式下可以自由的开灯或者关灯，自动模式下通过光敏电阻根据光照强度自动控制灯的开和关。
3.1.2系统总体结构
本系统具体框图如下图所示：

原理图：

模块电路的设计
高亮LED灯照明电路（低电平有效）设计
超高亮LED是比一般LED发光二极管的亮度高近百倍的新型LED，其外壳是无色透明树脂封装，其发光体本身就能发出某一波长的光，从而呈现出某一种颜色。在本设计中，选择白色高亮LED灯作为照明灯使用。
一、白色高亮LED灯的优点。
（1）寿命长，可靠耐用，维护费用极为低廉，可连续使用105h，比普通白炽灯泡长100倍；
（2）高效率，其发光效率可达80%～90%，LED比节能灯还要节能1/4；
（3）点亮速度快。
在本设计中， LED灯均为高亮LED灯，通过三极管驱动LED灯的亮灭，电阻为限流电阻，保护三极管。当单片机的控制引脚为低电平时，三极管导通，此时，高亮LED灯亮。否则，高亮LED灯不亮。 高亮LED灯照明电路原理图如下图所示。

GMDZ光敏电阻传感器模块电路设计
本系统选择光敏电阻传感器模块对光照进行检测，该模块可以实现对周围环境的亮度和光强进行检测。
光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ。光敏电阻的特殊性能，随着科技的发展将得到极其广泛应用。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。
一、传感器参数
（1）采用灵敏型光敏电阻传感器，可以检测周围环境的亮度和光强
（2）灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）
（3）工作电压3.3V-5V。
（4）输出形式：DO数字开关量输出（0和1）和AO模拟电压输出。
（5）电源指示灯和数字开关量输出指示灯。
（6）比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。比较器采用LM393芯片，工作稳定。
二、接口说明
（1）VCC 外接3.3V-5V
（2）GND 外接GND
（3）DO 小板数字量输出接口（0和1）
（4）AO 小板模拟量输出接口
三、使用说明
（1）光敏电阻模块对环境光强最敏感，一般用来检测周围环境的亮度和光强。
（2）模块在无光条件或者光强达不到设定阈值时，DO口输出高电平，当外界环境光强超过设定阈值时，模块D0输出低电平；
（3）小板数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光强改变；
（4）小板数字量输出DO可以直接驱动本店继电器模块，由此可以组成一个光电开关；
（5）小板模拟量输出AO可以和AD模块相连，通过AD转换，可以获得环境光强更精准的数值；
光敏电阻传感器模块内部电路图如下图所示，其中R1电阻为分压电阻，将光敏电阻传感器检测到的光照信息转化为模拟电压信号即AO，模拟量信号接入LM393比较器后，即可与LM393比较器芯片2号引脚所接的电位器分压后的模拟电压进行比较，进而得出DO数字信号（即高低电平信号）。C1、C2为滤波电容，C1电容对电源进行滤波，让电源输出更稳定。C2电容对模拟信号进行滤波，保证模拟信号输出的稳定性。R2、R3均为限流电阻，来保护LED灯，防止LED灯烧坏，LED灯均为低电平有效。R4为上拉电阻，上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，同时起限流作用。保证LM393比较器输出的高低电平信号在与单片机引脚连接时电平信号的读取更加稳定。

二挡拨动开关检测电路设计
拨动开关是通过拨动开关柄使电路接通或断开，从而达到切换电路的目的的。拨动开关常用的品种有单极双位、单极三位、双极双位以及双极三位等，它一般用于低压电路，具有滑块动作灵活、性能稳定可靠的特点，拨动开关主要广泛用于:各种仪器/仪表设备，各种电动玩具，传真机，音响设备，医疗设备，美容设备，等其它电子产品领域。
简单的说，拨动开关就是通过拨动其执行机构（开关柄），来接通或断开电路。
通过拨动开关实现对信号的切换，电阻为上拉电阻。当二档拨动开关拨下去时，单片机控制引脚为低电平。当二档拨动开关拨上去时，单片机控制引脚为高电平。进而实现对信号的完美切换。其电路图如下图所示。

太阳能发电路设计
太阳能电池板（Solar panel）是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，但因制作成本较大，以至于它普遍地使用还有一定的局限。
相对于普通电池和可循环充电电池来说，太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。
一、太阳能电池板结构组成
1） 钢化玻璃，其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的， 1.透光率必须高（一般91%以上）；2.超白钢化处理。
2） EVA用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。
3）电池片主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片,设备成本相对较低，但消耗及电池片成本很高，但光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜；薄膜太阳能电池，相对设备成本较高，但消耗和电池成本 很低，但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，但弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，如计算器上的太阳能电池。
5） 背板 作用：密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，大部分组件厂家都质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。）
6）铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用。
7） 接线盒 保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统。接线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。
8） 硅胶 密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处。有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶，工艺简单，方便，易操作，而且成本很低。
当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90%以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料
单晶硅
单晶硅太阳能电池的光电转换效率为18%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命可达25年。
多晶硅
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约16%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。
本系统中选择9V多晶硅太阳能电池板作为发电元件，太阳能发电后经过L7805CV芯片稳压后，将发电后的电压稳在5V，然后，在经过TP4056模块给锂电池进行充放电，同时因为锂电池的电压为3.7V-4.2V，而本设计的单片机等电路均为5V供电，所以用升压模块将3.7V的电压升到5V来给设备供电。本系统选择的太阳能电池板为多晶硅9V220ma，玻璃层压太阳能电池板 9V2W。工作时间：有充足的阳光的照耀就可以正常使用，非存电产品，电量即发即用。使用寿命：正常情况下，一般可以使用20-25年。实物图如下图所示，电容为滤波作用，滤除电路中的低频参量，让电源输出更加稳定。


TP4056锂电池充电模块电路设计
TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其底部带有散热片的 SOP8/MSOP8 封装与较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的理想选择。TP4056 可以适合USB电源和适配器电源工作。由于采用了内部 PMOSFET 架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于 4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值 1/10 时，TP4056 将自动终止充电循环。当输入电压（交流适配器或 USB 电源）被拿掉时，TP4056 自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至 2uA 以下。TP4056 在有电源时也可置于停机模式，以而将供电电流降至 55uA。TP4056 的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的 LED 状态引脚。
本模块外围电路简单，保护性能好，充电精度高。
一、TP4056芯片特点
（1）高达 1000mA 的可编程充电电流
（2）无需 MOSFET、检测电阻器或隔离二极管
（3）用于单节锂离子电池、采用 SOP 封装的完整
（4）恒定电流/恒定电压操作，并具有可在无过热
（5）危险的情况下实现充电速率最大化的热调节
二、TP4056芯片功能
（1）精度达到±1%的 4.2V 预设充电电压
（2）用于电池电量检测的充电电流监控器输出
（3）自动再充电
（4）充电状态双输出、无电池和故障状态显示
（5）C/10 充电终止
（6）待机模式下的供电电流为 55uA
（7）2.9V涓流充电器件版本
（8）软启动限制了浪涌电流
（9）电池温度监测功能
（9）采用 8 引脚 SOP-PP/MSP-PP 封装。
三、TP4056芯片绝对最大额定值
（1）输入电源电压（VCC） ：-0.3V～8V
（2）PROG：-0.3V～VCC+0.3V
（3）BAT：-0.3V～7V
（4）TEMP：-0.3V～10V
（5）CE：-0.3V～10V
（6）BAT 短路持续时间：连续
（7）BAT 引脚电流：1200mA
（8）PROG 引脚电流：1200uA
（9）最大结温：145℃
（10）工作环境温度范围：-40℃～85℃
（11）贮存温度范围：-65℃～125℃
（12）引脚温度（焊接时间 10 秒） ：260℃
四、本模块特点：
（1）板载TP4056锂电充电管理芯片。
（2）板载MINI USB头，可以直接链接电脑USB口充电。
（3）本充电板也可以通过(IN+与IN-)排针供电。
（4）预留TEMP排针接口，可以作为锂电池温度检测用。
（5）输入电压：4V-8V ，输出最大充电电流：1000mA。
（6）充电时红灯亮，充电完成蓝灯亮。
五、接口说明
（1）IN+ 输入正极
（2）IN- 输入负极
（3）BAT+ 锂电池正极
（4）BAT- 锂电池负极
（5）MINI USB头 输入口
三、使用说明
（1）本模块可用于单节锂电池或多节锂电池并联充电。
（2）充电时，红灯亮。充满点后，蓝灯亮。
（3）测试电流的电流表只能传戒在充电板的输入端。
（4）充电线不能过细过长，这样的话，连接电阻大，导致锂电池充满点后电池电压掉的就多。
（5）如果输入电压超过5V，会造成充电电流不超过1000mA，这是正常的，因为电压越高，芯片发热会越大，芯片会自动减小充电电流，不至于烧坏芯片，芯片在工作中60℃左右的发热是正常的，毕竟充电电流很大。
（6）模块输出端（即锂电池接口端）不可以反接，否则，模块会瞬间烧坏。
TP4056锂电池充电模块接口原理图如下图所示，锂电池并联的电容是滤波左右，保证锂电池充电电压的稳定平稳输出。

USB-5V升压模块电路设计
本USB-5V升压模块为DC-DC升压模块(0.9V~5V)升5V 600MA模块，本设计选择DC-DC升压模块实现3.7V锂电池的升压到5V的电压转换。
一、模块参数
（1）本模块采用高性能进口芯片，性能优于一般的模块。
（2）输入0.9V～5V任意直流电压，均可稳定输出5V直流电压，用单节AA电池供电即可输出高达200~300MA的电流，两单节AA电池供电即可输出500～600MA的电流，可为您的手机、相机、单片机及数码产品供电。
（3）工业级温度范围：-40℃—+85℃。
（4）转换效率高，最高达96%。
（5）带USB母座，用途广泛。
（6）超小体积（PCB板25mm*18mm），用安装于各种小型设备里。
（7）带工作指示灯。
二、接口说明
（1）IN+ 输入正极
（2）IN- 输入负极
（3）USB母口 输出5VDC

系统软件设计

程序流程图

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