發(fā)布時間：2018/7/9 15:46:15 來源：本站
太陽能是干凈、無污染且隨處可得的能源，而且取之不盡、用之不竭。在化石能源日漸短缺的今日，選擇太陽能作為替代能源是解決能源危機的有效途徑之一。目前國內(nèi)大部分城市的道路照明管理系統(tǒng)至今仍在沿用簡單的光控、鐘控等傳統(tǒng)控制方式。這些系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈運行狀態(tài)信息、難以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等局限，基本沒有節(jié)電效果，并且采用傳統(tǒng)的人工巡檢，不僅使路燈管理部門的任務(wù)繁重，也增加了運行維護(hù)的費用。本文運用光能轉(zhuǎn)換成電能這一節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展理念，設(shè)計了一個可遠(yuǎn)程控制的太陽能路燈系統(tǒng)。
本系統(tǒng)由單片機控制中心、GSM模塊、太陽能電池板及充電管理模塊和鋰電池等模塊構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理框圖
系統(tǒng)采用STC12C5A16S2單片機作為主控芯片，當(dāng)光敏電阻檢測到光線亮度小于設(shè)定的值時，打開LED燈，通過單片機內(nèi)置AD模塊采集鋰電池電壓數(shù)據(jù)，如果鋰電池電壓小于2.8v（當(dāng)鋰電池電壓小于2.7V，則處于過放狀態(tài)，會損害電池，減少電池使用壽命），單片機就會控制GSM模塊給工作人員發(fā)送短信，工作人員可以回復(fù)該短信實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，切換路燈電源供應(yīng)方式，以提高路燈持續(xù)工作能力及節(jié)電節(jié)能。
STC12C5A16S2是一款新型的單片機，由中央處理器（CPU）、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看門狗及片內(nèi)振蕩等模塊組成［3］。利用單片機的內(nèi)置AD采集鋰電池電壓數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱CP1.0口，通過單片機內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換計算。如果鋰電池電壓小于2.8v，單片機則會控制GSM模塊給工作人員發(fā)送短信，工作人員收到短信后可以回復(fù)短信實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，切換路燈電源供應(yīng)方式。系統(tǒng)的總電路如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計原理框圖
2.1 GSM模塊設(shè)計
系統(tǒng)中的無線通訊GSM模塊采用SIM 900A，sim900A是一個專門為中國大陸和印度設(shè)計的2個頻端的GSM模塊，它的工作頻段是EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。GSM模塊是一個電子集成器件，它包含各種部件如：GSM射頻、基帶頻率處理芯片、功率放大器件、存儲器等，所有不同功能的器件集成在一塊電路板上。這個模塊自帶GSM射頻處理、單獨的操作系統(tǒng)、基帶處理而且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議等功能模塊。模塊能夠?qū)崿F(xiàn)打電話、發(fā)短信和上網(wǎng)等功能。文獻(xiàn)［4］中詳細(xì)介紹了單片機與SIM 900A的通信方法，與單片機采用串口通訊，波特率為9600MHz，定時器1定時寄存器TH1=TL1=0xFD，使用AT指令來完成單片機與GSM模塊之間的字符傳輸。GSM模塊采用的是TTL電平，GSM模塊的電源端口接5V電壓，VCC_MCU端口接5V電壓（高電平的基準(zhǔn)電壓），模塊的RXD接單片機的TXD，GSM模塊的TXD接單片機的RXD，模塊GND接單片機的GND。
2.2 太陽能電池板及充電管理設(shè)計
本系統(tǒng)的電源來自于太陽電池板，把照射到太陽能電池板上的太陽光，利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換成直流電能輸出。由于本系統(tǒng)限定的電流值為1A，充電管理模塊的電壓為3.5V-35V，而采用的太陽能電池板功率過高，輸出電流最大值為2.5A，輸出電壓最大值為22V。所以要將太陽能電池板遮住兩格以減少輸出電流，并把太陽能電池板的輸出經(jīng)降壓模塊降至7V后，再輸入到充電管理模塊，由充電管理模塊對鋰電池進(jìn)行充電管理，防止過沖。最后通過升壓模塊把鋰電池輸出的電壓提高到直流5V。
2.3 充電管理模塊設(shè)計
充電管理模塊的設(shè)計采用TP4056芯片，芯片會根據(jù)電池電壓自動調(diào)節(jié)，依照電池電壓的大小來選擇采用恒定電流還是恒定電壓進(jìn)行充電。TP4056充電芯片內(nèi)部基于PMOSFET架構(gòu)和防倒充電路，因此外圍不再設(shè)計隔離二極管電路，從而使得充電電路簡單可靠。芯片通過對一個調(diào)節(jié)電阻進(jìn)行設(shè)置來控制充電電流大小，而充電電壓最高為4.2V則最高為4.2V。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時，TP4056將自動終止充電循環(huán)。當(dāng)斷掉輸入電壓時，TP4056充電芯片會自動進(jìn)入低功耗模式，使得鋰電池漏電流被降至3μA。TP4056充電芯片還包括欠壓閉鎖及電池的溫度檢測等功能［5］。它是針對單節(jié)鋰電池充電管理的芯片，在硬件設(shè)計中，在充電輸出端口增加二極管，是防止電池電流倒流。模塊充電電壓恒定于4.2V，而充電電流通過外部電位器進(jìn)行設(shè)置。
前文中詳細(xì)闡述了基于GSM太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件電路各個組成模塊的功能和工作原理，而接下來就是這個系統(tǒng)的核心部分，即軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計。軟件系統(tǒng)是這個控制系統(tǒng)的靈魂，其設(shè)計有極大的靈活性，在硬件結(jié)構(gòu)一定的情況下，系統(tǒng)的智能性幾乎完全靠軟件來實現(xiàn)。對于設(shè)計者而言，軟件系統(tǒng)的設(shè)計重在把設(shè)計者的嚴(yán)密思路轉(zhuǎn)換成電路及芯片之間能夠流通和交流的信號和“語言”。
在此次設(shè)計中，軟件結(jié)構(gòu)仿效硬件電路的設(shè)計理念，采用模塊化設(shè)計，各個功能程序分別編寫并調(diào)試，在各模塊調(diào)試成功后，再將所有模塊連接整合，構(gòu)成總系統(tǒng)的軟件。這樣，不僅有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于編程、調(diào)試、維護(hù)和協(xié)作。設(shè)計單片機軟件主程序流程圖如圖3所示。
本文詳細(xì)介紹了基于GSM的太陽能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計方案與軟硬件實現(xiàn)過程。對單片機控制、GSM模塊、光敏電阻模塊和太陽能電池組件等各個部分的功能、實現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)能夠可靠地對城市路燈進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集、自動判斷、自動報警，能夠?qū)︿囯姵剡M(jìn)行有效的充電管理，同時能夠便捷地接收遠(yuǎn)程命令控制繼電器切換路燈工作電源，達(dá)到節(jié)能要求，其具有體積小，工作可靠，控制便捷等優(yōu)點。該方案對于太陽能利用以及遠(yuǎn)程路燈控制有很大幫助，應(yīng)用前景廣闊。
圖3 單片機主程序流程圖
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