1、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、
2、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 恒流驱动毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名
3、： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均
4、已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录第一章 系统 概述 .3第二章 单元电路设计与分析 .42.1 电源电路 .42.1.1 太阳能电池板及蓄电池的选型及参数计算 .
5、42.1.2 VRLA 蓄电池充电电路设计 .62.1.3 5V 电源电路设计 .92.2 LED 驱动电路设计 .102.2.1 LED 驱动方式选择 .102.2.2 LED 驱动电路 .102.2.3 光耦隔离电路 .132.3 人机界面电路 .132.4 时钟电路 .152.5 单片机最小系统电路 .16第三章 软件程序设计 .173.1 软件系统框图 .173.2 人机界面权限验证及参数设定框图 .183.3 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、
6、 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
7、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
8、：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
9、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
10、LED 交通信号灯的功率为 ，工作电压为 。正常情况Wp8Vv12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WP32。假设该系统每天工作的时间为 。经查表可得，西安的太阳能V4 hT12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hT6.32 dT3天之间的间隔时间为 。太阳能电池组件的工作电压是 。d04 V18负载日耗电量 为：Q)(612*)4/3(1*)/( AhVWTVP满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流 为：I)(8431.7)(9.0/85./069./850/.1
11、*2QI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。蓄电池容量 为：C )(5714.0.*7/)13(*6.1750/)(*3 AhTQ式中，0.75 为蓄电池放电深度；1.1 为蓄电池安全系数。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：2I)(0476.1)(2/6.3750*14./75.0*422 ATCI 式中，0.75 为蓄电池放电深度。太阳能电池组件的功率 为：sP)(036.1)(8*0476.183.(*)(121 WVIPs 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，1
12、20（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
13、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
14、。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
15、，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maxI压 时，电池的电量已经恢复到额定容量的 7090，充电器转入过充电状12V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ocV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tI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。F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ocVF、最大充电电流 、过充电终止电流 。它们与 、 、 、12VmaxIctI1RX23、
16、之间的关系可以从下面的公式反映出来：4RXS过充电压 VRXVrefoc 5)42321(*浮充电压 rfF .)过冲转换电压 VOC25.19.012最大充电电流 )(391max 电 流太 阳 能 电 池 板 最 大 输 出ARXSI过充电终止电流 oct.、 和 成正比。 为 2.3V，温度系数是-3.9mV/。 、 、 、ocVFrefrefVmaxIoctV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F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/20C/3。 的选择尽可能的使 VRLA 蓄电池接近 100%充电。合适octI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ocVc maxIoct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RXSVF
