基于51单片机的太阳能风能互补路灯控制系统设计

韩钦 商永尚

摘 要：随着工业的发展，对一次能源的消耗越来越多，因为一次能源的有限性，所以我们急需寻找新型能源代替一次能源。而太阳能和风能相对于一次能源来说是取之不尽、用之不竭的绿色能源。在这样的情况下，设计出了一种基于51单片机的太阳能风能互补路灯控制器。

关键词：单片机；太阳能风能互补；路灯

太阳能光伏发电系统的研究对于缓解能源危机减少环境污染和温室效应具有重要的意义。在实际的生产和应用中，它是以太阳能作为电能供给，把白天储蓄的电能用来提供夜间道路照明。因为不需要消耗电网电能、不需要架设输电线路或挖 沟铺设电缆，不污染环境、安全可靠，因而在公共照明及亮化装饰领域有着广泛的应用[1]。

风能是一种无污染、可再生的绿色能源，并且风能设施日趋进步，大量生产可降低成本，在适当的地点，锋利的发电成本已低于其发电机的成本。风能设施多为立体化设施，可保护陆地和生态。

1.总体方案设计

本设计由单片机电路、电源电路、风机发电电路、太阳能电池板电路、锂电池充电保护电路、升压电路、稳压电路、光敏电阻电路、等设计而成。

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、路灯控制分为自动模式和手动模式，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，手动模式下可以自由的开灯或者关灯。系统具体框图如图1所示。

2.硬件电路设计

2.1主控制器电路设计

主控制器选用的单片机型号为 STC89C52。STC89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程 Flash 存储器。该单片机功耗低、接口丰富，成本低廉等优点，适合作为路灯的主控制器。

2.2二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。，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。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。

2.3GMDZ光敏电阻传感器模块电路设计

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[2]。

2.4太阳能发电路设计

太阳能电池板是通过吸收太阳光，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。

本设计中选择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。

2.5 风能发电路设计

风力发电机的工作原理是风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电[3]。

本设计选择5V微型风力发电机模块作为发电元件，风机发电后经过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，所以使用升压模块将3.7V的电压升到5V来达到设备供电要求。

2.6 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，TP4056 可以适合USB电源和适配器电源工作。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。

2.7 USB-5V升压模块电路设计

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。

3.软件设计

本设计在Keil环境中采用C语言设计开发了太阳能风能风光互补的路灯控制程序。C语言与汇编语言相比，在功能上、结构性、可读性和可维护性等方面均具有明显的优势，因而易学易用[4]。

本系统设计主要采用Keil uVision4软件编写与调试程序，程序语言采取易读性和移植性更高的C语言编写。系统运行流程图如图2所示。

图2 系统运行流程图

结束语 本文根据太阳能风能互补路灯控制器的设计要求，制定了详细的设计方案，并按照此方案逐步完成了系统总体方案设计、硬件电路设计和软件程序设计。整个系统的核心为 STC89C52单片机，外围电路包括电源电路、单片机电路、电源电路、风机发电电路、太阳能电池板电路、升压电路、稳压电路、光敏电阻电路等模块电路。这些模块电路在51单片机的控制下，实现了太阳能、风能发电供给路灯使用。

参考文献：

[1]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京： 化学工业出版社，2009.

[2]王彦华，刘希璐.光敏电阻器原理及检测方法[M].河南：商丘職业技术学院，2012.

[3]邢运民，陶永红.《现代能源与发电技术》[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[4]谭浩强.C程序设计（第四版）[M]. 北京：清华大学出版社，2012.