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基于MSP430F5529单片机的太阳能路灯控制器的设计报告.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.60M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    《嵌入式系统设计基础》考核题目 太阳能路灯控制器的设计 姓名： 学号: 承诺：本设计报告由本人独立思考完成! 1
    签字： 时 间 ： 2014/3/12 一． 课题的意义与应用 1. 课题所要解决的问题；2. 课题达到的目标；3.课题的应用领域 总分：10 得分： 1、课题所要解决的问题： 现如今，人们面临着实现经济和能源可持续发展的重大挑战，能源问题尤为严重，人们 使用的很多一次性化石能源不能重复利用，导致能源不断减少，而且造成的污染也很严重。 能源是人类生存必不可少的，因此现在对新能源的发掘，也成为了时代的主旋律。 而太阳能是一种新型的绿色能源，是新能源当中最理想的可再生能源，因此本课题设计 了一个智能的太阳能路灯控制系统。它利用太阳能在白天对蓄电池进行充电，晚上利用蓄电 池驱动 LED 灯照明。 这个系统在解决正常路灯照明的问题之外， 利用了绿色的能源太阳能，不需要铺设复 杂的线路，自主供电性能优良，而且安全节能，减少化石能源的消耗，并且无污染。工作稳 定可靠、实用性强。照明采用 LED 灯，LED 显色性好，所发出的光更接近自然光，让人感觉 到相同亮度所需要的实际光强较小，直接采用直流供电，无闪频，而且 LED 的寿命更长，可 以使用更长的时间。解决了普通照明灯显色性不好，危害更大，给人的舒适感低以及寿命较 短这些问题，是在照明灯方面的一个优化。 2、课题达到的目标： 课题要设计一款基于 MSP430F5529 单片机的智能太阳能路灯控制系统，并用无线模块 zigbee 做无线通信，以电脑作为主机远程控制太阳能路灯的状态，要能够达到以下设计指 标： a.充电模块功能： 1) 具有过充自动关断、恢复功能。 2) 具有指示功能：太阳能电池组件的充电指示功能、蓄电池电压状态指示功能。 3) 多模式充电功能：采用了多种充电模式，充分利用了太阳能电池组件，并且保证蓄 电池工作在最佳状态，延长了电池的寿命。 4) 显示功能：用 LCD 屏显示各种工作模式，方便用户的检测和维护，使用户在使用的 时候尽可能的操作方便、可靠、安全。 b.放电模块功能： 1) 具有过放自动关断、恢复功能，负载过流保护和短路保护的功能。 2) 指示功能：负载工作状态功能指示和故障指示功能。 4) 恒流驱动功能。 2
    c、具有光控和时控功能，光强低于一定限度时，灯自动点亮，早上光强大时，路灯自 动关闭。在晚上五点时双边路灯打开，晚上 24 点时关闭一边路灯，早上六点时关闭所有路 灯。在时控的基础上受到光控，且时控时间是可调的。 d、连续阴雨天三天以内，路灯依旧能正常使用。 e、系统断电时能够保存用户设置的参数。 f、无线模块要能够完成上位机（PC 机）和路灯控制器的一对多的无线通信，距离保证 在 200 米以上，要使得 PC 机能通过无线方式设置控制器参数，改变时控参数等，并且路灯 控制器能适当发回相应信息反馈路灯控制系统的状态。 3、课题的应用领域： 太阳能路灯控制器可以在需要路灯照明的场所使用，可以代替普通的路灯，从而达到 更加方便、节能、环保的要求，具体可以在以下一些地方使用： (1)安装在公园、小区等小路两旁当路灯使用。 (2)安装在交通路段、港口等作为指示灯，保证交通航海的安全有序。 (3)安装在繁华闹区或旅游景区作为装饰照明，营造气氛。 (4)应用于果园，种植园，草坪等场所，既可以照明又可以杀虫。 二． 课题需求分析 1.输入信号类型及特征；2. 输出信号类型及特征； 3.非功能指标 1、 输入信号的类型及特征 （1）、上位机（PC 机）通过 zigbee 无线模块向太阳能路灯控制器传输的参数设置无线信号。 总分：10 得分： Zigbee 可以实现一对多的通信，可以用一台 PC 机控制 30 个小型太阳能路灯系统。通过对 PC 机上图形用户界面的操作可以方便的设置路灯的开关时间，电池使用的充电方式等。这 种输入信号进行设置的方式十分方便，效率也比较高，但是可能会受到一定程度的干扰，可 能稳定性欠佳。 （2）、控制器本身的按键信号（数字信号）。通过 3 个按键可以对系统的时间进行校准，可 以设置路灯打开和关闭的时间点。其中 1 个作为功能选择，另外 2 个作为时间设定。这种信 号十分可靠，也可以方便的看到信号的反馈，稳定性高，但是可能不太方便，进行设置时会 有一定难度，因此可以和（1）中的输入信号结合使用。 （3）太阳光的光照强度和照射的方向（模拟信号），一方面此输入信号可以控制路灯的开关 （光控），同时光照也是系统能量的来源，太阳光照射的方向决定太阳能电池板的方向（保 证尽可能对着太阳，吸收更多的太阳能）。这种输入信号是系统绿色的能源，也对系统工作 状态作指导，是系统工作的关键。 2、 输出信号的类型及特征 （1）、LED 指示灯。用 3 个小的 LED 灯作为电池三阶段充电的指示，1 个 LED 指示系统是否 3
    正常放电驱动 LED 照明，1 个 LED 灯作为电量不足的指示。这种输出信号十分直观，便于用 户了解系统的工作状态。 （2）、LCD 屏幕显示输出信号。在 LCD 屏上可以显示路灯的开关时间节点，此刻的电池电 量状态，电压值，此刻的时间等系统状态信息，方便设备的检测和维护。 （3）、照明灯 LED 负载。这个输出是系统的正常工作输出，即输出直流电平控制 LED 发光， 将电池的电能转换为光能，用于照明。 （4）路灯的核心控制器（下位机）通过 zigbee 无线模块向控制 PC 机反馈的无线信号，反 馈路灯系统的电池状态及工作状态，便于用户远程监控路灯系统的状况，便于在出现故障时 及时采取相应的措施。 3、非功能指标： 针对系统的各项指标要求，列了一份需求分析表格如下： 名称 目的 输入 输出 功能 性能 太阳能路灯控制器 利用清洁能源太阳能和 LED 灯通过自主供电方式完成路灯的功能。 Zigbee 无线控制信号，3 个按键，太阳光 5 个 LED 指示灯，LED 照明灯，120×64LCD 屏，zigbee 无线反馈信号。 白天利用太阳能充电，晚上利用电能驱动 LED 照明，并受 PC 机和控制器单 片机智能控制。 正常情况下，系统可以工作 8~15 年，阴雨天电池可持续工作 3 天。系统功耗 较低，但照明效果良好 生产成本 150RMB 功耗 物 理 尺 寸 和重量 夜晚路灯开启，5W/h 控制器：7 英寸以内，1kg 太阳能电池板：0.5m×0.5m，1kg. 三． 课题设计原理及工作过程描述 1. 描述主要的设计思路；2. 设计完成后工作过程描述 1、 主要的设计思路： 总分：10 得分： （1）、在智能系统的设计中，首先重要的是核心控制器的选择。本系统要求的输入设备 （按键、zigbee 无线模块），输出设备（LED，显示屏），系统的处理速度要求不高，也不需 要丰富的外部接口，只是需要一些外围的辅助硬件电路设计，因此选择单片机作为控制器完 全满足系统对输入输出，对处理速度的要求。单片机凭其体积小、封装形式简单、易于焊接、 功能齐全、功耗较小等优点不失为最佳选择。 同时，考虑到控制器要一天工作 24 小时，而系统又是自主供电需要节能的系统，因此 我选择了 TI 生产的超低功耗，具有精简指令集的混合处理器，型号为 MSP430f5529 的单片 4
    机作为系统的核心控制芯片。 （2）、选择蓄电池和太阳能电池板 蓄电池是太阳能灯具的核心部件，它储存、并释放电能，功能等同于电能仓库。蓄电池 容量的选择一般遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件吸 收的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容 量过小不能够满足夜晚照明的需要，容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电 池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单 方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出 4 倍以上，系统才能正常工 作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压 20~30%，才能保证给蓄电池正常供电。蓄 电池容量必须比负载日耗量高 6 倍以上为宜。 蓄电池有铅酸蓄电池、Ni-Cd 蓄电池、Ni-H 蓄电池，胶体蓄电池等多种，根据上面的 原则综合考虑选择胶体蓄电池作为系统所用蓄电池。它的电池寿命长，回充能力强，适合较 长时间的放电工作。 另外还要选择合适的太阳能电池把光能转化成直流电能。 （3）、设计外围电路 为了保证系统长期正常的工作，还需要制作适当的外围硬件电路，主要包括：电流电压 检测电路、充电模块、放电模块、电压转换模块、按键、显示以及无线模块传输电路。这些 电路的辅助可以保证蓄电池不会过充过放，可以使蓄电池输出电压正常位单片机供电以及驱 动 LED 照明，按键和显示以及无线模块方便了用户对系统进行设置，对系统功能进行检测 和维修。 （4）、软件编程 在上述硬件电路的基础上，通过对单片机的编程进行智能控制，编程保护蓄电池的充放 电，防止发生过充过放的现象，方便用户通过硬件对系统进行设置，以及编程实现控制器和 PC 机进行通信，方便用户远程监测。 2.设计完成后工作过程描述： 首先通过其中的按键和显示屏配合设置工作状态，一个按键选择设置功能，首先校准 系统的时间，另外两个按键一个作为光标选择改变的位，另一个进行循环递加。从而设置好 系统的时间为标准时间，然后选择时控时开灯时间设置，预置为晚 5 点，其次再选择灭一边 灯时间设置，预设置为晚上 24 点，最后设置时控关灯时间为早上 6 点。 然后安装好太阳能智能路灯控制系统，这样系统即可以工作，白天太阳光照射时，太 阳能电池板把太阳能转换为电能储存在蓄电池中，而且电池板的方向能够按照太阳的移动而 改变，像向日葵一样尽量保持对着太阳，这样光照面积能够一直保持比较大，能够接受到更 多的太阳能转化为电能。 另外为了提高充电的效率，同时又保护电池容量和寿命，电池充电时采用了“三阶段 充电法”，当蓄电池处于欠压时，首先在第一阶段进行最大功率点跟踪（MPPT）充电，这 个阶段充电电流比较大，电池的大部分电能在这一阶段恢复。这样充进约 80%的电量后进 入第二阶段恒压充电，在第二阶段中，将补充剩余的大约 20%的电量。恒压充电结束后， 5
    充电器自动转入第三阶段，即浮充电过程。根据电池的自放电特性，浮充电速率很低，使用 PWM 脉冲充电，充电器将给电池补充电荷，这样蓄电池就可以处于充足电状态。这样对蓄 电池的利用尽可能达到最大化。 到了晚上 5 点时，天变暗了，此时系统自动利用蓄电池中充的电驱动 LED 照明，到了 夜晚 12 点，这时人比较少，自动关闭一半的灯节约能量，早上 6 点时天亮关闭所有的 LED 灯，太阳出来继续充电重复工作。 在此过程中，管理人员可以在远处 PC 机上观测工作状态，路灯系统通过无线 zigbee 模块把系统状态发送给 PC 机，管理人员可以看到电池的充电模式，电池的电量情况，LED 灯点亮的情况等等，可以监控系统工作状态，方便管理维修。 四． 课题硬件设计方法 1. 硬件设计原理框图，要标注出主要链接信号线；2. 计算使用多大 容量的 ROM,RAM FLASH 存储；3. 主要接口与传感器说明、指 标、电路解释 1、硬件设计原理框图 总分：20 得分： 从上面的设计思路可以知道需要在控制器周围设计一些外围辅助硬件电路，系统组成的硬件 框图如下所示： 电机（驱动电池板 朝向太阳转动） 电机 驱动 模块 电压 电流 检测 电路 Zigbee 无线 PC 机 太 阳 能 电 池板 充 电 控 制 电 路 MSP430F5529 放 电 控 制 电 路 负 载 驱 动 电 路 LED 灯 电 压 电 流 检测电路 按 键 显 示 屏 蓄电池 图 1 系统设计硬件框图 图中每个模块和连线都十分重要，不可缺少，信号控制流向从箭头可以看出，主要链接 信号线不再标出。 6
    2、使用多大的 ROM，RAM，FLASH 存储： MSP430F5529 单片机有程序存储器 FLASH、数据存储器 RAM 以及固化存储器 ROM， 是采用冯•诺依曼的存储结构。RAM 是用来存储和保存数据的。它在任何时候都可以读写， RAM 通常是作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质（可称作系统内存）。不过， 当电源关闭时 RAM 不能保留数据，如果需要保存数据，就必须把它们写入到一个长期的存 储器中。ROM 通常指固化存储器(一次写入，反复读取)，它的特点与 RAM 相反，RAM 在 断电以后保存在上面的数据会自动消失，而 ROM 就不会。FLASH 存储器又称闪存，它结 合了 ROM 和 RAM 的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电 丢失数据，FLASH ROM 比普通的 ROM 读写速度快，擦写方便，一般用来存储用户程序和 需要永久保存的数据。 在智能太阳能路灯控制系统中，需要用 FLASH 存储器存储程序和需要长期保存而且断 电可以保存开机即可读取的数据，如用户设定的路灯打开时间，关闭半边路灯时间，以及完 全关闭路灯时间。要使用 RAM 存储器来存储程序运行产生的数据。系统需要的存储空间很 小，MSP430F5529 单片机自身带有 2kbRAM，60kbROM 以及 128kb 的 FALSH 存储器，系 统就使用此单片机的这些存储器来完成程序数据存储功能。 3、主要接口与传感器说明、指标、电路解释 （1）、光强传感器 TSL256x 由于系统要能够实现光控，因此需要光强传感器来读取光照的强度，要求对不同光强执 行不同操作时中间的临界值是可以调节的（软件实现）。传感器要能够返回相应的反映光强 的参数给单片机然后由单片机做决断执行操作。 下图为 TSL256x 内部结构（见图二）和 TSL256x 与 MCU 连接示意图（见图三）： 图 2 TSL256x 内部结构 图 3 TSL256x 与 MCU 连接示意 图 7
    （2）、LCD 屏接口电路 需要在 LCD 屏上显示系统的工作状态，LCD 屏与单片机的接口电路如下所示： 图四 MSP430f5529 与 LCD 屏接口电路 （3）、按键接口电路 系统中需要用按键来对系统的时间等参数进行设定，其中按键可以使用 MSP430F5529 的触摸按键，与单片机的接口电路如下所示： 图五 MSP430f5529 与触摸按键接口电路 （4）、过充、过放控制电路 8
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