湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1產(chǎn)品功能分析....................................................1

2設(shè)計(jì)方案篩選....................................................1

2.1單片機(jī)的選擇................................................1

2.2鋰電池充電板的選擇..........................................2

2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)................................................3

3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)....................................................4

3.1STC89C52單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì).................................4

3.2路燈電路設(shè)計(jì)................................................5

3.3太陽(yáng)能發(fā)電電路設(shè)計(jì)..........................................5

3.4TP4056鋰電池充電板電路設(shè)計(jì).................................6

3.5DC升壓模塊電路設(shè)計(jì).........................................8

4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)....................................................9

4.1主程序流程圖................................................9

4.2程序代碼...................................................10

5產(chǎn)品使用說(shuō)明...................................................11

5.1產(chǎn)品裝配圖.................................................11

5.2軟件調(diào)試...................................................11

6產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)...............................................12

7參考資料.......................................................12

8附錄...........................................................13

8.1附錄1元器件清單...........................................13

8.2附錄2電路原理圖...........................................14

8.3附錄3PCB設(shè)計(jì)圖...........................................15

8.4附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖...........................................16

8.5附錄5主程序代碼...........................................18

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

1產(chǎn)品功能分析

該系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、白色LED燈指示電路、鋰電池電壓檢測(cè)電路、

太陽(yáng)能發(fā)電電路、鋰電池充電保護(hù)電路、TP4056升壓電路和電源電路組成的太

陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)。

1.在有光源的環(huán)境下，鋰電池由太陽(yáng)能電池板供電，鋰電池升壓至5V后向

系統(tǒng)供電。在沒(méi)有光線(xiàn)的環(huán)境下，路燈自動(dòng)開(kāi)啟（LED燈模擬用于路燈）。

2.鋰電池在光照環(huán)境下充電，夜間鋰電池輸出電力。鋰電池充滿(mǎn)電TP4056

模塊上的綠燈亮，充電時(shí)TP4056模塊上的紅燈亮。

2設(shè)計(jì)方案篩選

在構(gòu)建硬件電路前必須斟酌好適合自己產(chǎn)品的零部件來(lái)進(jìn)行選擇，并能發(fā)揮

好元器件的各種基本功能。

整個(gè)太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)由幾個(gè)重要的零部件構(gòu)成，在市面上這幾個(gè)關(guān)鍵的

零部件又有許多模塊供我們選擇挑選，所以我們必須根據(jù)自己的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，對(duì)產(chǎn)

品的完成度和產(chǎn)品兼容性各個(gè)方面來(lái)考慮。產(chǎn)品的基本功能由51單片機(jī)，TP4056

鋰電池充電模塊以及鋰電池升壓模塊。

2.1單片機(jī)的選擇

方案一

可編程邏輯器件（CPLD）是一種可以通過(guò)編程來(lái)控制其邏輯功能的集成電路。

它能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字邏輯功能，如觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和狀態(tài)機(jī)。CPLD通常由許

多可重復(fù)使用的邏輯元件組成，并具有更高的邏輯密度、更快的算數(shù)和更低的功

耗相比于傳統(tǒng)的PAL和GAL芯片。CPLD可用于許多不同的應(yīng)用，包括汽車(chē)電

子、通信設(shè)備、工業(yè)控制和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。但是如果從使用和經(jīng)濟(jì)的角度這兩

方面來(lái)看的話(huà)，這對(duì)我來(lái)說(shuō)不是最好的選擇。

方案二

STC89C52是一種8位微控制器，即單片機(jī)，具有16K字節(jié)程序存儲(chǔ)器和1K字

節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它采用12位指令集，并具有32個(gè)I/O端口，其中8個(gè)端口可以

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作為串行通信接口。它還具有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)可編程定時(shí)器/比

較器和一個(gè)8位自動(dòng)重裝載定時(shí)器。此外，它還支持SPI和I2C通信協(xié)議。它的

主頻可以達(dá)到12MHz，并且具有4KBROM和128BRAM的內(nèi)部存儲(chǔ)器，還有256B

的擴(kuò)展RAM。它還提供了一個(gè)串行通信接口，以及八個(gè)數(shù)字輸入/輸出接口。此

外，STC89C52還具有中斷控制器，可以處理外部和內(nèi)部中斷?？傊?，STC89C52

是一種功能強(qiáng)大且性能優(yōu)越的8位單片機(jī)。

方案三

MSP430MCU是來(lái)自于德州儀器公司所開(kāi)發(fā)的16位混合信號(hào)處理器（功耗極

低）。它所使用的結(jié)構(gòu)是RISC結(jié)構(gòu)，它有豐富的尋址方式，一些簡(jiǎn)單但是核心指

令以及非常豐富的模擬指令。其豐富的的寄存器協(xié)同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一同完成使用者

的各種指令和操作;和高效的表查找處理指令。這些特性確?？梢跃帉?xiě)高效的源

程序。它將許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器在一個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)了集成，提供

了一個(gè)“單片”對(duì)于混合信號(hào)的可靠處理完成方案。同時(shí)其具有超低的功耗、豐

富變化的擴(kuò)展功能、占用體積小、使用與攜帶方便等特點(diǎn)。其應(yīng)用于許多種類(lèi)的

儀器儀表、專(zhuān)用設(shè)備的智能化控制與調(diào)試等諸多領(lǐng)域，大大提高了工作質(zhì)量和經(jīng)

濟(jì)效益，在一眾單片機(jī)中憑借自身特點(diǎn)脫穎而出，收到了廣大開(kāi)發(fā)員的喜愛(ài)。

然而，成本太高，所以它被廢棄了。因此選擇方案二。

2.2鋰電池充電板的選擇

選用TP4056模塊來(lái)保護(hù)鋰電池的充電與放電。系統(tǒng)中使用的所有電池均已

通過(guò)外部短路保護(hù)，以防止由于外部短路導(dǎo)致電池充電失控。系統(tǒng)上電后，所有

電池都已處于過(guò)電流狀態(tài)（5mA），并在充電完成前均通過(guò)一個(gè)過(guò)流保護(hù)電阻。

充電功率可由系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的最大輸出電壓決定，以最大限度地減少對(duì)電源輸

入電壓的影響。當(dāng)電池的過(guò)充電達(dá)到所需的最高輸出電壓時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)一

次浪涌電流動(dòng)作，從而保護(hù)電池不受損壞。

另外，過(guò)流保護(hù)電阻也可以用于降低系統(tǒng)的電源輸入電壓，從而進(jìn)一步保護(hù)

電池。過(guò)流保護(hù)電路還包含一個(gè)欠壓鎖定電路，防止電池在充電完成前電壓降至

欠壓。TP4056提供有兩個(gè)LED狀態(tài)引腳。

一個(gè)LED狀態(tài)用于指示電池的過(guò)充程度以指示充電完成；另一個(gè)LED狀態(tài)

用于指示已放電時(shí)間。當(dāng)電池已處于過(guò)充狀態(tài)時(shí)，這兩個(gè)LED代表電池溫度的

兩個(gè)不同側(cè)面，通過(guò)顏色變化顯示電池溫度。

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2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如下所示：

太陽(yáng)能接口電路鋰電池

及升壓電路

51

單

片

機(jī)

最

充電檢測(cè)電路小LED燈指示電路

系

統(tǒng)

電

路

圖2.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

3.1STC89C52單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

STC89C52是一款集成8位A/D轉(zhuǎn)換器，最高主頻達(dá)到200MHz。該系列單片

機(jī)不僅具有很高的性?xún)r(jià)比，而且在高性能和高可靠性方面也表現(xiàn)突出。

STM32F103是應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的微處理器芯片，STM32系列MCU是美國(guó)TI

公司推出的一個(gè)高性能微處理器系列。該系列產(chǎn)品包括：STM32F103、

STM32F104、RTOS和STM6。

其中STM32F103系列具有16個(gè)內(nèi)部寄存器，每個(gè)內(nèi)置16個(gè)邏輯單元，每個(gè)

內(nèi)部數(shù)據(jù)通道可配置為1個(gè)或多個(gè)16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和一個(gè)串行端口。內(nèi)部存

儲(chǔ)器可配置為2M、4M和8M；外部存儲(chǔ)單元中配置為6個(gè)512B×8位EEPROM

（4K）和一組并行端口；每個(gè)端口都是獨(dú)立工作，而且可以通過(guò)USB3.0接口與

其他外設(shè)相連，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。外部存儲(chǔ)單元可以配置成5組16位串行數(shù)

據(jù)存儲(chǔ)器陣列，每組8個(gè)并行接口和一個(gè)串行數(shù)據(jù)接口。

該系列單片機(jī)被使用于許多工業(yè)領(lǐng)域，尤其是憑借其自身超高性能以及價(jià)格

親民的特點(diǎn)深受工業(yè)控制工程師們青睞，由于其功能強(qiáng)大而且性?xún)r(jià)比高，在很多

領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

單片機(jī)引腳如下圖所示：

圖3.1.1STC89C52單片機(jī)的引腳圖示例

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3.2路燈電路設(shè)計(jì)

LED燈（發(fā)光二極管），利用電能將其轉(zhuǎn)化為光能釋放。發(fā)光二極管通常都

是由PN結(jié)所構(gòu)成的，同時(shí)又具備單一導(dǎo)電性。在電路通電的過(guò)程中，保護(hù)LED

燈時(shí)通過(guò)限制電流大小的方式，而這就是電阻的作用。所以只要將MCU的控制腳

拉下，LED燈便亮起，否則LED燈就不會(huì)亮起。具體電路圖如下所示。

圖3.2.1LED燈指示電路原理圖

3.3太陽(yáng)能發(fā)電電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的發(fā)電模塊為9V的太陽(yáng)能電池板。通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電之后，

L7805CV芯片來(lái)將電壓降為5V，然后通過(guò)TP4056模塊來(lái)對(duì)鋰電池實(shí)現(xiàn)充放電。

同時(shí)，由于鋰電池電壓為3.7V-4.2V，然而在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)等許多電路使用

的是5V的電源，所以在該系統(tǒng)中升壓模塊會(huì)將3.7V電壓升壓至5V電壓之后再

給其設(shè)備供電。本系統(tǒng)中的太陽(yáng)能電池板選用的系統(tǒng)為多晶硅9V220MA，玻璃

夾膠太陽(yáng)能板9V2W。工作時(shí)間:充足的陽(yáng)光可正常使用，非儲(chǔ)能產(chǎn)品可立即使

用。使用壽命:一般20-25年。物理圖如下所示。

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圖3.3.1太陽(yáng)能電池板實(shí)物圖

3.4TP4056鋰電池充電板電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，TP4056模塊用于3.7V鋰電池的充放電保護(hù)。TP4056是一個(gè)完

整的單一鋰離子電池與恒流/恒壓線(xiàn)性充電器。其SOP8/MSOP8封裝的底部還匹配

了相應(yīng)的散熱器和其他一些通用的外部組件，這些才使得TP4056成為便攜式應(yīng)

用的最佳原因。

TP4056可用于USB電源和適配器電源。它能完成智能充電、欠壓鎖定、自

動(dòng)充電和電池溫度檢測(cè)。這些功能可以通過(guò)外部設(shè)置而不需要單獨(dú)的輸入引腳。

由于具有完善的充電管理功能，TP4056能夠防止充電器因過(guò)熱或過(guò)流而導(dǎo)致爆

炸，并能夠在有電源的情況下進(jìn)行充電控制，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。由于該系

統(tǒng)采用了USB電源適配器和USB充電器，因此需要進(jìn)行精確的溫度測(cè)量。本系

統(tǒng)使用一個(gè)溫感器來(lái)對(duì)充電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后通過(guò)一個(gè)高精度采樣電路將

檢測(cè)到的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。溫感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再送到

PWM控制電路進(jìn)行整形與運(yùn)算。

一、模塊特點(diǎn)

（1）具備1000mA的安全充電電流。

（2）可以不需要MOSFET、檢測(cè)電阻器和隔離二極管

（3）作用于單節(jié)的鋰離子電池并且所使用的SOP封裝的保存的十分完整

二、模塊功能

（1）精度可以準(zhǔn)確達(dá)到±1%的4.2V預(yù)設(shè)充電電壓

（2）自動(dòng)再充電

（3）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于充電狀態(tài)雙輸出、無(wú)電池以及故障狀態(tài)的各種顯示

（4）C/10充電終止

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（5）待機(jī)模式下的供電電流為55uA

（6）2.9V涓流充電器件版本

（7）軟啟動(dòng)限制了浪涌電流

（8）電池溫度監(jiān)測(cè)功能

（9）采用了八引腳的SOP-PP/MSP-PP封裝。

模塊接口原理圖如下圖所示。

圖3.4.1傳感器接口電路原理圖

模塊實(shí)物圖如下圖所示。

圖3.4.2模塊實(shí)物圖

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3.5DC升壓模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是DC-DC升壓模塊用來(lái)完成對(duì)3.7V鋰電池的升壓操作，將鋰

電池升壓到5V后便可以給系統(tǒng)完成供電操作。

一、模塊參數(shù)

（1）該系統(tǒng)采用的模塊是高性能進(jìn)口芯片。

（2）給該系統(tǒng)輸入0.9V到5V直流電壓，便能夠讓該模塊輸出5V的直流

電壓，只需單節(jié)AA電池提供的電源便可輸出200到300MA電流，兩節(jié)AA

電池給模塊供電便可輸出500到600MA電流，可以隨時(shí)為你的智能設(shè)備、

控制系統(tǒng)、單片機(jī)或者其他數(shù)碼產(chǎn)品完成供電需求。

（3）溫度范圍控制在-40℃---+85℃。

（4）轉(zhuǎn)換效率高，最高達(dá)96%。

（5）帶USB母座，用途廣泛

（6）占用的體積小，可以用安裝在許多不同的小型設(shè)備里。

模塊接口原理圖如下圖所示。

圖3.5.1傳感器接口電路原理圖

模塊實(shí)物圖如下圖所示。

圖3.5.2模塊實(shí)物圖

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4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序流程圖

開(kāi)始

初始化IO

口

初始化定時(shí)器

是否檢測(cè)到

充電中

是否

充電標(biāo)志位置位

LED燈顯示

圖4.1.1主程序流程圖

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4.2程序代碼

圖4.2.1程序代碼

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5產(chǎn)品使用說(shuō)明

5.1產(chǎn)品裝配圖

以下系統(tǒng)是由STC89C52單片機(jī)、高亮LED燈顯示電路模塊、鋰電池的電壓

檢測(cè)電路模塊、控制太陽(yáng)能發(fā)電電路模塊、鋰電池的充放電保護(hù)模塊、TP4056

升壓電路模塊以及電源電路共同組成的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)。產(chǎn)品裝配圖如圖所

示：

Led高亮白燈

51單片機(jī)

鋰電池升壓模塊

TP4056鋰電池

充電模塊

圖5.1.1產(chǎn)品裝配圖

5.2軟件調(diào)試

最后是使用萬(wàn)用表、直流電源以及控制示波器來(lái)完成對(duì)于焊接板進(jìn)行的整

體調(diào)試即可完成最后一步。其中最主要的是檢查設(shè)備是否能夠進(jìn)行正常的工

作。主要通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)試以及靜態(tài)調(diào)試兩種方式來(lái)完成。靜態(tài)調(diào)試主要由以下四

種類(lèi)型:

1.通過(guò)視覺(jué)來(lái)進(jìn)行觀察。主要是通過(guò)觀察焊點(diǎn)是否焊接填充圓滿(mǎn)，其連接

的設(shè)備又是否連接準(zhǔn)確或者連接的設(shè)備引腳是否焊接不良或短路。

2.使用萬(wàn)用表進(jìn)行調(diào)試。首先檢查電源是否短路，然后測(cè)量引腳連接是否

正確，有無(wú)接線(xiàn)錯(cuò)誤。

3.檢查電源。完成第一步和第二步都沒(méi)有問(wèn)題。然后就可以上電了。上電

后，先觀察各設(shè)備是否正常工作，然后逐個(gè)進(jìn)行功能測(cè)試。

4.全面檢查和測(cè)試。此測(cè)試方法僅適用于單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)?？梢?/p>

采用這種方法。本文不適用于該方法的測(cè)試。

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動(dòng)態(tài)調(diào)試：動(dòng)態(tài)調(diào)試最主要的就是通電后觀察各個(gè)模塊有沒(méi)有任何問(wèn)題。

最后一步便是檢查各個(gè)設(shè)備是否能夠協(xié)同工作，是否能夠完成我系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的各

項(xiàng)指定功能，防止設(shè)備內(nèi)部發(fā)生了不必要的損壞從而影響到了系統(tǒng)的整體性

能。

5.2產(chǎn)品使用說(shuō)明

1.在有光源的環(huán)境下，太陽(yáng)能板給鋰電池充電。

2.TP4056模塊上紅燈亮起，即正在充電，藍(lán)燈亮起，則充電完成。

3.在沒(méi)有光線(xiàn)的環(huán)境下，路燈自動(dòng)開(kāi)啟（LED燈模擬用于路燈）。

6產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語(yǔ)；

[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)；

[6]GB/T8567-2006計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范。

7參考資料

[1]胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版

社,2002.

[2]張俊謨.單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社.2002.

[3]張俊謨.單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版

社.2002.

[4]李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù).北京：高等教育出版社.2009.30～46.

[5]李維提,郭強(qiáng).液晶顯示應(yīng)用技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社.2006.20～35.

[6]胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版

社,2002.

[7]張俊謨.單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社.2002.

[8]趙負(fù)圖,傳感器集成電路手冊(cè),第一版,化學(xué)工業(yè)出版社,2004,590～

591.

[9]馬建國(guó).電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2004.1.

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8附錄

8.1附錄1元器件清單

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8.2附錄2電路原理圖

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8.3附錄3PCB設(shè)計(jì)圖

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湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

8.4附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖