基于单片机的太阳能无线 LED 灯设计

news2024/11/25 0:53:24

摘要：文章设计一款太阳能 LED 灯，经过太阳能给锂电池充电，利用 51 单片机通过检测电路对整个系统施行管理和监控，可以使用手机和 WIFI 作为通信工具，利用光敏电阻检测光照，进而控制灯的亮度，天越黑，灯越亮，程序编写构造清晰，应用前景广阔。

关键词：单片机；太阳能；光敏电阻； C 语言

0 引言

太阳能与 LED 相结合的技术运用在路灯领域完全符合“ 绿色，节能，低成本 ” 的现代化设计理念。基于目前相关研究，笔者设计了一款基于单片机的太阳能 LED 灯，可以使用手机，通过 WIFI 控制灯的亮灭，单片机检测太阳能电池板的电压，并将太阳能电池板是否正常运行信息发送给手机。基于单片机的太阳能控制系统不仅能够在路灯上使用，其设计方法及其技术还可以普遍使用到电池控制器，逆变控制器等领域，对相关科学具备推进作用并且具有很大拓展价值。

1 总体方案设计

太阳能无线 LED 灯系统主要由单片机系统、太阳能接口电路、锂电池充电及升压电路、 WIFI 模块电路、光照检测电路、 A/D 采集转换电路和 LED 灯电路组成。太阳能接口电路、锂电池充电及升压电路、光照检测电路、 A/D 采集转换电路作为输入模块， LED 灯电路作为输出模块，WIFI 模块电路与单片机系统及作为输入模块也作为输出模块，用户可通过 WIFI 发送指令。系统框图如图 1 所示。

2 系统硬件设计

硬件设计主要包括太阳能接口电路、分压电路、光照检测电路、 WIFI 模块电路等几部分。首先通过太阳能给锂电池充电；把装置置于阳光下，通过光敏电阻检测光照，进而控制灯的亮度；光敏电阻对光照十分敏感，其在无光照时，呈现的是高阻状态，暗电阻一般可达 1.5M Ω ，当有光照时，材料中激发出自由电子和空穴，其电阻值减小，电阻值会随着光照强度的升高迅速降低，亮电阻值可小至1kΩ 以下；通过 WIFI 控制灯的亮灭，单片机检测太阳能电池板的电压，并将太阳能电池板是否正常运行信息发送给用户。

2.1 太阳能接口电路设计

本系统中选择 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 芯片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，所以用升压装置将 3.7V 的电压升到 5V 来给设备供电。太阳能电池板发电原理图如图2 所示。

2.2 分压电路设计

在串联电路中，各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等于电路总电压。可知每个电阻上的电压小于电路总电压，故称串联电阻分压。在设计中，选择的 A/D 芯片采集的 5V 电压，故超过 5V 的电压需要分压后降压为 0 ～5V 才可以经过 A/D 转换，其电路原理图如图 3 所示。

2.3 光照检测电路设计

本系统选择光敏电阻作为检测光照的器件，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，光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态。在本设计中，通过串联一个电阻实现光敏电阻的分压，电阻为分压电阻，同时也保护光敏电阻，其原理图如图 4 所示。

2.4 WIFI 模块电路设计

串口 WIFI 模块是新一代嵌入式 WIFI 模块，一款超低功耗的模块，可将用户的物理设备连接到 WIFI 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能，用手机连接APP 控制 LED 灯的亮灭， WIFI 模块电路图如图 5 所示。

3 系统软件设计

软件设计中单片机开发环境是 Keil uVision4 ， Keil u Vision4 软件是目前 51 系列单片机系统的主流程序开发软件， Keil uVision4 是 STC 公司推出最新一代关于 51 系列单片机处理器的编译、连接和调试集成环境。如图 3 所示。可以降低开发周期，从而节约很多成本。 Keil uVision4不仅提供了完整的 Windows 开发环境界面，支持 C/C++ 语言开发，而且其 C 语言编辑效率很高，能够使开发者非常容易地使用 C 语言进行程序编程 [4] 。小型太阳能无线 WIFI光照控 LED 灯系统额定功率总和为 10W ，系统的光电转换效率为 18% 左右，最高的达到 24% ，锂电池的最大充电电流为自身容量的 1/10 ，则系统输出的最大电流为 0.2A ，理论上可以供给于路灯照明。

4 系统调试

为了对太阳能无线 LED 灯系统测试来验证其可行性，运行程序使用 C 语言进行编写，在搭建调试平台后，需要对软件程序进行调试，若程序调试没有问题，接下来开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止，能正常运行，至此完成系统调试。如图 6 所示为系统运行流程图。