发布时间：2018/7/9 15:46:15 来源：本站
太阳能是干净、无污染且随处可得的能源，而且取之不尽、用之不竭。在化石能源日渐短缺的今日，选择太阳能作为替代能源是解决能源危机的有效途径之一。目前国内大部分城市的道路照明管理系统至今仍在沿用简单的光控、钟控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，基本没有节电效果，并且采用传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用。本文运用光能转换成电能这一节能减排、可持续发展理念，设计了一个可远程控制的太阳能路灯系统。
本系统由单片机控制中心、GSM模块、太阳能电池板及充电管理模块和锂电池等模块构成，总体架构如图1所示。
图1 系统总体设计原理框图
系统采用STC12C5A16S2单片机作为主控芯片，当光敏电阻检测到光线亮度小于设定的值时，打开LED灯，通过单片机内置AD模块采集锂电池电压数据，如果锂电池电压小于2.8v（当锂电池电压小于2.7V，则处于过放状态，会损害电池，减少电池使用寿命），单片机就会控制GSM模块给工作人员发送短信，工作人员可以回复该短信实现远程操控，切换路灯电源供应方式，以提高路灯持续工作能力及节电节能。
STC12C5A16S2是一款新型的单片机，由中央处理器（CPU）、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看门狗及片内振荡等模块组成［3］。利用单片机的内置AD采集锂电池电压数据，采集到的数据传输到单片机P1.0口，通过单片机内置AD转换计算。如果锂电池电压小于2.8v，单片机则会控制GSM模块给工作人员发送短信，工作人员收到短信后可以回复短信实现远程操控，切换路灯电源供应方式。系统的总电路如图2所示。
图2 系统总体硬件设计原理框图
2.1 GSM模块设计
系统中的无线通讯GSM模块采用SIM 900A，sim900A是一个专门为中国大陆和印度设计的2个频端的GSM模块，它的工作频段是EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。GSM模块是一个电子集成器件，它包含各种部件如：GSM射频、基带频率处理芯片、功率放大器件、存储器等，所有不同功能的器件集成在一块电路板上。这个模块自带GSM射频处理、单独的操作系统、基带处理而且内嵌TCP/IP协议等功能模块。模块能够实现打电话、发短信和上网等功能。文献［4］中详细介绍了单片机与SIM 900A的通信方法，与单片机采用串口通讯，波特率为9600MHz，定时器1定时寄存器TH1=TL1=0xFD，使用AT指令来完成单片机与GSM模块之间的字符传输。GSM模块采用的是TTL电平，GSM模块的电源端口接5V电压，VCC_MCU端口接5V电压（高电平的基准电压），模块的RXD接单片机的TXD，GSM模块的TXD接单片机的RXD，模块GND接单片机的GND。
2.2 太阳能电池板及充电管理设计
本系统的电源来自于太阳电池板，把照射到太阳能电池板上的太阳光，利用光伏效应直接将光能转换成直流电能输出。由于本系统限定的电流值为1A，充电管理模块的电压为3.5V-35V，而采用的太阳能电池板功率过高，输出电流最大值为2.5A，输出电压最大值为22V。所以要将太阳能电池板遮住两格以减少输出电流，并把太阳能电池板的输出经降压模块降至7V后，再输入到充电管理模块，由充电管理模块对锂电池进行充电管理，防止过冲。最后通过升压模块把锂电池输出的电压提高到直流5V。
2.3 充电管理模块设计
充电管理模块的设计采用TP4056芯片，芯片会根据电池电压自动调节，依照电池电压的大小来选择采用恒定电流还是恒定电压进行充电。TP4056充电芯片内部基于PMOSFET架构和防倒充电路，因此外围不再设计隔离二极管电路，从而使得充电电路简单可靠。芯片通过对一个调节电阻进行设置来控制充电电流大小，而充电电压最高为4.2V则最高为4.2V。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。当断掉输入电压时，TP4056充电芯片会自动进入低功耗模式，使得锂电池漏电流被降至3μA。TP4056充电芯片还包括欠压闭锁及电池的温度检测等功能［5］。它是针对单节锂电池充电管理的芯片，在硬件设计中，在充电输出端口增加二极管，是防止电池电流倒流。模块充电电压恒定于4.2V，而充电电流通过外部电位器进行设置。
前文中详细阐述了基于GSM太阳能路灯控制系统硬件电路各个组成模块的功能和工作原理，而接下来就是这个系统的核心部分，即软件控制系统的设计。软件系统是这个控制系统的灵魂，其设计有极大的灵活性，在硬件结构一定的情况下，系统的智能性几乎完全靠软件来实现。对于设计者而言，软件系统的设计重在把设计者的严密思路转换成电路及芯片之间能够流通和交流的信号和“语言”。
在此次设计中，软件结构仿效硬件电路的设计理念，采用模块化设计，各个功能程序分别编写并调试，在各模块调试成功后，再将所有模块连接整合，构成总系统的软件。这样，不仅有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试、维护和协作。设计单片机软件主程序流程图如图3所示。
本文详细介绍了基于GSM的太阳能路灯控制系统的设计方案与软硬件实现过程。对单片机控制、GSM模块、光敏电阻模块和太阳能电池组件等各个部分的功能、实现过程作了详细介绍。该系统能够可靠地对城市路灯进行有效的数据采集、自动判断、自动报警，能够对锂电池进行有效的充电管理，同时能够便捷地接收远程命令控制继电器切换路灯工作电源，达到节能要求，其具有体积小，工作可靠，控制便捷等优点。该方案对于太阳能利用以及远程路灯控制有很大帮助，应用前景广阔。
图3 单片机主程序流程图
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