湖南商務職業(yè)技術學院畢業(yè)設計

目錄

1產品功能分析....................................................1

2設計方案篩選....................................................1

2.1單片機的選擇................................................1

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

2.3系統(tǒng)框圖設計................................................3

3產品硬件設計....................................................4

3.1STC89C52單片機核心電路設計.................................4

3.2路燈電路設計................................................5

3.3太陽能發(fā)電電路設計..........................................5

3.4TP4056鋰電池充電板電路設計.................................6

3.5DC升壓模塊電路設計.........................................8

4產品軟件設計....................................................9

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

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

5產品使用說明...................................................11

5.1產品裝配圖.................................................11

5.2軟件調試...................................................11

6產品設計技術標準...............................................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設計圖...........................................15

8.4附錄4產品實物圖...........................................16

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

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基于51單片機的太陽能路燈控制系統(tǒng)設計與制作

1產品功能分析

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

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

陽能路燈控制系統(tǒng)。

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

系統(tǒng)供電。在沒有光線的環(huán)境下，路燈自動開啟（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。鋰電池充滿電TP4056

模塊上的綠燈亮，充電時TP4056模塊上的紅燈亮。

2設計方案篩選

在構建硬件電路前必須斟酌好適合自己產品的零部件來進行選擇，并能發(fā)揮

好元器件的各種基本功能。

整個太陽能路燈控制系統(tǒng)由幾個重要的零部件構成，在市面上這幾個關鍵的

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)自己的經濟實力，對產

品的完成度和產品兼容性各個方面來考慮。產品的基本功能由51單片機，TP4056

鋰電池充電模塊以及鋰電池升壓模塊。

2.1單片機的選擇

方案一

可編程邏輯器件（CPLD）是一種可以通過編程來控制其邏輯功能的集成電路。

它能夠實現(xiàn)復雜的數(shù)字邏輯功能，如觸發(fā)器、計數(shù)器和狀態(tài)機。CPLD通常由許

多可重復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用，包括汽車電

子、通信設備、工業(yè)控制和消費類電子產品。但是如果從使用和經濟的角度這兩

方面來看的話，這對我來說不是最好的選擇。

方案二

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

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

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作為串行通信接口。它還具有3個16位定時器/計數(shù)器，一個可編程定時器/比

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

主頻可以達到12MHz，并且具有4KBROM和128BRAM的內部存儲器，還有256B

的擴展RAM。它還提供了一個串行通信接口，以及八個數(shù)字輸入/輸出接口。此

外，STC89C52還具有中斷控制器，可以處理外部和內部中斷。總之，STC89C52

是一種功能強大且性能優(yōu)越的8位單片機。

方案三

MSP430MCU是來自于德州儀器公司所開發(fā)的16位混合信號處理器（功耗極

低）。它所使用的結構是RISC結構，它有豐富的尋址方式，一些簡單但是核心指

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。這些特性確保可以編寫高效的源

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

了一個“單片”對于混合信號的可靠處理完成方案。同時其具有超低的功耗、豐

富變化的擴展功能、占用體積小、使用與攜帶方便等特點。其應用于許多種類的

儀器儀表、專用設備的智能化控制與調試等諸多領域，大大提高了工作質量和經

濟效益，在一眾單片機中憑借自身特點脫穎而出，收到了廣大開發(fā)員的喜愛。

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模塊來保護鋰電池的充電與放電。系統(tǒng)中使用的所有電池均已

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

電池都已處于過電流狀態(tài)（5mA），并在充電完成前均通過一個過流保護電阻。

充電功率可由系統(tǒng)內設置的最大輸出電壓決定，以最大限度地減少對電源輸

入電壓的影響。當電池的過充電達到所需的最高輸出電壓時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)一

次浪涌電流動作，從而保護電池不受損壞。

另外，過流保護電阻也可以用于降低系統(tǒng)的電源輸入電壓，從而進一步保護

電池。過流保護電路還包含一個欠壓鎖定電路，防止電池在充電完成前電壓降至

欠壓。TP4056提供有兩個LED狀態(tài)引腳。

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

用于指示已放電時間。當電池已處于過充狀態(tài)時，這兩個LED代表電池溫度的

兩個不同側面，通過顏色變化顯示電池溫度。

2

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2.3系統(tǒng)框圖設計

系統(tǒng)框圖設計如下所示：

太陽能接口電路鋰電池

及升壓電路

51

單

片

機

最

充電檢測電路小LED燈指示電路

系

統(tǒng)

電

路

圖2.3.1系統(tǒng)結構框圖

3

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3產品硬件設計

3.1STC89C52單片機核心電路設計

STC89C52是一款集成8位A/D轉換器，最高主頻達到200MHz。該系列單片

機不僅具有很高的性價比，而且在高性能和高可靠性方面也表現(xiàn)突出。

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

公司推出的一個高性能微處理器系列。該系列產品包括：STM32F103、

STM32F104、RTOS和STM6。

其中STM32F103系列具有16個內部寄存器，每個內置16個邏輯單元，每個

內部數(shù)據(jù)通道可配置為1個或多個16位的數(shù)據(jù)存儲器和一個串行端口。內部存

儲器可配置為2M、4M和8M；外部存儲單元中配置為6個512B×8位EEPROM

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

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

據(jù)存儲器陣列，每組8個并行接口和一個串行數(shù)據(jù)接口。

該系列單片機被使用于許多工業(yè)領域，尤其是憑借其自身超高性能以及價格

親民的特點深受工業(yè)控制工程師們青睞，由于其功能強大而且性價比高，在很多

領域都得到了廣泛的應用。

單片機引腳如下圖所示：

圖3.1.1STC89C52單片機的引腳圖示例

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3.2路燈電路設計

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

是由PN結所構成的，同時又具備單一導電性。在電路通電的過程中，保護LED

燈時通過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太陽能發(fā)電電路設計

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

L7805CV芯片來將電壓降為5V，然后通過TP4056模塊來對鋰電池實現(xiàn)充放電。

同時，由于鋰電池電壓為3.7V-4.2V，然而在本設計中單片機等許多電路使用

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

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

夾膠太陽能板9V2W。工作時間:充足的陽光可正常使用，非儲能產品可立即使

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太陽能電池板實物圖

3.4TP4056鋰電池充電板電路設計

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

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

了相應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

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

動充電和電池溫度檢測。這些功能可以通過外部設置而不需要單獨的輸入引腳。

由于具有完善的充電管理功能，TP4056能夠防止充電器因過熱或過流而導致爆

炸，并能夠在有電源的情況下進行充電控制，從而延長電池使用壽命。由于該系

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

統(tǒng)使用一個溫感器來對充電電流進行實時檢測，然后通過一個高精度采樣電路將

檢測到的溫度值轉換為數(shù)字信號。溫感器將溫度信號轉換為數(shù)字信號后，再送到

PWM控制電路進行整形與運算。

一、模塊特點

（1）具備1000mA的安全充電電流。

（2）可以不需要MOSFET、檢測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）精度可以準確達到±1%的4.2V預設充電電壓

（2）自動再充電

（3）可以實現(xiàn)對于充電狀態(tài)雙輸出、無電池以及故障狀態(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）軟啟動限制了浪涌電流

（8）電池溫度監(jiān)測功能

（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

模塊實物圖如下圖所示。

圖3.4.2模塊實物圖

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3.5DC升壓模塊電路設計

本系統(tǒng)采用的是DC-DC升壓模塊用來完成對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，可以隨時為你的智能設備、

控制系統(tǒng)、單片機或者其他數(shù)碼產品完成供電需求。

（3）溫度范圍控制在-40℃---+85℃。

（4）轉換效率高，最高達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

模塊實物圖如下圖所示。

圖3.5.2模塊實物圖

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4產品軟件設計

4.1主程序流程圖

開始

初始化IO

口

初始化定時器

是否檢測到

充電中

是否

充電標志位置位

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產品使用說明

5.1產品裝配圖

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

檢測電路模塊、控制太陽能發(fā)電電路模塊、鋰電池的充放電保護模塊、TP4056

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

示：

Led高亮白燈

51單片機

鋰電池升壓模塊

TP4056鋰電池

充電模塊

圖5.1.1產品裝配圖

5.2軟件調試

最后是使用萬用表、直流電源以及控制示波器來完成對于焊接板進行的整

體調試即可完成最后一步。其中最主要的是檢查設備是否能夠進行正常的工

作。主要通過動態(tài)調試以及靜態(tài)調試兩種方式來完成。靜態(tài)調試主要由以下四

種類型:

1.通過視覺來進行觀察。主要是通過觀察焊點是否焊接填充圓滿，其連接

的設備又是否連接準確或者連接的設備引腳是否焊接不良或短路。

2.使用萬用表進行調試。首先檢查電源是否短路，然后測量引腳連接是否

正確，有無接線錯誤。

3.檢查電源。完成第一步和第二步都沒有問題。然后就可以上電了。上電

后，先觀察各設備是否正常工作，然后逐個進行功能測試。

4.全面檢查和測試。此測試方法僅適用于單片機開發(fā)板的開發(fā)系統(tǒng)?？梢?/p>

采用這種方法。本文不適用于該方法的測試。

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動態(tài)調試：動態(tài)調試最主要的就是通電后觀察各個模塊有沒有任何問題。

最后一步便是檢查各個設備是否能夠協(xié)同工作，是否能夠完成我系統(tǒng)開發(fā)的各

項指定功能，防止設備內部發(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產品使用說明

1.在有光源的環(huán)境下，太陽能板給鋰電池充電。

2.TP4056模塊上紅燈亮起，即正在充電，藍燈亮起，則充電完成。

3.在沒有光線的環(huán)境下，路燈自動開啟（LED燈模擬用于路燈）。

6產品設計技術標準

[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信息技術軟件工程術語；

[5]GB/T8566-2007信息技術軟件生存周期過程標準；

[6]GB/T8567-2006計算機軟件文檔編制規(guī)范。

7參考資料

[1]胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設計.北京:清華大學出版

社,2002.

[2]張俊謨.單片機中級教程原理與應用.北京航空航天大學出版社.2002.

[3]張俊謨.單片機中級教程原理與應用.北京航空航天大學出版

社.2002.

[4]李全利.單片機原理及應用技術.北京：高等教育出版社.2009.30～46.

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

[6]胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設計.北京:清華大學出版

社,2002.

[7]張俊謨.單片機中級教程原理與應用.北京航空航天大學出版社.2002.

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

591.

[9]馬建國.電子系統(tǒng)設計.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設計圖

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8.4附錄4產品實物圖