移动式太阳能交通信号灯
摘要
太阳能的优点及太阳能光伏技术的迅速发展为解决能源问题提供了一个有效地途径。现今太阳能光伏组件应用领域包括农村电气化、交通、通信、石油、气象、国防等。本文将太阳能电池组件应用到交通信号灯控制就是太阳能光伏组件在交通领域中应用的一个实例。
本系统采用VRLA 蓄电池专用充电芯片UC3096将太阳能电池板的输出电能存储在12V 的蓄电池中作为系统总电源。存储在蓄电池的电能分为两路，一路通过恒流驱动芯片PAM2842的升压作用将蓄电池的12V 升高到24V ，给每一组交通信号灯供电；另一路通过稳压芯片LM7805稳压作用输出5V 电压，给STC89C52、LCD12864、DS1302等芯片及电路供电。
STC89C52通过人机界面得到两相位交通信号灯的控制参数，经过处理之后，完成对交通信号灯的控制。
关键字：STC89C52 VRLA UC3906 恒流驱动
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名： 日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
目录
第一章 系统概述 . .......................................................................................................................... 5
第二章 单元电路设计与分析 . ...................................................................................................... 6
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2.1.1 太阳能电池板及蓄电池的选型及参数计算 ....................................................... 6
2.1.2 VRLA 蓄电池充电电路设计 ............................................................................... 8
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2.5 单片机最小系统电路 . ................................................................................................... 18
第三章 软件程序设计 . ................................................................................................................ 19
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第四章 展望 . ................................................................................................................................ 22
第一章 系统概述
本设计是基于STC89C52单片机的两相位太阳能交通信号灯控制系统。该系统由STC89C52单片机、LCD12864、键盘、基于UC3906控制电路的太阳能充电电路、以及基于升压恒流驱动芯片PAM2842的LED 驱动电路组成。
本系统采用阀控密封式铅酸（VRLA ）蓄电池专用充电芯片UC3096将太阳能电池板的输出电能存储在12V 的蓄电池中。存储在蓄电池的电能分为两路，一路通过PAM2842的升压恒流控制作用将蓄电池的12V 升高到24V ，给每一组交通信号灯供电；另一路通过稳压芯片LM7805稳压作用输出5V 电压，给STC89C52、LCD12864、DS1302等芯片及电路供电。假设信号灯的四个方向为东南西北四个方向，那么，系统的总体框图如图1。
图1 系统总体框图
STC89C52通过人机界面得到交通信号灯的控制参数，经过处理之后，完成对交通信号灯的控制。太阳能电池板及蓄电池均为直流器件，考虑到太阳能电池
板及蓄电池的这一特性，我们选择直流12V8W ，200mm 的交通信号灯，这样就减少了电路设计的复杂性。
系统的具体设计如下：
（1）太阳能电池板给整个系统供电。
（2）整个系统的设计是一体的，便于携带的。
（3）两相位交通信号灯分时段控制。
（4）具有设置权限的功能。
（5）具有良好的人机界面。通过人机界面，工作人员能够查看、修改交通信号灯分时段的控制参数（包括黄灯过渡时间参数、红灯过渡时间参数及绿灯过渡时间参数）。
（6）开机运行相位启动时序：状态为黄闪12s ，全红7s 。
（7）能够做到连续3个阴雨天正常工作。
第二章 单元电路设计与分析
2.1 电源电路
2.1.1 太阳能电池板及蓄电池的选型及参数计算
电源电路包括LED 工作电源及单片机芯片及外围电路的工作电源。这两部分的电源是由12V 蓄电池总电源分支而来。12V 蓄电池电源电路是由太阳能电池板、UC3906、12V 蓄电池等构成。太阳能电池板将太阳能转换成的电能通过基于VRLA 蓄电池专用充电芯片UC3096的充电电路存储在蓄电池中，蓄电池中的电能成为整个系统的电源。为了满足系统的设计目标，蓄电池的容量及太阳能电池板的功率成为系统设计的关键指标。在这先介绍一下太阳能电池板和蓄电池的选型及参数选择。
目前市场上的太阳能电池板的种类大致分为三种：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池。虽然单晶硅具有较高转换率，发电性能稳定等优点，但是因其昂贵的价格，最终选择多晶硅太阳能电池。
基于普通铅酸蓄电池使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环
境问题等各方面的考虑，我们选用阀控密封式铅酸（VRLA ）蓄电池。VRLA 蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸电池的气涨、电解液泄漏等现象，具有使用安全可靠、能量高、成本低、使用寿命长、容量大、不漏液、安全等优点。
对于太阳能电池板和VRLA 蓄电池参数的选择则需要一些计算。计算过程[1]如下：
每一个LED 交通信号灯的功率为p =8W ，工作电压为v =12V 。正常情况下，每一时刻同时有4个LED 交通信号灯工作，那么，每一时刻负载的总功率为P =32W 。每一组交通信号灯（相反方向同色信号灯串联）的工作电压为V =24V 。假设该系统每天工作的时间为T 1=12h 。经查表可得，西安的太阳能标准峰值时间是T 2=3. 6h [2]。一个连续阴雨天的时间为T 3=3d ，两个连续阴雨天之间的间隔时间为T 4=20d 。太阳能电池组件的工作电压是V 1=18V 。
①负载日耗电量Q 为：
Q =(P /V ) *T 1=(32W /24V ) *12h =16(Ah )
②满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流I 1为：
I 1=Q *1. 05/T 2/0. 85/0. 9=16*1. 05/3. 6/0. 85/0. 9(A ) =7. 8431(A )
式中，1.05为太阳能充电综合损失系数；0.85为蓄电池充电效率；0.9为控制其效率。
③蓄电池容量C 为：
C =Q *(T 3+1) /0. 75*1. 1=16*(3+1) /0. 75*1. 1=100. 5714(Ah )
式中，0.75为蓄电池放电深度；1.1为蓄电池安全系数。
④连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量太阳能电池组件充电电流I 2为：
I 2=C *0. 75/T 2/T 4=100. 5714*0. 75/3. 6/20(A ) =1. 0476(A )
式中，0.75为蓄电池放电深度。
⑤太阳能电池组件的功率P s 为：
P s =(I 1+I 2) *V 1=(7. 8431+1. 0476) *18(W ) =160. 0336(W )
以上计算只是理论值，所以我们选择时要适当的增加。我们选择的蓄电池的规格为12V ，120（Ah ）；太阳能电池板的规格选择为两个18V ，80W 的太阳能电池板，总的最大峰值电流约为9.32A 。
2.1.2 VRLA 蓄电池充电电路设计
通过以上的计算参数，接下来，我们设计太阳能电池板给蓄电池充电电路。 根据VRLA 的温度特性，我们设计基于VRLA 蓄电池充电专用芯片UC3906的VRLA 蓄电池充电电路。UC3906作为密封铅酸蓄电池充电专用控制集成芯片，能够提供密封铅酸蓄电池的三种充电逻辑状态（大电流充电、可控过充电和浮充充电）控制，能使充电器的充电电压随电池电压温度系数的变化而变化，从而使密封式铅酸蓄电池在很宽的温度范围内能够达到最佳充电状态（如电池容量和使用寿命）、可分别对充电电流、充电电压（通过电压控制环和电流控制环）实现控制，具有静态工作功耗低的优点，能提供实现密封铅酸蓄电池最佳充电所需的控制和检测功能。
1） UC3906的特性和结构
UC3906内部结构框图如图2所示，该芯片内含有独立的电压控制电路和限流放大器，控制芯片内的驱动器可提供的输出电流达25mA ，可直接驱动外部串联调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。电压和电流检测比较器检测蓄电池的充电状态，并控制充电状态逻辑电路的输入信号。
图2 UC3906内部结构框图
当VRLA 蓄电池电压或温度过低时，充电使能比较器控制充电器进入浮充状态，该比较器还能输出25mA 浮充电流。这样，当VRLA 蓄电池短路或反接时，充电器只能小电流充电，避免因充电电流过大而损坏VRLA 蓄电池。
UC3906的非常重要的特性就是具有精确的基准电压，其基准电压随环境温度而变，且变化规律与VRLA 蓄电池电压的温度特性完全一致。同时，芯片只需1.7mA 的输入电流就可工作，这样可以尽量减小芯片的功耗，实现对工作环境温度的准确检测，保证VRLA 蓄电池既能充足电又不会严重过充电。除此之外，芯片内部还包括一个输入欠压检测电路以对充电周期进行初始化。这个电路还驱动一个逻辑输出，当加上输入电源后，脚7可以指示电源状态。
2） 充电过程及充电参数的确定
充电过程从大电流恒流充电状态开始，在这种状态下充电器输出恒定的充电电流I max ，同时充电器连续监控电池组的两端电压，当电池电压达到转换电压V 12时，电池的电量已经恢复到额定容量的70％～90％，充电器转入过充电状态。在此状态下，充电器输出电压升高到V oc ；由于充电器输出电压保持恒定不变，所以充电电流连续下降，当电流下降到I oct 时，电池的容量已达到额定容量的100％，充电器输出电压下降到较低的浮充电压V F 。充电过程如图2所示。
图1 UC3906充电状态曲线
VRLA 蓄电池的充电参数主要有过充电电压V oc 、浮充电压V F 、过转换电压V 12、最大充电电流I max 、过充电终止电流I oct 。它们与RX 1、RX 2、RX 3、RX 4、RXS 之间的关系可以从下面的公式反映出来：
RX 1+RX 2RX 1+RX 2+) =15V RX 3RX 4
RX 1+RX 2) =14. 5V 浮充电压 V F =V ref *(1+RX 3过充电压 V oc =V ref *(1+
过冲转换电压 V 12=0. 95*V OC =14. 25V
最大充电电流 I max =
过充电终止电流 I oct 0. 25V =10A >9. 32A [1](太阳能电池板最大输出电流) RXS 0. 025V ==1A RXS
V oc 、V F 和V ref 成正比。V ref 为2.3V ，温度系数是-3.9mV ℃。I max 、I oct 、V oc 、V F 可以独立地设置。只要所提供的输入电源允许或功率管可以承受，I max 的值可以尽可能的大。虽然某些充电器有过充保护电路，充电率可以达到甚至超过2C ，但是蓄电池厂商推荐的充电率范围是C20～C3。I oct 的选择尽可能的使VRLA 蓄电池接近100%充电。合适值取决于V oc 和在V oc 时VRLA 蓄电池充电电流的衰减特性。I max 和I oct 分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和检测电流的电阻RXS 决定。V oc 、V F 的值由内部参考电压V ref 和
外部电阻RX 1、RX 2、RX 3、RX 4组成的网络决定。
3） 电路设计
本电路的设计电路图如图2所示。由于充电器始终接在蓄电池上，为防止VRLA 蓄电池电流倒流入充电器，在串联调整管与输出端之间串入一支二极管。在选择QX 2和QX 3器件时必须要考虑它们是否能够承受，最终分别选择了TIP142（达林顿管）和MBR1040（二极管）。同时，为了避免输入电源中断后，VRLA 蓄电池通过分压电阻RX 1、RX 2、RX 3放电，使RX 3通过电源指示管（脚7）接地。
图2 UC3906充电电路
18V 输入电压加入之后，QX 1、QX 2导通，开始恒流充电，充电电流为太阳能电池板输出地最大电流9.32A （满足蓄电池厂商推荐的充电率范围C20～C3），VRLA 蓄电池电压逐渐升高。当VRLA 蓄电池电压达到过充电压V oc 的95％（即14.25V ）时，VRLA 蓄电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流（I oct ）时，UC3906的脚10输出高电平，比较器LM339输出低电平，VRLA 蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管（DXS1）发光，只是蓄电池已充足电。
由于只需要很少的外部器件就可以在很宽的范围内实现对VRLA 蓄电池的精确快速充电，所以采用UC3906简化了VRLA 蓄电池充电器的设计过程。
2.1.3 5V 电源电路设计
12V 蓄电池电源分别为LED 和工作电压为5V 的芯片供电。其中，5V 电源是由12V 电源通过LM7805稳压芯片得到。采用LM7805系列三端稳压IC 组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。由蓄电池12V 电源得到5V 电源的电路如图3所示。
图3 5V 电源电路
LM7805最大输出电流为1.5A ，能够满足单片机及外围电路各芯片功率的需求。在使用LM7805稳压芯片时，要注意输出电压差约为2V ，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4～5。CS 1、CS 2和CS 3、CS 4分别为输入端和输出端滤波电容，使稳压器输出比较纯净的5V 电压。图中RS 1阻值为零，用来减小模拟地对数字地的干扰。
2.2 LED 驱动电路设计
2.2.1 LED 驱动方式选择
LED 的驱动方式可以分为两大类：恒流式和稳压式。由于LED 的电流和电压的关系与环境温度及生产工艺有关，所以LED 工作在电压模式下易导致LED 失控。因此，驱动LED 的最佳方法是使其工作在电流模式下，即恒流驱动。恒流驱动实现的方法是通过检测串联电阻的电压作为反馈，来调节LED 和电阻之间的电压，使串联电阻的电压保持在一定的范围内，保证电路的电流是恒定的，
达到恒流驱动的目的。
2.2.2 LED 驱动电路
1） 驱动芯片选择
系统设计是两相位控制，采用将反方向同色的这组交通信号灯串联，可以通过单片机某一端口控制。单片机控制六组交通信号灯完成交通信号灯两相位的控制。每一组组交通信号灯的电压为24V ，电流为0.667A 。由于蓄电池的工作电压是12V ，这就需要一个升压电路将蓄电池的电压升到24V ，并且能够满足0.667A 的输出电流。综合考虑之后，最后选择了升压恒流驱动芯片PAM2842。
2） LED 驱动芯片特性
PAM2842最大输出电压可达40V ，最大输出电流可达1.75A ，但总输出功率不能大于30W 。LED 信号灯的电流由串联的采样电阻决定，PAM2842要求其反馈电压为0.1V ，串联电阻的阻值就可以根据所要求的正向电流来设定。现在每一组交通信号灯的工作电流为0.667A ，那么反馈电阻为0.15欧，其损耗为0.06W ，对效率的影响可以忽略。
PAM2842的工作频率可以有三种选择：500kHz 、1MHz 、1.6MHz 。为降低其开关损耗，建议选择500kHz 开关频率，此时可以把RT 端接地。PAM2842具有很好的恒流特性，当输入电压从12V 降至10V 时，LED 中电流的变化还不到3%，这样就可以保证LED 的亮度基本不变。
芯片内部具有过压保护电路(OV)，只要根据V out =1. 2*(1+RR 13) 的公式调整RR 14
电阻参数就可以改变输出电压的最大值。如果出现一个LED 开路，芯片的升压会被限制而不至于过高，保护芯片本身不至于损坏。但由于所有LED 为串联，如果一颗LED 开路，必然会导致所有LED 不亮。但是，假如有一颗LED 短路，这时候，由于有恒流环控制，所以芯片会自动降低其输出电压，而保持流过LED 的电流不变，因此不影响其它LED 的工作。
此外，PAM2842是目前同类内置大功率MOSFET 恒流驱动芯片中，输出功率最大的。
图4 PAM2842驱动电路
3） PAM2842驱动芯片的工作原理
PAM2842驱动LED 的电路图如图4所示。其中，二极管必须采用低压降、大电流的肖特基二极管，以减小功耗，在这里选择IN5400；电感需要采用高饱和电流、低DCR （等效电阻）的电感，在这里选择33uH3A 的电感。我们设置输出电压的最大值为30V ，取RR 13=12K ，那么RR 14=288K 。
当使能管脚EN 为低电平时，芯片停止工作。当使能管脚EN 为高电平时，芯片被激活，进入工作状态。当检测到RR11两端的电压小于0.1V 时，也就意味着电路中的电流小于0.667A ，电阻和LED 两端的电压小于24V ，PAM2842接收到这一反馈之后，通过增大PAM2842内置大功率MOSFET 的占空比增加电感LR11的能量，由电感LR11和电容CR16共同完成升压。当检测到RR11两端的电压大于0.1V 时，PAM2842接收到这一反馈之后，通过减小PAM2842内置大功率MOSFET 的占空比来减小电感LR11的能量，由电感LR11和电容CR16共同完成降压。通过检测RR11两端的电压作为反馈，调整PAM2842内置大功率MOSFET 的占空比来改变电感LR11的能量，进而调整电容CR16两端的电压，从而达到了LED 信号的恒流控制。
2.2.3 光耦隔离电路
为了减小单片机与PAM2842之间的干扰，在单片机接口与PAM2842之间用光耦进行隔离，这里光耦选择型号为4N25。其电路为图5。
图5 光耦隔离电路
当RED1被单片机的IO 口置为高电平时，发光二极管导通，接收管接收到发光管发出的光线随即导通，导通之后，RED_1输出高电平，使得PAM2842的使能端有效，LED 交通灯发光；当RED1为低电平时，发光二极管截止，接收管截止，RED_1输出低电平，PAM2842的使能端无效，LED 交通灯熄灭，进而完成信号灯的控制。
2.3 人机界面电路
1） 人机界面概述
本系统的人机界面电路包括按键电路和液晶显示电路。按键电路采用4*4矩阵键盘电路组成，STC89C52利用查询的方法对按键状态进行判定。矩阵键盘又称为行列式键盘，它是由4条IO 线作为行线，4条IO 线作为列线组成的键盘。
在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这种行列式键盘能够有效地提高单片机系统中IO 口的利用效率。4*4个按键分配如下：0～9每一个数字对应一个按键，共十个按键；上下左右各一个；“确定”、“取消”各一个。
液晶显示电路采用的带有中文字库的液晶显示屏LCD12864。对交通信号灯控制参数进行设置时，单片机STC89C52通过查询按键的输入信号，经过处理后在LCD12864上显示出来，供设置人员更好的进行校对及修改等操作，从而建立了良好的人机交互环境。在系统进入工作状态时，单片机STC89C52将交通信号灯的运行状态显示在LCD12864。人机界面电路如图6所示。
图6 人机界面电路
2） 人机界面工作原理
4*4按键引脚Port0～Port7分别于STC89C52的P1.0～P1.7相连。4*4按键的处理过程如下：先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。经两次结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。通过获得的编码值来确定按键。
电路图中只画出LCD12864的引脚连接图，具体管脚连接见附表，管脚连接图见附图。带中文字库的12864是一种具有4位8位并行、2线或线串行多种接
口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII 字符集。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。单片机STC89C52与LCD12864之间的数据通信具体见《LCD12864使用说明》。
2.4 时钟电路
由于现在交通流大多存在时段分布不均的现象，需要对交通信号控制参数进行分段设置，这就需要用到时钟。本设计用到的时钟芯片是美国DALLAS 公司推出的一种高性能低功耗的实时时钟芯片DS1302。该芯片附加31字节静态RAM ，采用SPI 三线接口与单片机进行同步通信，并可采用突发方式一次传输多个字节的时钟信号和RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于30天时可以自动调整，并具有闰年补偿功能。工作电压宽大，在2.5～5.5V 范围内。采用双电源供电（主电源和备用电源）。时钟电路的设计要求就是能够提供给STC89C52准确的时间参数以及接收并采用基准时钟的时钟参数。其工作电路如图7。
图7 DS1302工作电路
其中，VCC 为5V 电源，而VCC2为利用3V 纽扣电池做成的备用电源。DS1302的双电源工作模式如下：DS1302是由VCC1和VCC2两者中较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电；当VCC2小于VCC1
时，DS1302由VCC1供电。当图1中开关闭合时，由于接在VCC2上的3V 纽扣电池电压为小于蓄电池经LM7805得到5V 电压，此时DS1302由5V 供电；当图1中的开关断开时，VCC1端没有电压，此时DS1302由3V 的纽扣电池供电。通过以上的方式就能够实现DS1302数据保存的功能。
2.5 单片机最小系统电路
单片机最小系统是整个系统最核心的部分。本系统采用的控制芯片是高可靠、低功耗、性价比高的单片机STC89C52。单片机最小系统有STC89C52芯片、复位电路及外围晶振。本设计中将STC89C52的外部晶振频率设置在11.0592MHz 。管教分配图见附表1。其电路如图8。
图8 单片机最小系统
第三章 软件程序设计
3.1 软件系统框图
软件系统框图可以看出本设计的软件系统主要由初始化、人机交互及信号灯控制三大模块构成。其中，初始化的内容包括定时器初始化、LCD12864初始化、单片机各IO 口初始化以及DS1302的初始化等。人机交互主要有权限验证、参数设置两部分内容。信号灯控制主要包括LED 信号灯时段配时、LED 信号灯时段控制。
3.2 人机界面权限验证及参数设定框图
权限验证及更改密码模式中，在没有掉电的情况下，事先将密码设置在程序存储空间内，通过权限验证之后，能够设置新的密码。掉电之后，修改的密码不能够被存储，密码恢复成原程序事先设置的密码。
时间参数的设置主要有时间段的设置和相位控制的时间设置。考虑到STC89C52的RAM 的存储空间，其设置时间段最多可设置成10段。
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第二章 单元电路设计与分析 . ...................................................................................................... 6
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2.5 单片机最小系统电路 . ................................................................................................... 18
第三章 软件程序设计 . ................................................................................................................ 19
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第四章 展望 . ................................................................................................................................ 22
第一章 系统概述
本设计是基于STC89C52单片机的两相位太阳能交通信号灯控制系统。该系统由STC89C52单片机、LCD12864、键盘、基于UC3906控制电路的太阳能充电电路、以及基于升压恒流驱动芯片PAM2842的LED 驱动电路组成。
本系统采用阀控密封式铅酸（VRLA ）蓄电池专用充电芯片UC3096将太阳能电池板的输出电能存储在12V 的蓄电池中。存储在蓄电池的电能分为两路，一路通过PAM2842的升压恒流控制作用将蓄电池的12V 升高到24V ，给每一组交通信号灯供电；另一路通过稳压芯片LM7805稳压作用输出5V 电压，给STC89C52、LCD12864、DS1302等芯片及电路供电。假设信号灯的四个方向为东南西北四个方向，那么，系统的总体框图如图1。
图1 系统总体框图
STC89C52通过人机界面得到交通信号灯的控制参数，经过处理之后，完成对交通信号灯的控制。太阳能电池板及蓄电池均为直流器件，考虑到太阳能电池
板及蓄电池的这一特性，我们选择直流12V8W ，200mm 的交通信号灯，这样就减少了电路设计的复杂性。
系统的具体设计如下：
（1）太阳能电池板给整个系统供电。
（2）整个系统的设计是一体的，便于携带的。
（3）两相位交通信号灯分时段控制。
（4）具有设置权限的功能。
（5）具有良好的人机界面。通过人机界面，工作人员能够查看、修改交通信号灯分时段的控制参数（包括黄灯过渡时间参数、红灯过渡时间参数及绿灯过渡时间参数）。
（6）开机运行相位启动时序：状态为黄闪12s ，全红7s 。
（7）能够做到连续3个阴雨天正常工作。
第二章 单元电路设计与分析
2.1 电源电路
2.1.1 太阳能电池板及蓄电池的选型及参数计算
电源电路包括LED 工作电源及单片机芯片及外围电路的工作电源。这两部分的电源是由12V 蓄电池总电源分支而来。12V 蓄电池电源电路是由太阳能电池板、UC3906、12V 蓄电池等构成。太阳能电池板将太阳能转换成的电能通过基于VRLA 蓄电池专用充电芯片UC3096的充电电路存储在蓄电池中，蓄电池中的电能成为整个系统的电源。为了满足系统的设计目标，蓄电池的容量及太阳能电池板的功率成为系统设计的关键指标。在这先介绍一下太阳能电池板和蓄电池的选型及参数选择。
目前市场上的太阳能电池板的种类大致分为三种：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池。虽然单晶硅具有较高转换率，发电性能稳定等优点，但是因其昂贵的价格，最终选择多晶硅太阳能电池。
基于普通铅酸蓄电池使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环
境问题等各方面的考虑，我们选用阀控密封式铅酸（VRLA ）蓄电池。VRLA 蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸电池的气涨、电解液泄漏等现象，具有使用安全可靠、能量高、成本低、使用寿命长、容量大、不漏液、安全等优点。
对于太阳能电池板和VRLA 蓄电池参数的选择则需要一些计算。计算过程[1]如下：
每一个LED 交通信号灯的功率为p =8W ，工作电压为v =12V 。正常情况下，每一时刻同时有4个LED 交通信号灯工作，那么，每一时刻负载的总功率为P =32W 。每一组交通信号灯（相反方向同色信号灯串联）的工作电压为V =24V 。假设该系统每天工作的时间为T 1=12h 。经查表可得，西安的太阳能标准峰值时间是T 2=3. 6h [2]。一个连续阴雨天的时间为T 3=3d ，两个连续阴雨天之间的间隔时间为T 4=20d 。太阳能电池组件的工作电压是V 1=18V 。
①负载日耗电量Q 为：
Q =(P /V ) *T 1=(32W /24V ) *12h =16(Ah )
②满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流I 1为：
I 1=Q *1. 05/T 2/0. 85/0. 9=16*1. 05/3. 6/0. 85/0. 9(A ) =7. 8431(A )
式中，1.05为太阳能充电综合损失系数；0.85为蓄电池充电效率；0.9为控制其效率。
③蓄电池容量C 为：
C =Q *(T 3+1) /0. 75*1. 1=16*(3+1) /0. 75*1. 1=100. 5714(Ah )
式中，0.75为蓄电池放电深度；1.1为蓄电池安全系数。
④连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量太阳能电池组件充电电流I 2为：
I 2=C *0. 75/T 2/T 4=100. 5714*0. 75/3. 6/20(A ) =1. 0476(A )
式中，0.75为蓄电池放电深度。
⑤太阳能电池组件的功率P s 为：
P s =(I 1+I 2) *V 1=(7. 8431+1. 0476) *18(W ) =160. 0336(W )
以上计算只是理论值，所以我们选择时要适当的增加。我们选择的蓄电池的规格为12V ，120（Ah ）；太阳能电池板的规格选择为两个18V ，80W 的太阳能电池板，总的最大峰值电流约为9.32A 。
2.1.2 VRLA 蓄电池充电电路设计
通过以上的计算参数，接下来，我们设计太阳能电池板给蓄电池充电电路。 根据VRLA 的温度特性，我们设计基于VRLA 蓄电池充电专用芯片UC3906的VRLA 蓄电池充电电路。UC3906作为密封铅酸蓄电池充电专用控制集成芯片，能够提供密封铅酸蓄电池的三种充电逻辑状态（大电流充电、可控过充电和浮充充电）控制，能使充电器的充电电压随电池电压温度系数的变化而变化，从而使密封式铅酸蓄电池在很宽的温度范围内能够达到最佳充电状态（如电池容量和使用寿命）、可分别对充电电流、充电电压（通过电压控制环和电流控制环）实现控制，具有静态工作功耗低的优点，能提供实现密封铅酸蓄电池最佳充电所需的控制和检测功能。
1） UC3906的特性和结构
UC3906内部结构框图如图2所示，该芯片内含有独立的电压控制电路和限流放大器，控制芯片内的驱动器可提供的输出电流达25mA ，可直接驱动外部串联调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。电压和电流检测比较器检测蓄电池的充电状态，并控制充电状态逻辑电路的输入信号。
图2 UC3906内部结构框图
当VRLA 蓄电池电压或温度过低时，充电使能比较器控制充电器进入浮充状态，该比较器还能输出25mA 浮充电流。这样，当VRLA 蓄电池短路或反接时，充电器只能小电流充电，避免因充电电流过大而损坏VRLA 蓄电池。
UC3906的非常重要的特性就是具有精确的基准电压，其基准电压随环境温度而变，且变化规律与VRLA 蓄电池电压的温度特性完全一致。同时，芯片只需1.7mA 的输入电流就可工作，这样可以尽量减小芯片的功耗，实现对工作环境温度的准确检测，保证VRLA 蓄电池既能充足电又不会严重过充电。除此之外，芯片内部还包括一个输入欠压检测电路以对充电周期进行初始化。这个电路还驱动一个逻辑输出，当加上输入电源后，脚7可以指示电源状态。
2） 充电过程及充电参数的确定
充电过程从大电流恒流充电状态开始，在这种状态下充电器输出恒定的充电电流I max ，同时充电器连续监控电池组的两端电压，当电池电压达到转换电压V 12时，电池的电量已经恢复到额定容量的70％～90％，充电器转入过充电状态。在此状态下，充电器输出电压升高到V oc ；由于充电器输出电压保持恒定不变，所以充电电流连续下降，当电流下降到I oct 时，电池的容量已达到额定容量的100％，充电器输出电压下降到较低的浮充电压V F 。充电过程如图2所示。
图1 UC3906充电状态曲线
VRLA 蓄电池的充电参数主要有过充电电压V oc 、浮充电压V F 、过转换电压V 12、最大充电电流I max 、过充电终止电流I oct 。它们与RX 1、RX 2、RX 3、RX 4、RXS 之间的关系可以从下面的公式反映出来：
RX 1+RX 2RX 1+RX 2+) =15V RX 3RX 4
RX 1+RX 2) =14. 5V 浮充电压 V F =V ref *(1+RX 3过充电压 V oc =V ref *(1+
过冲转换电压 V 12=0. 95*V OC =14. 25V
最大充电电流 I max =
过充电终止电流 I oct 0. 25V =10A >9. 32A [1](太阳能电池板最大输出电流) RXS 0. 025V ==1A RXS
V oc 、V F 和V ref 成正比。V ref 为2.3V ，温度系数是-3.9mV ℃。I max 、I oct 、V oc 、V F 可以独立地设置。只要所提供的输入电源允许或功率管可以承受，I max 的值可以尽可能的大。虽然某些充电器有过充保护电路，充电率可以达到甚至超过2C ，但是蓄电池厂商推荐的充电率范围是C20～C3。I oct 的选择尽可能的使VRLA 蓄电池接近100%充电。合适值取决于V oc 和在V oc 时VRLA 蓄电池充电电流的衰减特性。I max 和I oct 分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和检测电流的电阻RXS 决定。V oc 、V F 的值由内部参考电压V ref 和
外部电阻RX 1、RX 2、RX 3、RX 4组成的网络决定。
3） 电路设计
本电路的设计电路图如图2所示。由于充电器始终接在蓄电池上，为防止VRLA 蓄电池电流倒流入充电器，在串联调整管与输出端之间串入一支二极管。在选择QX 2和QX 3器件时必须要考虑它们是否能够承受，最终分别选择了TIP142（达林顿管）和MBR1040（二极管）。同时，为了避免输入电源中断后，VRLA 蓄电池通过分压电阻RX 1、RX 2、RX 3放电，使RX 3通过电源指示管（脚7）接地。
图2 UC3906充电电路
18V 输入电压加入之后，QX 1、QX 2导通，开始恒流充电，充电电流为太阳能电池板输出地最大电流9.32A （满足蓄电池厂商推荐的充电率范围C20～C3），VRLA 蓄电池电压逐渐升高。当VRLA 蓄电池电压达到过充电压V oc 的95％（即14.25V ）时，VRLA 蓄电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流（I oct ）时，UC3906的脚10输出高电平，比较器LM339输出低电平，VRLA 蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管（DXS1）发光，只是蓄电池已充足电。
由于只需要很少的外部器件就可以在很宽的范围内实现对VRLA 蓄电池的精确快速充电，所以采用UC3906简化了VRLA 蓄电池充电器的设计过程。
2.1.3 5V 电源电路设计
12V 蓄电池电源分别为LED 和工作电压为5V 的芯片供电。其中，5V 电源是由12V 电源通过LM7805稳压芯片得到。采用LM7805系列三端稳压IC 组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。由蓄电池12V 电源得到5V 电源的电路如图3所示。
图3 5V 电源电路
LM7805最大输出电流为1.5A ，能够满足单片机及外围电路各芯片功率的需求。在使用LM7805稳压芯片时，要注意输出电压差约为2V ，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4～5。CS 1、CS 2和CS 3、CS 4分别为输入端和输出端滤波电容，使稳压器输出比较纯净的5V 电压。图中RS 1阻值为零，用来减小模拟地对数字地的干扰。
2.2 LED 驱动电路设计
2.2.1 LED 驱动方式选择
LED 的驱动方式可以分为两大类：恒流式和稳压式。由于LED 的电流和电压的关系与环境温度及生产工艺有关，所以LED 工作在电压模式下易导致LED 失控。因此，驱动LED 的最佳方法是使其工作在电流模式下，即恒流驱动。恒流驱动实现的方法是通过检测串联电阻的电压作为反馈，来调节LED 和电阻之间的电压，使串联电阻的电压保持在一定的范围内，保证电路的电流是恒定的，
达到恒流驱动的目的。
2.2.2 LED 驱动电路
1） 驱动芯片选择
系统设计是两相位控制，采用将反方向同色的这组交通信号灯串联，可以通过单片机某一端口控制。单片机控制六组交通信号灯完成交通信号灯两相位的控制。每一组组交通信号灯的电压为24V ，电流为0.667A 。由于蓄电池的工作电压是12V ，这就需要一个升压电路将蓄电池的电压升到24V ，并且能够满足0.667A 的输出电流。综合考虑之后，最后选择了升压恒流驱动芯片PAM2842。
2） LED 驱动芯片特性
PAM2842最大输出电压可达40V ，最大输出电流可达1.75A ，但总输出功率不能大于30W 。LED 信号灯的电流由串联的采样电阻决定，PAM2842要求其反馈电压为0.1V ，串联电阻的阻值就可以根据所要求的正向电流来设定。现在每一组交通信号灯的工作电流为0.667A ，那么反馈电阻为0.15欧，其损耗为0.06W ，对效率的影响可以忽略。
PAM2842的工作频率可以有三种选择：500kHz 、1MHz 、1.6MHz 。为降低其开关损耗，建议选择500kHz 开关频率，此时可以把RT 端接地。PAM2842具有很好的恒流特性，当输入电压从12V 降至10V 时，LED 中电流的变化还不到3%，这样就可以保证LED 的亮度基本不变。
芯片内部具有过压保护电路(OV)，只要根据V out =1. 2*(1+RR 13) 的公式调整RR 14
电阻参数就可以改变输出电压的最大值。如果出现一个LED 开路，芯片的升压会被限制而不至于过高，保护芯片本身不至于损坏。但由于所有LED 为串联，如果一颗LED 开路，必然会导致所有LED 不亮。但是，假如有一颗LED 短路，这时候，由于有恒流环控制，所以芯片会自动降低其输出电压，而保持流过LED 的电流不变，因此不影响其它LED 的工作。
此外，PAM2842是目前同类内置大功率MOSFET 恒流驱动芯片中，输出功率最大的。
图4 PAM2842驱动电路
3） PAM2842驱动芯片的工作原理
PAM2842驱动LED 的电路图如图4所示。其中，二极管必须采用低压降、大电流的肖特基二极管，以减小功耗，在这里选择IN5400；电感需要采用高饱和电流、低DCR （等效电阻）的电感，在这里选择33uH3A 的电感。我们设置输出电压的最大值为30V ，取RR 13=12K ，那么RR 14=288K 。
当使能管脚EN 为低电平时，芯片停止工作。当使能管脚EN 为高电平时，芯片被激活，进入工作状态。当检测到RR11两端的电压小于0.1V 时，也就意味着电路中的电流小于0.667A ，电阻和LED 两端的电压小于24V ，PAM2842接收到这一反馈之后，通过增大PAM2842内置大功率MOSFET 的占空比增加电感LR11的能量，由电感LR11和电容CR16共同完成升压。当检测到RR11两端的电压大于0.1V 时，PAM2842接收到这一反馈之后，通过减小PAM2842内置大功率MOSFET 的占空比来减小电感LR11的能量，由电感LR11和电容CR16共同完成降压。通过检测RR11两端的电压作为反馈，调整PAM2842内置大功率MOSFET 的占空比来改变电感LR11的能量，进而调整电容CR16两端的电压，从而达到了LED 信号的恒流控制。
2.2.3 光耦隔离电路
为了减小单片机与PAM2842之间的干扰，在单片机接口与PAM2842之间用光耦进行隔离，这里光耦选择型号为4N25。其电路为图5。
图5 光耦隔离电路
当RED1被单片机的IO 口置为高电平时，发光二极管导通，接收管接收到发光管发出的光线随即导通，导通之后，RED_1输出高电平，使得PAM2842的使能端有效，LED 交通灯发光；当RED1为低电平时，发光二极管截止，接收管截止，RED_1输出低电平，PAM2842的使能端无效，LED 交通灯熄灭，进而完成信号灯的控制。
2.3 人机界面电路
1） 人机界面概述
本系统的人机界面电路包括按键电路和液晶显示电路。按键电路采用4*4矩阵键盘电路组成，STC89C52利用查询的方法对按键状态进行判定。矩阵键盘又称为行列式键盘，它是由4条IO 线作为行线，4条IO 线作为列线组成的键盘。
在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这种行列式键盘能够有效地提高单片机系统中IO 口的利用效率。4*4个按键分配如下：0～9每一个数字对应一个按键，共十个按键；上下左右各一个；“确定”、“取消”各一个。
液晶显示电路采用的带有中文字库的液晶显示屏LCD12864。对交通信号灯控制参数进行设置时，单片机STC89C52通过查询按键的输入信号，经过处理后在LCD12864上显示出来，供设置人员更好的进行校对及修改等操作，从而建立了良好的人机交互环境。在系统进入工作状态时，单片机STC89C52将交通信号灯的运行状态显示在LCD12864。人机界面电路如图6所示。
图6 人机界面电路
2） 人机界面工作原理
4*4按键引脚Port0～Port7分别于STC89C52的P1.0～P1.7相连。4*4按键的处理过程如下：先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。经两次结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。通过获得的编码值来确定按键。
电路图中只画出LCD12864的引脚连接图，具体管脚连接见附表，管脚连接图见附图。带中文字库的12864是一种具有4位8位并行、2线或线串行多种接
口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII 字符集。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。单片机STC89C52与LCD12864之间的数据通信具体见《LCD12864使用说明》。
2.4 时钟电路
由于现在交通流大多存在时段分布不均的现象，需要对交通信号控制参数进行分段设置，这就需要用到时钟。本设计用到的时钟芯片是美国DALLAS 公司推出的一种高性能低功耗的实时时钟芯片DS1302。该芯片附加31字节静态RAM ，采用SPI 三线接口与单片机进行同步通信，并可采用突发方式一次传输多个字节的时钟信号和RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于30天时可以自动调整，并具有闰年补偿功能。工作电压宽大，在2.5～5.5V 范围内。采用双电源供电（主电源和备用电源）。时钟电路的设计要求就是能够提供给STC89C52准确的时间参数以及接收并采用基准时钟的时钟参数。其工作电路如图7。
图7 DS1302工作电路
其中，VCC 为5V 电源，而VCC2为利用3V 纽扣电池做成的备用电源。DS1302的双电源工作模式如下：DS1302是由VCC1和VCC2两者中较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电；当VCC2小于VCC1
时，DS1302由VCC1供电。当图1中开关闭合时，由于接在VCC2上的3V 纽扣电池电压为小于蓄电池经LM7805得到5V 电压，此时DS1302由5V 供电；当图1中的开关断开时，VCC1端没有电压，此时DS1302由3V 的纽扣电池供电。通过以上的方式就能够实现DS1302数据保存的功能。
2.5 单片机最小系统电路
单片机最小系统是整个系统最核心的部分。本系统采用的控制芯片是高可靠、低功耗、性价比高的单片机STC89C52。单片机最小系统有STC89C52芯片、复位电路及外围晶振。本设计中将STC89C52的外部晶振频率设置在11.0592MHz 。管教分配图见附表1。其电路如图8。
图8 单片机最小系统
第三章 软件程序设计
3.1 软件系统框图
软件系统框图可以看出本设计的软件系统主要由初始化、人机交互及信号灯控制三大模块构成。其中，初始化的内容包括定时器初始化、LCD12864初始化、单片机各IO 口初始化以及DS1302的初始化等。人机交互主要有权限验证、参数设置两部分内容。信号灯控制主要包括LED 信号灯时段配时、LED 信号灯时段控制。
3.2 人机界面权限验证及参数设定框图
权限验证及更改密码模式中，在没有掉电的情况下，事先将密码设置在程序存储空间内，通过权限验证之后，能够设置新的密码。掉电之后，修改的密码不能够被存储，密码恢复成原程序事先设置的密码。
时间参数的设置主要有时间段的设置和相位控制的时间设置。考虑到STC89C52的RAM 的存储空间，其设置时间段最多可设置成10段。