一款太阳能警示灯的设计和实现

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   摘  要:为满足交通安全、市政施工及其他安全警示场合的标志需要, 设计了一款太阳能警示灯。采用AT89C2051作为主控制器, LM358构成迟滞比较器, 完成了硬件电路和软件的设计, 实现了闪烁报警功能。该系统扩充方便、使用安全、取得了良好的社会效益。用太阳能作为能源, 光敏电阻作为感光元件, 闪烁时间和频率易于调节, 有效地起到了警示作用。

  随着城市化进程的加快, 城市建设与施工越来越多, 为防止过往车辆、行人发生事故, 通常在施工现场都要设置醒目的施工标志, 特别是夜晚和下雨、下雪、浓雾等天气危险性更大, 通常要开启警示灯以确保安全。为提高警示效果, 警示灯尽量工作在闪烁状态。文中介绍的一款太阳能警示灯, 电路采用太阳能电池板和蓄电池供电, 具有手控和光控两种功能。自动控制状态下, 天黑以后该电路能控制警示灯自动开启, 并使其工作在闪烁状态, 而在白天又能将警示灯自动关闭。也可采用手动控制, 白天也可使其工作, 便于调整, 成本低廉, 使用方便。

  1  系统概述

  本系统有手动控制和自动控制两种工作方式。手动控制状态下, 按下S1, 电路接通, 警示灯开始闪烁,提醒车辆或行人注意。自动控制状态下, 受环境光线控制, 光敏电阻的阻值大小可控制继电器的通断, 从而控制警示灯的工作状态。当白天光线好时, 光敏电阻阻值较小, 继电器断开, 警示灯不闪烁。当夜晚光线较暗时, 光敏电阻阻值变大, 比较器输出高电平,继电器闭合, 警示灯通电开始闪烁, 起到警示作用。

  2  硬件设计

  本系统一共由4 部分组成: 电源单元、光控单元、主控MCU单元和LED发光单元。

  2.1  电源单元

  本系统采用太阳能电池板经二极管1N5403给12 V蓄电池充电, 12 V 蓄电池经7805稳压后给AT2051供电, 夜晚或阴天时由蓄电池供电。BT2为12 V蓄电池,D1 为电源指示灯。电源单元如图1所示。

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图1  电源单元

  2 .2  光控单元

  MG1为光敏电阻, 光敏电阻器是利用半导体光导效应制成的一种特殊电阻器元件, 其特点是对光线较敏感, 有光线照射时, 电阻阻值很小, 无光线照射时, 电阻阻值迅速增大, 呈高阻状态。VR1 为可调电阻, U21A 为LM358, VT21为8050, K 1 为JZ- 23F( 4123)型继电器。VR1、MG1、R 21、R 22、R24组成迟滞型比较器, D 2 为继电器的放电二极管。R 24为正反馈电阻, 引入该电阻后, 比较器具有滞回特性[ 4] , 即具有惯性, 因而也就具有一定的抗干扰能力, 如去掉该电阻, 在光线变化到临界状态时, 如有外部干扰或输入电压在阈值电压附近的任何微小变化, 都将引起输出电压的跃变, 造成继电器反复吸合, 工作状态不稳定。当白天光线强时, 光敏电阻MG1 电阻较小,压降也较小, 比较器输出电平为低, VT21截止, 继电器不导通, LED灯单元不工作。当夜晚光线较暗时,MG1 暗电阻较大, 可达上百k  以上, MG1 上电压较高, 比较器输出为高电平, VT21导通, 驱动继电器导通, LED 发光单元通电后工作。S1 为手动开关, 如白天想让其工作时, 按下S1 即可。光控单元如图2所示。

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 图2  光控单元

  2.3  主控MCU 单元

  AT89C2051是一个低电压, 高性能CMOS 8位单片机, 片内含2 kB 的可反复擦写的只读F lash程序存储器和128 B 的随机存取数据存储器( RAM ) , 兼容标准MCS- 51指令系统, 片内置通用8位中央处理器和F lash存储单元, 功能强大, 仅有20个引脚, 其中P1 是一个完整的8位双向I/O 口。

  该单元采用了AT89C 2051 单片机作为中央处理芯片, 使得该系统的功能修改与扩展比较方便,如需修改闪烁频率与时间, 只要更改相应的软件即可。

  RP1为排电阻, 阻值为5 k  , R1 ~ R4 为限流电阻。输出使用了P1 0 ~ P 1 3这4个端口, 由于LED 发光单元的电流大一些, 在输出端口使用了NPN 型*率晶体管BD435来扩流, 也可采用PNP型晶体管,修改相应程序即可。主控MCU 单元如图3所示。使用Prote l 99SE 对该电路进行印制板布线, 以AT89C2051为核心布局, 电源输入端在上侧, 信号输出端在右侧, 利用感光法制作出警示灯印制板, 印制板图和实物如图4所示。

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图3  主控MCU单元

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图4  警示灯印制板图和实物

  2.4  LED发光单元:

  采用LED 做为发光单元, 具有耗电小、亮度高、稳定性好、寿命长的优点。供电电压为12 V, 一共由4个发光板组成。LED 的颜色为红色和蓝色, 考虑到不同颜色的LED压降不同, 每个发光板由3个LED串联为一组, 5组并联构成一个发光板, 每个发光板共由15只LED 组成。LED发光板原理如图5所示。

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图5  LED发光板

  3  软件设计

  根据视觉感受, 发光的时间在50 ms时效果较好,闪烁4次后停顿1 s, 然后依次闪烁。LED 灯闪烁的顺序为LED1闪烁4次 LED1、LED2闪烁4次 LED1、LED2、LED3闪烁4 次 LED1、LED2、LED3、LED4闪烁4次 LED1闪烁4次。系统软件部分主要由延时和循环构成, 程序流程图如图6所示。

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图6  流程图

  4  结束语

  此警示灯系统适用于城市市政建设、道路施工现场及交通路口等, 可有效地提醒车辆或行人注意安全, 起到警示作用。该警示灯系统成本低廉、工作可靠、便于修改和扩充。