一款太阳能警示灯的设计和实现

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。

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。

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。

图3 主控MCU单元

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。

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。

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。

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