太阳能LED交通警示板设计.docx

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太阳能LED交通警示板设计

摘要

本设计采用软硬件结合的方式实现，硬件电路主要包括：

充电电路（带充电保护功能）、放电保护电路、传感电路、计数与显示电路、稳压电路、A/D转换电路、太阳能光伏板自动跟踪控制系统七个模块。

AT89S52单片机是整个系统的核心部件，通过软件控制多个硬件电路的执行。

在编程时根据模块化的设计思路，采用C51语言来编写程序，主要包括：

昼夜的判断、白天时通过车辆的计数并用LED动态显示、夜间警示LED闪烁、防瞬时光照、控制电机跟踪、恢复电机到初始位置等模块。

设计中实现了白天计数，晚上闪烁，在光控开关控制下，白天开启、晚上关闭的功能，以及防闪电、车灯干扰的功能，并加有过充、过放保护装置。

除上述发挥部分外，又新增两个功能：

将太阳能光伏板安装在电机上，白天时通过控制电机旋转来跟踪太阳，充分利用太阳能，对电池进行充电；黑夜到来时，将电机复位到初始状态，第二天重新对太阳进行跟踪。

关键字：

充电，保护，单片机，计数显示

TheLEDSolarTrafficWarningBoardDesign

Abstract

Thisdesignusesthewayrealizationwhichthesoftwareandhardwareunifies,thehardwareelectriccircuitmainlyincludes:

Thechargingcircuit（beltchargeprotectionfunction）,theelectricdischargeprotectioncircuit,thesensingcircuit,thecountingandthedisplaycircuit,thevoltage-stabilizercircuit,theA/Dswitchingcircuit,thesolarenergylightbenddowntheboardautomaticfollowingcontrolsystemsevenmodules.TheAT89S52monolithicintegratedcircuitistheoverallsystemcorepart,controlsmanyhardwareelectriccircuitthroughthesoftwaretheexecution.Whenprogrammingactsaccordingtomodularthedesignmentality,usestheC51languagetocompiletheprocedure,mainlyincludes:

Whendiurnaljudgment,daytimethroughthevehiclescountingandwiththeLEDdynamicdemonstration,atnightpoliceshowstheLEDtwinkle,guardsagainsttheinstantaneousillumination,thecontrolelectricalmachinerytrack,restorestheelectricalmachinerytomodulesandsooninitialpoint.

Inthedesignrealizedthedaytimetocount,eveningglittered,controlledundertheswitchcontrolinthelight,daytimeopenedthefunctionwhich,theeveningclosed,aswellasguardedagainstthefunctionwhichthelightning,theheadlightdisturbed,andCanadahadhasimitatedhasputtheprotectivedevice.Besidesabovedisplaypart,alsoincreasestwofunctions:

Bendsdowntheboardthesolarenergylighttoinstallontheelectricalmachinery,whendaytimetracksthesunthroughcontrolelectricalmachineryrevolving,usesthesolarenergyfully,carriesonthechargetothebattery；Whendarknightarrivals,repositionstheelectricalmachinerytotheoriginalstate,seconddayscarryonthetrackagaintothesun.

Keywords:

Charge，Protection，Monolithicintegratedcircuit

3.1.6A/D转换电路…………………………………………………………………………………………………………………….9

第1章绪论

1.1设计的目的和意义

太阳能LED交通警示板具有不用电、节能、快闪等特点，适合不便于安装交流电源的路段，主要设置在路口、桥头等，夜间自身能够频闪红色光亮，提示过往车辆注意行驶安全，特别是在能源短缺的我国更加具有实用价值。

[1]

我所设计的太阳能LED交通警示板，能够全自动跟踪太阳，最大限度的将太阳能转化为电能，通过蓄电池的贮能保证了警示板夜间的正常工作，甚至可以为其他电器设备供电；同时还设计了充放电保护电路，延长了蓄电池的使用寿命，减小了故障发生的概率，为电路的实际应用做好了准备；通过对来往车辆的计数可以准确的把握路段的交通状况，为疏导交通配合整顿交通秩序提供了依据。

1.2设计任务与要求

1.设计任务

设计并制作一个交通警示板。

该装置以太阳能为能源，铅酸蓄电池为储能部件和电路工作电源。

该警示板设置在夜间有事故隐患的路段，LED不间断地闪烁。

白天可关闭。

2.设计要求

基本要求：

（1）设计并制作太阳能光伏板对电池的充电装置。

（2）设计并制作以电池为电源的LED闪烁工作的装置。

（3）设计并制作以太阳能光伏板为传感器的光控电路，控制LED在白天关闭、夜间开启。

发挥部分：

（1）在基本要求的基础上，利用LED作显示单元，设计制作该路段的白天通过车辆数量的传感、计数、显示装置。

最大显示数为99。

该装置在光控开关控制下，白天开启、晚上关闭。

（2）给蓄电池加上充、放电保护装置。

防止过充电和过放电。

（3）给光控电路增加避免瞬时光照（如夜间闪电、过往车辆灯光等）引起误动作的功能电路。

第2章方案设计选择

方案一：

模数结合

本设计可以单纯地通过模拟电路和数字电路相结合实现计数值的显示、直流电机的驱动和控制等功能。

在太阳能光伏板经充电电路对铅酸蓄电池进行充电后，由该电池经放电保护电路对各模拟电路与数字电路供电，计数与显示电路主要是用集成计数器CC40161、74LS48BCD译码器和显示器组成，所计数值由光电传感器组成的传感电路的脉冲提供。

直流电机由三极管设计的H桥电路进行驱动，两端加光敏电阻，通过I-V转换电路经OP07比较两者的大小来控制电机的左右旋转。

经过以上的方案大体可以实现设计要求。

[2]

方案二：

软硬结合

本设计还可以用软硬件结合的方式来实现，即通过单片机来设计一个总的控制系

统。

在由太阳能光伏板经充电电路对蓄电池进行充电后，蓄电池经放电保护电路和稳压电路对单片机供电，单片机通过软硬件控制计数与显示电路、太阳能光伏板自动跟踪控制系统等模块，其中的计数脉冲由传感电路（反射式光电传感器）从警示板所放路段中感应到车辆通过后提供给单片机，计数值又经三极管驱动后送到显示器中显示，通过对单片机程序的编写可实现LED在晚上以“日”字形闪烁，同时还能防止瞬时光照（如闪电、车灯）的干扰。

为了降低蓄电池的工作电流，延长电池工作时间，可通过夜间只显示一个数码管、将数码管的亮度调得较暗、将单片机特殊功能寄存器PCON的第五位——PCON.4置1等途径来实现。

在太阳能光伏板自动跟踪太阳的控制系统中，我们可以通过脉冲来产生PWM信号、再通过程序控制电机左右旋转，驱动电路采用H桥电路，当由白天进入黑夜后，电动机经软硬件控制回到初始位置，等待新一天的开始。

通过两个方案的比较，虽然都可以实现设计任务，但是前者使用器件比较多，电路比较复杂。

而后者相对来说比较简洁，控制比较方便，软件编程是主要设计的任务，经过综合比较我们应该选择后者，总的系统框图如图2.1所示：

图2.1总的系统框图

第3章系统设计

3.1系统硬件设计

3.1.1充电电路（带充电保护功能）

充电电路是本次设计的基础，也是各部分电路工作的前提。

方案一：

恒流充电

恒流充电是充电过程中充电电流保持恒定的充电方法。

阶段恒流充电是改进的恒流充电，开始阶段用较大的恒定电流充电，当被充电电池的端电压达到预定值后便转入较小的恒定电流充电阶段，直至充电结束。

方案二：

全自动充电

利用555时基集成电路，设计一个简单、可靠、实用的全自动充电电路。

将555集成时基电路2脚的电压调为5.5V，这样当蓄电池电压低于5.5V时，充电器开始对蓄电池电充电，此时3脚输出电压高于6V；将555时基集成电路6脚的电压调为6.6V，这样当蓄电池电压高于6.6V时，此时3脚电压输出为零伏，充电器停止对蓄电池电充电。

其中的D1为二极管，型号是IN4007，相当于开关的功能，在电路中起到充电保护的作用。

当蓄电池电压低于5.5V时，D1导通，充电器开始对蓄电池电充电；反之，

当蓄电池电压高于6.6V时，D1截止，该器件还实现了对蓄电池防过充电的保护功能。

其具体的充电电路如图3.1所示：

根据基本要求中的第1条，我们要通过太阳能光伏板对铅酸蓄电池进行充电，所采集到的电压不一定恒定，因此电流也不恒定，且从这些实际出发，选择方案二较佳。

3.1.2放电保护电路

为了防止蓄电池在给其他电路供电的过程中造成过放电的现象，应在电池引出来的线后紧跟一个放电保护电路[3]，如图3.2所示：

图3.2放电保护电路

图中的Vi从蓄电池两端直接引入，通过选定稳压管D1、电阻R1、电阻R2和电阻R4的值可以设定蓄电池电压降到某一值X以后进行放电保护，在电压低于X时由继电器实现防过放电的功能。

图中的运算放大器3140为比较器，将2脚的输入电压与3脚的基准电压进行比较，当V2>V3，表明此时的Vi>X，6脚输出低电平，继电器的常开开关与常闭开关仍保持原状，发光二极管LED3（红色）不亮；反之，当V2

3.1.3传感电路

要对白天时在警示板设置的路段中通过的车辆进行计数，车辆为非电量，计数需由电路来实现，为电量，因此需要一个将非电量转化为电量的装置，此装置即为传感器。

方案一：

采用热释电红外传感器

热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线并转换成输出电信号的传感器，利用它可组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。

其中敏感元件的输出电压极其微弱，而输出阻抗极高，故在传感器内部由偏置厚膜电阻（RS）及场效应管构成变换阻抗及放大信号电路。

热释电红外传感器在配用菲涅尔透镜后，灵敏度大幅提高，检测距离可由2m增加到12m左右，目前正广泛运用于自动照明、电动门、自动消防水龙头等领域。

我们可以通过用热释电红外传感器对车中人体红外线的测量，并将其转化为电量，进而对经过的车辆进行计数，从而达到计数的效果。

方案二：

采用反射式光电传感器

采用反射式光电开关传感器之一——槽型开关ST178，采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以相对的方向装在中间带槽的支架上。

当槽内无物体时，砷化镓发光管发出的光直接照在硅光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。

适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。

[4] 其外形图如图3.3所示：

图3.3槽型开关ST178

设计时的具体电路如图3.4所示：

图中的NPN型三极管的功能是能将ST178检测到的信号转化成相对稳定的方波从Vo输出，送给单片机的某一个引脚进行计数、显示。

3.1.4计数、显示电路

根据设计要求需要对白天时在警示板设置的路段中通过的车辆进行计数，并用

LED显示所计的数值，可采用一英寸的数码管进行显示，这部分电路由单片机控制，但由于其电流不足以显示，因此需要在2个LED上各加一个PNP型的驱动三极管，

具体电路图如图3.5所示：

图3.5计数、显示电路

3.1.5稳压电路

本设计由铅酸蓄电池作为电路工作电源，其电压在6.0V左右，而单片机的工作电压在+5.0V，因此需对其进行稳压。

从传统设计的角度看，要输出+5.0V的电压，可通过固定式三端集成稳压电源7805来实现。

考虑到7805只有在输入与输出电压差大于1.2V左右时，才能对输入进行稳压，即只有当Vi＞1.2V时，才能较好地使Vo=5.0V，此时要求电池的输出为6.2V左右，可所用的为6.0V左右的蓄电池，因此还需在7805前再加一个DC—DC变换器将电池两端的电压值进行升压。

[5]

DC—DC变换器控制电路的核心元件是MC34063,它是一种单片双极型线性集成电路,专用于直流—直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比可控的振荡器和大电流输出开关,能输出1.5A的开关电流。

它使用最少的外接元件能够构成开关式升压变换器、降压变换器和反向器。

MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式,内部电路原理框图如图3.6所示：

MC34063A内部原理框图

电流检测

比较器反相输入

V+

3.1.6A/D转换电路

为了实现单片机的控制，必须将硬件电路中的模拟信号转化为数字信号才能处理，本设计中ADC0809对两个光敏二极管的电压值、太阳能电池板两端的电压值进行模数转换，将数字信息送入单片机通过程序实现相应的功能。

[6]ADC0809模数转换的公式如下：

Vi*255/Vref=Vo

（1）

其中：

Vi为输入的模拟信号；

Vref为基准电压，可取+5V；

Vo为输出的数字信号。

3.1.7太阳能光伏板自动跟踪控制系统

①．设计目的：

提高太阳能电池的转换效率。

②．设计方法：

光敏电阻光强比较与精确数据处理相结合。

③．设计方案及原理

方案一：

定时法

根据太阳在天空中每分钟的运动角度,计算出太阳能电池板每分钟应转动的角度,从而确定出电动机的转速,使得电池板根据太阳的位置而相应变动。

这种方法优点是电路简单,但由于不同季节日出日落的时间不同,会降低该系统调整的精确度。

方案二：

坐标法

将3个光敏三极管放置在不同的朝向,一个竖直朝向天空,一个朝向正东方,另一个朝向正西方,太阳从不同角度照射到3个光敏管的光强不同,它们产生的光电流强度不同。

太阳光方向与正东方的夹角θ与光强（或光电流）的关系会发生变化。

依据θ值调整太阳能电池板的角度,使得太阳能电池板一直朝向太阳的方向。

其优点在于调整精确度较高,但实现电路过于复杂。

方案三：

太阳能电池板光强比较法

把两块完全相同的太阳能电池板按照一定的角度连接成“人”字型,它们既用作光电转化的电池,也起光敏器件的作用。

太阳光垂直照射地面时,两块电池板上得到的太阳光的能流密度完全相等,产生的光电流大小相等,此时控制它们方位的电动机不工作。

入射太阳光与地面的夹角改变时,如果甲电池板得到太阳光的能流密度大于乙得到的能流密度,则甲电池板产生的光电流强度就大于乙电池板的光电流强度,利用这一信号驱动电动机转动,使得电池板与太阳光的夹角同光垂直于地面时完全相同。

其优点为调节较为精确,电路也比较简单,但两个电池板之间的夹角始终存在,永远无法达到真正意义上的垂直。

方案四：

光敏电阻光强比较法

利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理,将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。

如果太阳光垂直照射太阳能电池板时,两个光敏电阻接收到的光照强度相同,所以它们的阻值完全相等,此时电动机不转动。

当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻值减小,驱动电动机转动,直至两个光敏电阻上的光照强度相同。

其优点在于控制较精确,且电路也比较容易实现。

对4种设计方案进行了对比筛选后认为：

定时法电路简单，但由于季节的影响,系统的控制精度较差;坐标法控制精度较高,但控制电路复杂;光强比较法使系统的太阳能利用率不能达到最佳;光敏电阻比较法电路实现最简单,对太阳能的利用率最大。

对光敏电阻比较法进行了构建,经分析调试,把构建的电路放在各种环境下进行测试,结果表明环境亮度不影响电路的准确控制,达到预期的性能指标,且运行可靠。

总之,本设计方案适宜于太阳能电池的实际应用,易于推广,为提高太阳光的利用率提供了重要的依据。

④．电路原理与电路实现

太阳能集能器自动跟踪装置采用了光电自动控制的原理与技术。

当信号探测器接收到太阳光线发生偏转的信号后，传给电子自动控制电路&通过模数转换对信号进行分析，给出指令，电机通过减速机构转动集能器，使其精确地对准太阳，从而实现了对太阳方位角和太阳高度角的二维自动跟踪，大大地提高了太阳能利用率。

基于以上原理选择控制精度高和电路易于实现的光敏电阻光强比较法（方案四）为最终方案,其实现电路的原理框图如图3.7所示：

A．信号采集部分用光敏电阻实现信号采集的电路原理，电路的输出信号只与照射在两个光敏电阻上光强的相对值有关,不受外界环境的影响,增加了装置的抗干扰能力。

B．数据处理部分通过编程来实现，可根据设计要求来编写所需的程序，对数据作相应的处理，提高执行的速度与效率。

C．CPU控制部分利用单片机的程序要求直接、有效地控制硬件电路，使他们具备相应的功能或实现具体的操作。

D．减速直流电机根据接受到的指令进行左右旋转，是太阳能光伏板在白天始终跟着太阳，实现对太阳的跟踪。

3.2系统软件设计

3.2.1昼夜判别

警示板的显示又分为白天显示与晚上显示，各自的要求截然不同，因此昼夜的判断就显得异常关键，应将其设置为主程序。

当单片机识别出为白天则执行白天的一系列子程序，实现要求的功能；当其识别出是晚上则执行晚上的一系列子程序，也实现要求的功能。

[8]其原理框图如下：

图3.8原理框图

3.2.2白天时段流程图

白天时，根据设计要求，需实现以下几个功能：

①．脉冲计数、计数值显示，最大显示数为99

②．电池板跟踪太阳

白天时的子程序：

图3.9白天时的子程序

3.2.3黑夜时段流程图

黑夜时，根据设计要求，需实现以下几个功能：

①．警示LED以“日”字形进行闪烁

②．电机复位

③．防瞬间光照

图3.10黑夜时段流程图

第4章系统调试

4.1充电电路部分

如图3.1，采用全自动充电装置，将555集成电路2脚的电压调为5.5V，4.7V的蓄电池接入，充电器开始对蓄电池充电，此时3脚输出电压6.2V；

将555集成电路6脚的电压调为6.6V，4.7V的蓄电池持续充电，直到6.6V时，此时3脚输出电压为0，停止充电。

由此可实现全自动的充电保护功能。

4.2放电保护电路部分

表4.1放电保护电路调试

蓄电池电压

LED3

是否开启放电保护

6.4V

3.4V

3.1V

不亮

否

6.6V

3.5V

3.1V

不亮

否

5.0V

2.6V

3.1V

亮

是

发光二极管LED3亮，从而提示蓄电池的电压已低于设定值，也标志着电路正在进行防过放电保护。

4.3计数、显示电路

如图3.5示，接通光电传感器与显示电路及单片机，显示00，通过一个物体后，显示01，来回移动物体，显示为02，03，04，05等当加到99时自动清零。

4.4稳压电路

输入Vi

DC变换后Vdc

输出VOUT

6.0V

7.75V

4.98V

6.2V

7.85V

5.00V

6.1V

7.83V

5.00V

6.3V

7.87V

5.01V

6.4V

7.88V

5.02V

表4.2稳压电路调试

4.5太阳能光伏板自动跟踪控制系统

写入跟踪程序，连接好AD、单片机、传感器、放有太阳能电板等，写入跟踪程序，以东西方向为横坐标，以上下为纵坐标，用台灯模拟太阳分别以0，15，30，45，60，75，90，105，120，135，150，165，180转动，测得的电池板的角度如表4.3：

表4.3电池板对应的角度

105

120

135

150

165

180

106

120

137

150

166

177

由上表数据可确定该系统基本实现了跟踪的功能。

4.6总系统运行调试

用日光灯照射时，显示00，通过物体时加1，当计数到99时清零，隔离光线后，电池板转到最东侧并停止不动，一个数码管开始以日字闪烁显示，（为省电只用一个数码管），用台灯的快速开关模拟闪电，电池板不动，仍旧以日字闪烁显示，再次开日光灯后，显示00，并以0，15，30，45，60，75，90，105，120，135，150，165，180的角度转动

表4.4测得的角度数据

105

120

135

150

165

180

106

121

137

150

168

179

结论

本系统的设计使太阳能LED交通警示板能够全自动跟踪太阳，从而能够最大限度的将太阳能转化为电能，通过蓄电池的贮能保证了警示板夜间的正常工作，或者可以为其他电器设备供电；同时我还设计了充放电保护电路，延长了蓄电池的使用寿命，减小了故障发生的概率，为电路的实际应用做好了准备；通过对来往车辆的计数可以准确的把握路段的交通状况，为疏导交通配合整顿交通秩序提供了依据。

致谢

时间如梭，转眼毕业在即。

回想在大学求学的四年，心中充满无限感激和留恋之情。

感谢母校为我们提供的良好学习环境，使我们能够在此专心学习，陶冶情操。

谨向我的论文指导老师致以最诚挚的谢意！

母校老师不仅在学业上言传身教，而且以其高尚的品格给我以情操上的熏陶。

本文的写作是得益于邵先秀老师的悉心指点，从论文的选题到体系的安排，从观点推敲到字句斟酌，无不凝聚着她的心血。

滴水之恩，当以涌泉相报，师恩重于山，师恩难报。

我只有在今后的学习、工作中，以锲而不舍的精神，努力做出点成绩，以谢恩师。

我必须感谢我的父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报。

作为他们的孩子，我秉承了他们朴实、坚韧的性格，也

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