一种光伏太阳能控制的野外警示装置的设计与制作毕业论文.docx

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一种光伏太阳能控制的野外警示装置的设计与制作毕业论文

毕业设计论文

一种光伏太阳能控制的野外警示装置的设计与制作

摘要

本文设计的是一种基于单片机控制的野外警示装置的设计与制作，是由光伏太阳能电源电路，声控电路，光控电路，单片机控制电路，液晶显示电路等电路组成，主要功能是为了实现行人在夜间路过施工路段时不仅有显示屏警告，还有指示灯警告，无人的时候没有任何显示的一种声光控制装置，该电源设计为利用光伏太阳能板给蓄电池充电，再由蓄电池给整个电路供电，充分体现了当代节能环保的主题，既便民又节能。

该设计使用单片机和分立元件混合控制，结构简单，成本低、操作方便，克服了现有声光控制开关成本高，体积大等缺点，不仅节约资金，还节约能源，是野外施工的一种提醒警示装置。

关键字：

单片机，太阳能电池板，声控，光控

Abstract

Thisarticledesignsisonekindtheopencountrypolicewhocontrolsbasedonthemonolithicintegratedcircuitshowstheinstallmentthedesignandthemanufacture,isbendsdownthesolarenergypowercircuitbythelight,thevoicecontrolelectriccircuit,thelightcontrolstheelectriccircuit,themonolithicintegratedcircuitcontrolcircuit,electriccircuitsandsoonliquidcrystaldisplayelectriccircuitiscomposed,notonlythemainfunctionisinordertorealizethepedestrianpassedbytheconstructionroadsectionwhenatnighttohavethedisplaymonitortowarn,butalsosomeindicatinglampswarned,nobodytimeanydemonstrationonekindofacousto-opticscontroldevice,thispowersourcedesignforhasnotbentdownusingthelightthesolarenergyboardtothebatterycharging,againbytheaccumulatorcellfortheentireelectriccircuitpowersupply,fullyhasmanifestedthecontemporaryenergyconservationenvironmentalprotectionsubject,bothconvenientandconservesenergy.

Thisdesignusemonolithicintegratedcircuitandthediscretecomponentmixturecontrol,thestructureissimple,costlow,easeofoperation,overcametheexistingacousto-opticscontrollingswitchcosttobehigh,volumebigandsoonshortcomings,notonlysavedthefund,butalsosavedtheenergy,wastheopencountryconstructiononekindremindsthepolicetoshowtheinstallment.

Keywords:

Themonolithicintegratedcircuit,thesolarcellboard,thevoicecontrol,thelightcontrols

绪论

近年来，随着改革开放的深入发展，电子器件的飞速发展，人民的生活水平有了很大的提高。

电子器件已经进入了我们的生活，但是资源的浪费也是近几年来人们所要担心的问题，人们越来越依赖能源的使用，怎样节约使用能源，并能更好的服务于这个社会，是我们这次课题所要探讨的问题。

我们这次课题所要完成的是一种声光控的野外警示装置，应用于生活中的各个方面。

例如：

楼道，公共场所，交通事故指示牌，设施事故等，都需要有自动发电来提示人们注意安全，而用数字电路技术实现灯的自动发亮，节能节电，延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。

利用太阳能作为电源，太阳能不像煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。

太阳能一般指太阳光的辐射能量。

太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生方式，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。

本设计采用太阳能电池板18V电压给太阳能蓄电池充电，输出5V电压来给整个电路供电。

利用声光控延时开关来节约能源，适当警示人们，比如在公共场所，有些设施方法不能停车，基于单片机的警示装置来提醒人们这个地方不能停车。

在白天时，光控电路中的光敏电阻因有光线的照射，阻值变小，运放同向输入端为低电平，电路不饱和；在黑夜里，光控电路中的光敏电阻阻值变大，电路饱和，声控模块是采用声音经过MIC咪头传感器电压信号发生变化经过LM393比较器芯片，将高低电平输入到单片机IO，这样晚上有声音时，液晶上就会显示“禁止停车”，达到警示的作用。

本次设计通过查阅书籍和资料，以及在老师和同学的帮助下，最终完成太阳能警示电路。

电路原理图的设计，PCB的制作，元器件的选择，程序的编程，在这些过程中都会遇到各种各样的问题。

我们小组同心协力，共同努力，最终得出成果，在此过程中，我们两年所学的知识不断完善，加强了我们对电路分析，模拟电子技术，数字电子技术，实训电焊工艺的理解和巩固。

使我们在以后学习电子的道路上更加的充实，更加的自信。

第一章课题设计概述

1.1课题要求

1.能对周围光线的强弱做出反应，即当周围光线较弱（以人眼感官为准）时，能自动打开照明装置，并根据周围光线强度自动分级调节照明电路，同时具有声控功能，通过开关置于声控状态时，能自动开启照明电路，无声时有一定时间的延时后自动关闭电源。

2.具有控制状态的显示功能（字符显示或LED显示）。

3.能控制功率≤30W的照明装置。

1.2课题方案

利用光敏电阻和驻极体话筒将外界的光信号和声音信号转换为单片机能识别的电信号来控制警示灯。

图1-1电路设计框图

第二章电子线路设计

2.1电路设计的基本原则

电子线路设计是指根据设计任务、要求和条件，选择合适的方案，确定电路的总体组成框图，接着对各单元进行设计，最后得到满足技术指标的功能要求的完整电路图的过程。

一个好的设计出了完全满足性能指标和功能要求外，还要求电路简单可靠，系统集成度高，电磁兼容性好，性能价格比高，同时要求系统的功耗小、安装调试方便。

2.2理论分析

本设计的硬件设计的重点在于光信号和声音信号的接受控制电路、单片机的最小电路以及时钟芯片的控制电路。

光信号控制电路部分采用光敏电阻对光进行接收，并经过放大输出给单片机；声音信号控制电路采用驻极体话筒来采集声音，经过放大输出给单片机；单片机把处理好的信号发送给三极管用于驱动LED灯，时钟芯片用于定时控制灯的亮灭。

2.3电路分析

2.3.1光控电路模块

光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。

其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。

常用的电路有：

发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。

而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。

光控电路中有一个光敏电阻，光敏电阻的特性是它的内阻随光照的强弱变化而变化，在白天，光线照射强，光敏电阻器因有光线照射，其自身阻值很低，此时电源电流经过光敏电阻器，三极管的基极，三极管饱和导通，运放同向输入端为低电平，端口P10输出为低电平；但是在夜里，光敏电阻器失去了光照，电阻变得很大，运放同向输入端为高电平，端口P10输出为高电平。

经查阅光敏电阻的亮阻值R亮=2k,暗阻值R暗=2M,上拉电阻4R12的作用：

电阻嵌位在高电平,电阻同时起限流作用。

U基准=4R11/（4R11+4RP9）*Vcc,电位器的取值范围：

0～10K

有光照时：

光敏电阻阻值为2k，当电位器最大时：

Ux=4RP9/（R亮+4RP9）*Vcc,

Ux=4.2V

当电位器最小时：

Ux=0V；

计算得：

U基准，的电压取值范围在0～4.2V之间，

无光照时，光敏电阻阻值为2M，当电位器最大时：

Ux=4RP9/（R暗+4RP9）*Vcc,

Ux=0.02V;

当电位器最小时：

Ux=0V;

计算得：

U基准，的电压取值范围在0～0.02V之间，

U基准，取最大值时，

三极管最大基极电流：

Ib=（U基准，-0.7V）/4R10,Ib=0.67mA,

所有，三极管的基极电流取值范围在0～0.67mA之间。

图2-1光敏电阻图2-2光控电路

2.3.2声控电路模块

声控电路它是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。

常用的电路有：

小信号放大电路、声波控制电路等。

而常用的声控电路使用的是声波控制电路为主要的声控电路部分。

MIC咪头传感器是声光双控延时照明灯电路中的重要器件。

当有人在它附近走动产生响声时，它会把声波变成音频信号，经过比较器电平信号，然后传给单片机输入端。

咪头传感器是一个声-电转换器件（也可以称为咪头换能器），是和扬声器正好相反的一个器件（电→声）。

是声音设备的两个终端，咪头是输入的，扬声器是输出的。

咪头传感器又名麦克风，话筒，传声器，咪胆等。

图2-3咪头传感器

　咪头传感器，内部存在一个由振膜，垫片和极板组成的电容器，因为膜片上充有电荷，并且是一个塑料膜，因此当膜片受到声压强的作用，膜片要产生振动，从而改变了膜片与极板之间的距离，从而改变了电容器两个极板之间的距离。

这样初步完成了一个由声信号到电信号的转换。

由于这个信号非常微弱，内阻非常高，不能直接使用，因此还要进行阻抗变换和放大。

FET场效应管是一个电压控制元件，漏极的输出电流受源极与栅极电压的控制。

由于电容器的两个极是接到FET的S极和G极的，因此相当于FET的S极与G极之间加了一个Δv的变化量，FET的漏极电流I就产生一个ΔID的变化量，因此这个电流的变化量就在电阻RL上产生一个ΔVD的变化量，这个电压的变化量就可以通过电容C0输出，这个电压的变化量是由声压引起的，因此整个咪头传感器就完成了一个声电的转换过程。

经测量咪头传感器电阻ＲＭＣ＝1.5k，

V+=3R3*Vcc/（3R4+3R3）;V+=2.5V

当有声音时：

V-=Vcc*3R2/（Rp+3R2+RＭＣ）;V-max=5V,V-min=1V,

V-的范围在1——5V之间，当V-大于2.5时，输出低电平，当V-小于2.5.输出高电平。

当没有声音时：

V->V+,LM393输出低电平

图2-4声控电路

2.3.3时钟电路模块

时钟电路是产生CPU校准时序，是单片机的控制中心。

AT89C52的时钟信号可通

过内部振荡方式和外部振荡方式两种方式得到。

本次设计使用的是片内振荡方式，通过外接12MHZ的晶振来实现时钟电路的时序控制。

在使用片内振荡器时，X1和X2分别为反向放大器的输入端和输出端。

外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

晶体一般可以选择3M~24M，电容选择20pF左右。

我们选择晶振为12MHz,电容20pF图2-5时钟电路

石英晶振以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个20PF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

石英晶体振荡器的应用：

1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。

图2-6晶振

2.3.4复位电路模块

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。

只要该脉冲足够宽就可以实现复位.图2-7复位电路

2.3.5单片机模块

  单片机作为该设计的核心部分，其型号的选择非常重要，单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的，根据上述及本课题的实际情况，本文在众多的单片机类型中选取ATMEL公司的AT89系列单片机

AT89S52实现控制作用，该单片机具有以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机、内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写静态时钟方式，可以节省电能、支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序、晶振频率高达24M，运行速度更快、价格也比较便宜 12元/片。

AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图2-8单片机

图2-9控制电路

2.3.6电源电路模块

电源部分，蓄电池直流输入，经过4个1N4007桥式整流，然后经过稳压管LM7805，稳压得到5V电源。

电源部分还增加了电源指示灯，但指示灯亮，可以判断电源是否接通。

蓄电池充放电通过继电器来切换，当光敏电阻检测到光线强的时候，单片机输入低电平使得控制蓄电池充放电的继电器吸合，切换到充电，光伏太阳能和蓄电池直接接通，当光线弱的时候，单片机输入高电平，继电器断开，切换到放电，蓄电池给负载提供电图2-10蓄电池

图2-11电源电路

2.3.7灯电路模块

指示灯采用8个红色LED和9个绿色LED组成一个形状，当光线弱的时候，且有声音，单片机输出低电平控制LED继电器吸合，15个LED同时点亮，延时一段时候自动关闭继电器，关闭15个LED。

三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。

图2-12灯电路

2.3.8显示电路

显示电路由单片机、液晶及其外围电路组成。

电路的电源部分是通过场效应管7805给单片机及液晶提供+5V的电压。

显示电路分析：

将程序加载到单片机中来驱动液晶显示。

电路连接好之后通电，液晶上会显示“禁止停车”。

图2-13显示电路

2.4系统的电路原理图

主控芯片采用51系列单片机，传感器用到声音传感器MIC咪头传感器、光敏电阻传感器GL5626，控制开关采用小型家用继电器SRD系列，电路电源采用蓄电池供电，充电设备用光伏太阳能板。

光敏传感器原理，利用光敏电阻再有光照时候电阻值很小，反之光线弱电阻值很大特性，来设计电路一个高低电平变化电路，然后输入单片机IO口，同理声控模块也是采用声音经过MIC咪头传感器电压信号发生变化经过LM393比较器芯片，将高低电平输入到单片机IO作为判断依据。

蓄电池充放电通过继电器来切换，当光敏电阻检测到光线强的时候，单片机输入低电平使得控制蓄电池充放电的继电器吸合，切换到充电，光伏太阳能和蓄电池直接接通，当光线弱的时候，单片机输入高电平，继电器断开，切换到放电，蓄电池给负载提供电。

指示灯采用8个红色LED和9个绿色LED组成一个形状，当光线弱的时候，且有声音，单片机输出低电平控制LED继电器吸合，15个LED同时点亮，延时一段时候自动关闭继电器，关闭15个LED。

电源部分，蓄电池直流输入，经过4个1N4007桥式整流，然后经过稳压管LM7805，稳压得到5V电源。

电源部分还增加了电源指示灯，但指示灯亮，可以判断电源是否接通。

清晰图见附录C

图2-14电路原理图

第三章涉及相关硬件介绍及设计

3.1AT89C52单片机介绍

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用，图3-1为AT89C52外部引脚图。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

图3-1AT89C52外部引脚图

3.2单片机的主要功能特性

1、兼容MCS51指令系统

2、8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；

3、32个双向I/O口；

4、256x8bit内部RAM；

5、3个16位可编程定时/计数器中断；

6、时钟频率0-24MHz；

7、2个串行中断，可编程UART串行通道；

8、2个外部中断源，共8个中断源；

9、2个读写中断口线，3级加密位；

10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

3.3单片机的特殊功能

在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFR）。

并非所有的地址都被定义，从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当

一部分没有定义。

对没有定义的AT89C52单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

AT89C52除了有AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。

定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON（参见表3）T2MOD（参见表4），寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。

图3-2AT89C52

3.4AT89C52管脚说明

VCC：

电源

GND：

接地 

P0口：

P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接受指令字节：

在程序效验时，输出指令字节。

程序效验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。

此外，与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输出（P1.1/T2EX），具体如下表所示:

引脚号

功能特性

Ｐ１.０

Ｔ２（定时／计数器２外部计数脉冲输入），时钟输入

Ｐ１.１

Ｔ２ＥＸ定时／计数２捕获／重装载触发和方向控制

　　　　　　　　　　　表 ３.４ P1.0和P1.1的第二功能 

在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可

驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。

对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

P3口除了作为一般、的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如下表所示。

引脚号     

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2 

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）  

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

     RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续