[課程設(shè)計]太陽能LED交通警示板的設(shè)計(共8頁)

1、太陽能LED交通警示板摘要本系統(tǒng)實現(xiàn)的交通警示板，由充放電模塊、傳感器模塊、太陽能電池模塊、光控電路、瞬時光照保護電路、LED閃爍電路、計數(shù)顯示模塊等組成。該系統(tǒng)實現(xiàn)了白天車輛統(tǒng)計，夜晚警示交通，白天夜晚自動切換。并且，該系統(tǒng)充分考慮了系統(tǒng)實際運行環(huán)境，提高了電路穩(wěn)定性。例如，該系統(tǒng)中設(shè)計的充放電保護裝置有效地防止了過充電和過放電，瞬時光照保護電路避免了夜間光源干擾。AbstractThis design realizes the traffic warning, it composes of charge-discharge model, sensor model, solar batter

2、y model, solar-controlled circuit, instant lighting protect circuit, LED flash circuit, count and display model and so on. This design realizes the motor count in daytime, and warns the traffic in night, and it can be auto convert. Farther more, the design considers the real circumstance, and improv

3、es the circuit steady. For example, the charge-discharge protect model can protect the circuit effectively, while the instant lighting protect circuit can avoid the light source interrupt in night.編號 ： 144作者 ： 裘世棟 潘忠偉 朱振佳（浙江萬里學院電子信息工程系）賽前輔導老師 ： 吳耀輝 柯博林一核心模塊的方案設(shè)計與論證本系統(tǒng)太陽能LED交通警示板的實現(xiàn)，采用了太陽能作為能源，通過充放電電

4、路，使光能能轉(zhuǎn)化為鉛蓄電池的能源，并實現(xiàn)對鉛蓄電池的充電，接入限制過充放電電路，實現(xiàn)了過充放電的保護。白天光照條件下，電池充電，同時提供傳感器對車輛的計數(shù)的電源，在夜間由于光控電路的作用可以LED數(shù)碼管的正常工作，運用555定時器工作實現(xiàn)LED數(shù)碼管的閃爍，警示燈光顯示為“日”字，在電路降低工作電流方面，我們盡可能少用大功率元件和去掉沒有實際作用的元件，設(shè)計的系統(tǒng)達到題目的要求。1.充電電路選擇與論證：方案一：通過把雙電壓比較器LM393的兩個反相輸入端連接在一起，并由穩(wěn)壓管提供的基準電壓做比較電壓，兩個輸出端分別接反饋電阻，將部分輸出信號反饋到同相輸入端，這樣就把雙電壓比較器變成了雙遲滯電壓

5、比較器，可使電路在比較電壓的臨界點附近不會產(chǎn)生振蕩。當太陽光照射的時候，硅太陽電池組件產(chǎn)生的直流電流經(jīng)過常閉觸點和電阻，使LED發(fā)光，等待對蓄電池進行充電；閉合，三端穩(wěn)壓器輸出8V電壓，電路開始工作，過充電壓檢測比較控制電路和過放電壓檢測比較控制電路同時對蓄電池端電壓進行檢測比較。該方案的不足之處是采用常規(guī)的直流充電，速度較慢。方案二：利用太陽能對蓄電池充電，設(shè)計了充電電路（如下圖所時），其中LM324運放這一模塊產(chǎn)生脈沖信號，LED指示燈連續(xù)閃爍，使三極管不間斷地導通，通過電感不間斷地對蓄電池充電，達到一定電壓，當通過變阻器Rp，對電壓的電壓取樣，通過運放LM324比較器，來控制LM324產(chǎn)

6、生脈沖，即控制太陽能對蓄電池的充電過充情況，其中電阻R13和二極管組成的反饋電路與過放反饋電路的作用的一樣的。在設(shè)計中給蓄電池加上充、放電保護裝置，防止過充和過放電。方案二采用脈沖充電，速度快，效率高，所以本系統(tǒng)采用方案二。2.光控電路選擇與論證：方案一：利用光敏電阻搭建的電路圖1-1 利用光敏電阻搭建的電路工作原理如圖1-1。當有光照射到光敏電阻時，其阻值減?。◣资甂左右），光敏電阻兩端的電壓很小Q1基極電壓被拉低而截止，Q2基極電壓升高Q2截止，Q3基極電壓降低而截止，LED滅；反之光敏電阻沒有光照時，其阻值增大（幾M），Q1基極電壓升高并使其導通，Q2基極電壓降低，Q2飽和導通，Q3基極

7、電壓升高而導通，LED燈發(fā)光。該電路可以設(shè)置在夜間事故隱患的路段，白天可以關(guān)閉，夜間LED亮，實現(xiàn)白天關(guān)閉，夜間亮的功能。方案二：利用電容、穩(wěn)壓管形成的電路圖1-2 利用電容、穩(wěn)壓管形成的電路經(jīng)過比較，方案一、方案二都能在白天和夜間實現(xiàn)控制電路 的開啟與關(guān)閉功能。但是方案一對瞬時的強光還是有敏感的作用。方案二由于電容的緣故，當有瞬時光照時，電容的兩端的電壓不會改變，響應(yīng)會比較慢，所以遏止了瞬時光照的作用。所以，我們選用方案二。3傳感器模塊方案比較：傳感器部分，事先考慮到市場上買來的光電開關(guān)，由于那些光電開關(guān)要供電12V才能進行工作。但是根據(jù)競賽題目的要求，卻不符合。沒有36V的電源提供，只能選

8、用傳感器進行設(shè)計。方案一：經(jīng)過市場搜尋，發(fā)現(xiàn)有光電開關(guān)ECF-10/DN1需配對使用，可以實現(xiàn)脈沖觸發(fā)源。該方案光電開關(guān)所要求的電源開關(guān)響應(yīng)快。器件使用說明上提示工作電壓為636V，但是經(jīng)過實際調(diào)試，發(fā)現(xiàn)6V電壓根本無法驅(qū)動此傳感器工作，與本系統(tǒng)不符。方案二：經(jīng)過再次市場搜尋，發(fā)現(xiàn)有熱釋電紅外傳感器，但是工作電壓也要12V以上。通過比較以上兩方案產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)方案一產(chǎn)品不易改裝，所以放棄選用。而方案二雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是芯片中電壓驅(qū)動裝置經(jīng)過仔細研究，能成功改裝。熱釋源紅外傳感器經(jīng)過內(nèi)部電路的改裝，使之能感應(yīng)汽車或人的熱源，而產(chǎn)生脈沖源，雖然感應(yīng)的靈敏度沒有光電高，但從價格方面考慮比較便宜，又能滿足

9、我們競賽的需要。經(jīng)過比較，所以本系統(tǒng)選擇方案二。二系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)1充放電模塊利用太陽能對蓄電池充電，設(shè)計了充電電路（如下圖所時），其中LM324運放這一模塊產(chǎn)生脈沖信號，LED指示燈連續(xù)閃爍，使三極管不間斷地導通，通過電感不間斷地對蓄電池充電，達到一定電壓，當通過變阻器Rp，對電壓的電壓取樣，通過運放LM324比較器，來控制LM324產(chǎn)生脈沖，即控制太陽能對蓄電池的充電過充情況，其中電阻R13和二極管組成的反饋電路與過放反饋電路的作用的一樣的。在設(shè)計中給蓄電池加上充、放電保護裝置，防止過充和過放電。詳細原理見圖1-3。圖1-3 充電電路原理圖2限制過放電電路的設(shè)計在本限制過放電電路中，運放

10、起比較作用，當運放的正端電壓高于負端電壓，使三極管導通，使繼電器長閉開關(guān)斷開，從而停止工作。具體原理詳見圖1-4。其中100K電阻和二極管起正反饋作用，使運放正端電壓保持穩(wěn)定，使三極端導通保持穩(wěn)定性。至于電路圖參數(shù)的確定，電路正常工作時穩(wěn)壓管兩端電壓5.1V，運放負端電壓稍大于5.1V， R2電路計算公式為 ，由設(shè)計經(jīng)驗得R1通常1030K，這里取22K，計算得R2約為180K。圖1-4 限制過放電電路原理圖3 LED閃爍延時控制及瞬時光照保護電路的設(shè)計LED閃爍延時控制電路：555是一個多諧振蕩器，這個用來做定時控制電路。具體原理見圖1-5右邊部分。在白天持續(xù)光照下，產(chǎn)生電壓使三極管K1導通

11、，使復(fù)位引腳4為低電平，555電路不工作。這時，三極管K2導通，在A點產(chǎn)生低電平，從而使LED數(shù)碼管不亮。在夜間不產(chǎn)生電壓從而K1不導通，使復(fù)位引腳4為高電平，使555電路開始工作，從而使3腳產(chǎn)生波形。一對二極管電路可控制輸出波形的占空比。這里一般選用方波，0.5秒閃爍間隔。當3腳輸出為高電平時，K2導通使B點為低電平。因為A點為高電平時，使AB之間有個電勢差使LED數(shù)碼管發(fā)光。當3腳輸出為低電平時，K2不導通使AB之間電勢差不足以使LED發(fā)光，這樣就實現(xiàn)了一閃一閃效果。 圖1-5 LED閃爍延時控制電路瞬時光照保護電路：當在夜間，有閃電、強烈瞬時光照的時候，產(chǎn)生瞬時電壓，使穩(wěn)壓管達到一定電壓

12、后擊穿導通，從而對進行充電，因為電容兩端的電壓不能瞬時突變，從而使三極管K1的基極保持低電壓。因為電容充滿電產(chǎn)生高電平使三極管K1導通的過程還需要一定時間。所以，555電路對瞬時光照不響應(yīng)，只有持續(xù)的光照才行，從而起到保護作用，使夜間正常閃爍，警示車輛小心駕駛。具體原理見圖1-5左邊部分。4車輛計數(shù)模塊的設(shè)計車輛計數(shù)模塊：這塊電路我們用到CD4510芯片和CD4500配對使用計數(shù)驅(qū)動LED數(shù)碼管，CD4510是加/減計數(shù)器，本電路用到的是加法計數(shù)器，上升沿觸發(fā)計數(shù)。兩片CD4510分別對應(yīng)十位和個位計數(shù)，通過兩片譯碼驅(qū)動芯片CD4511驅(qū)動LED來顯示通過車輛數(shù)目。15腳的時鐘脈沖由熱釋電傳感

13、器來提供，從而實現(xiàn)對車輛的感應(yīng)，當有車輛經(jīng)過時，傳感器產(chǎn)生高電平信號，通過一個與非門電路變?yōu)榈碗娖剑诮尤隦S觸發(fā)器，輸出比較規(guī)則的波形，實現(xiàn)“去抖動”， 1K電阻和0.068uf電容形成的回路， 使電平信號穩(wěn)定，來實現(xiàn)LED七段數(shù)碼管顯示計數(shù)，來一個時鐘脈沖計一次，最高為99，從而實現(xiàn)了對車輛的計數(shù)功能。 車輛計數(shù)模塊電路圖傳感器，是我們利用了市場上的器件，通過自己對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的替換和改裝之后能使用在我們計數(shù)器觸發(fā)感應(yīng)所需的電路上，傳感器只在有感應(yīng)的信號線產(chǎn)生高電平觸發(fā)斜坡。本來就考慮直接當作時鐘脈沖作為CD4511計數(shù)器的芯片計數(shù)器的 脈沖。但在實驗調(diào)試過程中，由于傳感器內(nèi)部有繼電器產(chǎn)生有抖

14、動輸出，使計數(shù)，顯示部分發(fā)生錯誤，輸出不穩(wěn)定。經(jīng)過后來的調(diào)試和改進，在構(gòu)建一個“去抖動”電路，本電路采用了RS觸發(fā)器和一個非門，利用CD4011剛好實現(xiàn)這一功能。當傳感器輸出高電平時，經(jīng)過一個非門變?yōu)榈碗娖剑俳?jīng)過RS觸發(fā)R端輸入，RS觸發(fā)輸出的高電平可以更穩(wěn)定，從而實現(xiàn)了“去抖動”，再經(jīng)過一個電阻與電容的并聯(lián)電路作為CD4510的時鐘脈沖。因為電容的兩端電壓不會突變，起到了緩和電壓突變，就實現(xiàn)了穩(wěn)定的脈沖作為時鐘脈沖信號。三系統(tǒng)功能實現(xiàn)與測試結(jié)果1 基本部分（1）光伏板白天光照充電因為白天陽光比較強烈，使光伏板兩端能產(chǎn)生足夠的電壓，對蓄電池進行充電。同時，通過光控電路使得圖1-5中的三極管K

15、1導通，促使555電路的復(fù)位電平為持續(xù)低電平。在測試中，把電路板放到屋外陽光直射下，發(fā)現(xiàn)指示充電的紅色二極管在閃爍。過了一小時，經(jīng)過電壓表測試，電壓比一小時前有明顯的上升。（2）蓄電池為電源的LED閃爍工作裝置工作情況在夜間實驗中，LED有0.5秒間隔的閃爍。通過調(diào)整555電路6、7引腳間的電阻值，發(fā)現(xiàn)LED閃爍間隔有變化。這是555電路的占空比被改變了。（3）光伏板控制LED白天關(guān)閉、夜間開啟的實驗在實驗中，把電路板放到屋外強光照射下，發(fā)現(xiàn)警示LED不亮，顯示LED紅外感應(yīng)計數(shù)。而把電路板放到屋內(nèi)陰暗的地方，警示LED閃爍，顯示LED不亮。這里需要說明的是，由于電路板空間有限，我們把警示LE

16、D與顯示LED分別用兩套數(shù)碼管實現(xiàn)。2、發(fā)揮部分（1）車輛計數(shù)在實驗中，把電路板放到屋外強光照射下，熱釋電紅外傳感器對準馬路，當有汽車或行人通過時，發(fā)現(xiàn)LED計數(shù)器增1。（2）過充電和過放電的控制在圖1-3的下半部分就是過充保護電路，而圖1-4就是過放保護電路。從實際電路來看，充放電情況良好（3）外界瞬時光照（如夜間閃電、過往車輛燈光等）誤動作避免 夜間，把電路板放在白熾燈下，當開關(guān)打開一段時間后，充電指示燈亮，顯示LED亮，警示LED滅。而當白熾燈開關(guān)開啟又瞬間關(guān)閉時，警示LED不受影響，正常閃爍。由此可見，該系統(tǒng)對瞬時光照不產(chǎn)生誤動作。（4）延長工作時間的措施在本系統(tǒng)中，沒有設(shè)計專門電路降

17、低蓄電池工作電流。但是在整體電路設(shè)計中，我們在小功率元器件能滿足的情況下，不采用大功率元器件。例如，在電路中，同樣是PNP的管子9013和9014，耗電功率9014大。并且，在電路調(diào)試完善中，盡量去掉了沒有實際意義的元器件。（5）其他功能實現(xiàn)情況在傳感器模塊中，當外界有熱源使傳感器觸發(fā)產(chǎn)生高電平時，會產(chǎn)生高次諧波，而且信號抖動不穩(wěn)。我們就加裝了一個RS觸發(fā)器，使它輸出的波形比較的整齊。四調(diào)試中部分問題的解決通過系統(tǒng)整體元器件參數(shù)的選定，降低蓄電池的工作電流，延長電池工作時間。在調(diào)試系統(tǒng)過程中，由于天氣原因。太陽能光伏板產(chǎn)生的電壓值比較小，所以在光控電路這一模塊中產(chǎn)生的電壓不足以使三極管K1導通，使得光控模塊誤認為在夜間，就產(chǎn)生一閃一閃的效果，經(jīng)改變，把太陽能用一個鉛蓄電池替代，再加