課程設(shè)計(jì)---太陽能led交通警示板的設(shè)計(jì)

1、<p>　　太陽能LED交通警示板</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本系統(tǒng)實(shí)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(shí)光照保護(hù)電路、LED閃爍電路、計(jì)數(shù)顯示模塊等組成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了白天車輛統(tǒng)計(jì)，夜晚警示交通，白天夜晚自動(dòng)切換。并且，該系統(tǒng)充分考慮了系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，提高了電路穩(wěn)定性。例如，該系統(tǒng)中設(shè)

2、計(jì)的充放電保護(hù)裝置有效地防止了過充電和過放電，瞬時(shí)光照保護(hù)電路避免了夜間光源干擾。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design realizes the traffic warning, it composes of charge-discharge model, sensor model, solar batte

3、ry 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 a

4、uto convert. Farther more, the design considers the real circumstance, and improves the circuit steady. For example, the charge-discharge protect model can protect the circui</p><p><b>　　編號(hào) ： 144</b

5、></p><p>　　作者 ： 裘世棟 潘忠偉 朱振佳（浙江萬里學(xué)院電子信息工程系）</p><p>　　賽前輔導(dǎo)老師 ： 吳耀輝 柯博林</p><p>　　一．核心模塊的方案設(shè)計(jì)與論證</p><p>　　本系統(tǒng)太陽能LED交通警示板的實(shí)現(xiàn)，采用了太陽能作為能源，通過充放電電路，使光能能轉(zhuǎn)化為鉛蓄電池的能源，并實(shí)

6、現(xiàn)對(duì)鉛蓄電池的充電，接入限制過充放電電路，實(shí)現(xiàn)了過充放電的保護(hù)。白天光照條件下，電池充電，同時(shí)提供傳感器對(duì)車輛的計(jì)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(yùn)用555定時(shí)器工作實(shí)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(shí)際作用的元件，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到題目的要求。</p><p>　　1.充電電路選擇與論證：</p>&

7、lt;p>　　方案一：通過把雙電壓比較器LM393的兩個(gè)反相輸入端連接在一起，并由穩(wěn)壓管提供的基準(zhǔn)電壓做比較電壓，兩個(gè)輸出端分別接反饋電阻，將部分輸出信號(hào)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比較器，可使電路在比較電壓的臨界點(diǎn)附近不會(huì)產(chǎn)生振蕩。當(dāng)太陽光照射的時(shí)候，硅太陽電池組件產(chǎn)生的直流電流經(jīng)過Ｊ常閉觸點(diǎn)和電阻，使LED發(fā)光，等待對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；Ｋ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(cè)比較控制電

8、路和過放電壓檢測(cè)比較控制電路同時(shí)對(duì)蓄電池端電壓進(jìn)行檢測(cè)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。</p><p>　　方案二：利用太陽能對(duì)蓄電池充電，設(shè)計(jì)了充電電路（如下圖所時(shí)），其中LM324運(yùn)放這一模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)，LED指示燈連續(xù)閃爍，使三極管不間斷地導(dǎo)通，通過電感不間斷地對(duì)蓄電池充電，達(dá)到一定電壓，當(dāng)通過變阻器Rp，對(duì)電壓的電壓取樣，通過運(yùn)放LM324比較器，來控制LM324產(chǎn)生脈沖，即控制太

9、陽能對(duì)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(jì)中給蓄電池加上充、放電保護(hù)裝置，防止過充和過放電。</p><p>　　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。</p><p>　　2.光控電路選擇與論證：</p><p>　　方案一：利用光敏電阻搭建的電路</p><p>

10、;　　圖1-1 利用光敏電阻搭建的電路</p><p>　　工作原理如圖1-1。當(dāng)有光照射到光敏電阻時(shí)，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(shí)，其阻值增大（幾M），Q1基極電壓升高并使其導(dǎo)通，Q2基極電壓降低，Q2飽和導(dǎo)通，Q3基極電壓升高而導(dǎo)通，LED燈發(fā)光。該電路可以設(shè)置在夜間事故隱患的路段，

11、白天可以關(guān)閉，夜間LED亮，實(shí)現(xiàn)白天關(guān)閉，夜間亮的功能。</p><p>　　方案二：利用電容、穩(wěn)壓管形成的電路</p><p>　　圖1-2 利用電容、穩(wěn)壓管形成的電路</p><p>　　經(jīng)過比較，方案一、方案二都能在白天和夜間實(shí)現(xiàn)控制電路 的開啟與關(guān)閉功能。但是方案一對(duì)瞬時(shí)的強(qiáng)光還是有敏感的作用。方案二由于電容的緣故，當(dāng)有瞬時(shí)光照時(shí)，電容的兩端的電壓不會(huì)改變，

12、響應(yīng)會(huì)比較慢，所以遏止了瞬時(shí)光照的作用。所以，我們選用方案二。</p><p>　　3．傳感器模塊方案比較：</p><p>　　傳感器部分，事先考慮到市場(chǎng)上買來的光電開關(guān)，由于那些光電開關(guān)要供電</p><p>　　12V才能進(jìn)行工作。但是根據(jù)競(jìng)賽題目的要求，卻不符合。沒有36V的電源提供，只能選用傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　方案

13、一：經(jīng)過市場(chǎng)搜尋，發(fā)現(xiàn)有光電開關(guān)ECF-10/DN1需配對(duì)使用，可以實(shí)</p><p>　　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6～36V，但是經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，發(fā)現(xiàn)6V電壓根本無法驅(qū)動(dòng)此傳感器工作，與本系統(tǒng)不符。</p><p>　　方案二：經(jīng)過再次市場(chǎng)搜尋，發(fā)現(xiàn)有熱釋電紅外傳感器，但是工作電壓也要</p><p>　　12

14、V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(dòng)裝置經(jīng)過仔細(xì)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(jià)格方面考慮比較便宜，又能滿足我們競(jìng)賽的需要。</p><p>　　經(jīng)過比較，所以本系統(tǒng)選擇方案二。</p><p>　　二．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

15、</p><p><b>　　1．充放電模塊</b></p><p>　　利用太陽能對(duì)蓄電池充電，設(shè)計(jì)了充電電路（如下圖所時(shí)），其中LM324運(yùn)放這一模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)，LED指示燈連續(xù)閃爍，使三極管不間斷地導(dǎo)通，通過電感不間斷地對(duì)蓄電池充電，達(dá)到一定電壓，當(dāng)通過變阻器Rp，對(duì)電壓的電壓取樣，通過運(yùn)放LM324比較器，來控制LM324產(chǎn)生脈沖，即控制太陽能對(duì)蓄電池的充電

16、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(jì)中給蓄電池加上充、放電保護(hù)裝置，防止過充和過放電。詳細(xì)原理見圖1-3。</p><p>　　圖1-3 充電電路原理圖</p><p>　　2．限制過放電電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在本限制過放電電路中，運(yùn)放起比較作用，當(dāng)運(yùn)放的正端電壓高于負(fù)端電壓，使三極管導(dǎo)通，使繼電器長(zhǎng)閉開關(guān)斷開

17、，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?zhàn)饔?，使運(yùn)放正端電壓保持穩(wěn)定，使三極端導(dǎo)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(shí)穩(wěn)壓管兩端電壓5.1V，運(yùn)放負(fù)端電壓稍大于5.1V， R2電路計(jì)算公式為 </p><p><b>　　，</b></p><p>　　由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得R1通常10～30K，這里取22K，計(jì)算得R2約為180K

18、。</p><p>　　圖1-4 限制過放電電路原理圖</p><p>　　LED閃爍延時(shí)控制及瞬時(shí)光照保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　LED閃爍延時(shí)控制電路：555是一個(gè)多諧振蕩器，這個(gè)用來做定時(shí)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(dǎo)通，使復(fù)位引腳4為低電平，555電路不工作。這時(shí)，三極管K2導(dǎo)通，在A點(diǎn)產(chǎn)生低電平，從而

19、使LED數(shù)碼管不亮。在夜間不產(chǎn)生電壓從而K1不導(dǎo)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(duì)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(dāng)3腳輸出為高電平時(shí)，K2導(dǎo)通使B點(diǎn)為低電平。因?yàn)锳點(diǎn)為高電平時(shí)，使AB之間有個(gè)電勢(shì)差使LED數(shù)碼管發(fā)光。當(dāng)3腳輸出為低電平時(shí)，K2不導(dǎo)通使AB之間電勢(shì)差不足以使LED發(fā)光，這樣就實(shí)現(xiàn)了一閃一閃效果。 </p><p>　　

20、圖1-5 LED閃爍延時(shí)控制電路</p><p>　　瞬時(shí)光照保護(hù)電路：當(dāng)在夜間，有閃電、強(qiáng)烈瞬時(shí)光照的時(shí)候，產(chǎn)生瞬時(shí)電壓，使穩(wěn)壓管達(dá)到一定電壓后擊穿導(dǎo)通，從而對(duì)進(jìn)行充電，因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芩矔r(shí)突變，從而使三極管K1的基極保持低電壓。因?yàn)殡娙莩錆M電產(chǎn)生高電平使三極管K1導(dǎo)通的過程還需要一定時(shí)間。所以，555電路對(duì)瞬時(shí)光照不響應(yīng)，只有持續(xù)的光照才行，從而起到保護(hù)作用，使夜間正常閃爍，警示車輛小心駕駛。具體原理見

21、圖1-5左邊部分。</p><p>　　4．車輛計(jì)數(shù)模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　車輛計(jì)數(shù)模塊：這塊電路我們用到CD4510芯片和CD4500配對(duì)使用計(jì)數(shù)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，CD4510是加/減計(jì)數(shù)器，本電路用到的是加法計(jì)數(shù)器，上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)。兩片CD4510分別對(duì)應(yīng)十位和個(gè)位計(jì)數(shù)，通過兩片譯碼驅(qū)動(dòng)芯片CD4511驅(qū)動(dòng)LED來顯示通過車輛數(shù)目。15腳的時(shí)鐘脈沖由熱釋電傳感器來提供，從而實(shí)現(xiàn)

22、對(duì)車輛的感應(yīng)，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，傳感器產(chǎn)生高電平信號(hào)，通過一個(gè)與非門電路變?yōu)榈碗娖?，在接入RS觸發(fā)器，輸出比較規(guī)則的波形，實(shí)現(xiàn)“去抖動(dòng)”， 1K電阻和0.068uf電容形成的回路， 使電平信號(hào)穩(wěn)定，來實(shí)現(xiàn)LED七段數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)，來一個(gè)時(shí)鐘脈沖計(jì)一次，最高為99，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的計(jì)數(shù)功能。</p><p><b>　　車輛計(jì)數(shù)模塊電路圖</b></p><p>　　傳

23、感器，是我們利用了市場(chǎng)上的器件，通過自己對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的替換和改裝之后能使用在我們計(jì)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(hào)線產(chǎn)生高電平觸發(fā)斜坡。本來就考慮直接當(dāng)作時(shí)鐘脈沖作為CD4511計(jì)數(shù)器的芯片計(jì)數(shù)器的 脈沖。但在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中，由于傳感器內(nèi)部有繼電器產(chǎn)生有抖動(dòng)輸出，使計(jì)數(shù)，顯示部分發(fā)生錯(cuò)誤，輸出不穩(wěn)定。經(jīng)過后來的調(diào)試和改進(jìn)，在構(gòu)建一個(gè)“去抖動(dòng)”電路，本電路采用了RS觸發(fā)器和一個(gè)非門，利用CD4011剛好實(shí)現(xiàn)這一功能。當(dāng)傳感器

24、輸出高電平時(shí)，經(jīng)過一個(gè)非門變?yōu)榈碗娖?，再?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(shí)現(xiàn)了“去抖動(dòng)”，再經(jīng)過一個(gè)電阻與電容的并聯(lián)電路作為CD4510的時(shí)鐘脈沖。因?yàn)殡娙莸膬啥穗妷翰粫?huì)突變，起到了緩和電壓突變，就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的脈沖作為時(shí)鐘脈沖信號(hào)。</p><p>　　三．系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果</p><p><b>　　基本部分</b></p>

25、;<p>　　（1）光伏板白天光照充電</p><p>　　因?yàn)榘滋礻柟獗容^強(qiáng)烈，使光伏板兩端能產(chǎn)生足夠的電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行</p><p>　　充電。同時(shí)，通過光控電路使得圖1-5中的三極管K1導(dǎo)通，促使555電路的復(fù)位電平為持續(xù)低電平。</p><p>　　在測(cè)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</p>&l

26、t;p>　　閃爍。過了一小時(shí)，經(jīng)過電壓表測(cè)試，電壓比一小時(shí)前有明顯的上升。</p><p>　?。?）蓄電池為電源的LED閃爍工作裝置工作情況</p><p>　　在夜間實(shí)驗(yàn)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。</p><p>　　（3）光伏板控制LED白天關(guān)閉、夜間

27、開啟的實(shí)驗(yàn)</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中，把電路板放到屋外強(qiáng)光照射下，發(fā)現(xiàn)警示LED不亮，顯示LED紅外感應(yīng)計(jì)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LED與顯示LED分別用兩套數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　2、發(fā)揮部分</b></p><p><b&g

28、t;　　（1）車輛計(jì)數(shù)</b></p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中，把電路板放到屋外強(qiáng)光照射下，熱釋電紅外傳感器對(duì)準(zhǔn)馬路，當(dāng)有汽車或行人通過時(shí)，發(fā)現(xiàn)LED計(jì)數(shù)器增1。</p><p>　?。?）過充電和過放電的控制</p><p>　　在圖1-3的下半部分就是過充保護(hù)電路，而圖1-4就是過放保護(hù)電路。從實(shí)際電路來看，充放電情況良好</p><

29、;p>　　（3）外界瞬時(shí)光照（如夜間閃電、過往車輛燈光等）誤動(dòng)作避免</p><p>　　夜間，把電路板放在白熾燈下，當(dāng)開關(guān)打開一段時(shí)間后，充電指示燈亮，</p><p>　　顯示LED亮，警示LED滅。而當(dāng)白熾燈開關(guān)開啟又瞬間關(guān)閉時(shí)，警示LED不受影響，正常閃爍。由此可見，該系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)光照不產(chǎn)生誤動(dòng)作。</p><p>　?。?）延長(zhǎng)工作時(shí)間的措施</

30、p><p>　　在本系統(tǒng)中，沒有設(shè)計(jì)專門電路降低蓄電池工作電流。但是在整體電路設(shè)計(jì)中，我們?cè)谛」β试骷軡M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(shí)際意義的元器件。</p><p>　?。?）其他功能實(shí)現(xiàn)情況</p><p>　　在傳感器模塊中，當(dāng)外界有熱源使傳感器

31、觸發(fā)產(chǎn)生高電平時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高次諧波，而且信號(hào)抖動(dòng)不穩(wěn)。我們就加裝了一個(gè)RS觸發(fā)器，使它輸出的波形比較的整齊。</p><p>　　四．調(diào)試中部分問題的解決</p><p>　　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(zhǎng)電池工作時(shí)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(dǎo)通，使得光控模塊誤認(rèn)為在夜間，

32、就產(chǎn)生一閃一閃的效果，經(jīng)改變，把太陽能用一個(gè)鉛蓄電池替代，再加一個(gè)開關(guān)模擬白天和夜間，就相當(dāng)于太陽光伏板的原理了。</p><p><b>　　四．結(jié)論</b></p><p>　　本系統(tǒng)充分考慮了實(shí)際的工作環(huán)境，是一個(gè)比較實(shí)用太陽能警示燈，經(jīng)過進(jìn)一步完善后，可以放置在交通路口，白天對(duì)進(jìn)行車輛統(tǒng)計(jì)，夜晚警示交通。同時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的充放電保護(hù)裝置電路和瞬時(shí)光照保護(hù)電路也