课程设计太阳能LED交通警示板的设计

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1、太阳能LED交通警示板摘要本系统实现的交通警示板，由充放电模块、传感器模块、太阳能电池模块、光控电路、瞬时光照保护电路、LED闪烁电路、计数显示模块等组成。该系统实现了白天车辆统计，夜晚警示交通，白天夜晚自动切换。并且，该系统充分考虑了系统实际运行环境，提高了电路稳定性。例如，该系统中设计的充放电保护装置有效地防止了过充电和过放电，瞬时光照保护电路避免了夜间光源干扰。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.编号 ： 144作者 ： 裘世栋 潘忠伟 朱振佳（浙江万里学院电子信息工程系）赛前辅导老师 ： 吴耀辉 柯博林一核心模块的方案设计与论证本系统太阳能LED交通警示板的实现，采用了太阳能作为能源，通过充放电电

4、路，使光能能转化为铅蓄电池的能源，并实现对铅蓄电池的充电，接入限制过充放电电路，实现了过充放电的保护。白天光照条件下，电池充电，同时提供传感器对车辆的计数的电源，在夜间由于光控电路的作用可以LED数码管的正常工作，运用555定时器工作实现LED数码管的闪烁，警示灯光显示为“日”字，在电路降低工作电流方面，我们尽可能少用大功率元件和去掉没有实际作用的元件，设计的系统达到题目的要求。1.充电电路选择与论证：方案一：通过把双电压比较器LM393的两个反相输入端连接在一起，并由稳压管提供的基准电压做比较电压，两个输出端分别接反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输入端，这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压

5、比较器，可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。当太阳光照射的时候，硅太阳电池组件产生的直流电流经过常闭触点和电阻，使LED发光，等待对蓄电池进行充电；闭合，三端稳压器输出8V电压，电路开始工作，过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。该方案的不足之处是采用常规的直流充电，速度较慢。方案二：利用太阳能对蓄电池充电，设计了充电电路（如下图所时），其中LM324运放这一模块产生脉冲信号，LED指示灯连续闪烁，使三极管不间断地导通，通过电感不间断地对蓄电池充电，达到一定电压，当通过变阻器Rp，对电压的电压取样，通过运放LM324比较器，来控制LM324产

6、生脉冲，即控制太阳能对蓄电池的充电过充情况，其中电阻R13和二极管组成的反馈电路与过放反馈电路的作用的一样的。在设计中给蓄电池加上充、放电保护装置，防止过充和过放电。方案二采用脉冲充电，速度快，效率高，所以本系统采用方案二。2.光控电路选择与论证：方案一：利用光敏电阻搭建的电路图1-1 利用光敏电阻搭建的电路工作原理如图1-1。当有光照射到光敏电阻时，其阻值减小（几十K左右），光敏电阻两端的电压很小Q1基极电压被拉低而截止，Q2基极电压升高Q2截止，Q3基极电压降低而截止，LED灭；反之光敏电阻没有光照时，其阻值增大（几M），Q1基极电压升高并使其导通，Q2基极电压降低，Q2饱和导通，Q3基极

7、电压升高而导通，LED灯发光。该电路可以设置在夜间事故隐患的路段，白天可以关闭，夜间LED亮，实现白天关闭，夜间亮的功能。方案二：利用电容、稳压管形成的电路图1-2 利用电容、稳压管形成的电路经过比较，方案一、方案二都能在白天和夜间实现控制电路 的开启与关闭功能。但是方案一对瞬时的强光还是有敏感的作用。方案二由于电容的缘故，当有瞬时光照时，电容的两端的电压不会改变，响应会比较慢，所以遏止了瞬时光照的作用。所以，我们选用方案二。3传感器模块方案比较：传感器部分，事先考虑到市场上买来的光电开关，由于那些光电开关要供电12V才能进行工作。但是根据竞赛题目的要求，却不符合。没有36V的电源提供，只能选

8、用传感器进行设计。方案一：经过市场搜寻，发现有光电开关ECF-10/DN1需配对使用，可以实现脉冲触发源。该方案光电开关所要求的电源开关响应快。器件使用说明上提示工作电压为636V，但是经过实际调试，发现6V电压根本无法驱动此传感器工作，与本系统不符。方案二：经过再次市场搜寻，发现有热释电红外传感器，但是工作电压也要12V以上。通过比较以上两方案产品，发现方案一产品不易改装，所以放弃选用。而方案二虽然结构复杂，但是芯片中电压驱动装置经过仔细研究，能成功改装。热释源红外传感器经过内部电路的改装，使之能感应汽车或人的热源，而产生脉冲源，虽然感应的灵敏度没有光电高，但从价格方面考虑比较便宜，又能满足

9、我们竞赛的需要。经过比较，所以本系统选择方案二。二系统硬件设计与实现1充放电模块利用太阳能对蓄电池充电，设计了充电电路（如下图所时），其中LM324运放这一模块产生脉冲信号，LED指示灯连续闪烁，使三极管不间断地导通，通过电感不间断地对蓄电池充电，达到一定电压，当通过变阻器Rp，对电压的电压取样，通过运放LM324比较器，来控制LM324产生脉冲，即控制太阳能对蓄电池的充电过充情况，其中电阻R13和二极管组成的反馈电路与过放反馈电路的作用的一样的。在设计中给蓄电池加上充、放电保护装置，防止过充和过放电。详细原理见图1-3。图1-3 充电电路原理图2限制过放电电路的设计在本限制过放电电路中，运放

10、起比较作用，当运放的正端电压高于负端电压，使三极管导通，使继电器长闭开关断开，从而停止工作。具体原理详见图1-4。其中100K电阻和二极管起正反馈作用，使运放正端电压保持稳定，使三极端导通保持稳定性。至于电路图参数的确定，电路正常工作时稳压管两端电压5.1V，运放负端电压稍大于5.1V， R2电路计算公式为 ，由设计经验得R1通常1030K，这里取22K，计算得R2约为180K。图1-4 限制过放电电路原理图3 LED闪烁延时控制及瞬时光照保护电路的设计LED闪烁延时控制电路：555是一个多谐振荡器，这个用来做定时控制电路。具体原理见图1-5右边部分。在白天持续光照下，产生电压使三极管K1导通

11、，使复位引脚4为低电平，555电路不工作。这时，三极管K2导通，在A点产生低电平，从而使LED数码管不亮。在夜间不产生电压从而K1不导通，使复位引脚4为高电平，使555电路开始工作，从而使3脚产生波形。一对二极管电路可控制输出波形的占空比。这里一般选用方波，0.5秒闪烁间隔。当3脚输出为高电平时，K2导通使B点为低电平。因为A点为高电平时，使AB之间有个电势差使LED数码管发光。当3脚输出为低电平时，K2不导通使AB之间电势差不足以使LED发光，这样就实现了一闪一闪效果。 图1-5 LED闪烁延时控制电路瞬时光照保护电路：当在夜间，有闪电、强烈瞬时光照的时候，产生瞬时电压，使稳压管达到一定电压

12、后击穿导通，从而对进行充电，因为电容两端的电压不能瞬时突变，从而使三极管K1的基极保持低电压。因为电容充满电产生高电平使三极管K1导通的过程还需要一定时间。所以，555电路对瞬时光照不响应，只有持续的光照才行，从而起到保护作用，使夜间正常闪烁，警示车辆小心驾驶。具体原理见图1-5左边部分。4车辆计数模块的设计车辆计数模块：这块电路我们用到CD4510芯片和CD4500配对使用计数驱动LED数码管，CD4510是加/减计数器，本电路用到的是加法计数器，上升沿触发计数。两片CD4510分别对应十位和个位计数，通过两片译码驱动芯片CD4511驱动LED来显示通过车辆数目。15脚的时钟脉冲由热释电传感

13、器来提供，从而实现对车辆的感应，当有车辆经过时，传感器产生高电平信号，通过一个与非门电路变为低电平，在接入RS触发器，输出比较规则的波形，实现“去抖动”， 1K电阻和0.068uf电容形成的回路， 使电平信号稳定，来实现LED七段数码管显示计数，来一个时钟脉冲计一次，最高为99，从而实现了对车辆的计数功能。 车辆计数模块电路图传感器，是我们利用了市场上的器件，通过自己对内部结构的替换和改装之后能使用在我们计数器触发感应所需的电路上，传感器只在有感应的信号线产生高电平触发斜坡。本来就考虑直接当作时钟脉冲作为CD4511计数器的芯片计数器的 脉冲。但在实验调试过程中，由于传感器内部有继电器产生有抖

14、动输出，使计数，显示部分发生错误，输出不稳定。经过后来的调试和改进，在构建一个“去抖动”电路，本电路采用了RS触发器和一个非门，利用CD4011刚好实现这一功能。当传感器输出高电平时，经过一个非门变为低电平，再经过RS触发R端输入，RS触发输出的高电平可以更稳定，从而实现了“去抖动”，再经过一个电阻与电容的并联电路作为CD4510的时钟脉冲。因为电容的两端电压不会突变，起到了缓和电压突变，就实现了稳定的脉冲作为时钟脉冲信号。三系统功能实现与测试结果1 基本部分（1）光伏板白天光照充电因为白天阳光比较强烈，使光伏板两端能产生足够的电压，对蓄电池进行充电。同时，通过光控电路使得图1-5中的三极管K

15、1导通，促使555电路的复位电平为持续低电平。在测试中，把电路板放到屋外阳光直射下，发现指示充电的红色二极管在闪烁。过了一小时，经过电压表测试，电压比一小时前有明显的上升。（2）蓄电池为电源的LED闪烁工作装置工作情况在夜间实验中，LED有0.5秒间隔的闪烁。通过调整555电路6、7引脚间的电阻值，发现LED闪烁间隔有变化。这是555电路的占空比被改变了。（3）光伏板控制LED白天关闭、夜间开启的实验在实验中，把电路板放到屋外强光照射下，发现警示LED不亮，显示LED红外感应计数。而把电路板放到屋内阴暗的地方，警示LED闪烁，显示LED不亮。这里需要说明的是，由于电路板空间有限，我们把警示LE

16、D与显示LED分别用两套数码管实现。2、发挥部分（1）车辆计数在实验中，把电路板放到屋外强光照射下，热释电红外传感器对准马路，当有汽车或行人通过时，发现LED计数器增1。（2）过充电和过放电的控制在图1-3的下半部分就是过充保护电路，而图1-4就是过放保护电路。从实际电路来看，充放电情况良好（3）外界瞬时光照（如夜间闪电、过往车辆灯光等）误动作避免 夜间，把电路板放在白炽灯下，当开关打开一段时间后，充电指示灯亮，显示LED亮，警示LED灭。而当白炽灯开关开启又瞬间关闭时，警示LED不受影响，正常闪烁。由此可见，该系统对瞬时光照不产生误动作。（4）延长工作时间的措施在本系统中，没有设计专门电路降

17、低蓄电池工作电流。但是在整体电路设计中，我们在小功率元器件能满足的情况下，不采用大功率元器件。例如，在电路中，同样是PNP的管子9013和9014，耗电功率9014大。并且，在电路调试完善中，尽量去掉了没有实际意义的元器件。（5）其他功能实现情况在传感器模块中，当外界有热源使传感器触发产生高电平时，会产生高次谐波，而且信号抖动不稳。我们就加装了一个RS触发器，使它输出的波形比较的整齐。四调试中部分问题的解决通过系统整体元器件参数的选定，降低蓄电池的工作电流，延长电池工作时间。在调试系统过程中，由于天气原因。太阳能光伏板产生的电压值比较小，所以在光控电路这一模块中产生的电压不足以使三极管K1导通

18、，使得光控模块误认为在夜间，就产生一闪一闪的效果，经改变，把太阳能用一个铅蓄电池替代，再加一个开关模拟白天和夜间，就相当于太阳光伏板的原理了。四结论本系统充分考虑了实际的工作环境，是一个比较实用太阳能警示灯，经过进一步完善后，可以放置在交通路口，白天对进行车辆统计，夜晚警示交通。同时，本系统设计的充放电保护装置电路和瞬时光照保护电路也比较有实用性。由于时间有限，本电路还有一些不足，需要改进。比如，传感器模块响应车辆计数时，有一个计数初值。这是因为对传感器模块进行电压改装后，产生了一些未知干扰，可能在上电中瞬间产生了多个脉冲。当用单片机控制计数器模块时，发现有同样的一个初值，可见计数器模块应该是好的。具体原因还有待以后验证。8