遙控閃光型LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈的研制

張廣海 ，孫世雷 ，王貞珍

（1. 黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局， 山東 濟(jì)南 250100；2. 黃河水利委員會(huì)水文局， 河南 鄭州 450004）

0 引言

黃河下游多數(shù)水文站水文測(cè)船測(cè)驗(yàn)使用機(jī)械六分儀進(jìn)行垂線(xiàn)起點(diǎn)距測(cè)量，具有測(cè)量快捷，使用簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，故障率低等特點(diǎn)，是其它現(xiàn)代化測(cè)距儀器無(wú)法替代的測(cè)驗(yàn)設(shè)備，在水文測(cè)驗(yàn)中占有十分重要的位置。

測(cè)驗(yàn)時(shí)，在測(cè)流斷面的 2 個(gè)標(biāo)志桿（或標(biāo)志塔）上分別安裝 1 個(gè)標(biāo)志燈，通過(guò)這 2 個(gè)標(biāo)志燈確定測(cè)船是否在斷面線(xiàn)上；在基線(xiàn)端點(diǎn)標(biāo)志桿上安裝 1 個(gè)基線(xiàn)標(biāo)志燈，用于測(cè)量測(cè)船至基線(xiàn)端點(diǎn)的連線(xiàn)與斷面線(xiàn)的夾角，再根據(jù)夾角、基線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)算測(cè)船的起點(diǎn)距位置。

夜間流量測(cè)驗(yàn)，醒目的標(biāo)志燈是不可缺少的測(cè)驗(yàn)設(shè)施。目前大都使用白熾燈作為測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈，使用 220 V 交流電為標(biāo)志燈提供電能。此類(lèi)標(biāo)志燈存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1）需要架設(shè)專(zhuān)用輸電線(xiàn)路，在偏僻的鄉(xiāng)村盜割輸電線(xiàn)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不但造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響正常的水文測(cè)驗(yàn)，此外由于多數(shù)水文站駐地在農(nóng)村，電力供應(yīng)不如城市，有時(shí)停電會(huì)影響測(cè)驗(yàn)；2）采用普通的白熾燈作為標(biāo)志燈，此燈與其它光源無(wú)差別，極易與其它光源混淆，用六分儀交會(huì)時(shí)容易出現(xiàn)目標(biāo)錯(cuò)誤，造成起點(diǎn)距數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；3）白熾燈壽命短，經(jīng)常需要爬上十幾米高的標(biāo)志桿更換燈泡，給測(cè)驗(yàn)人員帶來(lái)一些不必要的麻煩。為了解決這些問(wèn)題，提高夜間測(cè)量能力，根據(jù)標(biāo)志燈實(shí)際應(yīng)用和要求，研制了新型遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈。

1 遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈原理

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，研制的遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈由太陽(yáng)能電池板、充電電路、蓄電池、遙控開(kāi)關(guān)、光控電子開(kāi)關(guān)、閃光電路、驅(qū)動(dòng)電路、LED 發(fā)光板等 8 個(gè)部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈原理如圖 2 所示。

圖1 遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈結(jié)構(gòu)圖

圖2 遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈原理圖

圖2 中各元器件功能簡(jiǎn)述如下：D4 為保護(hù)二極管；IC1 為線(xiàn)性穩(wěn)壓集成電路，型號(hào)為 7812，輸出穩(wěn)定的 12 V 直流電壓；D5 為升壓二極管，由于它的作用使 IC1 輸出電壓提升為 13.8 V；C2，C3 為濾波電容；W 為光控調(diào)整電位器，根據(jù)自然亮度調(diào)整標(biāo)志燈點(diǎn)亮（或熄滅）的時(shí)刻；U1 為光敏三極管，用于檢測(cè)室外亮度；IC2 為與非門(mén)電路，含 4 個(gè)獨(dú)立單元，即 IC2A，IC2B，IC2C，IC2D；V1 為驅(qū)動(dòng)管，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)；D1，D2，D3 是 LED 發(fā)光板；R 為電阻。

1.1 光源（LED 發(fā)光板）的選擇

常見(jiàn)的光源有幾十種，如白熾燈，高壓汞燈，電弧燈，LED，LCD，LCDS，EL 等，對(duì)各種光源的性能進(jìn)行比較，并根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)要求選擇適合測(cè)驗(yàn)的光源作為標(biāo)志燈。近年來(lái)高亮（超高亮）發(fā)光二極管的誕生，使發(fā)光二極管的優(yōu)越性越來(lái)越突出，經(jīng)比較認(rèn)為 LED 發(fā)光二極管的性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)優(yōu)于其它光源，發(fā)光效率遠(yuǎn)大于白熾燈，壽命是白熾燈的十幾倍。所以選擇 LED 發(fā)光二極管作為標(biāo)志燈的發(fā)光器件。

LED 發(fā)光板是超低功耗、高發(fā)光效率的新型環(huán)保光源，有多種顏色供選擇，發(fā)光面積可隨意改變，省電，適合電池供電場(chǎng)合使用。若選用黃色發(fā)光管，可提高標(biāo)志燈的穿霧能力。

D1，D2，D3 是高亮度發(fā)光二極管，3 只發(fā)光二極管串聯(lián)后組成 1 組發(fā)光單元，再由 96 組發(fā)光單元組成發(fā)光板，這 288 只二極管均勻排列成 24×12 發(fā)光矩陣，發(fā)光面積為 253 cm2。如果河道水面寬度較大，可以把 2 塊（或多塊）發(fā)光板拼接組成大面積的發(fā)光板，以滿(mǎn)足各種水面寬的起點(diǎn)距測(cè)量。

1.2 蓄電池選擇

一般夜間測(cè)流 1 次，工作時(shí)間為 2 h。發(fā)光板標(biāo)準(zhǔn)工作電流為 960 mA，為了使標(biāo)志燈醒目，采用閃光工作狀態(tài)，平均工作電流為 960÷2＝480 mA＝0.48 A。1 次測(cè)流所需電池容量為 0.48 A×2 h＝0.96 A·h。

考慮到陰雨天，選擇蓄電池的容量為 12 A·h。

1.3 太陽(yáng)能電池的選擇

根據(jù)蓄電池的容量和實(shí)際測(cè)驗(yàn)所需容量，考慮充電電流小于 1 A，這樣對(duì)于延長(zhǎng)電瓶壽命很有益處，故選用 10 W 的太陽(yáng)能板作為充電電源。

1.4 充電電路

由 D4，IC1，D5，R5，C2，C3 組成充電電路，為限壓式浮充充電方式，最高充電電壓為 13.8 V，D5 為升壓二極管，兼太陽(yáng)能充電指示。

1.5 遙控開(kāi)關(guān)

YKQ-JSB 為遙控開(kāi)關(guān)執(zhí)行部件，由單片機(jī)AT89C2051 核心部件及有關(guān)元件構(gòu)成。以基線(xiàn)標(biāo)志燈為例加以說(shuō)明，當(dāng)按下遙控器手柄的“基線(xiàn)”按鈕，發(fā)出基線(xiàn)點(diǎn)亮信息，基線(xiàn)燈箱的遙控開(kāi)關(guān) KA 閉合，蓄電池的電能送往整個(gè)電路，基線(xiàn)燈工作，發(fā)光板點(diǎn)亮；當(dāng)按下遙控器手柄的“關(guān)”按鈕時(shí)，接收電路中的 KA 斷開(kāi)，蓄電池的電能被切斷，基線(xiàn)燈停止工作，發(fā)光板熄滅。

1.6 光控電子開(kāi)關(guān)

由 W，U1，IC2，IC2D[1]組成光控電子開(kāi)關(guān)，白天 U1 受到光線(xiàn)的照射，使 IC2C 的 8 腳電壓小于 1/2 VCC，10 腳輸出高電平，致使 IC2D 的 11 腳輸出低電平，此電平為光控開(kāi)關(guān)的控制電平，該處的“0”電平表示關(guān)斷（斷），“1”電平表示打開(kāi)（通）。白天 11 腳的“0”電平把閃光電路關(guān)閉，發(fā)光板不會(huì)發(fā)光。

夜間 U1 不受光線(xiàn)的照射，使 IC2C 的 8 腳電壓大于 1/2 VCC，10 腳輸出低電平，致使 IC2D 的 11腳輸出高電平，此腳的“1”電平將閃光電路打開(kāi)，發(fā)光板發(fā)光。

這樣達(dá)到白天自動(dòng)關(guān)閉標(biāo)志燈的目的。

1.7 閃光電路

由 IC2A，IC2B[1]，C1，R3，R4 組成閃光電路，閃光電路實(shí)際是多諧振蕩器，振蕩頻率約為2 Hz 左右，波形為標(biāo)準(zhǔn)的方波。振蕩器的振蕩與否取決于 IC2A 的 1 腳電平，也就是 IC2D 的 11 腳電平的高低，高電平振蕩（夜間），低電平停振（白天）。

1.8 驅(qū)動(dòng)電路

由 V1 和 R2 組成驅(qū)動(dòng)電路，如果加大發(fā)光板的面積，可隨意把多個(gè) V1 互相并聯(lián)使用，印刷板已經(jīng)留有 V1 并聯(lián)的位置，擴(kuò)容比較容易，其它不必做任何改動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路主要作用是提高 CMOS 的輸出功率，V1 基本不需驅(qū)動(dòng)電流，可以輸出較大的電流，用于推動(dòng)發(fā)光板發(fā)光。

1.9 遙控開(kāi)關(guān)與光控開(kāi)關(guān)的邏輯關(guān)系

標(biāo)志燈的點(diǎn)亮與熄滅受光控和遙控的控制，邏輯關(guān)系如表1 所示。

表1 遙控指令和光控功能的邏輯關(guān)系表

遙控關(guān)燈指令有關(guān)燈有優(yōu)先權(quán)，不管是白天或夜晚，只要遙控器發(fā)關(guān)燈指令，標(biāo)志燈均為熄滅狀態(tài)；不管遙控器發(fā)開(kāi)燈或者關(guān)燈指令，只要是白天，標(biāo)志燈均處于熄滅狀態(tài)。

1.10 工作原理

工作原理以基線(xiàn)標(biāo)志燈（A）為例加以說(shuō)明。

1.10.1 蓄電池充電

在圖 2 中 D5 是升壓發(fā)光二極管，IC1 是線(xiàn)性12 V 直流穩(wěn)壓集成電路，兼作充電指示燈，白天充電時(shí)發(fā)光二極管發(fā)黃色的光，表示太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。由于 D5 的存在，使 IC1 的輸出電壓為13.8 V，正好為蓄電池的充電終止電壓。白天太陽(yáng)能電池 E1 的輸出電壓大于 15 V 時(shí)，在穩(wěn)壓集成電路7812 的輸出端 3 腳輸出 13.8 V 直流電，通過(guò)二極管D4 和 R5 送往蓄電池，對(duì)蓄電池 E2 進(jìn)行充電，補(bǔ)充電能。隨著充電時(shí)間的增加，蓄電池電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到 13.8 V時(shí)，充電電流為零，充電終止。這樣可以防止蓄電池過(guò)充，有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

1.10.2 遙控控制

1）白天。若按遙控器按鈕，遙控接收電路 KA閉合，VCC 端電壓為蓄電池電壓，閃光燈電路得到電能。但是光敏管 U1 使 IC2C 的輸入端 8 和 9 腳為低電平，IC2C 輸出高電平，進(jìn)而使 IC2D 的 11 腳輸出低電平，迫使閃光電路停振，IC2B 的 4 腳輸出低電平，此時(shí) V1 處于截至狀態(tài)，發(fā)光板不發(fā)光。

2）夜間。若遙控開(kāi)關(guān)關(guān)閉，整個(gè)電路（除遙控接收板）處于斷電狀態(tài)，電路不工作，發(fā)光板不發(fā)光；若按遙控器開(kāi)燈按鈕，遙控接收電路 KA 閉合，VCC 端電壓為蓄電池電壓，閃光燈電路得到電能。夜間光敏管 U1 處于高阻狀態(tài)，使 IC2C 的輸入端 8和 9 腳為高電平，IC2C 輸出低電平，進(jìn)而使 IC2D的 11 腳輸出高電平，閃光電路開(kāi)始振蕩，IC2B 的 4腳輸出矩形脈沖，使 V1 處于截至、導(dǎo)通交替狀態(tài)，發(fā)光板閃爍發(fā)光。

遙控器上有“關(guān)”、“后斷面”、“前斷面”、“基線(xiàn)”4 個(gè)按鈕，其中“后斷面”、“前斷面”、“基線(xiàn)”對(duì)應(yīng)控制 2 個(gè)斷面燈和 1 個(gè)基線(xiàn)燈，3 處的標(biāo)志燈開(kāi)燈控制是相互獨(dú)立的，按鈕“后斷面”、“前斷面”、“基線(xiàn)”是互不影響的，另外按鈕“關(guān)”是關(guān)閉鍵，按下此鍵則所有燈均關(guān)閉。

2 遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈特點(diǎn)

1）采用太陽(yáng)能電池作電能，不必架設(shè)專(zhuān)用供電線(xiàn)路；

2）光源采用高亮 LED 發(fā)光二極管，使用壽命長(zhǎng)，發(fā)光面積大，視覺(jué)范圍廣，目標(biāo)更清晰；

3）采用遙控方式，開(kāi)燈、關(guān)燈極其方便；

4）標(biāo)志燈具有閃爍功能，目標(biāo)更醒目，不易和其它光源混淆，避免了目標(biāo)錯(cuò)誤。

3 結(jié)語(yǔ)

新型遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈已在山東黃河所有水文站推廣應(yīng)用，夜間測(cè)驗(yàn)效果良好。通過(guò)推廣使用說(shuō)明：該燈發(fā)光亮度高，是夜間測(cè)驗(yàn)最好的光源之一；在測(cè)船上可隨意開(kāi)、關(guān)標(biāo)志燈，操作極為方便；標(biāo)志燈具有閃爍功能，目標(biāo)更醒目；使用太陽(yáng)能供電不必架設(shè)供電線(xiàn)路，節(jié)約了一次性建設(shè)投資；使用太陽(yáng)能作能源，節(jié)能環(huán)保，可見(jiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。遙控閃光型 LED 測(cè)驗(yàn)標(biāo)志燈在水文行業(yè)中極具推廣價(jià)值，建議使用六分儀進(jìn)行起點(diǎn)距測(cè)量的水文站安裝該型標(biāo)志燈，使之發(fā)揮重要作用。

[1]趙保經(jīng)，王曉光，王國(guó)定，等. CMOS等集成電路[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985: 117-122.