基于單片機(jī)的景觀燈控制單元硬件電路板設(shè)計(jì)

石家莊化工十廠 閆志冬

1.引言

圖1 控制電路總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 景觀燈直接控制部分電路原理圖

圖3 繼電器控制部分電路原理圖

圖5 PCF8583控制部分電路原理圖

圖4 RS485通信部分電路原理圖

伴隨著石家莊三年大變樣的腳步，石家莊的道路狀況有了明顯的提高，城市景觀燈的設(shè)置也逐漸增多，景觀照明也越來(lái)越受到城市管理部門的重視，因此對(duì)景觀燈的控制以及監(jiān)測(cè)就成了一個(gè)問(wèn)題。目前基于普通單片機(jī)，利用GPRS及其他通訊方式的智能路燈管理系統(tǒng)的發(fā)展十分迅速。國(guó)內(nèi)外的許多公司設(shè)計(jì)出了豐富多樣的城市智能路燈管理系統(tǒng)，很多系統(tǒng)加上其他的功能模塊還可以起到節(jié)約電能、提高燈光利用率的作用。為了更好的對(duì)景觀燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以及保證在景觀燈故障之后能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并處理，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的景觀燈控制系統(tǒng)是非常有意義的。

2.控制板總體結(jié)構(gòu)

2.1 單片機(jī)的選擇

目前單片機(jī)的品種中最具有代表性的就是Intel公司的MCS-51單片機(jī)系列。MCS-51單片機(jī)具有完善的總線和豐富的指令系統(tǒng)。80C51是MCS-51的典型芯片，具有低電壓、低功耗電磁兼容和串行擴(kuò)展總線的特點(diǎn)。AT89C2051屬于MCS-51系列單片機(jī)，由于其I/O端口數(shù)量少，因此本設(shè)計(jì)選取89C2051作為控制器。

圖6 上位機(jī)控制流程圖

圖7 下位機(jī)直接控制流程圖

2.2 串行總線的選擇

對(duì)于單片機(jī)的外部串行總線來(lái)說(shuō)，常用的包括：SPI三線總線和I2C兩線制總線兩種。

I2C總線主要功能有：在主器件和從器件之間雙向傳送數(shù)據(jù)；無(wú)中央主控器件的多主總線；多主傳送時(shí)不發(fā)生錯(cuò)誤；可以使用不同的位速率；串行時(shí)鐘作為交接信號(hào)。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s，快速模式下可達(dá)400kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。而且片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)線上的毛刺波，保證數(shù)據(jù)完整。連接到相同總線的IC數(shù)量只受到總線的最大電容400pF的限制。因而，本設(shè)計(jì)選用I2C總線結(jié)構(gòu)。

2.3 時(shí)鐘芯片的選擇

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄方式是隔時(shí)采樣或定時(shí)采樣，沒(méi)有具體的時(shí)間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無(wú)法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)時(shí)間；若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費(fèi)單片機(jī)的資源，而且，某些測(cè)控系統(tǒng)可能不允許。因而需要在系統(tǒng)中使用時(shí)鐘芯片。由于PCF8583的數(shù)據(jù)區(qū)比DS1302大且本設(shè)計(jì)采用的是I2C通信，因而選擇PCF8583芯片作為時(shí)鐘芯片。

2.4 RS485通信

RS-485最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的多點(diǎn)總線互連功能，它可以連接1臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)終端同時(shí)通信，由于它是半雙工的方式，只能一方發(fā)送，一方接收，而且它采用差動(dòng)電平接收的方法提高抗干擾能力，適合在比較惡劣的環(huán)境下工作。在單片機(jī)中使用MAX485芯片，完成單片機(jī)和上位PC機(jī)的RS-485通信。

3.硬件電路板設(shè)計(jì)

圖1是硬件電路總體的結(jié)構(gòu)圖，電路分為4部分：

(1)直接控制水系景觀燈部分(如圖2)

本電路中利用撥碼開(kāi)關(guān)在兩部分的控制電路之間轉(zhuǎn)換。

LA01外接水系景觀燈。當(dāng)開(kāi)關(guān)接到直接控制景觀燈的部分，單片機(jī)的I/O口輸出低電平時(shí)，PNP三極管將導(dǎo)通，這樣MOSFET N的G極為高電平，因而通過(guò)LAMP12V、燈、場(chǎng)效應(yīng)管、地導(dǎo)通，燈開(kāi)始亮。同時(shí)LED也亮起來(lái)，用以反映燈的亮滅情況。利用單片機(jī)來(lái)控制燈的顯示時(shí)間和燈的開(kāi)啟順序。

在這部分電路中，接到PNP三極管的2K電阻是為了防止基極電流過(guò)大，PNP三極管起到了放大作用，場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)使用并且使用了續(xù)流二極管。

(2)繼電器控制部分（圖3）

當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)接向控制繼電器部分的電路時(shí)，就可以通過(guò)控制繼電器的開(kāi)閉來(lái)控制所連接的電機(jī)，以達(dá)到控制水系景觀燈的效果。

當(dāng)單片機(jī)輸出高電平的時(shí)候，NPN三極管導(dǎo)通，從而繼電器線圈兩端連接到+12V和地，從而常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，這樣連接在繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。同時(shí)LED燈亮，反映繼電器的工作情況。

(3)RS-485通信部分

圖4為通信部分電路圖，其中TLP521-1、TLP521-2為晶閘管輸出光電耦合器。POWER485為隔離電源，用于給485供電，MAX485為轉(zhuǎn)換接口。

光耦以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的放大后輸出。這樣就完成了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。它具有單向性的特點(diǎn)，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

(4)PCF8583與24LC64電路

圖5為PCF8583控制部分電路原理圖，其原理是利用I2C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)8583進(jìn)行設(shè)置，由于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)量比較多，因而擴(kuò)展了存儲(chǔ)空間。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6、7為上位機(jī)與下位機(jī)的控制流程圖。下位機(jī)通過(guò)RS485模塊與上位機(jī)聯(lián)系，根據(jù)上位機(jī)的指令，控制景觀燈的開(kāi)放情況；利用時(shí)鐘芯片的定時(shí)功能，單片機(jī)自動(dòng)完成路燈的亮滅控制。

5.結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的水系景觀控制系統(tǒng)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，獲得了預(yù)期的效果。本設(shè)計(jì)從使用者的角度出發(fā)，既完善了景觀燈的功能又降低了人力成本，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本方案的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、工作穩(wěn)定可靠且成本相對(duì)較低。所設(shè)計(jì)的控制器也可以做為通用控制模塊，應(yīng)用于其他自動(dòng)化設(shè)備的控制。將來(lái)一定會(huì)在其他行業(yè)有更廣闊的前景。

[1]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2001.

[2]蘇家健,曹柏榮,汪志鋒.單片機(jī)原理機(jī)及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2002,98-123.

[3]宋成艷.城市路燈無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2007.