基于單片機的景觀燈控制單元硬件電路板設計

石家莊化工十廠 閆志冬

1.引言

圖1 控制電路總體結構圖

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，城市景觀燈的設置也逐漸增多，景觀照明也越來越受到城市管理部門的重視，因此對景觀燈的控制以及監測就成了一個問題。目前基于普通單片機，利用GPRS及其他通訊方式的智能路燈管理系統的發展十分迅速。國內外的許多公司設計出了豐富多樣的城市智能路燈管理系統，很多系統加上其他的功能模塊還可以起到節約電能、提高燈光利用率的作用。為了更好的對景觀燈進行實時控制以及保證在景觀燈故障之后能夠及時的發現并處理，設計基于單片機的景觀燈控制系統是非常有意義的。

2.控制板總體結構

2.1 單片機的選擇

目前單片機的品種中最具有代表性的就是Intel公司的MCS-51單片機系列。MCS-51單片機具有完善的總線和豐富的指令系統。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展總線的特點。AT89C2051屬于MCS-51系列單片機，由于其I/O端口數量少，因此本設計選取89C2051作為控制器。

圖6 上位機控制流程圖

圖7 下位機直接控制流程圖

2.2 串行總線的選擇

對于單片機的外部串行總線來說，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據；無中央主控器件的多主總線；多主傳送時不發生錯誤；可以使用不同的位速率；串行時鐘作為交接信號。串行的8位雙向數據傳輸位速率在標準模式下可達100kbit/s，快速模式下可達400kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。而且片上的濾波器可以濾去總線數據線上的毛刺波，保證數據完整。連接到相同總線的IC數量只受到總線的最大電容400pF的限制。因而，本設計選用I2C總線結構。

2.3 時鐘芯片的選擇

傳統數據記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此，只能記錄數據而無法準確記錄其出現時間；若采用單片機計時，一方面需要采用計數器，占用硬件資源，另一方面需要設置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源，而且，某些測控系統可能不允許。因而需要在系統中使用時鐘芯片。由于PCF8583的數據區比DS1302大且本設計采用的是I2C通信，因而選擇PCF8583芯片作為時鐘芯片。

2.4 RS485通信

RS-485最大的優點在于它的多點總線互連功能，它可以連接1臺主機和多臺終端同時通信，由于它是半雙工的方式，只能一方發送，一方接收，而且它采用差動電平接收的方法提高抗干擾能力，適合在比較惡劣的環境下工作。在單片機中使用MAX485芯片，完成單片機和上位PC機的RS-485通信。

3.硬件電路板設計

圖1是硬件電路總體的結構圖，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關在兩部分的控制電路之間轉換。

LA01外接水系景觀燈。當開關接到直接控制景觀燈的部分，單片機的I/O口輸出低電平時，PNP三極管將導通，這樣MOSFET N的G極為高電平，因而通過LAMP12V、燈、場效應管、地導通，燈開始亮。同時LED也亮起來，用以反映燈的亮滅情況。利用單片機來控制燈的顯示時間和燈的開啟順序。

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大，PNP三極管起到了放大作用，場效應管作為開關使用并且使用了續流二極管。

(2)繼電器控制部分（圖3）

當撥碼開關接向控制繼電器部分的電路時，就可以通過控制繼電器的開閉來控制所連接的電機，以達到控制水系景觀燈的效果。

當單片機輸出高電平的時候，NPN三極管導通，從而繼電器線圈兩端連接到+12V和地，從而常開觸點閉合，這樣連接在繼電器常開觸點的電動機啟動。同時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為轉換接口。

光耦以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步的放大后輸出。這樣就完成了“電-光-電”的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。它具有單向性的特點，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標準對8583進行設置，由于該系統的設計量比較多，因而擴展了存儲空間。

4.系統軟件設計

圖6、7為上位機與下位機的控制流程圖。下位機通過RS485模塊與上位機聯系，根據上位機的指令，控制景觀燈的開放情況；利用時鐘芯片的定時功能，單片機自動完成路燈的亮滅控制。

5.結束語

本設計基于單片機的水系景觀控制系統，可以通過計算機通訊，實現遠程控制，獲得了預期的效果。本設計從使用者的角度出發，既完善了景觀燈的功能又降低了人力成本，具有很強的實用性。本方案的特點是電路結構簡單、控制靈活、工作穩定可靠且成本相對較低。所設計的控制器也可以做為通用控制模塊，應用于其他自動化設備的控制。將來一定會在其他行業有更廣闊的前景。

[1]李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京:北京航天航空大學出版社,2001.

[2]蘇家健,曹柏榮,汪志鋒.單片機原理機及應用技術[M].北京:高等教育出版社,2002,98-123.

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