基于单片机的景观灯控制单元硬件电路板设计

石家庄化工十厂 闫志冬

1.引言

图1 控制电路总体结构图

图2 景观灯直接控制部分电路原理图

图3 继电器控制部分电路原理图

图5 PCF8583控制部分电路原理图

图4 RS485通信部分电路原理图

伴随着石家庄三年大变样的脚步，石家庄的道路状况有了明显的提高，城市景观灯的设置也逐渐增多，景观照明也越来越受到城市管理部门的重视，因此对景观灯的控制以及监测就成了一个问题。目前基于普通单片机，利用GPRS及其他通讯方式的智能路灯管理系统的发展十分迅速。国内外的许多公司设计出了丰富多样的城市智能路灯管理系统，很多系统加上其他的功能模块还可以起到节约电能、提高灯光利用率的作用。为了更好的对景观灯进行实时控制以及保证在景观灯故障之后能够及时的发现并处理，设计基于单片机的景观灯控制系统是非常有意义的。

2.控制板总体结构

2.1 单片机的选择

目前单片机的品种中最具有代表性的就是Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51单片机具有完善的总线和丰富的指令系统。80C51是MCS-51的典型芯片，具有低电压、低功耗电磁兼容和串行扩展总线的特点。AT89C2051属于MCS-51系列单片机，由于其I/O端口数量少，因此本设计选取89C2051作为控制器。

图6 上位机控制流程图

图7 下位机直接控制流程图

2.2 串行总线的选择

对于单片机的外部串行总线来说，常用的包括：SPI三线总线和I2C两线制总线两种。

I2C总线主要功能有：在主器件和从器件之间双向传送数据；无中央主控器件的多主总线；多主传送时不发生错误；可以使用不同的位速率；串行时钟作为交接信号。串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。而且片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波，保证数据完整。连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF的限制。因而，本设计选用I2C总线结构。

2.3 时钟芯片的选择

传统数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。因而需要在系统中使用时钟芯片。由于PCF8583的数据区比DS1302大且本设计采用的是I2C通信，因而选择PCF8583芯片作为时钟芯片。

2.4 RS485通信

RS-485最大的优点在于它的多点总线互连功能，它可以连接1台主机和多台终端同时通信，由于它是半双工的方式，只能一方发送，一方接收，而且它采用差动电平接收的方法提高抗干扰能力，适合在比较恶劣的环境下工作。在单片机中使用MAX485芯片，完成单片机和上位PC机的RS-485通信。

3.硬件电路板设计

图1是硬件电路总体的结构图，电路分为4部分：

(1)直接控制水系景观灯部分(如图2)

本电路中利用拨码开关在两部分的控制电路之间转换。

LA01外接水系景观灯。当开关接到直接控制景观灯的部分，单片机的I/O口输出低电平时，PNP三极管将导通，这样MOSFET N的G极为高电平，因而通过LAMP12V、灯、场效应管、地导通，灯开始亮。同时LED也亮起来，用以反映灯的亮灭情况。利用单片机来控制灯的显示时间和灯的开启顺序。

在这部分电路中，接到PNP三极管的2K电阻是为了防止基极电流过大，PNP三极管起到了放大作用，场效应管作为开关使用并且使用了续流二极管。

(2)继电器控制部分（图3）

当拨码开关接向控制继电器部分的电路时，就可以通过控制继电器的开闭来控制所连接的电机，以达到控制水系景观灯的效果。

当单片机输出高电平的时候，NPN三极管导通，从而继电器线圈两端连接到+12V和地，从而常开触点闭合，这样连接在继电器常开触点的电动机启动。同时LED灯亮，反映继电器的工作情况。

(3)RS-485通信部分

图4为通信部分电路图，其中TLP521-1、TLP521-2为晶闸管输出光电耦合器。POWER485为隔离电源，用于给485供电，MAX485为转换接口。

光耦以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步的放大后输出。这样就完成了“电-光-电”的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。它具有单向性的特点，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

(4)PCF8583与24LC64电路

图5为PCF8583控制部分电路原理图，其原理是利用I2C标准对8583进行设置，由于该系统的设计量比较多，因而扩展了存储空间。

4.系统软件设计

图6、7为上位机与下位机的控制流程图。下位机通过RS485模块与上位机联系，根据上位机的指令，控制景观灯的开放情况；利用时钟芯片的定时功能，单片机自动完成路灯的亮灭控制。

5.结束语

本设计基于单片机的水系景观控制系统，可以通过计算机通讯，实现远程控制，获得了预期的效果。本设计从使用者的角度出发，既完善了景观灯的功能又降低了人力成本，具有很强的实用性。本方案的特点是电路结构简单、控制灵活、工作稳定可靠且成本相对较低。所设计的控制器也可以做为通用控制模块，应用于其他自动化设备的控制。将来一定会在其他行业有更广阔的前景。

[1]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航天航空大学出版社,2001.

[2]苏家健,曹柏荣,汪志锋.单片机原理机及应用技术[M].北京:高等教育出版社,2002,98-123.

[3]宋成艳.城市路灯无线监控管理系统的研究[D].广州:广东工业大学,2007.