湖南省寧鄉(xiāng)縣第一高級(jí)中學(xué) 徐拓展

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司 張伊潔

長(zhǎng)沙市望城區(qū)第一中學(xué) 徐子璇

基于STC15F2K60S2單片機(jī)的應(yīng)急智能手電筒硬件電路設(shè)計(jì)

湖南省寧鄉(xiāng)縣第一高級(jí)中學(xué) 徐拓展

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司 張伊潔

長(zhǎng)沙市望城區(qū)第一中學(xué) 徐子璇

本文介紹了一種以STC15F2K60S2單片機(jī)為控制器的多功能、高可靠性應(yīng)急智能手電筒硬件設(shè)計(jì)方案,STC15F2K60S2單片機(jī)的集成度、自身具備最小系統(tǒng)功能,可有效減小產(chǎn)品體積、縮短開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品可靠性,該方案已在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果.

單片機(jī);手電筒;硬件設(shè)計(jì)

1.引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們生活水平不斷提高,自駕游等家庭式旅游頻率逐年升高,隨之而來(lái)的旅游安全問(wèn)題也越來(lái)越受到重視,因此,應(yīng)急智能手電筒已成為人們生活中重要的備用便攜式產(chǎn)品[1].本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急智能手電筒在普通手電筒基礎(chǔ)上增加了智能充電、應(yīng)急爆閃燈和緊急蜂鳴功能,由1個(gè)小燈珠和4個(gè)LED分別組成照明與爆閃燈系統(tǒng),其中,用于遠(yuǎn)程照明用的小燈珠安裝在手電筒前方,紅藍(lán)兩色4個(gè)LED燈珠安裝在手電筒前方的四周,4個(gè)LED燈珠相互間隔90度,紅藍(lán)兩色燈珠間隔排列;一個(gè)蜂鳴器發(fā)出較高頻率的警示聲.

從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本、周期及升級(jí)改進(jìn)方便性等角度考慮,本文設(shè)計(jì)了一套基于STC15F2K60S2單片機(jī)的新穎的智能手電筒開(kāi)發(fā)方案,該設(shè)計(jì)方案采用宏晶科技有限公司的STC15F2K60S2-28IDIP40作為系統(tǒng)微控制器,具有高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等性能,還具有存儲(chǔ)容量大(內(nèi)置60kB FLASH程序存儲(chǔ)器、1kB FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)、無(wú)需外接晶振電路和復(fù)位電路、自帶ADC和PWM模塊等特點(diǎn),可以節(jié)省大量的外擴(kuò)電路設(shè)計(jì)和電路板空間,特別適用于小體積、多功能等便攜式智能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)[2-4].

2.系統(tǒng)功能與參數(shù)

應(yīng)急智能手電筒由電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、爆閃燈與蜂鳴器、按鍵控制系統(tǒng)、電池低電量提示系統(tǒng)和智能充電系統(tǒng)構(gòu)成.

(1)電源系統(tǒng).采用4節(jié)鎳氫電池供電,型號(hào)為AA1200,標(biāo)稱電壓1.2V.

(2)照明系統(tǒng).由尖頭小燈珠組成照明系統(tǒng),工作電壓3.6-5.0V;工作電流750mA.

(3)爆閃燈與蜂鳴系統(tǒng).由2個(gè)紅色和2個(gè)藍(lán)色LED燈珠構(gòu)成爆閃燈系統(tǒng),典型工作電壓3.6V,工作電流≥15mAX4=60mA;蜂鳴系統(tǒng)采用無(wú)源蜂鳴器.

(4)按鍵控制系統(tǒng).按鍵1控制照明燈的點(diǎn)亮或熄滅;按鍵2控制爆閃燈與蜂鳴器的開(kāi)啟或停止,按一下按鍵2,爆閃燈點(diǎn)亮,再按一下按鍵2蜂鳴器開(kāi)啟,再按一下按鍵2爆閃燈和蜂鳴器都停止工作.

(5)電池低電量提示系統(tǒng).用單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓,當(dāng)電池電壓低于警戒值時(shí),驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出三聲"嘟嘟嘟"提醒用戶及時(shí)充電.

(6)智能充電系統(tǒng).用5V直流穩(wěn)壓電源對(duì)電池進(jìn)行充電,采用分段充電模式,在電池充電期間背光LED燈處于低亮狀態(tài),當(dāng)電池充滿時(shí)自動(dòng)停止充電.

3.系統(tǒng)工作原理與方案設(shè)計(jì)

3.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)急智能手電筒的電源電路原理圖如圖1所示.

圖1 電源電路原理圖

該電源系統(tǒng)由4節(jié)鎳氫電池供電,每一節(jié)電池的標(biāo)稱電壓為1.2V,故電路圖中的VDD為4.8V.由于電池隨著使用時(shí)間的變化而變化,而單片機(jī)中的CPU與ADC模塊對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求高,所以本方案使用低壓差線性穩(wěn)壓芯片HT7144為單片機(jī)提供工作電壓,其額定輸出電壓為4.4V(STC15F2K60S2單片機(jī)的正常工作電壓為3.8-5.5V).

3.2 照明燈、爆閃燈與蜂鳴器控制電路

照明燈、爆閃燈與蜂鳴器控制電路原理圖如圖2所示.照明燈珠L(zhǎng)AMP采用STC15F2K60S2的P3.6I/O口控制,該I/O口的輸出電平根據(jù)圖3所示按鍵SW1的動(dòng)作決定,當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí),Q2導(dǎo)通,繼電器RELAY的驅(qū)動(dòng)線圈得電,觸點(diǎn)吸合,照明燈珠點(diǎn)亮;當(dāng)P3.6I/O口輸出低電平時(shí),照明燈珠熄滅.爆閃燈采用STC15F2K60S2的P3.7I/O口控制,該I/O口的輸出電平根據(jù)圖3所示按鍵SW2的動(dòng)作決定,當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí),Q1導(dǎo)通,4個(gè)LED燈珠同時(shí)點(diǎn)亮;當(dāng)P3.7I/O口輸出低電平時(shí),4個(gè)LED燈珠同時(shí)熄滅.蜂鳴器由P4.1I/O口控制,該I/O口的輸出電平根據(jù)圖3所示按鍵SW2的動(dòng)作決定,當(dāng)P4.1I/O口輸出一定頻率的脈沖信號(hào)時(shí),Q3和Q4控制蜂鳴器BUZZER的得電和失電,蜂鳴器將產(chǎn)生相應(yīng)聲音,該端口輸出脈沖信號(hào)的頻率由軟件生成.

圖2 照明燈、爆閃燈與蜂鳴器控制電路原理圖

圖3 按鍵掃描與電量檢測(cè)電路原理圖

3.3 按鍵掃描與電量檢測(cè)電路

按鍵掃描與電量檢測(cè)電路原理圖如圖3所示.

當(dāng)按鍵SW1和SW2被按下時(shí),會(huì)分別使P1.1和P1.0I/O口的電平由高電平被拉低至低電平,通過(guò)每1ms掃描一次上述兩個(gè)引腳的電平狀態(tài),可以判斷SW1和SW2是否被按下,其中,在軟件中編寫(xiě)判斷邏輯,再根據(jù)判斷SW2引腳電平?jīng)Q定圖2所示爆閃燈與蜂鳴器的工作狀態(tài).同時(shí),P1.1還肩負(fù)電池剩余電量檢測(cè)功能,利用STC15F2K60S2自帶的8位ADC模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓值,當(dāng)電池電壓低至接近單片機(jī)正常工作電壓最小值3.8V時(shí),通過(guò)軟件控制圖2所示P4.1I/O口輸出3個(gè)脈沖信號(hào),使蜂鳴器產(chǎn)生三聲"嘟嘟嘟"的聲音,提醒用戶及時(shí)充電.此外,從P1.1引腳檢測(cè)到的電池電壓值還用于決定自動(dòng)充電控制電路的工作模式,即決定電池充電模式.

為防止誤動(dòng)作,本設(shè)計(jì)方案對(duì)按鍵按下與釋放動(dòng)作的檢測(cè)采用軟件延時(shí)去抖動(dòng)方法來(lái)檢測(cè)是否真正按下與釋放或是干擾信號(hào)等誤動(dòng)作,此功能采用定時(shí)器掃描引腳電平狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn),具體工作過(guò)程為:每10ms啟動(dòng)1次AD轉(zhuǎn)換,當(dāng)按鍵被按下時(shí),相應(yīng)引腳電壓值小于0.5V則置按鍵標(biāo)志位,當(dāng)下一個(gè)10ms的AD轉(zhuǎn)換值,依然小于0.5V時(shí),認(rèn)為確實(shí)有按鍵按下;若果AD轉(zhuǎn)換值大于0.5V,認(rèn)為沒(méi)有按鍵按下,這樣采用軟件方式實(shí)現(xiàn)延時(shí)去抖動(dòng)功能.

3.4 電池自動(dòng)充電控制與充電狀態(tài)顯示電路

電池自動(dòng)充電控制與充電狀態(tài)顯示電路原理圖如圖4所示.當(dāng)5V直流充電器連接至手電筒上的直流電源插座時(shí),Q5的控制極為高電平,則Q5導(dǎo)通,此時(shí)P4.2引腳被下拉至低電平,當(dāng)檢測(cè)到P4.2引腳為低電平時(shí),電池自動(dòng)充電程序啟動(dòng).為延長(zhǎng)電池使用壽命,根據(jù)所選電池的充電曲線圖采取兩階段充電方式.當(dāng)4節(jié)電池的電壓低于3.6V并且已連接充電器時(shí),自動(dòng)充電控制電路采取快速充電,期間Q8和Q9恒導(dǎo)通,充電電流為500mA;當(dāng)4節(jié)電池的電壓大于3.6V、小于4.8V并且已連接充電器時(shí),自動(dòng)充電控制電路采取脈沖充電控制方式,期間通過(guò)調(diào)整Q8和Q9導(dǎo)通占空比使充電電流維持在300mA左右;當(dāng)4節(jié)電池的電壓大于4.8V并且已連接充電器時(shí),為保證電池充滿電,延時(shí)1分鐘后控制P3.5引腳為低電平,此時(shí)Q8和Q9相繼截止,停止充電任務(wù).

為了顯示手電筒的充電工作狀態(tài),本方案還設(shè)計(jì)了充電工作狀態(tài)顯示電路.當(dāng)5V直流充電器連接至手電筒上的直流電源插座時(shí),DC+為+5V,則三極管Q5導(dǎo)通,P4.2引腳被下拉至低電平,當(dāng)程序以定時(shí)掃描方式檢測(cè)到P4.2引腳為低電平時(shí)將P3.5引腳置為高電平,則Q8、Q9相繼導(dǎo)通;此時(shí),由于CH+為+5V,三極管Q7導(dǎo)通,背光LED燈珠EL被點(diǎn)亮,表示電池正處于充電狀態(tài).當(dāng)充電結(jié)束時(shí),由P1.1引腳實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電池電壓與P4.2引腳的電平經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算決定P3.5引腳的置為低電平,從而使Q8、Q9和Q7將相繼截止,背光LED燈珠EL熄滅,表示充電完成.

圖4 電池自動(dòng)充電控制與充電狀態(tài)顯示電路原理圖

4.結(jié)論

由于STC15F2K60S2單片機(jī)集成度高、自身已構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng),基于該MCU設(shè)計(jì)應(yīng)急智能手電筒具有成本低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn).同時(shí),STC15F2K60S2單片機(jī)的集成開(kāi)發(fā)軟件在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛、參考資料豐富,可以大幅降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期.

[1]夏彬彬,任明全,屈金學(xué).PIC單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社m2009.

[2]宏晶科技.STC Microcontroller Handbook,2007.

[3]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程-入門、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[4]宏晶科技.STC15F2K60S2 series DataSheet,2015.