基于STC15F2K60S2單片機的應急智能手電筒硬件電路設計

湖南省寧鄉縣第一高級中學 徐拓展

中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司 張伊潔

長沙市望城區第一中學 徐子璇

基于STC15F2K60S2單片機的應急智能手電筒硬件電路設計

湖南省寧鄉縣第一高級中學 徐拓展

中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司 張伊潔

長沙市望城區第一中學 徐子璇

本文介紹了一種以STC15F2K60S2單片機為控制器的多功能、高可靠性應急智能手電筒硬件設計方案,STC15F2K60S2單片機的集成度、自身具備最小系統功能,可有效減小產品體積、縮短開發周期、提高產品可靠性,該方案已在實際應用中取得良好效果.

單片機;手電筒;硬件設計

1.引言

隨著社會的發展,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,隨之而來的旅游安全問題也越來越受到重視,因此,應急智能手電筒已成為人們生活中重要的備用便攜式產品[1].本文設計的應急智能手電筒在普通手電筒基礎上增加了智能充電、應急爆閃燈和緊急蜂鳴功能,由1個小燈珠和4個LED分別組成照明與爆閃燈系統,其中,用于遠程照明用的小燈珠安裝在手電筒前方,紅藍兩色4個LED燈珠安裝在手電筒前方的四周,4個LED燈珠相互間隔90度,紅藍兩色燈珠間隔排列;一個蜂鳴器發出較高頻率的警示聲.

從產品開發成本、周期及升級改進方便性等角度考慮,本文設計了一套基于STC15F2K60S2單片機的新穎的智能手電筒開發方案,該設計方案采用宏晶科技有限公司的STC15F2K60S2-28IDIP40作為系統微控制器,具有高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾等性能,還具有存儲容量大(內置60kB FLASH程序存儲器、1kB FLASH數據存儲器)、無需外接晶振電路和復位電路、自帶ADC和PWM模塊等特點,可以節省大量的外擴電路設計和電路板空間,特別適用于小體積、多功能等便攜式智能產品開發[2-4].

2.系統功能與參數

應急智能手電筒由電源系統、照明系統、爆閃燈與蜂鳴器、按鍵控制系統、電池低電量提示系統和智能充電系統構成.

(1)電源系統.采用4節鎳氫電池供電,型號為AA1200,標稱電壓1.2V.

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

(3)爆閃燈與蜂鳴系統.由2個紅色和2個藍色LED燈珠構成爆閃燈系統,典型工作電壓3.6V,工作電流≥15mAX4=60mA;蜂鳴系統采用無源蜂鳴器.

(4)按鍵控制系統.按鍵1控制照明燈的點亮或熄滅;按鍵2控制爆閃燈與蜂鳴器的開啟或停止,按一下按鍵2,爆閃燈點亮,再按一下按鍵2蜂鳴器開啟,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.用單片機自帶的AD轉換模塊實時檢測電池電壓,當電池電壓低于警戒值時,驅動蜂鳴器發出三聲"嘟嘟嘟"提醒用戶及時充電.

(6)智能充電系統.用5V直流穩壓電源對電池進行充電,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,當電池充滿時自動停止充電.

3.系統工作原理與方案設計

3.1 電源系統設計

應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

該電源系統由4節鎳氫電池供電,每一節電池的標稱電壓為1.2V,故電路圖中的VDD為4.8V.由于電池隨著使用時間的變化而變化,而單片機中的CPU與ADC模塊對電壓的穩定性要求高,所以本方案使用低壓差線性穩壓芯片HT7144為單片機提供工作電壓,其額定輸出電壓為4.4V(STC15F2K60S2單片機的正常工作電壓為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LAMP采用STC15F2K60S2的P3.6I/O口控制,該I/O口的輸出電平根據圖3所示按鍵SW1的動作決定,當單片機輸出高電平時,Q2導通,繼電器RELAY的驅動線圈得電,觸點吸合,照明燈珠點亮;當P3.6I/O口輸出低電平時,照明燈珠熄滅.爆閃燈采用STC15F2K60S2的P3.7I/O口控制,該I/O口的輸出電平根據圖3所示按鍵SW2的動作決定,當單片機輸出高電平時,Q1導通,4個LED燈珠同時點亮;當P3.7I/O口輸出低電平時,4個LED燈珠同時熄滅.蜂鳴器由P4.1I/O口控制,該I/O口的輸出電平根據圖3所示按鍵SW2的動作決定,當P4.1I/O口輸出一定頻率的脈沖信號時,Q3和Q4控制蜂鳴器BUZZER的得電和失電,蜂鳴器將產生相應聲音,該端口輸出脈沖信號的頻率由軟件生成.

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電路原理圖

3.3 按鍵掃描與電量檢測電路

按鍵掃描與電量檢測電路原理圖如圖3所示.

當按鍵SW1和SW2被按下時,會分別使P1.1和P1.0I/O口的電平由高電平被拉低至低電平,通過每1ms掃描一次上述兩個引腳的電平狀態,可以判斷SW1和SW2是否被按下,其中,在軟件中編寫判斷邏輯,再根據判斷SW2引腳電平決定圖2所示爆閃燈與蜂鳴器的工作狀態.同時,P1.1還肩負電池剩余電量檢測功能,利用STC15F2K60S2自帶的8位ADC模塊實時檢測電池電壓值,當電池電壓低至接近單片機正常工作電壓最小值3.8V時,通過軟件控制圖2所示P4.1I/O口輸出3個脈沖信號,使蜂鳴器產生三聲"嘟嘟嘟"的聲音,提醒用戶及時充電.此外,從P1.1引腳檢測到的電池電壓值還用于決定自動充電控制電路的工作模式,即決定電池充電模式.

為防止誤動作,本設計方案對按鍵按下與釋放動作的檢測采用軟件延時去抖動方法來檢測是否真正按下與釋放或是干擾信號等誤動作,此功能采用定時器掃描引腳電平狀態來實現,具體工作過程為:每10ms啟動1次AD轉換,當按鍵被按下時,相應引腳電壓值小于0.5V則置按鍵標志位,當下一個10ms的AD轉換值,依然小于0.5V時,認為確實有按鍵按下;若果AD轉換值大于0.5V,認為沒有按鍵按下,這樣采用軟件方式實現延時去抖動功能.

3.4 電池自動充電控制與充電狀態顯示電路

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

為了顯示手電筒的充電工作狀態,本方案還設計了充電工作狀態顯示電路.當5V直流充電器連接至手電筒上的直流電源插座時,DC+為+5V,則三極管Q5導通,P4.2引腳被下拉至低電平,當程序以定時掃描方式檢測到P4.2引腳為低電平時將P3.5引腳置為高電平,則Q8、Q9相繼導通;此時,由于CH+為+5V,三極管Q7導通,背光LED燈珠EL被點亮,表示電池正處于充電狀態.當充電結束時,由P1.1引腳實時檢測到的電池電壓與P4.2引腳的電平經過邏輯運算決定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 電池自動充電控制與充電狀態顯示電路原理圖

4.結論

由于STC15F2K60S2單片機集成度高、自身已構成最小應用系統,基于該MCU設計應急智能手電筒具有成本低、電路結構簡單、可靠性高的優點.同時,STC15F2K60S2單片機的集成開發軟件在國內應用廣泛、參考資料豐富,可以大幅降低產品開發難度和縮短產品開發周期.

[1]夏彬彬,任明全,屈金學.PIC單片機常用模塊與綜合系統設計[M].北京:電子工業出版社m2009.

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

[3]郭天祥.新概念51單片機C語言教程-入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京:電子工業出版社,2009.

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