一種移動式太陽能交通標志車設計

孫春福，張順心，王 震

（1.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130；2.徐工集團挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221005）

0 引言

新世紀以來，我國加快了現(xiàn)代化建設的步伐，道路對經濟發(fā)展起著至關重要的作用[1].然而我國道路交通標志卻遠遠跟不上道路建設的步伐.交通安全一直是人們所關心的問題，在我國，公路交通事故多，而且基本逐年增加，呈現(xiàn)惡化趨勢[2].現(xiàn)有交通警告標志牌主要有兩種：一種是反光膜上帶有交通標志圖標的警示標志牌.缺點明顯：標志單一，自動化程度低，移動不便，靠太陽或車燈反光，警示距離短，受天氣影響嚴重等等.另一種，采用市電供電的LED交通標志.最近幾年為了加強可視效果，出現(xiàn)了市電供電的LED交通標志，但在偏僻路段市電供應非常困難，限制了此類交通標志的使用，而且耗電量大，不符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略.綜合我國公路交通安全的特點和彌補上面兩類警示牌的缺陷，本文介紹了一款適合我國國情的移動式太陽能交通標志車，為了可靠供電，采用了太陽能和蓄電池雙向供電；為了減小干涉，采用了顯示屏半折疊的方式；為了提高太陽能利用率，采用了太陽能追光系統(tǒng).機構簡單，使用方便，特別適合在無電源的高速公路、非固定和臨時施工（維護）現(xiàn)場及山道、彎道等高度危險事故多發(fā)地段.為駕駛員提供有關路況信息、組織、管理、引導交通的運行，提醒駕駛員注意以保證安全.

1 整體設計

移動式太陽能交通標志車采用蓄電池和太陽能雙向供電，為了提高太陽能的利用率[3]，設計了一套太陽能板自動追光系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示.首先由太陽能板追光控制器控制太陽能板追光機構使太陽能板到達接收日照的最佳位置；再由太陽能板通過太陽能充電控制器，將太陽能轉化為電能，并存儲在蓄電池內；然后由蓄電池為太陽能追光機構及追光控制器、上部文字顯示屏的傾角調整機構及顯示屏的圖像控制器和頻閃燈供電，最終實現(xiàn)顯示不同圖像及頻閃燈的警示作用.在通常狀態(tài)下完全采用太陽能供電，車載顯示屏光線醒目，穿透力強，在異常的沙塵、污染等惡劣環(huán)境下正常工作.另外配有頻閃燈，頻閃燈閃爍頻率達到30次/m in，在幾百米外就能給司機提示，具有顯著的醒目警示功能，減少交通事故，達到安全的效果，其動感效果是普通標志牌所不能替代的.特別是在夜間更突顯出與傳統(tǒng)交通標志相比移動式太陽能交通標志車的強大優(yōu)勢.

圖1 整體設計框圖Fig.1 Theblock diagram of overalldesign

2 傳動機構的設計

2.1 顯示屏傾角調整機構

考慮標志車移動的方便性、機構運動精度可靠性[4]及減小空間，采用LED顯示屏半折疊的方式，上部文字顯示屏采用偏心曲柄滑塊機構控制其傾角，其原理為通過滑塊的移動來帶動曲柄的擺動，從而使點陣屏升起和降下.其結構簡圖如圖2所示，當電機帶動滑塊C從位置移動到位置時升起上部文字顯示屏AB，反過來從位置移動到位置時降下顯示屏.在標志車處于正常使用狀態(tài)時，使上部文字顯示屏升起，這樣可以增大顯示屏圖像的顯示面積，達到更強的警示效果.在標志車移動過程中，使上部文字顯示屏降下，平躺在車體的上表面，這樣既降低了車體的重心，提高了穩(wěn)定性，又使其移動方便，提高了安全性.

圖2 文字顯示屏傾角調整機構示意圖Fig.2 Theschematic diagram of the textdisplay reclining mechanism

2.2 太陽能板追光系統(tǒng)

目前，太陽追光系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽[5]主要采用如下兩種方式：一種是根據(jù)視日運動軌跡追蹤；另一種是光電追蹤.而視日運動軌跡追蹤在早上或下午太陽光線都是斜射，不能充分利用太陽能，因此選擇光電追蹤方式.國內常用的光電追蹤方式有重力式、電磁式和電動式.光電追蹤裝置主要是利用光敏傳感器采集太陽的偏移信號，通過光電管輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經放大電路放大，由減速電機調整角度使追蹤裝置對準太陽實現(xiàn)追蹤.光電追蹤靈敏度高，結構設計較為簡單.

追蹤系統(tǒng)由如圖3所示的傳動機構組成.由電機6通過減速裝置4驅動螺母5轉動，帶動絲杠3上下移動，通過虎克鉸2實現(xiàn)太陽能板1繞X軸的轉動；同時由另一套布置在與該機構相差90°的相同的傳動機構實現(xiàn)太陽能板1繞Y軸的轉動.在二者的配合下實現(xiàn)太陽能板1對太陽的跟蹤.太陽能板1由支撐桿7支撐在基面8上，絲杠、支撐桿均由虎克鉸2與太陽能板1聯(lián)接.

圖3 太陽能板自動追光系統(tǒng)結構簡圖Fig.3 The structuraldiagram of the solar panels automatic tracking system

3 控制顯示系統(tǒng)的硬件和軟件設計

移動式太陽能交通標志車采用太陽能和蓄電池雙層供電，采用STC89C52控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、價格低廉、抗干擾能力強等優(yōu)點.無線遙控系統(tǒng)采用 PT2262/PT2272編碼解碼芯片來遠程控制和改變要顯示的警示文字和交通標志.顯示部分采用超高亮雙基色LED組成的點陣屏來顯示警示文字和圖標，警示距離可以達到500m.

3.1 光電檢測電路

光電檢測電路采用5個光敏電阻傳感器檢測太陽的方位角和高度角.5個光敏電阻傳感器的排列如圖4所示，將檢測板用下方開口的不透光的空心薄壁圓柱體遮蓋，圓柱體的上方中央有一個與檢測的光敏電阻直徑相同的孔，以讓太陽光線射入，同時選擇適當?shù)母叨龋ū狙b置為50mm）.高度過低時，太陽光線照射不到四周的光敏電阻傳感器上，造成系統(tǒng)接收不同方位的光線時反應不靈敏.高度過高時，光線均照射到圓柱壁上，造成系統(tǒng)判斷太陽光線方位不準確.并將光電檢測裝置安裝在太陽能板上，光電檢測電路如圖5所示，其中D0的正極與4個放大器的同相輸入端相連，D1～D4的正極均連接放大器的反相輸入端，從而D0與D1～D4組成比較電路.太陽光線與太陽能板的夾角不同，就照射到不同的光敏電阻上，因此可通過P2.0～P2.3的高低電位變化得以判斷太陽光線的方向.

圖4 光敏電阻傳感器整體布局示意圖Fig.4 The schematic diagram of theoverall layoutof the photoresistor sensor

圖5 光電檢測電路Fig.5 The controlschematic of photoelectric detection

3.2 單片機控制電路

由無線接收模塊接收來自無線遙控手柄的信號，經單片機實現(xiàn)改變顯示屏顯示的交通標志、顯示屏的傾角調整與太陽能板的角度調整.光電檢測電路輸出的高低電位信號，通過單片機控制，實現(xiàn)太陽能板自動追光的目的.

3.2.1 電機控制電路設計

移動式太陽能交通標志車由3個12 V直流電機驅動實現(xiàn)顯示屏的傾角調整和太陽能板的追光，采用74HC595，使用單片機的3個I/O口控制8個繼電器的吸合，達到控制3個電機的正反轉.

如圖6所示，LED指示燈起到指示和限流的作用，指示相應的繼電器之間吸合.當74HC595為高電平時三極管導通，繼而繼電器吸合，給相應直流電機上電.由于三極管較二極管線性度較差[7]，圖中二極管具有保護三極管的作用，以防止繼電器線圈內電流回流而導致燒毀三極管.

3.2.2 顯示屏顯示電路設計

顯示電路采用并行方式，通過鎖存器來擴展IO口[7]，同時可以控制LED點陣的六十四個列線.本設計中八組雙緩沖寄存器是由十六片鎖存器構成的，以驅動LED點陣的8組列線，用4/16譯碼器對LED點陣的十六行進行掃描.在將每一行的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED點陣之前，把數(shù)據(jù)按級數(shù)依次傳送給鎖脈沖，這樣所有數(shù)據(jù)一并傳輸?shù)絃ED點陣列中，實現(xiàn)了各數(shù)據(jù)能夠同步顯示.由于并行比串行數(shù)據(jù)傳輸速度要快，所以字符閃爍的問題得到較好地解決，文字左右移動也較好的得到控制.

圖6 繼電器控制電機電路Fig.6 The controlschematic of relay controlmotor

圖7 主程序設計流程圖Fig.7 The flow chartof themain program design

3.3 控制顯示系統(tǒng)的軟件設計

在主程序初始化后，當無線接收模塊接收到無線信號時，由遙控按鈕來操控，直到完成操作，主程序流程如圖7所示.在鍵盤掃描子程序中，有分別控制3個電機的按鍵，如控制顯示屏傾角調整電機的按鍵，當確定按下時，說明此鍵接通，所連接的電機能夠動作，此時，電機正傳；接下來，按第2下時，電機停轉；按第3下時，電機反轉；按第4下時，電機停轉.由按鍵動作次序控制電機的各個動作.其他分別控制太陽能板升降，追光高度角和追光方位角的電機按鍵，控制方式與控制顯示屏傾角調整的電機原理相同.其中控制追光高度角電機的按鍵與控制追光方位角電機的按鍵為強制按鍵，正常狀態(tài)下，控制追光高度角電機與控制追光方位角電機動作由太陽能追光控制系統(tǒng)自行完成，只有當太陽能板不能實現(xiàn)自動追光時使用，鍵盤掃描子程序流程如圖8所示.

圖8 鍵盤掃描子程序流程圖Fig.8 The flow chartof keyboard scanning subroutine

4 結論

本文提出的移動式太陽能交通標志車，全貌圖如圖9所示，經現(xiàn)場試驗驗證，與目前常見的反光膜交通標志和市電供電的LED交通標志，有如下優(yōu)勢：1）采用太陽能和蓄電池雙向供電，獨立工作時間長，晴天連續(xù)運行穩(wěn)定，不產生任何使用費用，陰雨天也可連續(xù)穩(wěn)定工作數(shù)日（不同區(qū)域或有差異）.2）自動化化程度較高，制作簡單合理，操作移動方便，成本低廉.3）高亮度點陣屏，耗電量小，可視性強，做到警示文字與圖標同時使用，并且有多種符合國家標準的警示文字與圖標，更換方便快捷.4）警示距離遠，白天視認距離在500m以上，夜間視認距離可達1 000m以上，提高了車輛行駛安全性.5）采用太陽能板自動追光系統(tǒng)，使太陽能的利用率得到提高.6）顯示屏的傾角調整與太陽能板的升降互不干涉，遠程無線遙控和手動控制可同時使用.因此具有廣闊的推廣前景.

圖9 移動式太陽能交通標志車的全貌圖Fig.9 The close-up view of the traffic sign car design ofmobile solar

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