基于ATMEGA16太陽能無雨走道的設(shè)計(jì)

張以涵 羅磊 王學(xué)忠

摘 ? 要：隨著城市人口增長，馬路兩邊人行道、小區(qū)內(nèi)部道路上經(jīng)常是人車混合通行，存在安全隱患，特別是雨天，由于雨傘面積大，透光性不好，很容易引發(fā)交通事故。針對上述問題，文章提出基于ATMEGA16太陽能無雨走道的設(shè)計(jì)。利用流動空氣能夠改變物體運(yùn)動軌跡的原理，讓高速噴出的氣流形成一道看不見的氣幕雨傘，并與太陽能路燈相結(jié)合，起到夜間照明、雨天遮雨的作用。

關(guān)鍵詞：太陽能;ATMEGA16A;無雨走道

隨著大量人口涌入城市，交通變得更加擁堵，下雨天的道路交通情況很糟。由于雨傘面積大且透光不好，容易擋住視線，引發(fā)各種交通事故。針對上述問題，提出基于ATMEGA16太陽能無雨走道的設(shè)計(jì)。利用流動空氣能夠改變物體運(yùn)動軌跡的原理，讓壓縮后的高速氣流從燈桿的底部吸入，然后從燈桿的頂部噴出，形成一道看不見的氣幕隔離圈，像一把隱形的大雨傘，避免人們被雨淋濕，并與傳統(tǒng)的太陽能路燈相結(jié)合，起到夜間照明的作用。

1 ? ?太陽能無雨走道的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)由核心芯片ATMEGA16、太陽能板、保護(hù)單元、蓄電池、檢測及負(fù)載LAMP、空氣壓縮機(jī)等模塊組成[1]。路燈可通過編程實(shí)現(xiàn)自動與定時(shí)相結(jié)合的控制方式。空氣雨傘根據(jù)雨量的大小，編程實(shí)現(xiàn)兩組空氣壓縮機(jī)的不同組合，實(shí)現(xiàn)氣流噴出的方向和氣幕大小不同的遮雨屏障。蓄電池采用直充、浮充和涓充3種方法[2]，并設(shè)溫度補(bǔ)償電路。

2 ? ?控制電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，控制電路是以ATMEGA16為核心，該芯片是一款8位精簡指令、低功耗，內(nèi)有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）模塊電路、四通道脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出等功能。主電源BT1由多組鉛酸電池組并聯(lián)構(gòu)成的。C1，C4的作用是減少高頻雜波對控制系統(tǒng)的干擾。RV是壓敏電阻，起到防雷擊的作用。Q6，D4等元器件把12 V電壓降為10 V。Q7，D6將10 V穩(wěn)壓成5 V供ATMEGA16芯片及其他電路使用[3]。R1，R27，R10，R12和D5構(gòu)成電壓檢測電路，并通過U2的第3引腳輸入到單片機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2.1 ?充電過程

當(dāng)太陽能板受到太陽光照射時(shí)，經(jīng)其內(nèi)部A/D模塊處理后的信號與閥值電壓比較，當(dāng)電壓超過6 V，LED5亮起，開啟充電模式[4-5]。此時(shí)，U2的2引腳為高電平，Q4，Q5斷開，Q1，Q2變?yōu)閷?dǎo)通。電流從U1的“+”→蓄電池BT1“+”→ “-”→Q2→Q1→U1的“-”流過，實(shí)現(xiàn)對BT1快速充電。隨著BT1的電位增大，LED2～LED4一一亮起。當(dāng)BT1電壓為13.6 V，充電方式由直充切換為PWM浮充模式，U2的第2引腳變?yōu)镻WM脈沖信號，控制Q1，Q2導(dǎo)通與截止，向BT1充電。隨著BT1的電位逐步增大，PWM的占空比逐步減小，充電時(shí)間縮短;反之，充電時(shí)間變長，電壓升高，如此反復(fù)沖到14.6 V為止;最后，采用涓流充電，間隔時(shí)長為1 h以上。

2.2 ?太陽能路燈控制電路

由R7，R9，D3，Q3，RL等構(gòu)成路燈放電回路，當(dāng)BT1大于11.0 V，負(fù)載LAMP兩端輸出BT1和太陽能板混合電能;當(dāng)BT1降至11.0 V，U2的40引腳變?yōu)楦唠娖?，Q8，Q3關(guān)斷，同時(shí)LED1燈點(diǎn)亮，進(jìn)行低壓保護(hù)工作。放電時(shí)，LED燈的亮滅狀態(tài)表示當(dāng)前電量的多少，LED4亮表示BT1電壓為12.8 V以上;LED3亮表示BT1電壓在12.8 V與11.8 V之間;LED2亮?xí)r，電壓大于11.0 V低于11.8 V。當(dāng)BT1的電壓小于11.0 V，LED2閃爍，此時(shí)應(yīng)該關(guān)閉或切換供電方式，以保護(hù)BT1，如不關(guān)閉，3 min后強(qiáng)行關(guān)閉或切換供電方式。傍晚，當(dāng)U2的第36引腳GK檢測到電壓低于6.0 V，自動打開太陽能路燈;早上，當(dāng)U2第36引腳GK檢測到電壓高于6.0 V時(shí)，自動關(guān)掉太陽能路燈。

2.3 ?無雨走道空氣雨傘控制電路

流動的空氣能夠改變物體的運(yùn)動軌跡?？諝膺\(yùn)動速度越快，它的能量也就越強(qiáng)，而噴射的氣流也可以將一些物體隔離開來，形成一道氣幕屏障，類似一個(gè)無形的大雨傘，把行人與雨水隔離開，起到遮雨的功能，所以也稱之為空氣雨傘。當(dāng)把空氣雨傘與太陽能路燈相結(jié)合，燈桿的上部為氣體的噴出口，燈桿的下部為高壓氣體的進(jìn)入通道：將將壓縮的氣體從燈桿底部送入，然后從燈桿上部的口噴出，噴出的高速氣體在燈桿的上部形成一道圓形氣幕。這道氣幕有效保護(hù)了道路上的行人，避免被雨淋濕。氣幕的覆蓋的范圍可以根據(jù)雨水的大小進(jìn)行自動調(diào)節(jié)控制。圖1中，U4是雨水檢測模塊，通過U4來檢測是否降雨以及降雨量的多少。當(dāng)U4檢測到下小雨，U2的第39引腳由低電平“0”變?yōu)楦唠娖健?”，控制Q9閉合，壓縮機(jī)1啟動，產(chǎn)生一道相當(dāng)較小的圓形氣幕;當(dāng)U4檢測到下中雨，從U2的第38引腳由“0”電平變成“1”高電平，控制Q10閉合，壓縮機(jī)2啟動，生成一道相對較大的圓形氣幕;當(dāng)U4檢測到下大雨時(shí)，從單片U2的第38引腳、39引腳均輸出高電平控制Q9，Q10閉合，壓縮機(jī)1和壓縮機(jī)2均開啟，產(chǎn)生一道最大的圓形氣幕。

3 ? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控程序主要包括太陽能板電壓檢測程序、白天充電控制程序、夜晚路燈控制程序、雨水檢測、空氣雨傘控制等。

白天充電控制程序主要實(shí)現(xiàn)的功能：（1）對太陽的光線進(jìn)行采樣，判斷是否啟動充電程序。（2）根據(jù)充電電壓的大小，依次通過LED燈顯示充電的狀態(tài)，并自動進(jìn)行直充、浮充和涓充的切換。

夜晚控制程序的功能：（1）檢測環(huán)境根據(jù)光線判斷是日間還是晚間，是否啟動路燈控制程序。（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池電壓，具有欠壓保護(hù)功能和工作模式切換功能。

4 ? ?結(jié)語

本文主要對傳統(tǒng)的太陽能路燈進(jìn)行改造，利用高速的流動空氣來改變雨水的運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)無雨走道的功能。具體的做法：先進(jìn)行空氣壓縮，并將壓縮后的氣體從燈桿的底部送入，從燈桿的頂部噴出，氣流在燈桿的上部形成一道氣幕，起到傘蓋的作用，氣幕的大小可以自動根據(jù)雨量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。主控芯片采用的是ATMEGA16，采用的能源主要是太陽能，也可以進(jìn)行市電之間進(jìn)行切換。蓄電池采用了直充、浮充和涓充3種充電形保護(hù)式，并具有過壓、欠壓等保護(hù)功能。

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