智能太陽(yáng)能公交車站控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李冰，計(jì)京鴻

（哈爾濱華德學(xué)院機(jī)器人工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150025）

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

■1.1 智能太陽(yáng)能公交車站控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成公交站各種用電設(shè)備所使用的電能。太陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光下，將光能轉(zhuǎn)換為電能并通過控制電路把光能產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換并為蓄電池供電，同時(shí)也為其他設(shè)備供電，首先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的電能經(jīng)過DC-DC電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成公交站用電設(shè)備所使用的電壓，并通過互感器來檢測(cè)DC-DC輸出端的電壓和電流，保證輸出端的正常工作，單片機(jī)輸出PWM來調(diào)節(jié)輸出電壓，最后由充電電路為設(shè)備和電池供電。作為安全性的電池，目前蓄電池的充電方式一般為恒流恒壓充電：首先以穩(wěn)定電流充電，當(dāng)電池電壓升高至一定值時(shí)，電路狀態(tài)改為穩(wěn)定電壓充電，之后電流逐漸降低至零，充電完成。利用單片機(jī)進(jìn)行智能控制，采用模塊式結(jié)構(gòu)，使太陽(yáng)能到電能的順利轉(zhuǎn)換，同時(shí)系統(tǒng)還使用光強(qiáng)傳感器，當(dāng)光強(qiáng)減弱時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)照明系統(tǒng)，為公交站提供路燈，通過對(duì)輸出電流電壓的調(diào)節(jié)，可對(duì)公交站的廣告牌、站牌進(jìn)行供電，如果需要遠(yuǎn)程控制也可以通過無線模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離的控制。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■1.2 智能太陽(yáng)能公交車站控制系統(tǒng)的基本功能

（1）太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)的光能，熱能轉(zhuǎn)換成電能，并設(shè)計(jì)控制電路；

（2）DC-DC電路，將太陽(yáng)能電池板的輸出電壓降低12V；

（3）設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)輸出PWM波對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整；

（4）對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證輸出的穩(wěn)定性，選用MAX471芯片來進(jìn)行信號(hào)的放大和轉(zhuǎn)換；

（5）系統(tǒng)通過無線模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)公交站控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，避免了長(zhǎng)距離布線帶來的困擾，這里選擇NRF24L01無線的方式；

（6）光強(qiáng)檢測(cè)采用BH1750傳感器，內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行高精度測(cè)定，當(dāng)光強(qiáng)小于某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)開啟照明系統(tǒng)；

（7）液晶顯示器顯示當(dāng)前系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)及站點(diǎn)信息。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

■2.1 電能轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

智能公交站的電能轉(zhuǎn)換電路是由肖特基二極管，濾波電容，MOS管，LM7812組成的，MOS管的柵極是通過單片機(jī)輸出的PWM方波來控制的，通過控制柵極來選擇所需的電路，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，太陽(yáng)能電池板通過二極管和MOS管為蓄電池充電，二極管的型號(hào)為1N1148，它的作用是防止反向電壓，防止倒灌，然后再經(jīng)過電容的濾波，保證電源的紋波不影響充電的效率，在經(jīng)過導(dǎo)通的MOS管向蓄電池充電，充電的速度可以通過MOS管的導(dǎo)通頻率來影響，也可以通過電源的調(diào)整來影響，大的電容可以很好的濾除直流電路中的交流成分，小的電容可以濾除紋波，使電源更穩(wěn)定。當(dāng)蓄電池充滿電后，檢測(cè)電路會(huì)把蓄電池的電壓電流檢測(cè)的信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)判斷出蓄電池的狀態(tài)，如果蓄電池充滿電，則單片機(jī)控制MOS管Q1關(guān)斷，停止電源對(duì)蓄電池的充電，然后發(fā)出PWM方波來控制MOS管Q2開通，當(dāng)Q2導(dǎo)通后，蓄電池就可以為負(fù)載供電了，在這些階段中，檢測(cè)電路會(huì)實(shí)時(shí)的檢測(cè)電路的狀態(tài)，包括電路的電流和蓄電池兩端的電。此部分電路原理圖如圖2所示。

■2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)需要使用3個(gè)模擬量輸入通道，分別對(duì)蓄電池的電壓、電流以及光敏電阻的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，TLC2543模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊具有十一個(gè)輸入通道，內(nèi)部集成分辨率為十二位的串行A/D轉(zhuǎn)換器，每次的轉(zhuǎn)換都是逐次比較轉(zhuǎn)換，每次模擬量的采樣都有芯片自己完成，采樣后芯片也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行模擬量的保持，這些都是由內(nèi)部集成的采樣保持電路自動(dòng)完成。TLC2543內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器采樣精準(zhǔn)，而且外部的參考電壓是差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，這種電路的配合能提高轉(zhuǎn)換刻度，同時(shí)降低內(nèi)部的模擬電路的偏差、信號(hào)邏輯電路的偏移量，隔離外部電源波動(dòng)的影響降低電源噪聲。這種多輸入通道、應(yīng)用靈活的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，極小的線性誤差小，特別適用于嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

圖2 電能轉(zhuǎn)換電路圖

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

■2.3 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在本控制系統(tǒng)中，輸出端的電壓通過分壓電阻進(jìn)行檢測(cè)，然后通過ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電流則通過專業(yè)用的芯片來進(jìn)行，MAX471是電流-電壓型運(yùn)算放大器經(jīng)常用于電源電路中，檢測(cè)室通過電阻將電流轉(zhuǎn)變成電壓，電壓值就可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來進(jìn)行，將其與模數(shù)芯片的輸入引腳連接，就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在本次設(shè)計(jì)中，要求能夠檢測(cè)出蓄電池兩端的電壓和電路中的電流，電壓要求檢測(cè)到小數(shù)點(diǎn)后一位即可，因此，MAX471完全滿足要求，它的內(nèi)部有一個(gè)35mΩ的電流采樣電阻可以測(cè)量±3A的電流，MAX471有一個(gè)電流輸出端。電流檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 電流檢測(cè)電路

■2.4 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

通過液晶顯示器來顯示公交站控制系統(tǒng)的狀態(tài)以及到站信息等，因?yàn)樾枰@示的數(shù)據(jù)比較多，所以顯示模塊選用LCD12864液晶模塊，它是自帶中文標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及點(diǎn)陣二極管組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(gè)漢字。VCC一般接5V電源，VEE以及VL連接一個(gè)滑動(dòng)變阻器，引腳BL+和BL-，是液晶屏的背光，可以直接接在VCC和GND上。液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示電路

圖6 無線通信電路

■2.5 無線控制電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)公交站控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，使用無線模塊連接上/下位機(jī)，在本次設(shè)計(jì)中，公交站的控制系統(tǒng)通過無線模塊將系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)后，得到實(shí)際的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行處理，在對(duì)外圍電路進(jìn)行控制，這里我們使用的是NRF24L01通信模塊，這種模塊的成熟度較高，信號(hào)的完整性比較好，但是傳輸距離有限，大于1000米后，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)衰減，因此，系統(tǒng)的使用還要注意距離的限制。無線通信電路圖如圖6所示。

■2.6 光控路燈電路設(shè)計(jì)

在智能公交站控制系統(tǒng)中，需要對(duì)路燈進(jìn)行夜間的控制，這就需要對(duì)光線強(qiáng)度進(jìn)行采集，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度的下限時(shí)，單片機(jī)就會(huì)通過控制繼電器電路，而繼電器電路控制路燈的供電系統(tǒng)，當(dāng)繼電器打開路燈供電系統(tǒng)后，路燈就會(huì)被點(diǎn)亮。光控路燈電路圖如圖7所示。

圖7 光控路燈電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，單片機(jī)負(fù)責(zé)輸出PWM來控制電能轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主程序包含了各子程序，并對(duì)主函數(shù)內(nèi)的子程序循環(huán)執(zhí)行，直到完成指定功能后再次循環(huán)，通過子程序?qū)崿F(xiàn)具體功能，系統(tǒng)的主程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的智能太陽(yáng)能公交站控制系統(tǒng)，采用實(shí)用的51系列單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池主電路的電壓，電流監(jiān)測(cè)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，性價(jià)比得以大幅度的提高。通過單片機(jī)來控制系統(tǒng)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的處理，采集蓄電池兩端的電壓來監(jiān)測(cè)蓄電池的狀態(tài)，通過專用的運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)電流的采集和檢測(cè)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過程序設(shè)計(jì)，連接各個(gè)子電路，將他們的功能結(jié)合在一起，并將數(shù)字量進(jìn)行處理，得到實(shí)際的電壓電流值，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后通過LCD1602顯示出來?？刂撇糠植捎霉怦钸M(jìn)行隔離和驅(qū)動(dòng)，大大減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，然后再通過光耦來控制三極管的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電路的切換，這樣既防止了信號(hào)的串?dāng)_，也增強(qiáng)了單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)也十分的穩(wěn)定可靠，不僅考慮到充放電的紋波影響，還考慮到了能量的續(xù)流，防止電路發(fā)生短路和倒灌，通過無線模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，光敏電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的控制，實(shí)現(xiàn)了夜間的自動(dòng)照明功能。通過電源電路和單片機(jī)電路的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的公交站控制系統(tǒng)，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)已經(jīng)具備了豐富的功能，完成了對(duì)傳統(tǒng)公交站的改進(jìn)。