基于光伏發(fā)電的超聲波測距系統(tǒng)應用分析

陳雪嬌，楊文菊，梁海芳

（新疆職業(yè)大學機械電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

在化石燃料對環(huán)境造成的破壞性影響和能源需求不斷增加的壓力下，可再生能源的清潔、低碳、高性價比被認為是可持續(xù)發(fā)展的必要前提[1]。太陽能光伏發(fā)電占太陽能利用率的95%以上，被認為是最有希望緩解能源短缺的候選者之一。隨著常規(guī)能源價格的持續(xù)上漲以及太陽能發(fā)電技術的蓬勃發(fā)展，太陽能發(fā)電系統(tǒng)憑借其運行經(jīng)濟性和環(huán)保效益突出等顯著特點，應用面逐步擴寬，使得越來越多電氣化設備通過使用太陽能進行供電，在未來市場具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

1 系統(tǒng)運轉原理

鑒于超聲波目的指向較強、耗能量低等優(yōu)勢，可以在介質(zhì)中傳播相當一段路程，故通過利用超聲波進行距離的測量是其典型的應用之一[3]。超聲波測距作為一種不用接觸其表面就能較準確得出距離的檢測方式，比其他傳統(tǒng)的測距方式如雷法測距等[4]，具有結構簡單、適應極端惡劣環(huán)境的能力等特點。

超聲波在第一次通過激光束時被稱為參考信號。當回聲再次經(jīng)過激光時，它會產(chǎn)生另一個信號，帶有距離信息[5]。由于光學檢測是一種非接觸檢測，參考信號穩(wěn)定、干凈。采用互相關法確定參考信號與回波之間的時間間隔，該時間間隔直接反映了激光束到目標表面的距離。超聲波相比較于其他波段，具有可直線傳播、高頻率、高穿透力等優(yōu)勢。因此，被廣泛用于距離測量[6]。具體距離大小可用公式計算得出：l=v×ΔT/2式中，l為所求距離，v超聲波在空氣中的傳輸速度，ΔT為超聲波往返時間差。

2 系統(tǒng)設計思路

本系統(tǒng)的總體設計框圖是由多種模塊組成，主要由光伏板、可充放電逆變器、蓄電池、超聲波測距儀構成。

本系統(tǒng)工作原理：太陽光照射到光伏板上，將太陽能轉化成電能，將直流電傳輸給帶充放電功能的逆變器，由可充放電逆變器將直流電轉換成市電，同時可充放電逆變器連接著蓄電池和超聲波測距儀。輸出直流電后為超聲波測距儀供電，同時將光伏板多余的電量傳輸給蓄電池，可充放電逆變器內(nèi)部有過沖、過放、防反沖保護電路。在光照充足時，由光伏板作為超聲波測距儀電源模塊為超聲波測距儀供電；在光照不足時，由蓄電池作為超聲波測距儀電源模塊為超聲波測距儀供電。本系統(tǒng)采用將太陽能光伏板供電和蓄電池供電相結合的方式，實現(xiàn)了晝夜不間斷的供電系統(tǒng)，使超聲波測距設備能隨時正常工作。

超聲波測距儀中包含可編程控制芯片STC89C51、LED顯示模塊、溫度補償模塊、操作面板設置模塊及執(zhí)行驅(qū)動模塊。

其中可編程控制芯片STC89C51，由中央處理器(CPU)、存儲器和I/O連接器組成。單片機作為驅(qū)動實現(xiàn)系統(tǒng)，在此設計中占據(jù)主導地位。STC89C51單片機配置MCS-51內(nèi)核，具備損耗小、性能完善等顯著特點，在傳統(tǒng)單片機基礎之上，功能更加強大且智能化，廣泛用于多種工業(yè)設計。將編寫好的C語言程序下載到單片機，由電路模塊實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

在工作可靠性的要求下能做到降低成本，此外，STC89C51分析處理能力強且可實現(xiàn)在線編程，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

LED顯示模塊選用液晶顯示屏，液晶顯示器在壽命、成本、分辨率密度和峰值亮度方面都處于領先地位，在ACR、視角、功耗和色域(具有基于量子點的背光)方面可與OLED媲美，具備較高的分辨率且性能穩(wěn)定，經(jīng)濟性突出，由此在市面上常見的眾多不同類型的顯示屏中脫穎而出。

測量目標距離的大小通過對超聲波數(shù)據(jù)分析得出，最終將結果值呈現(xiàn)在LCD液晶中。原理依據(jù)將時間變量轉變?yōu)槊}沖變量，利用L=NC/2f，其中，N為脈沖變量值，f為脈沖頻率。

超聲波在傳輸過程中不可避免會受到室內(nèi)外空氣溫度的影響，為有效降低因此問題產(chǎn)生的結果誤差，本系統(tǒng)中加入了DS18B20傳感器，憑借其體積小、操作簡單、溫度測試裕度大等顯著優(yōu)勢成為本系統(tǒng)的溫度補償模塊。將DS18B20掛在I/O總線上，轉換溫度通過提取DS18B20狀態(tài)即可獲得。此種方式測試速度加快且系統(tǒng)總體能耗降低，可在保證轉換可靠性的前提下，確保測量結果的可信度。操作面板設置模塊中包含體現(xiàn)不同功能的按鍵，如開機、關機、復位等。

本系統(tǒng)采用C語言編程，此機器語言作為硬件接口的常用的計算機編程語言，常被用到嵌入和機電整合的數(shù)據(jù)采集與實時控制中，易寫易讀易理解且具備在線編程能力。

3 設備參數(shù)配套問題

參照多晶硅太陽能電池板輸出功率估算本設計系統(tǒng)所需的太陽能電池板的面積。多晶硅太陽能電池板轉換效率約為17%。一般在室外空氣溫度25℃，瞬時太陽輻照量1000W/m2時，單位面積電池板的出功率約為170W。本設計中的測距模塊采用的是220V的交流電壓，因此必須要太陽能電池板輸出的直流電壓加以轉換，此功能由可充放電逆變器來實現(xiàn)。使用過程中不可忽略功率損耗問題，一般可充放電逆變器功率損耗約為10%，因此在170W×0.9=153W標準光照條件下，室外空氣溫度為25℃時，單位面積太陽能電池板輸出功率約為150W。

本系統(tǒng)設計對傳統(tǒng)的超聲波測距系統(tǒng)進行了一定的改進，每個方面都有不同程度的提高，整體上各項特性提高不少，但是本系統(tǒng)在現(xiàn)階段發(fā)展水平還是非常有限，目前沒有生產(chǎn)并投入使用，技術成熟后方可廣泛應用在生活中。

4 結語

一種基于光伏發(fā)電的超聲波測距系統(tǒng)主要由光伏板、可充放電逆變器、蓄電池、超聲波測距儀構成。其中超聲波測距儀中包含可編程控制芯片STC89C51、LED顯示模塊、溫度補償模塊、操作面板設置模塊及執(zhí)行驅(qū)動模塊。軟件設計系統(tǒng)是C語言編程，具有在線編程能力，且功能強大，具備可移植性。其可通過一種非接觸檢測方式實現(xiàn)距離的測量，與傳統(tǒng)測距系統(tǒng)相比，具備結構簡單、抗干擾能力強，適應惡劣環(huán)境能力強等優(yōu)勢，可滿足農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、工業(yè)等多種測量需求。