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瑞彩祥云

作者:苏宏锋,张 强,唐国强時間:2019-08-28來源:電子産品世界收藏

  蘇宏鋒,張?強,唐國強(四川交通職業技術學院,成都?611130)

本文引用地址:/article/201908/404231.htm

  摘?要:針對傳統太陽能路燈存在功能單一、太陽能利用率低與照明不合理的问题,設計了一种小型路燈控制系統。試驗結果表明,該系統能夠太陽位置,使太陽能帆板獲取最大光照強度,並能顯示蓄電池電量存儲信息。爲更加合理使用電能,構建了一種基于太陽能路燈點亮優先、自適應調整燈光亮度與點亮時長的策略。

  關鍵詞:

  *基金項目:四川交通職業技術學院院級項目(2018-JG-06);2018年四川省“互聯網+”大學生創新創業大賽銅獎項目。

  0 引言

  根据国家住房与城乡建设部规划,“十三五”期间国家对智慧城市的投资总规模将逾5 000亿元 [1] ,以低碳、綠色、節能、環保爲核心的城市智慧照明憑借智能控制、個性化與應用前景廣泛等優勢逐步取代傳統照明,成爲城市照明行業新的增長點。當前城市道路路燈在夜晚處于常亮或錯時關閉狀態,太陽能路燈存在功能單一,蓄電池供電輸出沒有考慮道路人流量、車流量和蓄電池剩余量等問題。太陽能帆板由于太陽光線位置 [2]的變動或障礙物遮擋,無法獲得足夠光照,蓄電池電能使用不合理。文獻[3]針對光照強度和環境溫度的影響引起光伏系統輸出功率不穩定問題,提出一種基于神經網絡反推控制在光伏系統最大功率點跟蹤應用技術,使太陽能電池輸出功率最大化,該方法在連續陰雨天氣情況下光伏系統如何高效供電問題沒有做深入研究。文獻[4]分析研究了一种不均匀光照条件下太阳能电池串联電路特性,提出全局动态功率点动态区间,该方法考虑了天气变化因素对发光伏系统输出功率的影响,但蓄电池功率输出未考虑道路的车流量与人流量的变化。文献[5]設計了一种双轴太阳跟踪控制系统,使太阳能聚光器受光面始终垂直于太阳入射光线,提高太阳能利用率,但在如何节能供电方面没有做进一步研究。太阳能路灯发电量取决于天气状况,当出现连续阴雨天气时,蓄电池储存的电量被迅速消耗,路灯的亮灯率大大降低。因此,本文研究一种小型路燈控制系統及控制策略,實現太陽能路燈節能供電。

  1 系统总体設計

  小型智慧太陽能路灯控制系统架构如图1所示,本系统选用STC15單片機作为核心控制器,由光照检测傳感器、步進電機、电源電路、信号预处理電路、LCD1602显示模块等部分组成。通过光电跟踪模块自动跟踪太阳,使太阳能帆板获得最大光照。将气象中心检测的气温、湿度、云量、风度构建太阳能发电量预测模型预测未来一周太阳能发电量,以及道路人流量和车流量、蓄电池剩余电量等作为器的輸入,獲取太陽能模糊控制策略 [6] ,自適應調節燈光亮度、點亮時長、實現節能供電。系統還能通過故障傳感器,將故障自動分類與自診斷功能,並及時向路燈管理中心傳輸故障信息。

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  2 系统硬件設計

  系 统 采 用 宏 晶 科 技 的STC15F2K60S2处理器为主控平台,将光敏傳感器采集的光信号进行AD转化,判断当前太阳光线与太阳能帆板位置关系,从而控制步進電機转动方向,使太阳能帆板最大化吸收太阳光线照射,LCD1602实时显示充电时间以及充电电量百分比。

  STC15F2K60S2是一款STC增强型51單片機,有2 kB容量SRAM,60 kB片内Flash(闪存),内部集成8通道10位AD轉換器 [7] ,双串行口,ISP(在系统可编程)/IAP(在内部集成RC振荡器,无需外接晶振和外部复位電路,大大减少了PCB板尺寸,指令处理速度是传统STC89C51單片機的8~12倍。STC15F2K60S2單片機具有丰富的I/O端口、定时器和2路PWM通道资源,非常适合测控系统。

  2.1太阳光线采集電路

  将长方形太阳能帆板的东西南北4个方向上安装型号为5506光敏电阻,对采集的光线信号值进行AD转化,判断当前太阳与太阳能板位置关系。太阳光线采集電路如图2所示,由于AD转换后得到的是电压信号,需通过一个固定电阻与光敏电阻分压。当光照变化时,光敏电阻R1~R4电阻值发生改变,根据串联分压的原理,此时通过AD转换获取光敏电阻上的电压值及光照强度。設計了C8~C11等4个滤波电容,目的是使AD转换后的信号更加的精准。

  2.2 太阳能转换稳压電路

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  由于太阳能板转换后的电压信号纹波较大,設計了如图3所示的太阳能转换稳压電路。采用美国德州仪器(TI公司)和摩托罗拉公司(注:现在为恩智浦半导体公司)生产的2.5V~36V可调式精密并联稳压器TL431来設計太阳能转换稳压電路。TL431的内部含有一个2.5V的基准电压V REF [8] ,當在REF端引入輸出反饋時,器件通過從內部二極管的陰極到陽極寬範圍的分流,控制輸出電壓Vout的計算公式:

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  太阳能转换稳压電路中的R12和R13对输出电压V out 的分壓引入負反饋,反饋量逐漸增大隨著V out 不斷增大,TL431的分流也隨著增加,導致輸出電壓V out 下降。深度负反馈電路要求输入电压V in 等于基准電壓V REF時才保持穩定。當R12與R13阻值相同時,輸出電壓V out等于5 V。选择电阻时必须保证通过TL431阴极的电流大于1 mA,故R11阻值取20 Ω,C6为后级滤波电容,减少输出电压信号的纹波。

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  2.3 步進電機驱动電路

  根据光敏电阻随太阳光线强度改变的特性,采用STC15F2K60S2單片機片内置10位高速AD转换的信号来判断当前太阳所在位置,控制步進電機转动使太阳能板最大化的吸收太阳光。为了使太阳能帆板在0~180°范围能都能获取光照,在“水平+垂直”2个方位分别安装型号为28BYJ-48的步進電機,工作电压为5~12 V,工作电流约为60 mA,ULN2803是8路NPN达林顿连接晶体管阵系列,能驱动电流高达500mA、电压50 V的负载,可用于步進電機的驱动。图4为步進電機驱动電路,P4和P5是用于太阳能帆板水平方向与垂直方向转动控制的5线4相步進電機连接接口,ULN2803由于要同时驱动两个步進電機,所以采用12V电压供电。

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  2.4 策略

  將氣象中心檢測的氣溫、濕度、雲量、風度構建太陽能發電量預測模型獲取太陽能發電量,將預測的發電量、道路人流量、車流量以及蓄電池剩余電量等參數作爲模糊控制器的輸入,構建基于太陽能路燈點亮優先、自適應調整燈光亮度與點亮時長的模糊控制策略。燈光模糊控制策略如圖5所示。

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  根据傳感器采集的人流量、车流量、环境能见度、蓄电池剩余电量等信息构建模糊控制策略,生成不同等级燈光控制指令,实现灯光不同亮度调节、点亮时长与通断控制,燈光控制模块電路如图6所示。

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  3 系统软件設計

  太阳能帆板上东、西、南、北方向分别安装一个光敏傳感器采集太阳光线,通过A/D转换获取太阳光线的电压信号,判断太阳能帆板与太阳照射 光线的位置关系,控制水平方向与垂直方向步進電機的转向,使太阳能帆板与太阳光线保持垂直。主程序流程如图7所示。

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  4 系统测试

  4.1 寻光功能测试

  爲驗證系統是否能自動跟蹤太陽位置,使太陽能帆板保持與太陽照射光線垂直,對太陽能帆板東、西、南、北四個方向進行尋光測試驗。當正東方向光敏電阻檢測到太陽光照射時,水平方向電機向東轉動,直到光敏電阻東西方向電壓相等時(即太陽90°照射太陽能板)停止轉動;當正西方向有太陽光時,水平方向電機向西轉動,直到光敏電阻東西方向電壓相等時停止轉動,其它方向亦然。試驗結果如表1所示,該系統尋光功能正常。

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  4.2 电量测试

  当太阳能板给12 V锂电池进行充电时,为了更直观的获取充电量信息,将锂电池插入百分比电量显示接口,显示其电量值。通过测试验证,太阳照射到帆板方角度与12 V 3 800 mA锂电池的充电量百分比关系如表2所示,当太阳照射方向与太阳能板呈90°时,太阳能板获取最强光照,蓄电池充电速率处于最大化状态。

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  5 结束语

  本文以STC15F2K60S2处理器为主控平台,结合傳感器模块与电机伺服系统,設計了一种小型智慧太陽能路灯控制系统。该系统实现了太阳能帆板上光线采集,完成太阳照射光线与太阳能帆板位置关系检测,控制两轴步進電機转动使太阳能帆板获取最大光照,试验验证了锂电池的充电量与太阳照射到太阳能帆板角度关系。为达到节能供电的目的,本文提出了一种太阳能路灯点亮优先、自适应调整灯光亮度与点亮时长的模糊控制策略。

  參考文獻

  [1] 钟齐鸣.“十三五”智慧城市投资总规模将逾5000亿元[EB/OL].(2015-12-19).http://money.163.com/15/1219/06/BB68JC3R00252G50.html.

  [2] 赵寒涛,吴文凯.折叠式太阳能自动追踪光伏发电装置設計[J].自动化技术与应用,2018(9):136-139.

  [3] 阳同光,桂卫华.神经网络反推控制在光伏系统最大功率点跟踪中的应用[J].太阳能学报,2016(12):3030-3036.

  [4] 乐全明,赵健,郭力.不均匀光照条件下太阳能电池串联電路特性分析及GMPPT控制[J].光子学报,2017(6):06041001-06041012.

  [5] 赵建华,张婷婷.太阳跟踪控制系统的研究与設計[J].电子测量技术,2016(3):1-3.

  [6] 徐锋,徐钰.基于电流预测的太阳能MPPT的模糊控制[J].电源技术,2016(6):1059-1062.

  [7] 胡邓华,冯刚,等.基于STC單片機的数字采控電路設計[J].现代电子技术,2018(8):53-56.

  [8] 雷三元.基于TL431构成的自激式Buck变换器的分析与测试[J].电子技术,2017(3):1-5.

  作者簡介:

  蘇宏鋒(1984—),男,碩士,講師,研究方向:智能交通控制技術、電子測控技術。

  本文來源于科技期刊《電子産品世界》2019年第9期第69頁,歡迎您寫論文時引用,並注明出處。



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