小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與策略研究
蘇宏鋒,張?強(qiáng),唐國(guó)強(qiáng)(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都?611130)
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201908/404231.htm摘?要:針對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)能路燈存在功能單一、太陽(yáng)能利用率低與照明燈光控制不合理的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠自適應(yīng)跟蹤太陽(yáng)位置,使太陽(yáng)能帆板獲取最大光照強(qiáng)度,并能顯示蓄電池電量存儲(chǔ)信息。為更加合理使用電能,構(gòu)建了一種基于太陽(yáng)能路燈點(diǎn)亮優(yōu)先、自適應(yīng)調(diào)整燈光亮度與點(diǎn)亮?xí)r長(zhǎng)的模糊控制策略。
關(guān)鍵詞:燈光控制;智慧太陽(yáng)能;自適應(yīng)跟蹤;模糊控制
*基金項(xiàng)目:四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目(2018-JG-06);2018年四川省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎(jiǎng)項(xiàng)目。
0 引言
根據(jù)國(guó)家住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部規(guī)劃,“十三五”期間國(guó)家對(duì)智慧城市的投資總規(guī)模將逾5 000億元 [1] ,以低碳、綠色、節(jié)能、環(huán)保為核心的城市智慧照明憑借智能控制、個(gè)性化與應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)勢(shì)逐步取代傳統(tǒng)照明,成為城市照明行業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。當(dāng)前城市道路路燈在夜晚處于常亮或錯(cuò)時(shí)關(guān)閉狀態(tài),太陽(yáng)能路燈存在功能單一,蓄電池供電輸出沒(méi)有考慮道路人流量、車流量和蓄電池剩余量等問(wèn)題。太陽(yáng)能帆板由于太陽(yáng)光線位置 [2]的變動(dòng)或障礙物遮擋,無(wú)法獲得足夠光照,蓄電池電能使用不合理。文獻(xiàn)[3]針對(duì)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響引起光伏系統(tǒng)輸出功率不穩(wěn)定問(wèn)題,提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反推控制在光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤應(yīng)用技術(shù),使太陽(yáng)能電池輸出功率最大化,該方法在連續(xù)陰雨天氣情況下光伏系統(tǒng)如何高效供電問(wèn)題沒(méi)有做深入研究。文獻(xiàn)[4]分析研究了一種不均勻光照條件下太陽(yáng)能電池串聯(lián)電路特性,提出全局動(dòng)態(tài)功率點(diǎn)動(dòng)態(tài)區(qū)間,該方法考慮了天氣變化因素對(duì)發(fā)光伏系統(tǒng)輸出功率的影響,但蓄電池功率輸出未考慮道路的車流量與人流量的變化。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種雙軸太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng),使太陽(yáng)能聚光器受光面始終垂直于太陽(yáng)入射光線,提高太陽(yáng)能利用率,但在如何節(jié)能供電方面沒(méi)有做進(jìn)一步研究。太陽(yáng)能路燈發(fā)電量取決于天氣狀況,當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣時(shí),蓄電池儲(chǔ)存的電量被迅速消耗,路燈的亮燈率大大降低。因此,本文研究一種小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)及控制策略,實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能路燈節(jié)能供電。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,本系統(tǒng)選用STC15單片機(jī)作為核心控制器,由光照檢測(cè)傳感器、步進(jìn)電機(jī)、電源電路、信號(hào)預(yù)處理電路、LCD1602顯示模塊等部分組成。通過(guò)光電跟蹤模塊自動(dòng)跟蹤太陽(yáng),使太陽(yáng)能帆板獲得最大光照。將氣象中心檢測(cè)的氣溫、濕度、云量、風(fēng)度構(gòu)建太陽(yáng)能發(fā)電量預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來(lái)一周太陽(yáng)能發(fā)電量,以及道路人流量和車流量、蓄電池剩余電量等作為模糊控制器的輸入,獲取太陽(yáng)能模糊控制策略 [6] ,自適應(yīng)調(diào)節(jié)燈光亮度、點(diǎn)亮?xí)r長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能供電。系統(tǒng)還能通過(guò)故障傳感器,將故障自動(dòng)分類與自診斷功能,并及時(shí)向路燈管理中心傳輸故障信息。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系 統(tǒng) 采 用 宏 晶 科 技 的STC15F2K60S2處理器為主控平臺(tái),將光敏傳感器采集的光信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化,判斷當(dāng)前太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能帆板位置關(guān)系,從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,使太陽(yáng)能帆板最大化吸收太陽(yáng)光線照射,LCD1602實(shí)時(shí)顯示充電時(shí)間以及充電電量百分比。
STC15F2K60S2是一款STC增強(qiáng)型51單片機(jī),有2 kB容量SRAM,60 kB片內(nèi)Flash(閃存),內(nèi)部集成8通道10位AD轉(zhuǎn)換器 [7] ,雙串行口,ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在內(nèi)部集成RC振蕩器,無(wú)需外接晶振和外部復(fù)位電路,大大減少了PCB板尺寸,指令處理速度是傳統(tǒng)STC89C51單片機(jī)的8~12倍。STC15F2K60S2單片機(jī)具有豐富的I/O端口、定時(shí)器和2路PWM通道資源,非常適合測(cè)控系統(tǒng)。
2.1太陽(yáng)光線采集電路
將長(zhǎng)方形太陽(yáng)能帆板的東西南北4個(gè)方向上安裝型號(hào)為5506光敏電阻,對(duì)采集的光線信號(hào)值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化,判斷當(dāng)前太陽(yáng)與太陽(yáng)能板位置關(guān)系。太陽(yáng)光線采集電路如圖2所示,由于AD轉(zhuǎn)換后得到的是電壓信號(hào),需通過(guò)一個(gè)固定電阻與光敏電阻分壓。當(dāng)光照變化時(shí),光敏電阻R1~R4電阻值發(fā)生改變,根據(jù)串聯(lián)分壓的原理,此時(shí)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換獲取光敏電阻上的電壓值及光照強(qiáng)度。設(shè)計(jì)了C8~C11等4個(gè)濾波電容,目的是使AD轉(zhuǎn)換后的信號(hào)更加的精準(zhǔn)。
2.2 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電路
由于太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)紋波較大,設(shè)計(jì)了如圖3所示的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電路。采用美國(guó)德州儀器(TI公司)和摩托羅拉公司(注:現(xiàn)在為恩智浦半導(dǎo)體公司)生產(chǎn)的2.5V~36V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431來(lái)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電路。TL431的內(nèi)部含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓V REF [8] ,當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí),器件通過(guò)從內(nèi)部二極管的陰極到陽(yáng)極寬范圍的分流,控制輸出電壓Vout的計(jì)算公式:
太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電路中的R12和R13對(duì)輸出電壓V out 的分壓引入負(fù)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(dǎo)致輸出電壓V out 下降。深度負(fù)反饋電路要求輸入電壓V in 等于基準(zhǔn)電壓V REF時(shí)才保持穩(wěn)定。當(dāng)R12與R13阻值相同時(shí),輸出電壓V out等于5 V。選擇電阻時(shí)必須保證通過(guò)TL431陰極的電流大于1 mA,故R11阻值取20 Ω,C6為后級(jí)濾波電容,減少輸出電壓信號(hào)的紋波。
2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
根據(jù)光敏電阻隨太陽(yáng)光線強(qiáng)度改變的特性,采用STC15F2K60S2單片機(jī)片內(nèi)置10位高速AD轉(zhuǎn)換的信號(hào)來(lái)判斷當(dāng)前太陽(yáng)所在位置,控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使太陽(yáng)能板最大化的吸收太陽(yáng)光。為了使太陽(yáng)能帆板在0~180°范圍能都能獲取光照,在“水平+垂直”2個(gè)方位分別安裝型號(hào)為28BYJ-48的步進(jìn)電機(jī),工作電壓為5~12 V,工作電流約為60 mA,ULN2803是8路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列,能驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)500mA、電壓50 V的負(fù)載,可用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。圖4為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,P4和P5是用于太陽(yáng)能帆板水平方向與垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)控制的5線4相步進(jìn)電機(jī)連接接口,ULN2803由于要同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī),所以采用12V電壓供電。
2.4 燈光控制策略
將氣象中心檢測(cè)的氣溫、濕度、云量、風(fēng)度構(gòu)建太陽(yáng)能發(fā)電量預(yù)測(cè)模型獲取太陽(yáng)能發(fā)電量,將預(yù)測(cè)的發(fā)電量、道路人流量、車流量以及蓄電池剩余電量等參數(shù)作為模糊控制器的輸入,構(gòu)建基于太陽(yáng)能路燈點(diǎn)亮優(yōu)先、自適應(yīng)調(diào)整燈光亮度與點(diǎn)亮?xí)r長(zhǎng)的模糊控制策略。燈光模糊控制策略如圖5所示。
根據(jù)傳感器采集的人流量、車流量、環(huán)境能見(jiàn)度、蓄電池剩余電量等信息構(gòu)建模糊控制策略,生成不同等級(jí)燈光控制指令,實(shí)現(xiàn)燈光不同亮度調(diào)節(jié)、點(diǎn)亮?xí)r長(zhǎng)與通斷控制,燈光控制模塊電路如圖6所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
太陽(yáng)能帆板上東、西、南、北方向分別安裝一個(gè)光敏傳感器采集太陽(yáng)光線,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換獲取太陽(yáng)光線的電壓信號(hào),判斷太陽(yáng)能帆板與太陽(yáng)照射 光線的位置關(guān)系,控制水平方向與垂直方向步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向,使太陽(yáng)能帆板與太陽(yáng)光線保持垂直。主程序流程如圖7所示。
4 系統(tǒng)測(cè)試
4.1 尋光功能測(cè)試
為驗(yàn)證系統(tǒng)是否能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)位置,使太陽(yáng)能帆板保持與太陽(yáng)照射光線垂直,對(duì)太陽(yáng)能帆板東、西、南、北四個(gè)方向進(jìn)行尋光測(cè)試驗(yàn)。當(dāng)正東方向光敏電阻檢測(cè)到太陽(yáng)光照射時(shí),水平方向電機(jī)向東轉(zhuǎn)動(dòng),直到光敏電阻東西方向電壓相等時(shí)(即太陽(yáng)90°照射太陽(yáng)能板)停止轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)正西方向有太陽(yáng)光時(shí),水平方向電機(jī)向西轉(zhuǎn)動(dòng),直到光敏電阻東西方向電壓相等時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng),其它方向亦然。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,該系統(tǒng)尋光功能正常。
4.2 電量測(cè)試
當(dāng)太陽(yáng)能板給12 V鋰電池進(jìn)行充電時(shí),為了更直觀的獲取充電量信息,將鋰電池插入百分比電量顯示接口,顯示其電量值。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證,太陽(yáng)照射到帆板方角度與12 V 3 800 mA鋰電池的充電量百分比關(guān)系如表2所示,當(dāng)太陽(yáng)照射方向與太陽(yáng)能板呈90°時(shí),太陽(yáng)能板獲取最強(qiáng)光照,蓄電池充電速率處于最大化狀態(tài)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文以STC15F2K60S2處理器為主控平臺(tái),結(jié)合傳感器模塊與電機(jī)伺服系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能帆板上光線采集,完成太陽(yáng)照射光線與太陽(yáng)能帆板位置關(guān)系檢測(cè),控制兩軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使太陽(yáng)能帆板獲取最大光照,試驗(yàn)驗(yàn)證了鋰電池的充電量與太陽(yáng)照射到太陽(yáng)能帆板角度關(guān)系。為達(dá)到節(jié)能供電的目的,本文提出了一種太陽(yáng)能路燈點(diǎn)亮優(yōu)先、自適應(yīng)調(diào)整燈光亮度與點(diǎn)亮?xí)r長(zhǎng)的模糊控制策略。
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作者簡(jiǎn)介:
蘇宏鋒(1984—),男,碩士,講師,研究方向:智能交通控制技術(shù)、電子測(cè)控技術(shù)。
本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第69頁(yè),歡迎您寫論文時(shí)引用,并注明出處。
評(píng)論