小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統設計與策略研究

　　蘇宏鋒，張?強，唐國強（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都?611130）

　　摘?要：針對傳統太陽(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，設計了一種小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統。試驗結果表明，該系統能夠自適應跟蹤太陽(yáng)位置，使太陽(yáng)能帆板獲取最大光照強度，并能顯示蓄電池電量存儲信息。為更加合理使用電能，構建了一種基于太陽(yáng)能路燈點(diǎn)亮優(yōu)先、自適應調整燈光亮度與點(diǎn)亮時(shí)長(cháng)的模糊控制策略。

　　關(guān)鍵詞：燈光控制；智慧太陽(yáng)能；自適應跟蹤；模糊控制

　　*基金項目：四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級項目（2018-JG-06）；2018年四川省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)大賽銅獎項目。

　　0 引言

　　根據國家住房與城鄉建設部規劃，“十三五”期間國家對智慧城市的投資總規模將逾5 000億元 ^[1] ，以低碳、綠色、節能、環(huán)保為核心的城市智慧照明憑借智能控制、個(gè)性化與應用前景廣泛等優(yōu)勢逐步取代傳統照明，成為城市照明行業(yè)新的增長(cháng)點(diǎn)。當前城市道路路燈在夜晚處于常亮或錯時(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(chē)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(xiàn)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^[3]針對光照強度和環(huán)境溫度的影響引起光伏系統輸出功率不穩定問(wèn)題，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )反推控制在光伏系統最大功率點(diǎn)跟蹤應用技術(shù)，使太陽(yáng)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(wèn)題沒(méi)有做深入研究。文獻^[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)區間，該方法考慮了天氣變化因素對發(fā)光伏系統輸出功率的影響，但蓄電池功率輸出未考慮道路的車(chē)流量與人流量的變化。文獻^[5]設計了一種雙軸太陽(yáng)跟蹤控制系統，使太陽(yáng)能聚光器受光面始終垂直于太陽(yáng)入射光線(xiàn)，提高太陽(yáng)能利用率，但在如何節能供電方面沒(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，當出現連續陰雨天氣時(shí)，蓄電池儲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)能路燈控制系統及控制策略，實(shí)現太陽(yáng)能路燈節能供電。

　　1 系統總體設計

　　小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統架構如圖1所示，本系統選用STC15單片機作為核心控制器，由光照檢測傳感器、步進(jìn)電機、電源電路、信號預處理電路、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。將氣象中心檢測的氣溫、濕度、云量、風(fēng)度構建太陽(yáng)能發(fā)電量預測模型預測未來(lái)一周太陽(yáng)能發(fā)電量，以及道路人流量和車(chē)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] ，自適應調節燈光亮度、點(diǎn)亮時(shí)長(cháng)、實(shí)現節能供電。系統還能通過(guò)故障傳感器，將故障自動(dòng)分類(lèi)與自診斷功能，并及時(shí)向路燈管理中心傳輸故障信息。

　　2 系統硬件設計

　　系 統 采 用 宏 晶 科 技 的STC15F2K60S2處理器為主控平臺，將光敏傳感器采集的光信號進(jìn)行AD轉化，判斷當前太陽(yáng)光線(xiàn)與太陽(yáng)能帆板位置關(guān)系，從而控制步進(jìn)電機轉動(dòng)方向，使太陽(yáng)能帆板最大化吸收太陽(yáng)光線(xiàn)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增強型51單片機，有2 kB容量SRAM，60 kB片內Flash（閃存），內部集成8通道10位AD轉換器 ^[7] ，雙串行口，ISP(在系統可編程)/IAP(在內部集成RC振蕩器，無(wú)需外接晶振和外部復位電路，大大減少了PCB板尺寸，指令處理速度是傳統STC89C51單片機的8～12倍。STC15F2K60S2單片機具有豐富的I/O端口、定時(shí)器和2路PWM通道資源，非常適合測控系統。

　　2.1太陽(yáng)光線(xiàn)采集電路

　　將長(cháng)方形太陽(yáng)能帆板的東西南北4個(gè)方向上安裝型號為5506光敏電阻，對采集的光線(xiàn)信號值進(jìn)行AD轉化，判斷當前太陽(yáng)與太陽(yáng)能板位置關(guān)系。太陽(yáng)光線(xiàn)采集電路如圖2所示，由于A(yíng)D轉換后得到的是電壓信號，需通過(guò)一個(gè)固定電阻與光敏電阻分壓。當光照變化時(shí)，光敏電阻R1～R4電阻值發(fā)生改變，根據串聯(lián)分壓的原理，此時(shí)通過(guò)AD轉換獲取光敏電阻上的電壓值及光照強度。設計了C8～C11等4個(gè)濾波電容，目的是使AD轉換后的信號更加的精準。

　　2.2 太陽(yáng)能轉換穩壓電路

　　由于太陽(yáng)能板轉換后的電壓信號紋波較大,設計了如圖3所示的太陽(yáng)能轉換穩壓電路。采用美國德州儀器（TI公司）和摩托羅拉公司（注：現在為恩智浦半導體公司）生產(chǎn)的2.5V～36V可調式精密并聯(lián)穩壓器TL431來(lái)設計太陽(yáng)能轉換穩壓電路。TL431的內部含有一個(gè)2.5V的基準電壓V _REF ^[8] ，當在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件通過(guò)從內部二極管的陰極到陽(yáng)極寬范圍的分流，控制輸出電壓V_out的計算公式：

　　太陽(yáng)能轉換穩壓電路中的R12和R13對輸出電壓V _out 的分壓引入負反饋，反饋量逐漸增大隨著(zhù)V _out 不斷增大，TL431的分流也隨著(zhù)增加，導致輸出電壓V _out 下降。深度負反饋電路要求輸入電壓V _in 等于基準電壓V _REF時(shí)才保持穩定。當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為后級濾波電容，減少輸出電壓信號的紋波。

　　2.3 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

　　根據光敏電阻隨太陽(yáng)光線(xiàn)強度改變的特性，采用STC15F2K60S2單片機片內置10位高速AD轉換的信號來(lái)判斷當前太陽(yáng)所在位置，控制步進(jìn)電機轉動(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)方位分別安裝型號為28BYJ-48的步進(jìn)電機，工作電壓為5～12 V，工作電流約為60 mA，ULN2803是8路NPN達林頓連接晶體管陣系列，能驅動(dòng)電流高達500mA、電壓50 V的負載，可用于步進(jìn)電機的驅動(dòng)。圖4為步進(jìn)電機驅動(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動(dòng)控制的5線(xiàn)4相步進(jìn)電機連接接口，ULN2803由于要同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機，所以采用12V電壓供電。

　　2.4 燈光控制策略

　　將氣象中心檢測的氣溫、濕度、云量、風(fēng)度構建太陽(yáng)能發(fā)電量預測模型獲取太陽(yáng)能發(fā)電量，將預測的發(fā)電量、道路人流量、車(chē)流量以及蓄電池剩余電量等參數作為模糊控制器的輸入，構建基于太陽(yáng)能路燈點(diǎn)亮優(yōu)先、自適應調整燈光亮度與點(diǎn)亮時(shí)長(cháng)的模糊控制策略。燈光模糊控制策略如圖5所示。

　　根據傳感器采集的人流量、車(chē)流量、環(huán)境能見(jiàn)度、蓄電池剩余電量等信息構建模糊控制策略，生成不同等級燈光控制指令，實(shí)現燈光不同亮度調節、點(diǎn)亮時(shí)長(cháng)與通斷控制，燈光控制模塊電路如圖6所示。

　　3 系統軟件設計

　　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(xiàn)，通過(guò)A/D轉換獲取太陽(yáng)光線(xiàn)的電壓信號，判斷太陽(yáng)能帆板與太陽(yáng)照射 光線(xiàn)的位置關(guān)系，控制水平方向與垂直方向步進(jìn)電機的轉向，使太陽(yáng)能帆板與太陽(yáng)光線(xiàn)保持垂直。主程序流程如圖7所示。

　　4 系統測試

　　4.1 尋光功能測試

　　為驗證系統是否能自動(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(xiàn)垂直，對太陽(yáng)能帆板東、西、南、北四個(gè)方向進(jìn)行尋光測試驗。當正東方向光敏電阻檢測到太陽(yáng)光照射時(shí)，水平方向電機向東轉動(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）停止轉動(dòng)；當正西方向有太陽(yáng)光時(shí)，水平方向電機向西轉動(dòng)，直到光敏電阻東西方向電壓相等時(shí)停止轉動(dòng)，其它方向亦然。試驗結果如表1所示，該系統尋光功能正常。

　　4.2 電量測試

　　當太陽(yáng)能板給12 V鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，為了更直觀(guān)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)測試驗證，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)能板獲取最強光照，蓄電池充電速率處于最大化狀態(tài)。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文以STC15F2K60S2處理器為主控平臺，結合傳感器模塊與電機伺服系統，設計了一種小型智慧太陽(yáng)能路燈控制系統。該系統實(shí)現了太陽(yáng)能帆板上光線(xiàn)采集，完成太陽(yáng)照射光線(xiàn)與太陽(yáng)能帆板位置關(guān)系檢測，控制兩軸步進(jìn)電機轉動(dòng)使太陽(yáng)能帆板獲取最大光照，試驗驗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。為達到節能供電的目的，本文提出了一種太陽(yáng)能路燈點(diǎn)亮優(yōu)先、自適應調整燈光亮度與點(diǎn)亮時(shí)長(cháng)的模糊控制策略。

　　參考文獻

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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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。