姚鵬 龔威

(1:天津城市建設(shè)學院計算機與信息工程學院，天津 300384;2:天津城市建設(shè)學院控制與機械工程學院，天津 300384)

1 系統(tǒng)概述

校園電子引導系統(tǒng)是嵌入式控制技術(shù)、太陽能發(fā)電為核心技術(shù)的節(jié)能、智能化產(chǎn)品.本系統(tǒng)由太陽能供電系統(tǒng)部分和電子引導系統(tǒng)兩部分組成，整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

太陽能控制部分是由嵌入式核心控制電路控制，核心控制器采用臺灣HOLTEK公司的單片機.系統(tǒng)采用蓄電池為電子引導系統(tǒng)供電，控制器通過A/D轉(zhuǎn)換器對蓄電池電壓進行采樣，當電壓低于設(shè)定值時，對蓄電池進行充電.為了保證蓄電池能夠穩(wěn)定、長壽命的工作，需要對其充放電做出合理控制，程序中設(shè)計了防過充/放的控制電路［1］.當電壓低于過放電壓時，控制電路控制切斷大功率負載的供電，啟動太陽能供電系統(tǒng)為蓄電池充電;當電壓高于過充電壓時，核心控制電路控制斷開太陽能充電系統(tǒng)，防止蓄電池受損.

電子引導部分也由嵌入式控制電路控制.在一塊安裝有防雨雪罩的展牌上安裝若干按鍵，它們對應(yīng)校園內(nèi)的各部門、建筑及院系地點.使用者接近電子引導牌時位于兩側(cè)的紅外漫反射式傳感器同時檢測到有物體靠近，傳感器輸出信號經(jīng)控制電路處理，校園電子引導系統(tǒng)由待機省電模式轉(zhuǎn)為工作模式.以光敏電阻為核心器件構(gòu)成的光強測試電路來檢測當前環(huán)境的光強，判斷是否開啟照明模塊.在使用者按下對應(yīng)地點的所屬按鍵后，電子引導部分的核心控制電路控制啟動多媒體彩色液晶顯示及語音播放模塊，利用多媒體技術(shù)給使用者詳盡而又耳目一新的智能化介紹.當用戶離開了引導系統(tǒng)的傳感檢測范圍后，系統(tǒng)會在一定的延時時間后自動進入待機狀態(tài).校園電子引導系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 校園電子引導系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 太陽能電池板和蓄電池的選擇

根據(jù)太陽能發(fā)電板的光生伏打效應(yīng)，可以建立如圖2所示的太陽能光伏電池理想模型.使用中，常根據(jù)某一確定的日照強度和溫度，表示太陽能供電系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系的太陽能供電系統(tǒng)IV特性(如圖3所示).圖3中，Isc為短路電流;Voc為開路電壓;Im為最大功率點電壓;Vm為最大功率點電壓;Pm為最大功率點功率.由圖3可知，太陽能供電系統(tǒng)既非恒壓源，也非恒流源，不可能為負載提供任意大的功率.實際上它是一種非線性直流電源，輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對保持恒定，最終在一個足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零［2］.

本文以天津市為例，天津城區(qū)的地理位置為北緯39°，東經(jīng)117°，考慮到光伏陣列最好效果體現(xiàn)在夏季和秋季，位于北半球的需要在緯度上加上15°，以達到最大的垂直照射角度，故采用的是電池板安裝于水平夾角約為45°.根據(jù)當?shù)氐墓庹諒姸?，最強集中于中?2點到13點之間，太陽偏角為15°，故調(diào)整光伏陣列向西南方向偏出15°.選擇的光伏陣列的型號為HR-201 F的多晶硅太陽能電池板.

圖2 太陽能供電系統(tǒng)等效模型

圖3 太陽能供電系統(tǒng)的I-V特性曲線

蓄電池的特性分析對合理的選擇蓄電池也十分重要.蓄電池最基本的工作參數(shù)有額定蓄電池容量(C)、放電深度(DOD)、荷電狀態(tài)(SOC)［3］.

(a)蓄電池容量. 蓄電池充電容量Qc，是指蓄電池充電時消耗的電量.

其中，Ic為充電電流;tc為充電時間.

蓄電池放電容量Qd，是蓄電池在一定工作條件下實際放出了的能量.

其中，Id為充電電流;td為放電時間.電池容量以符號C表示，常用單位為安培小時(Ah).

(b)荷電狀態(tài). 蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)用來反映蓄電池的剩余容量，其數(shù)值上定義為蓄電池剩余電量占其總?cè)萘康陌俜直?，?

其中，Q(t)為蓄電池的實際容量;Qb為蓄電池的標稱容量.

(c)蓄電池的放電深度. 蓄電池的放電深度定義為DOD=1-SOC，其壽命與放電深度有很大關(guān)系.在系統(tǒng)設(shè)計時，并不是DOD取得越小越好，因為DOD越小，蓄電池不能放出的儲備容量就越多，這樣浪費電能，還增加成本.綜合考慮，設(shè)計中DOD為70%.

按照工作環(huán)境一直處于陰雨天的情況下，蓄電池容量能供應(yīng)系統(tǒng)正常工作10 d的標準進行選?。?］.則蓄電池容量為:

系統(tǒng)的供電為12 V，故選擇蓄電池為12 V的額定電壓，則蓄電池的容量計算為:

校園電子引導系統(tǒng)工作時間一般默認情況下認為12 h，經(jīng)粗略測量其功率大概為1 W.對于照明LED工作時間是在6 h左右，其功率在0.5 W左右.則每天消耗的總功率為15 W.

3 電子引導部分控制電路及系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于篇幅所限，這里僅簡單介紹電子引導部分的控制電路設(shè)計.電路中采用內(nèi)嵌UART和A/D轉(zhuǎn)換器的HT46 RU232單片機芯片，語音芯片采用WT588 D，系統(tǒng)中采用迪文公司生產(chǎn)的DMT80600 S104全彩液晶顯示器，系統(tǒng)中還應(yīng)用了漫反射傳感器，用于人員的識別和光敏電阻照明燈具的控制，具體電路如圖4所示.

圖4 電子引導系統(tǒng)控制電路圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計在太陽能控制部分以控制電路控制防過充/放為主，在電子引導部分以核心控制電路控制傳感檢測和啟動語音模塊和彩色液晶顯示模塊為主.這兩部分的程序如圖5和圖6所示.

圖5 太陽能控制部分主程序流程

圖6 電子引導部分主程序流程

4 結(jié)語

校園電子引導系統(tǒng)具有創(chuàng)新性，改變了傳統(tǒng)校園的引導方式，太陽能供電系統(tǒng)的選取，多媒體信息技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)了環(huán)保、智能的理念.校園電子引導系統(tǒng)的應(yīng)用，對未來的大面積居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、旅游景區(qū)和校園的引導提供了一個可選擇的現(xiàn)代化電子工具.

［1］孫 成.鉛蓄電池使用壽命與放電深度和充電條件的關(guān)系［J］.蓄電池，1987(4):35-39.

［2］謝 飛.風光互補型LED路燈控制方法的研究與實現(xiàn)［D］.天津:天津城市建設(shè)學院，2010.

［3］張培仁.基于C語言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學出版社，2007:40-47.