金相宇 朱海華 文雪勤 李云正 劉紅薇

（上海理工大學(xué) 上海市 200093）

1 設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)基于太陽能發(fā)電原理，將太陽能電池板所產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓穩(wěn)定成系統(tǒng)和電池所需的穩(wěn)定電壓，再利用充電模塊給負(fù)載和電池供電[1]；升壓模塊和降壓模塊，達(dá)到所需電壓，給時(shí)鐘模塊、溫濕度采集模塊、無線模塊、高清點(diǎn)陣等模塊供電。該設(shè)計(jì)也能根據(jù)不同電池電量來選擇充電方式，將能量?jī)?chǔ)存到電池中，提高能量的利用率。最終能夠?qū)崿F(xiàn)的系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

1.1 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)可以分成三個(gè)部分：復(fù)位電路，電源電路和時(shí)鐘電路。復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的初始化操作，按RESET 鍵即表示可復(fù)位系統(tǒng)。時(shí)鐘電路主要包括內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘電路，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路即可使整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 太陽能升降壓充電模塊

太陽能充電模塊由以下幾個(gè)模塊組成：太陽能發(fā)電板、電壓升降壓模塊、充電模塊，18650 電池充電保護(hù)模塊。太陽能發(fā)電板的最大功率為 20W，最大功率點(diǎn)電壓為 18V，開路電壓為21.6V，最大功率點(diǎn)電流為 1.11A，短路電流為 1.22A。太陽能發(fā)電板可以通過光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能，通過一系列的變化為電池充電和其他模塊供電。太陽能發(fā)電板產(chǎn)生的電壓隨著季節(jié)、時(shí)間的變化而變化。

太陽能發(fā)電板產(chǎn)生的電壓波動(dòng)性較大，所產(chǎn)生的電壓應(yīng)經(jīng)過升降壓模塊將電壓穩(wěn)定到15V 才能給充電模塊利用。在冬季的一天中，在早上7:00 到9:00 和晚上17:00 到18:30 的時(shí)間段里，太陽能板要能產(chǎn)生高于7V 的電壓，升降壓模塊就可以開始工作，將低電壓加以利用，升到15V。在9:00 到17:00 的時(shí)間段里太陽能板產(chǎn)生的電壓高于15V 時(shí)，模塊可以將電壓降為15V，轉(zhuǎn)換效率在90%以上。升降壓模塊可以將7V～22V 的輸入電壓通過XL6009 模塊輸出15V的電壓，不僅能夠延長(zhǎng)模塊發(fā)電的工作時(shí)間，還能充分利用太陽能能源。原理圖如圖2所示。

1.3 無線模塊

無線模塊采用 SX1278 芯片控制，該芯片主要是起一個(gè)遠(yuǎn)程通信的作用，發(fā)生交通事故時(shí)，能及時(shí)的將信息通過無線通信傳輸?shù)较噜彽氖致房冢糜谔嵝阉緳C(jī)及路人繞道行駛，避免因發(fā)生交通事故造成交通擁堵現(xiàn)象。該模塊與 MCU 芯片通過串口通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，穩(wěn)定性高，讀寫速度快。此芯片在未使用時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，耗能低；MCU 發(fā)出指令能迅速被喚醒并進(jìn)入工作狀態(tài)，反應(yīng)時(shí)間短。采用工業(yè)級(jí)晶振，穩(wěn)定性、一致性高，精度均小于業(yè)內(nèi)普遍采用的 10ppm，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較高。且具有數(shù)據(jù)加密和壓縮功能，數(shù)據(jù)壓縮功能有概率減小傳輸時(shí)間，減小受干擾的概率，提高可靠性和傳輸效率。無線模塊連接方式如圖3所示。

圖1：程序流程總設(shè)計(jì)圖

圖2：太陽能升降壓原理圖

圖3：無線模塊連接方式

1.4 高清點(diǎn)陣顯示模塊：

該模塊由 32 塊 8*8 點(diǎn)陣組合而成，排成 64*32 點(diǎn)陣顯示屏。其 16*16 模塊原理圖如圖 6所示。8 列的位選由 8 塊 3-8 譯碼器控制，將 8 塊 3-8 譯碼器分成四組，每相鄰的兩片 A0、A1、A2 接在一起由同一 I/O 口控制，一片的 E3(低電平)和另一片的 E1 接在統(tǒng)一 IO 口，控制片選。點(diǎn)陣顯示模塊通過 MCU 的控制來顯示相應(yīng)的信息，當(dāng)路況情況良好時(shí)，模塊可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前日期時(shí)間、溫度、濕度。在路段交通情況比較復(fù)雜或者發(fā)生交通擁堵時(shí)為駕駛員提供參考信息，以便于駕駛員做出相應(yīng)的判斷。點(diǎn)陣顯示模塊將所采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸后進(jìn)行比對(duì)分析，然后再自動(dòng)控制相應(yīng)的硬件。通過軟件部分和硬件相互配合，從而能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)陣多種功能顯示。例如前方道路發(fā)生交通事故時(shí)，可通過遠(yuǎn)程無線控制該路段口的紅綠燈和高清點(diǎn)陣，來提醒司機(jī)前方發(fā)生事故請(qǐng)繞路而行，從而降低道路交通事故的發(fā)生率，對(duì)持續(xù)擁堵所帶來的不必要污染起到減少的作用。

1.5 時(shí)鐘模塊

DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有能計(jì)算 2100年之前的秒、分、時(shí)、日、日期、星期、月、年的能力，還有閏年調(diào)整的能力。內(nèi)部含有 31個(gè)字節(jié)靜態(tài) RAM，可提供用戶訪問。采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，使得管腳數(shù)量最少，簡(jiǎn)單 SPI 3 線接口。

1.6 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度傳感器為 DHT22，DHT22 響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，滿足一年四季戶外檢測(cè)，能較準(zhǔn)確且快速的檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，數(shù)據(jù)輸出模式為單線制串行接口，每?jī)擅胂?MCU 傳輸一位數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。DHT22 的感濕元件為濕敏電容，測(cè)溫元件為NTC 熱敏電阻。濕敏電容具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、通信速度快等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容相應(yīng)的介電常數(shù)發(fā)生變化，即電容的變化量和相對(duì)濕度成正比。NTC 熱敏電阻隨著溫度的上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小，即電阻的變化量和溫度成反比。它DHT22 相較于DHT11 而言，具有更高的精度與分配率，工作的范圍和精度非常適合此系統(tǒng)的溫濕度的檢測(cè)。

2 工作原理及性能分析

2.1 工作原理

該交通輔助管理系統(tǒng)通過太陽能發(fā)電板及其相應(yīng)的處理模塊來實(shí)現(xiàn)模塊的供電，由無線模塊、點(diǎn)陣顯示模塊、溫濕度檢測(cè)模塊和時(shí)鐘模塊構(gòu)成。利用無線模塊進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)之間的信息通信，通信距離達(dá)到 8000 米，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，從而實(shí)現(xiàn)不同路段之間的點(diǎn)陣內(nèi)容顯示和紅綠燈控制，減少交通混亂和交通堵塞。點(diǎn)陣模塊則達(dá)到對(duì)司機(jī)和路人的提醒顯示作用，也能夠顯示當(dāng)前的時(shí)間和溫濕度情況。

2.2 性能分析

當(dāng)出現(xiàn)交通擁堵的情況時(shí)，本裝置通過交通監(jiān)控系統(tǒng)確定事故發(fā)生路段，由太陽能供電，采用遠(yuǎn)程無線通信來讓相鄰路口及時(shí)顯示相關(guān)交通信息來提醒司機(jī)，也可控制堵車路段附近的紅綠燈來控制該道路的車流量，避免道路堵塞情況的加劇，從而減少堵車時(shí)產(chǎn)生的不必要污染。利用太陽能板和升降壓充電模塊為系統(tǒng)智能交替供電，當(dāng)太陽能板產(chǎn)生的電壓高于 7V 而低于 15V 時(shí)，升降壓模塊將電壓升到 15V 為系統(tǒng)穩(wěn)定供電。當(dāng)太陽能板產(chǎn)生的電壓高于 15V時(shí)，升降壓模塊將電壓降到 15V 為系統(tǒng)穩(wěn)定供電，極大程度上提高了能源利用率。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用了太陽能升降壓發(fā)電技術(shù)，充分利用太陽能，提高能源利用率，節(jié)能環(huán)保。

（2）采用了無線通信技術(shù)，形成通信局域網(wǎng)，將道路信息傳遞給相鄰控制系統(tǒng)，從而來控制交通燈和點(diǎn)陣達(dá)到相應(yīng)的效果。

（3）能夠采集溫濕度，識(shí)別惡劣天氣，通過點(diǎn)陣提醒司機(jī)安全行駛。

3.2 應(yīng)用

（1）節(jié)能型交通輔助管理系統(tǒng)適用于城市交通各種復(fù)雜的路況，能夠更快捷地處理發(fā)生的各種交通緊急事故，能在一定程度上避免交通道路擁堵情況的加劇，從而大大減少污染物的排放，符合綠色環(huán)保交通發(fā)展理念。

（2）本裝置采用無線通信技術(shù)，將信息傳遞給相鄰的控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制交通燈和高清點(diǎn)陣交通信息顯示，從而達(dá)到相應(yīng)的效果。

（3）本裝置能夠采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，智能識(shí)別惡劣天氣，通過高清點(diǎn)陣提示司機(jī)行駛的安全速度。

4 結(jié)束語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，伴隨著產(chǎn)生的交通道路問題和環(huán)境污染問題是所面臨的挑戰(zhàn)之一，國(guó)家各相關(guān)部分對(duì)此也表示了充分的重視。本文設(shè)計(jì)的節(jié)能型交通輔助控制系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程無線通信可以讓上一路口或下一路口及時(shí)顯示相關(guān)交通信息，以提醒司機(jī)及時(shí)調(diào)整路線行程；也可控制發(fā)生事故的路段附近紅綠燈來控制該道路的車流量，避免發(fā)生道路堵塞現(xiàn)象，從而間接降低不必要污染的產(chǎn)生。本文設(shè)計(jì)的節(jié)能型交通輔助控制系統(tǒng)適用性廣，進(jìn)一步發(fā)展的空間大，成本低廉，所以具有廣大的市場(chǎng)前景。若大范圍推廣使用，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)不可估量。