黃晨峻，馬繽輝，徐敬雨，鄭中華，鐘映輝，李學(xué)攀

(湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南湘潭 411201)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)數(shù)量增長(zhǎng)越來(lái)越快，但汽車(chē)停車(chē)位緊缺，多數(shù)汽車(chē)只能停在太陽(yáng)底下暴曬。研究發(fā)現(xiàn)車(chē)輛熄火后每隔15 min車(chē)內(nèi)空氣溫度大約上升10 ℃，持續(xù)2 h暴曬可達(dá)60～68 ℃，儀表盤(pán)控制臺(tái)表面溫度可達(dá)75 ℃甚至更高，座椅表面溫度大約65 ℃。為將車(chē)內(nèi)溫度降至30 ℃，需要啟動(dòng)車(chē)輛空調(diào)15～20 min，約耗油0.4 L。汽車(chē)暴曬的時(shí)間越長(zhǎng)，汽車(chē)空調(diào)降溫時(shí)間越長(zhǎng)，增加耗油量，加劇有害氣體的排放。研究顯示，汽車(chē)怠速時(shí)開(kāi)空調(diào)的油耗比普通怠速要高15%，并且怠速時(shí)汽油燃燒不完全，釋放出的 CO、NO 等有害氣體增多，是正常狀態(tài)下的5倍，會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，同時(shí)還浪費(fèi)能源。而且強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射照射會(huì)使車(chē)內(nèi)的真皮座椅和儀表臺(tái)等設(shè)施產(chǎn)生甲醛、苯等有害物質(zhì)，由于在車(chē)內(nèi)的封閉環(huán)境下，因此會(huì)對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生影響；更為嚴(yán)重的是溫度過(guò)高會(huì)引起汽車(chē)內(nèi)物品自燃，容易給用戶(hù)造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)當(dāng)汽車(chē)熄火時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有正常運(yùn)行，因此不會(huì)帶動(dòng)車(chē)內(nèi)發(fā)電機(jī)進(jìn)行正常發(fā)電，使汽車(chē)在停車(chē)熄火時(shí)無(wú)法獲得充足的電力能源。

基于以上汽車(chē)車(chē)內(nèi)溫度升高而產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，本文作者設(shè)計(jì)了一種基于自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電的車(chē)內(nèi)環(huán)境自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以太陽(yáng)能為汽車(chē)提供電能，同時(shí)通過(guò)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能以實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的最大化，同時(shí)可以在汽車(chē)熄火后控制制冷系統(tǒng)以及換氣系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行汽車(chē)內(nèi)不同溫度工況下的車(chē)內(nèi)環(huán)境自調(diào)節(jié)[1-4]。

1 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案

圖1為系統(tǒng)工作流程圖。系統(tǒng)通過(guò)光敏電阻傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度，并由單片機(jī)發(fā)出跟蹤控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板保持垂直于太陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)最大效率地利用太陽(yáng)能。太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，并由繼電器控制換氣扇、鼓風(fēng)機(jī)、冷氣機(jī)的工作。換氣扇保持車(chē)內(nèi)空氣與外界空氣的流通，鼓風(fēng)機(jī)促進(jìn)車(chē)內(nèi)空氣的循環(huán)并達(dá)到初步降溫的效果，冷風(fēng)機(jī)進(jìn)一步降低車(chē)內(nèi)的溫度以及維持車(chē)內(nèi)的濕度，再通過(guò)溫度傳感器和濕度傳感器反饋給單片機(jī)來(lái)控制繼電器的通斷，從而調(diào)整換氣扇、鼓風(fēng)機(jī)、冷氣機(jī)的工作狀態(tài)，來(lái)維持汽車(chē)內(nèi)的環(huán)境在一個(gè)穩(wěn)定而舒適的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)工作流程

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分如步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)、減速器、太陽(yáng)能電池板等，其次該系統(tǒng)主要有換氣扇、鼓風(fēng)機(jī)、冷氣機(jī)來(lái)模擬汽車(chē)內(nèi)的空調(diào)機(jī)，通過(guò)結(jié)合溫、濕度傳感器、PM2.5、CO、NO等有害氣體傳感器采集相應(yīng)的信號(hào)后反饋給汽車(chē)ECU，從而通過(guò)ECU 控制車(chē)內(nèi)相應(yīng)的繼電器以控制空調(diào)機(jī)等調(diào)節(jié)環(huán)境裝置來(lái)進(jìn)行工作，從而使汽車(chē)在熄火駐車(chē)時(shí)能更加智能化地調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)的環(huán)境，以給駕駛員和乘客在進(jìn)入汽車(chē)時(shí)有更舒適的環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用單片機(jī)模擬汽車(chē)的ECU來(lái)進(jìn)行硬件控制，并利用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫(xiě)，通過(guò)溫濕度傳感器、有害氣體傳感器等多種傳感器的信號(hào)對(duì)車(chē)內(nèi)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)單片機(jī)綜合計(jì)算后對(duì)車(chē)內(nèi)設(shè)施進(jìn)行控制，具體控制原理是通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，并使采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而使系統(tǒng)在不同的環(huán)境能控制相應(yīng)的車(chē)內(nèi)設(shè)施進(jìn)行工作，以實(shí)現(xiàn)調(diào)控車(chē)內(nèi)環(huán)境的目的[5]。

同時(shí)自動(dòng)跟蹤器的軟件部分是由自主設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光敏自動(dòng)跟蹤傳感盒結(jié)合紅外線自動(dòng)跟蹤模塊進(jìn)行雙保險(xiǎn)設(shè)計(jì)，以保障跟蹤精度能更好地實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)單片機(jī)結(jié)合傳感的反饋數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使太陽(yáng)直射在太陽(yáng)能光伏發(fā)電板上，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的最大化。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 整體工作原理

圖2為系統(tǒng)整體工作原理。車(chē)內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)主要由信號(hào)采集及控制系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)組成。其中電池系統(tǒng)包括12 V蓄電池、太陽(yáng)能電池板、繼電器4和太陽(yáng)能控制器。太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，蓄電池設(shè)置有過(guò)放保護(hù)及虧電條件下太陽(yáng)能電池給蓄電池充電；且蓄電池設(shè)置有過(guò)充保護(hù)，電量飽和時(shí)停止充電，信號(hào)采集及控制系統(tǒng)包括溫濕度采集單元、單片機(jī)、電壓及電流采集單元[3]。信號(hào)采集單元將采集的信號(hào)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)給換氣系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的控制指令。換氣扇和冷風(fēng)機(jī)有工作和關(guān)閉兩種狀態(tài)。單片機(jī)控制鼓風(fēng)機(jī)在不同的溫度下有相應(yīng)的工作狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)整體工作原理示意

2.2 溫度控制系統(tǒng)工作原理

圖3所示為車(chē)內(nèi)溫度控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 車(chē)內(nèi)溫度控制系統(tǒng)原理

圖中T為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的車(chē)內(nèi)溫度，T1為車(chē)內(nèi)高溫，T2為車(chē)內(nèi)中溫，T3為車(chē)內(nèi)中溫緩沖區(qū)域下限。U為蓄電池電壓，控制系統(tǒng)主要功能為:

(1)太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池常態(tài)充電，并設(shè)置有過(guò)充和過(guò)放保護(hù)；

(2)可人為進(jìn)行總開(kāi)關(guān)通斷，當(dāng)總開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)不通電，當(dāng)總開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入待命狀態(tài)，傳感器開(kāi)始實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫度；

(3)當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度T>T1時(shí)，系統(tǒng)控制鼓風(fēng)機(jī)2擋和換氣扇電路同時(shí)工作，鼓風(fēng)機(jī)輸送外界低溫空氣(相對(duì)車(chē)內(nèi)而言)至車(chē)內(nèi)，換氣扇排出車(chē)內(nèi)高溫氣體，使車(chē)內(nèi)溫度降低；

(4)當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度T1>T>T2時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)1擋和冷風(fēng)機(jī)同時(shí)接通，車(chē)內(nèi)開(kāi)始制冷降溫；

(5)當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度T2>T>T3時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)停止工作，冷風(fēng)機(jī)持續(xù)工作，直至車(chē)內(nèi)溫度低于T3；

(6)當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度T

3 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)及原理

3.1 自動(dòng)跟蹤器的設(shè)計(jì)

如圖4所示，太陽(yáng)電池板的偏轉(zhuǎn)角度隨太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡變化而變化，使太陽(yáng)入射光線垂直照射到太陽(yáng)電池板上，充分接收太陽(yáng)輻射能量。其工作方式分為3種情況：(1)白天晴天跟蹤模式。白天晴天時(shí)，氣候條件好，為正常工作狀態(tài)。(2)白天陰雨天時(shí)跟蹤模式。在陰雨天時(shí)，太陽(yáng)的光線較暗，光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)(設(shè)定值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出)，暫停跟蹤，跟蹤裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持在當(dāng)前位置，以減少機(jī)械損失。(3)夜晚裝置停止工作，裝置處于待命狀態(tài)，等待天亮達(dá)到一定光照強(qiáng)度后，再啟動(dòng)裝置，并與車(chē)內(nèi)的溫度傳感器協(xié)同工作，當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度低于一定值時(shí)，由太陽(yáng)能板發(fā)電。

圖4 太陽(yáng)能電池板方位的變化

3.1.1 自動(dòng)跟蹤器機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及原理

系統(tǒng)將太陽(yáng)能電池板的跟蹤控制分為方位角(左、右)和俯仰角(上、下)兩個(gè)單元。其中機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由底座、下層固定平臺(tái)、上層旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、減速器、擺臂和太陽(yáng)能電池板等組成。另外控制部分考慮到電池板及支架質(zhì)量和刮風(fēng)天氣等因素的影響，故在方位角控制都采用步進(jìn)電機(jī)和減速器配合驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)俯仰角及方位角的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)能跟蹤器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)太陽(yáng)光照到傳感器產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)時(shí)，傳感器可以根據(jù)輸出電壓不相等來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)所轉(zhuǎn)角度使得輸出電壓相等時(shí)，傳感器兩端光照對(duì)稱(chēng)，兩根信號(hào)線輸出相同的電壓，并且電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。

3.1.2 自動(dòng)跟蹤器電子器件部分設(shè)計(jì)及原理

圖6為太陽(yáng)能跟蹤裝置的傳感器檢測(cè)原理。該裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)墨黑色方形盒子，頂部正中心開(kāi)一小孔，小盒子通過(guò)內(nèi)設(shè)置兩個(gè)環(huán)形排列的16個(gè)光敏電阻和中心一只光敏電阻感應(yīng)，由系統(tǒng)電控單元通過(guò)多路復(fù)用AD轉(zhuǎn)換的形式獲取并對(duì)比每個(gè)光敏電阻上的光強(qiáng)度，從而控制器可以進(jìn)行相應(yīng)的控制。系統(tǒng)工作時(shí)，盒子上表面與太陽(yáng)能電池板放置并保持平行，促使位置由日出方向決定[7]。在跟蹤太陽(yáng)能位置時(shí)，電池板如何跟蹤太陽(yáng)的初始狀態(tài)如圖6左邊所示，太陽(yáng)光線穿過(guò)盒子上表面中心的小孔后照射在外環(huán)側(cè)排列的光敏電阻上后，系統(tǒng)電控單元將測(cè)得該電阻上及附近電阻受光強(qiáng)較大，通過(guò)比較和判斷，系統(tǒng)將逐步驅(qū)動(dòng)裝置的俯仰角和方位角，最終達(dá)到如圖6右邊所示的位置，從而達(dá)到電池板始終保持與太陽(yáng)輻射垂直的目的。

圖6 太陽(yáng)能跟蹤裝置的傳感器檢測(cè)原理示意

如圖7所示，系統(tǒng)利用光敏檢測(cè)模塊檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境中光線的強(qiáng)弱，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)采用二維自動(dòng)跟蹤裝置來(lái)控制太陽(yáng)電池板做水平旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)跟蹤的反饋控制。

圖7 跟蹤式太陽(yáng)能電池板發(fā)電系統(tǒng)的流程

3.2 光伏發(fā)電原理

整個(gè)裝置都由太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能來(lái)供能。它根據(jù)光強(qiáng)和溫度等條件，以一定的輸出特性對(duì)外輸出功率。DC-DC控制器是控制系統(tǒng)中的核心部件，其最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)，可以使系統(tǒng)最大程度地利用太陽(yáng)能，而且還能根據(jù)事先設(shè)定的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的管理。MPPT彌補(bǔ)太陽(yáng)能電池本身性能和使用條件的不足。蓄電池的充放電控制器則能按照一定模式對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，以提高其工作性能，延長(zhǎng)工作壽命[4]。主要組成部分如圖8所示。

圖8 光伏系統(tǒng)組成

3.3 車(chē)內(nèi)有毒氣體及空氣新鮮度的控制原理

控制系統(tǒng)通過(guò)使用NOX、CO2、CO、HC等一系列的傳感器探測(cè)車(chē)內(nèi)各種氣體的濃度，然后通過(guò)傳感器將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào),通過(guò)電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并和室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)比較,如果超出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出相應(yīng)語(yǔ)音提示，如“CO2氣體現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了安全標(biāo)準(zhǔn),請(qǐng)及時(shí)打開(kāi)窗戶(hù)”的語(yǔ)音提示。當(dāng)語(yǔ)音提示后窗戶(hù)未打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警報(bào)聲并向車(chē)主發(fā)送短信，方便車(chē)主不在車(chē)內(nèi)也能及時(shí)了解車(chē)內(nèi)狀況[8]。

3.4 無(wú)線通信模塊

該模塊采用ZigBee技術(shù)，并具有成本低、低能耗時(shí)延短、可靠等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)溫濕度，及時(shí)了解車(chē)內(nèi)狀態(tài)，針對(duì)個(gè)人情況設(shè)定車(chē)內(nèi)溫度，及時(shí)調(diào)整以達(dá)到人體適宜溫度。工作原理圖如圖9所示。無(wú)線控制模塊如圖10所示。

圖9 無(wú)線控制原理

圖10 無(wú)線控制模塊

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)工作的環(huán)境主要是針對(duì)于夏天陽(yáng)光暴曬的情況，在保證晶體硅太陽(yáng)電池板給蓄電池所充的電源能量足夠前提下，換氣扇和鼓風(fēng)機(jī)模擬對(duì)汽車(chē)空調(diào)機(jī)的綜合作用，使車(chē)內(nèi)空氣與外界空氣保持循環(huán)流通，從而保證車(chē)內(nèi)空氣清新，大大減少了車(chē)內(nèi)真皮座椅和儀表臺(tái)等設(shè)施由于高溫而產(chǎn)生的有害氣體。其次，空調(diào)機(jī)能進(jìn)一步降低車(chē)內(nèi)的溫度，并保證車(chē)內(nèi)的濕度。整個(gè)系統(tǒng)由繼電器、傳感器和單片機(jī)綜合控制，并設(shè)有基于ZigBee技術(shù)的智能無(wú)線控制，能對(duì)車(chē)內(nèi)的環(huán)境監(jiān)控并做出迅速的反應(yīng)以及控制，使車(chē)內(nèi)環(huán)境保持在一個(gè)舒適而健康的狀態(tài)。