朱成銀，閻昌國(guó)，席 豪，汪家晗，張?chǎng)伪?/p>

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州 遵義 563006）

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，以煤、石油為主的傳統(tǒng)化石能源不僅無(wú)法滿足人類(lèi)發(fā)展對(duì)能源需求，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。面對(duì)能源短缺與環(huán)境污染的雙重危機(jī)，人類(lèi)從此掀起了對(duì)新能源開(kāi)發(fā)與利用的熱潮[1-2]。在眾多的新能源中，風(fēng)能和太陽(yáng)能由于其具有清潔無(wú)污染、取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，得到了眾多科學(xué)家的重視[3]。然而，單一風(fēng)力發(fā)電易受季節(jié)因素的影響，呈現(xiàn)出較高的隨機(jī)性；單一太陽(yáng)能發(fā)電同樣易受時(shí)間因素的影響，其僅能在白晝時(shí)可用。如果在時(shí)間上將風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電融合在一起來(lái)，則可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)供電的可靠性，于是，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了[4-5]。風(fēng)光互補(bǔ)路燈作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用，與傳統(tǒng)的照明路燈相比，它開(kāi)辟了“節(jié)能、降耗、減排”的新天地[6]。通常情況下，偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)往往具備豐富的太陽(yáng)能和風(fēng)能[7]，為充分利用這一優(yōu)勢(shì)，解決偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)夜間出行難、鋪設(shè)電網(wǎng)成本高的問(wèn)題，本文提出了一個(gè)以單片機(jī)為核心風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)制作方案，可準(zhǔn)確地通過(guò)光敏元件檢測(cè)外部光照條件的變化對(duì)路燈的開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)作相應(yīng)的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)一體供電。文中給出了該方案的總體架構(gòu)，詳細(xì)闡述了部分主要電路的工作原理，最后通過(guò)搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)證實(shí)了該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)路燈是一個(gè)機(jī)電一體化程度相對(duì)較高的裝置，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)裝置整體性能的影響起著十分重要的作用[8]。如圖1 所示給出了所提制作方案的控制系統(tǒng)總體架構(gòu)原理框圖，它由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池、控制器、路燈、光照檢測(cè)模塊及可擴(kuò)展區(qū)域等幾部分組成。其中，控制器為整個(gè)方案的核心，選用了一款具有體積小、成本低、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的單片機(jī)STC89C52，它依據(jù)光照檢測(cè)模塊來(lái)識(shí)別白天和黑夜，通過(guò)控制完成在白天時(shí)關(guān)閉路燈實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在黑夜時(shí)將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電存儲(chǔ)在蓄電池中的能量輸送給路燈實(shí)現(xiàn)照明。此外，受此次新冠肺炎疫情防控工作的啟示，該方案留有可擴(kuò)展區(qū)域（圖中虛線框部分），用戶可根據(jù)需要在該區(qū)域外接文字顯示模塊或語(yǔ)音播報(bào)模塊，通過(guò)集中控制，可以在偏遠(yuǎn)農(nóng)村村委會(huì)與村民之間實(shí)現(xiàn)“零距離，多點(diǎn)位”地宣傳疫情防護(hù)知識(shí)，以減少因村民居住分散而造成在疫情防控工作中增加額外的人力成本。

圖1 總體架構(gòu)框圖

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)光發(fā)電電路設(shè)計(jì)

方案選用了9 V 的多晶硅太陽(yáng)能電池板與5 V 的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為發(fā)電材料，其電路如圖2 所示，圖中LM7805 為常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路芯片。該部分電路的工作原理：一方面將太陽(yáng)能電池板輸出的脈動(dòng)直流電壓通過(guò)穩(wěn)壓濾波以獲得較為穩(wěn)定的5 V 直流電壓；另一方面將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓通過(guò)二極管整流濾波并與太陽(yáng)能發(fā)電的輸出相接，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)供電。

圖2 風(fēng)光發(fā)電電路

2.2 電池充電電路

方案選用了日本SONY 公司的18650 鋰電池，具有重量輕、容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其充電電路如圖3 所示，圖中TP4056 為鋰電池充電管理芯片。該部分電路的工作原理：風(fēng)光發(fā)電電路的輸出通過(guò)RC 濾波后給TP4056 芯片供電，芯片依據(jù)內(nèi)部功率晶體管對(duì)電池進(jìn)行恒壓和恒流充電，充電時(shí)，LED1 亮，充滿時(shí)，LED2 亮。

圖3 電池充電電路

2.3 升壓電路

由于單片機(jī)所需供電電壓為5 V，而電池的輸出電壓輸出在3.7 V～4.2 V，為解決電平之間的不平衡，方案選用了HX3001 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓，該芯片是一款帶恒定頻率PWM 控制的高效輸出DC-DC 變換器，其電路如圖4 所示。該部分電路的工作原理：電池輸出電壓給HX3001 芯片供電，芯片通過(guò)內(nèi)部機(jī)理實(shí)現(xiàn)升壓，其輸出電壓作為風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)控制器及其他附屬芯片的參考電壓VCC，它的大小可由1.212 V（1+R上/R下）計(jì)算獲得。

圖4 升壓電路

2.4 光照檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

方案選用了高靈敏度的光敏電阻傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境的光照亮度或強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其檢測(cè)電路如圖5 所示。該部分電路的工作原理：當(dāng)檢測(cè)到的光照亮度或強(qiáng)度低于比較器LM393 設(shè)置的閾值時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)），單片機(jī)P1.1 口獲得高電平，控制器觸發(fā)打開(kāi)路燈照明中斷程序；當(dāng)檢測(cè)到的光照亮度或強(qiáng)度高于比較器LM393 設(shè)置的閾值時(shí)，單片機(jī)P1.1 口獲得低電平，觸發(fā)對(duì)應(yīng)中斷程序，執(zhí)行關(guān)閉路燈動(dòng)作。

圖5 光照檢測(cè)電路

2.5 路燈照明電路設(shè)計(jì)

方案選用了4 個(gè)高亮LED 燈來(lái)模擬路燈照明，其電路如圖6 所示。該部分電路的工作原理：當(dāng)單片機(jī)P1.0口輸出為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，高亮LED 燈全亮，實(shí)現(xiàn)照明；當(dāng)單片機(jī)P1.0 口輸出為高電平時(shí)，三極管截止，高亮LED 燈全滅。

圖6 路燈照明電路設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證方案的正確性與可行性，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用了萬(wàn)用表對(duì)某晴天電池兩端電壓變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置間隔測(cè)量時(shí)間為1 h，測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，電壓始終保持在3.7 V 至4.2 V 之間，且在8：00 至15：00，受光照強(qiáng)度（風(fēng)速變化具有不穩(wěn)定性）的增強(qiáng)，電池兩端電壓也隨之上升；而在15：00 至18：00，由于光照強(qiáng)度慢慢減弱，電池兩端電壓也在隨之下降。說(shuō)明風(fēng)光互補(bǔ)供電電路能隨著周?chē)h(huán)境光照與風(fēng)速的變化對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

圖8 電池電壓的變化曲線

圖9 為模擬晝夜實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的波形?？梢钥闯鰡纹瑱C(jī)P1.0 口與P1.1 口的電壓波形呈現(xiàn)互補(bǔ)狀態(tài)，即是在白天光強(qiáng)時(shí)，單片機(jī)P1.1 口輸出為低電平，單片機(jī)通過(guò)觸發(fā)對(duì)應(yīng)中斷程序，使P1.0 口輸出為高電平，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉路燈動(dòng)作；在夜晚光弱時(shí)，單片機(jī)P1.1 口輸出為高電平，單片機(jī)通過(guò)觸發(fā)對(duì)應(yīng)中斷程序，使P1.0 口輸出為低電平，實(shí)現(xiàn)打開(kāi)路燈動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)照明。

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形

4 結(jié)論

本文以單片機(jī)為核心控制器，提出了一個(gè)低成本的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案集太陽(yáng)能、風(fēng)能于一體，兼顧了自動(dòng)化與智能化，能根據(jù)周?chē)h(huán)境的光照條件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈，成本低，擴(kuò)展性好，有較好的應(yīng)用價(jià)值，可為風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)提供技術(shù)理論指導(dǎo)。