發(fā)布時間:2018/8/15 8:49:46 來源:本站
當(dāng)前隨著我國城市化建設(shè)進(jìn)程的加速以及城市基建設(shè)施建設(shè)的加快,城市對照明產(chǎn)品的市場需求逐漸擴(kuò)大。在能源緊張的大背景下,傳統(tǒng)照明設(shè)備耗能巨大,且存在巨大的能源浪費(fèi),還影響城市生態(tài)環(huán)境,這明顯不符合我國能源利用的發(fā)展方向,同時也極大的限制了照明設(shè)備的利用效率。而太陽能路燈的出現(xiàn),有效的彌補(bǔ)了上述不足。
如果將我國2000萬盞路燈全部改用太陽能路燈,則可以減少2580萬噸二氧化碳的排放,相當(dāng)于103億美元二氧化碳減排成本。因此,投資太陽能路燈行業(yè)可以產(chǎn)生較大的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。
太陽能路燈發(fā)展的主要障礙在于成本,相對于普通路燈,太陽能路燈具有太陽能板,蓄電池,控制板三大部件,其中太陽能板占據(jù)了大量成本。為了降低成本,部分廠商采用面積更小的太陽能板,降低充電功率,但這也導(dǎo)致路燈的照明時間降低,實(shí)用價值下降。
本文介紹的系統(tǒng)通過讓太陽能板智能轉(zhuǎn)向,產(chǎn)生最大化的充電效率。使太陽能路燈可以使用面積更小的太陽能板來實(shí)現(xiàn)更高的充電效率,降低太陽能路燈的成本,從而緩解太陽能路燈高成本的困難,促進(jìn)太陽能路燈的普及使用。
通過自行設(shè)計(jì)的360°光線傳感器陣列獲取各個方位上的光照強(qiáng)度模擬信號,單片機(jī)讀取到信號后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并使用傳感器校正算法進(jìn)行運(yùn)算和校正。判斷出光照強(qiáng)度最大的方向,然后通過驅(qū)動電路控制隨動系統(tǒng)使太陽能電池板轉(zhuǎn)向,對正光照強(qiáng)度最強(qiáng)的方位。同時,充電控制系統(tǒng)也在監(jiān)測太陽能電池板產(chǎn)生的電壓,當(dāng)太陽能電池板產(chǎn)生的電壓滿足充電需求時,打開充電電路為電池組進(jìn)行充電。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
3.1光照強(qiáng)度追蹤
要讓太陽能電池板能夠面對光線最強(qiáng)的那一個方向,系統(tǒng)必須在所處的環(huán)境中尋找到最強(qiáng)光源方向。使用單片機(jī)讀取傳感器陣列上的32個光敏傳感器數(shù)值,并且使用校正算法進(jìn)行校正后,找到光線最強(qiáng)的方向,確定太陽能電池板需要面向的方向。
3.2充電及充電控制
太陽能電池只有在有光照的環(huán)境下才能產(chǎn)生電力,把這些能量收集起來,在需要的時候來使用它,也就是夜間的路燈照明。太陽能電池板在陰天以及其他非陽光直射環(huán)境下,也是能夠產(chǎn)生一定的電流和電壓的,有時能滿足充電條條件,有時則不能。如果滿足條件而沒有充電,會導(dǎo)致充電效率低下,浪費(fèi)太陽能資源。反之如果不滿足條件時打開了充電電路,反而會造成電流倒流,太陽能電池板變?yōu)橛秒娫O(shè)備,導(dǎo)致太陽能電池板發(fā)熱或者燒毀。
所以必須讓系統(tǒng)監(jiān)控太陽能電池板產(chǎn)生的電壓值和光敏傳感器的讀數(shù),只有條件滿足時才可以打開電路充電。
3.3人機(jī)交互
簡單的交互系統(tǒng)利于故障時的判斷和檢修,在一個簡單的液晶顯示屏上顯示出光照強(qiáng)度讀數(shù)、太陽能電池板電壓、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等系統(tǒng)信息,可以讓安裝和維護(hù)人員快速的進(jìn)行安裝實(shí)施和故障排除。
3.4太陽能電池板方向控制
當(dāng)確定了光線最強(qiáng)的方向后,單片機(jī)還需要控制隨動系統(tǒng),讓太陽能電池板轉(zhuǎn)動,面向光線最強(qiáng)的方向,產(chǎn)生最大的電壓和電流,以達(dá)到最佳充電效率。
4.1光線感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在室外環(huán)境,太陽能電池板所能利用的光線的所有方向大概是一個半球形,所以組建一個半球形傳感器陣列就可以監(jiān)測到整個環(huán)境中的有效光線的光照強(qiáng)度情況。
將一個半球形物體以經(jīng)緯線的劃分為多個區(qū)域,每個區(qū)域?qū)?yīng)一個光線的入射區(qū)域,在每個區(qū)域中心打孔安裝光敏傳感器,監(jiān)測對應(yīng)區(qū)域的光線強(qiáng)度我們就能夠知道哪片區(qū)域是光線強(qiáng)度最大的,如果需要更高的精度,則進(jìn)行更加精細(xì)的劃分,安裝更多傳感器即可,對于智能路燈來說,32個傳感器已經(jīng)完全滿足其精度需求。如圖2所示:
圖2 光線感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖
光敏電阻是幾乎沒有指向性的,也就是說它對來自于它正面180度范圍內(nèi)的光線都比較敏感,當(dāng)光源距離相同但是角度不同的情況下光敏電阻的阻值變化不明顯。
為每個光敏電阻加裝一定長度的遮光管,使光敏傳感器有更好的指向性。如圖3所示:
圖3 光敏電阻安裝示意圖
4.2太陽能電池板隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
太陽能電池板需要靈活準(zhǔn)確的對準(zhǔn)光線最強(qiáng)的位置,除了需要水平方向的轉(zhuǎn)動,還要能夠調(diào)整和控制垂直方向的仰角,使用多個舵機(jī)組成可在縱向180°橫向360°范圍內(nèi)隨意控制太陽能電池板方向的云臺。如圖4所示:
圖4 太陽能電池板隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
4.3充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
太陽能電池板產(chǎn)生的電壓和電流并不一定時刻滿足充電所需的條件,必須通過單片機(jī)進(jìn)行判斷,當(dāng)滿足條件時,才進(jìn)行充電。為了能夠使充電效率更好,并使充電能夠持續(xù)和穩(wěn)定的進(jìn)行,使用一個穩(wěn)壓模塊,讓太陽能電池板的可接受電壓在一個更為寬廣的范圍,陰天光照強(qiáng)度小的時候進(jìn)行升壓,光線較為強(qiáng)烈的時候則相應(yīng)降低電壓。
5.1模擬傳感器誤差校正算法
光敏傳感器的返回值是一個DC 0-5v的模擬信號,接入相同的+5v電壓,在三個不同逐漸降低強(qiáng)度的光源照射下,得到如下的測量值,如表1所示:
表1 不同光照強(qiáng)度光敏傳感器測量數(shù)據(jù)
從表中可以看出,部分傳感器存在較大的誤差,需要進(jìn)行傳感器校正,才能獲得準(zhǔn)確的光線強(qiáng)度信息,其具體算法如下:
獲得數(shù)據(jù)為:
{a1,a2……a14,15},{b1,b2……b14,b15},{c1,c2……c14,c15},
取平均值為
∑ai/15,其中i=1,2,...,15
∑bi/15,其中i=1,2,...,15
∑ci/15,其中i=1,2,...,15
平均值的差值絕對值
|ai -∑ai/15 |,其中i=1,2,...,15
|bi -∑bi/15|,其中i=1,2,...,15
|ci -∑ci/15|,其中i=1,2,...,15
最后得到每個傳感器在三組數(shù)據(jù)中與均值的誤差值之和
Δi= (|ai -∑ai/15|)+( |bi -∑bi/15|) +(|ci -∑ci/15|)
結(jié)果如表2中的數(shù)據(jù):
表2 光敏傳感器測量誤差值之和
誤差值較大的傳感器分別為1,2,3,4,5,14號,需要對這6個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。
排除誤差較大的傳感器之后,用剩下較為準(zhǔn)確的傳感器的均值作為校正的參考值
∑ai/9,其中i=6,7,8,9,10,11,12,13,15
∑bi/9,其中i=6,7,8,9,10,11,12,13,15
∑ci/9,其中i=6,7,8,9,10,11,12,13,15
每個需要校正的傳感器對應(yīng)每組數(shù)據(jù)都會得到一個誤差值
aj-∑ai/9,其中i=6,7,8,9,10,11,12,13,15;j=1,2,3,4,5,14
bj-∑bi/9,其中i=6,7,8,9,10,11,12,13,15;j=1,2,3,4,5,14
cj-∑ci/9,其中i=6,7,8,9,10,11,12,13,15;j=1,2,3,4,5,14
三個誤差值的平均值為:
Δj= (aj-∑ai/9)+( bj-∑bi/9) +( cj-∑ci/9) 其中i=6,7,8,9,10,11,12,13,15;j=1,2,3,4,5,14
通過計(jì)算,得到表3中的數(shù)據(jù)
表3 光敏傳感器采樣修正值
A/D芯片采樣出來后的數(shù)據(jù)是采樣值,獲得的傳感器的修正值是以電壓值為基礎(chǔ)的情況下計(jì)算出來的,需要把修正值轉(zhuǎn)換為采樣值后才能進(jìn)行校正。5v/1024=0.00488,每1單位的采樣值對應(yīng)0.00488v電壓,計(jì)算出采樣修正值,如表4:
表4 光敏傳感器電壓修正值
正數(shù)誤差是測量值較實(shí)際過大,負(fù)數(shù)則是測量值較實(shí)際過小,修正時正數(shù)減去,負(fù)數(shù)加上。
5.2光線檢測及云臺控制
讀取相應(yīng)傳感器電壓后使用校正算法進(jìn)行校正,就知道哪個傳感器接受到的光照強(qiáng)度最大,代碼如下:
void target()//定義尋找最強(qiáng)光源函數(shù)
{a22=analogRead(0);//讀取光敏傳感器數(shù)值
a23=analogRead(1);
a24=analogRead(2);
a25=analogRead(3);
a22=a22-68;//傳感器校正
a23=a23-55;
a24=a24-111;
a25=a25+84;
a26=a26+74;
a35=a35-49;
highest=max(a22,a23);//查找哪個傳感器數(shù)值最大
highest=max(highest,a24);
highest=max(highest,a25);
highest=max(highest,a26);
highest=max(highest,a27);
}
知道光線強(qiáng)度最大的傳感器是哪個后,就知道了太陽能電池板需要面對的方位,這時單片機(jī)只需要通過串口向控制系統(tǒng)發(fā)送指令就可以使太陽能電池板指向相應(yīng)位置,核心代碼示例如下:
if (highest==a22)// 當(dāng)22號傳感器為最大值傳感器時
{Serial.println("#2P1397#18P1513#30P1563T2000");//發(fā)送對應(yīng)的9個舵機(jī)的位置信息
num=22; }//最大值傳感器是22
if (highest==a23) //當(dāng)23號傳感器為最大值傳感器時
{Serial.println("#0P522#1P799#2P1121#16P518#17P677#18P1741#28P525#29P905#30P1741T2000");//發(fā)送對應(yīng)的9個舵機(jī)的位置信息
num=23; }//最大值傳感器是23
5.3電壓監(jiān)測及充電控制
void control()//定義函數(shù)
{if (highest>400)//當(dāng)太陽能電池板產(chǎn)生的電壓大于4V時打開開關(guān)
{ digitalWrite(sw1,LOW);//充電開關(guān)打開
if (flag==0);//標(biāo)志變量
{flag=1;}
else
{ digitalWrite(sw1,HIGH) };//充電開關(guān)關(guān)閉
if (highest<30)//如果最大光線值小于30
{digitalWrite(sw2,LOW) };//打開led開關(guān)
else
{ digitalWrite(sw2,HIGH) };}//關(guān)閉led開關(guān)
5.4主函數(shù)
功能分為三個函數(shù):
found()--尋找光線最強(qiáng)的方向并改變太陽能電池板方向
lcd()—人機(jī)交互界面顯示數(shù)據(jù)刷新
switch()—充放電控制系統(tǒng)讀取環(huán)境參數(shù)并且自動進(jìn)行調(diào)整
在主函數(shù)中設(shè)置10秒延遲,每10秒鐘進(jìn)行一次光線變化的采樣,并且根據(jù)采樣結(jié)果調(diào)整太陽能電池板位置,更新人機(jī)交互界面的顯示信息,在條件滿足的情況下打開充電電路,或者打開路燈照明,主函數(shù)如下:
void loop(){//主函數(shù)
found();
lcd();
switch();
delay(10000); }//延遲2秒
系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后,對不同類型的光源位置進(jìn)行測試,并記錄數(shù)據(jù)最大傳感器返回的電壓,得到表6.1的數(shù)據(jù):
表5 不同環(huán)境與光照條件下系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)
結(jié)果顯示,智能太陽能路燈系統(tǒng)工作正常,完成了設(shè)計(jì)時的基本要求。
通過在制作出系統(tǒng)模型后的多次測試中,傳感器陣列設(shè)計(jì)合理,模擬傳感器相互校正準(zhǔn)確,整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)良好。本文所設(shè)計(jì)的傳感器陣列及校正算法都能夠精確的支持智能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行,不管在哪種天氣環(huán)境中,系統(tǒng)都能運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
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