一种移动式太阳能交通标志车设计

孙春福，张顺心，王 震

（1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130；2.徐工集团挖掘机械有限公司，江苏 徐州 221005）

0 引言

新世纪以来，我国加快了现代化建设的步伐，道路对经济发展起着至关重要的作用[1].然而我国道路交通标志却远远跟不上道路建设的步伐.交通安全一直是人们所关心的问题，在我国，公路交通事故多，而且基本逐年增加，呈现恶化趋势[2].现有交通警告标志牌主要有两种：一种是反光膜上带有交通标志图标的警示标志牌.缺点明显：标志单一，自动化程度低，移动不便，靠太阳或车灯反光，警示距离短，受天气影响严重等等.另一种，采用市电供电的LED交通标志.最近几年为了加强可视效果，出现了市电供电的LED交通标志，但在偏僻路段市电供应非常困难，限制了此类交通标志的使用，而且耗电量大，不符合我国可持续发展的战略.综合我国公路交通安全的特点和弥补上面两类警示牌的缺陷，本文介绍了一款适合我国国情的移动式太阳能交通标志车，为了可靠供电，采用了太阳能和蓄电池双向供电；为了减小干涉，采用了显示屏半折叠的方式；为了提高太阳能利用率，采用了太阳能追光系统.机构简单，使用方便，特别适合在无电源的高速公路、非固定和临时施工（维护）现场及山道、弯道等高度危险事故多发地段.为驾驶员提供有关路况信息、组织、管理、引导交通的运行，提醒驾驶员注意以保证安全.

1 整体设计

移动式太阳能交通标志车采用蓄电池和太阳能双向供电，为了提高太阳能的利用率[3]，设计了一套太阳能板自动追光系统，系统框图如图1所示.首先由太阳能板追光控制器控制太阳能板追光机构使太阳能板到达接收日照的最佳位置；再由太阳能板通过太阳能充电控制器，将太阳能转化为电能，并存储在蓄电池内；然后由蓄电池为太阳能追光机构及追光控制器、上部文字显示屏的倾角调整机构及显示屏的图像控制器和频闪灯供电，最终实现显示不同图像及频闪灯的警示作用.在通常状态下完全采用太阳能供电，车载显示屏光线醒目，穿透力强，在异常的沙尘、污染等恶劣环境下正常工作.另外配有频闪灯，频闪灯闪烁频率达到30次/m in，在几百米外就能给司机提示，具有显著的醒目警示功能，减少交通事故，达到安全的效果，其动感效果是普通标志牌所不能替代的.特别是在夜间更突显出与传统交通标志相比移动式太阳能交通标志车的强大优势.

图1 整体设计框图Fig.1 Theblock diagram of overalldesign

2 传动机构的设计

2.1 显示屏倾角调整机构

考虑标志车移动的方便性、机构运动精度可靠性[4]及减小空间，采用LED显示屏半折叠的方式，上部文字显示屏采用偏心曲柄滑块机构控制其倾角，其原理为通过滑块的移动来带动曲柄的摆动，从而使点阵屏升起和降下.其结构简图如图2所示，当电机带动滑块C从位置移动到位置时升起上部文字显示屏AB，反过来从位置移动到位置时降下显示屏.在标志车处于正常使用状态时，使上部文字显示屏升起，这样可以增大显示屏图像的显示面积，达到更强的警示效果.在标志车移动过程中，使上部文字显示屏降下，平躺在车体的上表面，这样既降低了车体的重心，提高了稳定性，又使其移动方便，提高了安全性.

图2 文字显示屏倾角调整机构示意图Fig.2 Theschematic diagram of the textdisplay reclining mechanism

2.2 太阳能板追光系统

目前，太阳追光系统中实现追踪太阳[5]主要采用如下两种方式：一种是根据视日运动轨迹追踪；另一种是光电追踪.而视日运动轨迹追踪在早上或下午太阳光线都是斜射，不能充分利用太阳能，因此选择光电追踪方式.国内常用的光电追踪方式有重力式、电磁式和电动式.光电追踪装置主要是利用光敏传感器采集太阳的偏移信号，通过光电管输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由减速电机调整角度使追踪装置对准太阳实现追踪.光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单.

追踪系统由如图3所示的传动机构组成.由电机6通过减速装置4驱动螺母5转动，带动丝杠3上下移动，通过虎克铰2实现太阳能板1绕X轴的转动；同时由另一套布置在与该机构相差90°的相同的传动机构实现太阳能板1绕Y轴的转动.在二者的配合下实现太阳能板1对太阳的跟踪.太阳能板1由支撑杆7支撑在基面8上，丝杠、支撑杆均由虎克铰2与太阳能板1联接.

图3 太阳能板自动追光系统结构简图Fig.3 The structuraldiagram of the solar panels automatic tracking system

3 控制显示系统的硬件和软件设计

移动式太阳能交通标志车采用太阳能和蓄电池双层供电，采用STC89C52控制系统，该系统具有稳定性好、价格低廉、抗干扰能力强等优点.无线遥控系统采用 PT2262/PT2272编码解码芯片来远程控制和改变要显示的警示文字和交通标志.显示部分采用超高亮双基色LED组成的点阵屏来显示警示文字和图标，警示距离可以达到500m.

3.1 光电检测电路

光电检测电路采用5个光敏电阻传感器检测太阳的方位角和高度角.5个光敏电阻传感器的排列如图4所示，将检测板用下方开口的不透光的空心薄壁圆柱体遮盖，圆柱体的上方中央有一个与检测的光敏电阻直径相同的孔，以让太阳光线射入，同时选择适当的高度（本装置为50mm）.高度过低时，太阳光线照射不到四周的光敏电阻传感器上，造成系统接收不同方位的光线时反应不灵敏.高度过高时，光线均照射到圆柱壁上，造成系统判断太阳光线方位不准确.并将光电检测装置安装在太阳能板上，光电检测电路如图5所示，其中D0的正极与4个放大器的同相输入端相连，D1～D4的正极均连接放大器的反相输入端，从而D0与D1～D4组成比较电路.太阳光线与太阳能板的夹角不同，就照射到不同的光敏电阻上，因此可通过P2.0～P2.3的高低电位变化得以判断太阳光线的方向.

图4 光敏电阻传感器整体布局示意图Fig.4 The schematic diagram of theoverall layoutof the photoresistor sensor

图5 光电检测电路Fig.5 The controlschematic of photoelectric detection

3.2 单片机控制电路

由无线接收模块接收来自无线遥控手柄的信号，经单片机实现改变显示屏显示的交通标志、显示屏的倾角调整与太阳能板的角度调整.光电检测电路输出的高低电位信号，通过单片机控制，实现太阳能板自动追光的目的.

3.2.1 电机控制电路设计

移动式太阳能交通标志车由3个12 V直流电机驱动实现显示屏的倾角调整和太阳能板的追光，采用74HC595，使用单片机的3个I/O口控制8个继电器的吸合，达到控制3个电机的正反转.

如图6所示，LED指示灯起到指示和限流的作用，指示相应的继电器之间吸合.当74HC595为高电平时三极管导通，继而继电器吸合，给相应直流电机上电.由于三极管较二极管线性度较差[7]，图中二极管具有保护三极管的作用，以防止继电器线圈内电流回流而导致烧毁三极管.

3.2.2 显示屏显示电路设计

显示电路采用并行方式，通过锁存器来扩展IO口[7]，同时可以控制LED点阵的六十四个列线.本设计中八组双缓冲寄存器是由十六片锁存器构成的，以驱动LED点阵的8组列线，用4/16译码器对LED点阵的十六行进行扫描.在将每一行的数据传输到LED点阵之前，把数据按级数依次传送给锁脉冲，这样所有数据一并传输到LED点阵列中，实现了各数据能够同步显示.由于并行比串行数据传输速度要快，所以字符闪烁的问题得到较好地解决，文字左右移动也较好的得到控制.

图6 继电器控制电机电路Fig.6 The controlschematic of relay controlmotor

图7 主程序设计流程图Fig.7 The flow chartof themain program design

3.3 控制显示系统的软件设计

在主程序初始化后，当无线接收模块接收到无线信号时，由遥控按钮来操控，直到完成操作，主程序流程如图7所示.在键盘扫描子程序中，有分别控制3个电机的按键，如控制显示屏倾角调整电机的按键，当确定按下时，说明此键接通，所连接的电机能够动作，此时，电机正传；接下来，按第2下时，电机停转；按第3下时，电机反转；按第4下时，电机停转.由按键动作次序控制电机的各个动作.其他分别控制太阳能板升降，追光高度角和追光方位角的电机按键，控制方式与控制显示屏倾角调整的电机原理相同.其中控制追光高度角电机的按键与控制追光方位角电机的按键为强制按键，正常状态下，控制追光高度角电机与控制追光方位角电机动作由太阳能追光控制系统自行完成，只有当太阳能板不能实现自动追光时使用，键盘扫描子程序流程如图8所示.

图8 键盘扫描子程序流程图Fig.8 The flow chartof keyboard scanning subroutine

4 结论

本文提出的移动式太阳能交通标志车，全貌图如图9所示，经现场试验验证，与目前常见的反光膜交通标志和市电供电的LED交通标志，有如下优势：1）采用太阳能和蓄电池双向供电，独立工作时间长，晴天连续运行稳定，不产生任何使用费用，阴雨天也可连续稳定工作数日（不同区域或有差异）.2）自动化化程度较高，制作简单合理，操作移动方便，成本低廉.3）高亮度点阵屏，耗电量小，可视性强，做到警示文字与图标同时使用，并且有多种符合国家标准的警示文字与图标，更换方便快捷.4）警示距离远，白天视认距离在500m以上，夜间视认距离可达1 000m以上，提高了车辆行驶安全性.5）采用太阳能板自动追光系统，使太阳能的利用率得到提高.6）显示屏的倾角调整与太阳能板的升降互不干涉，远程无线遥控和手动控制可同时使用.因此具有广阔的推广前景.

图9 移动式太阳能交通标志车的全貌图Fig.9 The close-up view of the traffic sign car design ofmobile solar

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