太阳能交通警示板设计分析

朱小燕

（广东省高级技工学校，广东 惠州516100）

0 引言

随着科技的发展，世界能源危机加剧，世界各国都在寻求新能源和新的节能技术来解决能源危机问题，而太阳能便是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源。太阳能光电产品在人们的日常生活中越来越受欢迎。

由于电子技术的迅速发展，LED显示屏成为现代社会信息显示的重要媒介，它具有显示信息量大、外形美观、操作灵活、使用方便的特点，因此适用于汽车站、火车站、道路、交通警示等公共场合。本文的设计采用了太阳能蓄电池来供电，涉及充电和放电、显示技术、系统软件技术、存储技术等，能提高道路交通标志的可视距离，在夜间的警示效果更为显著，从而更醒目地起到道路交通指引作用，可广泛适用于高等级公路和城乡道路。由于太阳能交通警示板系统以太阳光为能源，具有清洁、可再生的特点，整个系统结构简单、成本低廉，具有一定的实用性。

1 太阳能交通警示板系统组成

系统包括电池充电、过压／过放保护、计数、警示时间日期等电路，原理框图如图1所示。光伏板将太阳能转化为电能，通过充电电路存储到蓄电池中，光控电路实现LED白天工作、晚上关闭的控制，警示电路不工作时将电源切断，以实现较小电流工作，延长蓄电池工作时间。

图1 系统原理框图

2 系统硬件设计

2.1 充电电路

充电电路将光伏板转化的电能存储到蓄电池里，系统主要考虑过压保护和过放保护。电路图如图2所示。图中二极管4007防止蓄电池电流倒流而损失电能，J为继电器触点，常闭点表示电池板断开给蓄电池直接充电，系统在过压和蓄电池电压过低无法使继电器工作时处在常闭状态，这时蓄电池通过由恒流管组成的恒流电路充电，一方面在电压过低时可以起到预充电作用，另一方面在电压充满的时候又可以进行浮充电。

图2 充电电路

恒流管是4DH7型，它的突出优点是电流稳定度高、温度特性优良、起始电压低、可靠性高、恒流可调和温度系数可调。在满足两端3和1脚的电压差大于3 V时，通过它的电流恒定为IH＝1 240／R，曲线关系如图3所示。

图3 关系曲线图

图3 中VS约为3 V，而VM为50 V。系统设定为1 240／10＝124 m A，这是蓄电池电压低时预充电的电流，此设计一方面可以起到预充电作用，另一方面又可以克服由于电压过低无法使继电器工作而无法对蓄电池充电的缺点。当蓄电池充满，继电器触点回到常闭点，此时恒流管4DH7最大压差为8.9－7.5＝1.4 V（设定蓄电池满压为7.5 V，而光伏板最高电压为8.9 V），由图3关系可知，此时一个很小的电流通过4DH7给蓄电池充电，起到浮充的作用。当继电器触点向上时4DH7上无压差，无电流经过，蓄电池直接充电。

2.2 光控电路

光控电路主要实现控制LED白天工作，晚上关闭，系统在电路设计上增加了避免瞬时光照引起的误动作，电路原理图如图4所示。光伏板输出的电压信号通过电阻对电容进行积分，再输到比较器3脚，与2脚设定电压进行比较，这里2脚设定电压为8 V左右，可根据具体情况设置。白天时3脚电压要高于2脚，所以Port口输出高电平去控制其他电路；夜晚则相反。此电路可避免瞬时光照引起的干扰，当光伏板受到瞬时光照时输出一个脉冲波形，通过电阻对电容进行缓慢充电，光照过后光伏板变为0电压，此时电容又通过电阻放电，只要设置好R、C参数就可以起到抗干扰作用。由T＝－RCLn（Vi／Vo），Vo为充电电压即光伏板电压，Vi为电容充电达到的电压，这里为2脚的比较电压，所以理论计算时间（设光伏板瞬时充电电压为5 V）T＝－47×1×Ln（8／5）＝22 s，也就是说5 V电压给电容充电时要过22 s才能达到比较电压，这样时间已经满足要求，也可通过改变参数来改变时间。

图4 光控电路

2.3 过充保护电路

系统用比较器对蓄电池进行过压保护，如图5所示。光伏板在阳光强烈的情况输出最大值是9 V，蓄电池过充电压为V／2×2.5＝7.5 V，通过稳压二极管设定比较电压为3.49 V，电压比较器的正向输入电压值由R1、RP1的值决定，当蓄电池电压达到7.5 V时调节RP1使其电压达到3.49 V。在充电前电压比较器LM393输出为低电平时，Q1截止，Q2导通工作，电磁继电器J吸合，对蓄电池充电；当蓄电池电压超过7.5 V时，电压比较器LM393输出为高电平，此时Q1导通，Q2截止，电磁继电器断开不工作，太阳能光伏板停止对蓄电池充电，因此起到了过充保护的效果。

图5 过充保护电路

2.4 过放保护电路

当电源供电电压过低时，整个系统工作不稳定，电路故障也随之增加，对电源本身也不利，因此，设计本系统时我们就考虑了电源过放保护电路。基本原理同过压保护。

2.5 计数警示电路

电路由计数器、译码器和数码管组成，如图6所示，工作计数器根据外部脉冲信号进行计数，并送译码显示。译码器1的LT和译码器2的BL受光控电路的Port口控制，当Port口为低电平时，数码管1显示日字，数码管2关闭。

2.6 车辆检测电路

电路由激光发射管、光电池和ICL7650自稳零运放组成，原理如图7所示。当有车通过时，激光线被挡住，ICL7650输出低电平，车辆过去后回到高电平，这样来检测车流量。此电路的供电电源受光控电路Port口控制，晚上时关闭整个电路电源以达到省电的目的。

3 系统软件设计

图6 计数警示电路

图7 车辆检测电路

用单片机来控制液晶显示屏（单片机芯片选用89S52型号，液晶显示屏选用LCD1602型号），可在液晶显示屏上显示时间（24进制）、日期和警示语，并可通过键盘对时间和日期进行调整。时间、日期与警示语分2次轮流显示，每10 s做一次变化，20 s为一个周期。单片机所需电源由铅蓄电池提供，电压为5 V。采用液晶（LCD）显示，界面形象清晰，内容丰富，可显示复杂字符，易于和单片机接口，且耗电少。系统工作流程如图8、图9所示。

图8 轮流显示时间、日期和警示语主程序流程

图8 流程说明：系统工作时，会在液晶显示屏上显示固定的时间和日期，此时可根据需要对时间、日期进行调整。确定后，既可看到时间、日期与警示语的轮流显示，同时能一直显示温度。

图9流程说明：按键可显示0～9、“／”、“：”共12个符号，另有一个按键作为确定键（按其他键无反应）。系统一工作就会进入时间调整状态，此时若需对时间和日期进行调整，则调整好后按确定键退出，否则直接按确定键退出。

图9 键盘调整时间、日期子程序流程

4 结语

系统设计采用的过压、过放保护装置，使系统能工作在稳定状态，同时系统又采用了4DH7恒流管在蓄电池低压和满压时对其进行预充电和浮充电，延长了电池的寿命。系统在满足功能要求的情况下，通过切断不工作部分电路的电源，以及采用数码管和警示管共用方式降低了蓄电池的工作电流，延长了电池的工作时间。系统使用太阳能，清洁、可再生，给交通提供方便的同时设计也达到了环保要求。

［1］谢嘉圭，宣月清，冯军.电子线路：线性部分［M］.第4版.高等教育出版社，1999

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