节能公路隧道系统及模型

李德安，林伊婷，黄丹青，刘旭威，李建创，杨成华

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006）

节能公路隧道系统及模型

李德安，林伊婷，黄丹青，刘旭威，李建创，杨成华

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006）

设计的太阳能智能供电系统、触发式LED照明以及红外测速LCD显示系统，可解决传统隧道照明系统存在的能源浪费大、环境污染高、安全程度低等问题。提高了能源利用效率和车辆进入隧道的安全性。

太阳能；触发式照明；测速显示；隧道模型

安全性与节能性是隧道设计探讨的两大主题。目前，我国正处于公路隧道照明技术深入研究和应用实践阶段。在这一阶段，国内研究方向主要集中于如何在确保公路隧道运营安全的基础上实现照明节能最大化［1］。

本项目所研发的一套智能公路隧道系统，以STC12C5A60S2单片机为基础，在已平衡进出口视觉适应性［2］的前提下，利用LCD显示板提示进入隧道车辆的车速来提高车辆进入隧道的安全性；利用智能采光太阳能系统供电并辅以感应触发的方式触发隧道顶灯，实现车来顶灯亮、车走顶灯熄，达到大幅度节约隧道电能的目的。该公路系统的设计和实现对于提高我国公路隧道路段安全性、实施节能环保方略、降低公路隧道运行成本具有实际意义。

1 基于太阳能供电的触发式照明隧道系统模块组成

1.1 系统整体组成

如图1隧道系统整体架构框图，电源模块负责为整体电路系统供电，启动系统后，直接由单片机输出信号控制舵机带动太阳能板垂直于太阳光线转动，储存电能用于系统照明供电。由红外对管传输信号给单片机，控制顶灯亮灭，并通过单片机计算出行车速度显示于LCD显示器上，由蓄电池电压判断传输信号给单片机，决定是否切换供电方式。

图1 隧道系统整体架构框图

1.2 公路隧道系统模型的硬件设计与实现

1.2.1 智能采光太阳能系统

为了在供电方面达到节约能源的目的，本系统在供电方面采用智能采光太阳能系统并辅以蓄电池供电，利用太阳能供电来实现节能的目的。由于在同一处隧道，太阳高度角在一年之中变化范围在50°左右［3］，本装置通过太阳能板的等时间间隔在固定倾角内转动，实现近似垂直采光，从而提高太阳能利用率。智能采光太阳能系统的原理如下。

由于开关电源比一般的线性稳压电源的体积小、输出功率大、效率高［4］，因此本文以开关电源作为电源转换模块，通过整流桥把220 V交流电转换成5 V直流电。其原理是通过TNY268PN驱动芯片里面的大功率mos管作为开关管，在TNY268PN驱动芯片产生一个PWM信号控制EE16变压器周期性开关，形成一个频率较高的电压波形，通过调节占空比或频率对输出进行控制，最后输出5 V直流电。通过开关管调节控制后的电压，可经过高频变压器进行转换，最后形成稳定电压输出，其过程如图2所示。

图2 电源稳压过程流程图

打开定时器0，与PCA定时器共同工作，输出50 Hz的可调脉宽PWM信号占空比一次递增或递减，用来控制舵机带动太阳能板转动，在舵机带动下，太阳能板能够按照太阳升起到降落的角度变化周期性转动，从而高效地采光，其过程如图3所示。所储蓄电能主要为系统芯片以及大部分控制电路进行供电。

图3 太阳能系统工作流程图

1.2.2 蓄电池供电系统

智能采光太阳能供电系统所选用的蓄电池正常放电电压为10～14 V，为了提高公路隧道系统供电稳定性，蓄电池供电系统利用12 V 9AH的蓄电池，其过充电电压为15 V，过放电电压为9.6 V，为了更好保护蓄电池以及更好利用电能，本系统设置蓄电池正常放电电压为10～14 V。本系统采用比较器技术，当蓄电池电压低于10 V时自动切换为市电供电；当蓄电池充电至电池电压高于14 V时切换为蓄电池供电。电路原理如图4，比较器LM393为双路比较器，左半边为A路比较器，右半边为B路比较器，VCC为稳定5 V供电电压，Bat为实时电池电压。当电池电压值小于10.1 V时，A路比较器输出信号OA为低电平，此时系统将由蓄电池供电切换到市电供电。直至蓄电池电压高于14 V时，B路比较器输出信号OB为高电平，此时改用蓄电池供电。

图4 电池电压区间判决电路

1.2.3 触发式照明及测速显示系统

隧道照明分为两大部分：左右车道各一行LED作为壁灯，壁灯常亮；隧道顶部两行LED作为顶灯，在无车通过时，顶灯常暗；当有车辆将要进入隧道时，触发置于隧道外部的红外对管发射信号，开启隧道顶部照明，设定延时使顶灯在车辆通过后熄灭。与此同时红外对管测试车速，将汽车进入隧道前的速度显示于LCD显示板（显示板置于洞口处），目的在于警醒司机降低行车速度驶入隧道，提高行车安全。

本系统采用外部中断和定时器技术来实现测速与顶灯照明触发功能。当汽车驶过红外对管，外部中断0触发，定时器1开始计时，并触发隧道顶灯，直到外部中断1触发才关闭定时器1，用设定好的距离除以两次中断的时间则测出小车的速度。隧道顶灯延时设置为10 s，在连续10 s没车的情况下熄灭顶灯的这个逻辑上，结合了与门逻辑产生顶灯的继电器控制信号，对顶灯进行控制。电路原理如图5所示，Q1，Q2代表两个车道信息，当两个车道10 s内都没有车通过，则InA和InB的信号同时为高电平，Q1和Q2均导通，输出Out信号为高电平，由继电器电路控制顶灯熄灭。而当其输出信号为低电平时，由继电器控制顶灯开启。

图5 与门逻辑电路图

2 公路隧道系统模型的软件设计与实现

图6为隧道系统工作流程图，本系统以STC12C5A60S2单片机为基础，写入C语言程序，分别控制三个部分，分别是蓄电池供电系统、智能采光太阳能采光系统、测速及顶灯触发系统。

图6 隧道系统工作流程图

启动系统，单片机各模块初始化后进入准备状态，如图6，如果10 s内有车通过隧道，则触发单片机外部中断，计算速度并显示。否则输出无车通过信号，输出信号通过与门逻辑，将隧道顶灯关闭。另外利用PCA输出固定PWM控制太阳能板等时间间隔转动。蓄电池供电系统部分，如蓄电池电压满足要求，它会通过一个继电器切换让蓄电池供电，否则切换至市电供电。

3 隧道系统模型的实现

图7为本系统隧道模型成品及本文所设计的公路隧道模型结构及各部件的名称。整体系统由内部电路系统控制，SG-5010舵机与太阳能板组成智能采光装置，太阳能板角度随预设时间转动相应角度，使太阳能板平面垂直于太阳光线。红外对管实现测速与触发隧道顶灯功能，当有汽车通过红外对管所处位置时，即触发红外对管发射信号，开启隧道顶灯，测速结果将显示于LCD板上。

图7 系统模型成品正视图

4 结语

以节能与安全性作为切入点，本系统在节能方面，利用太阳能板的周期转动实现智能采光，相对于成本偏高的二轴光伏智能追踪系统，设计更为简洁、成本更低［5］；采用触发式照明的方式，实现无车熄顶灯，在长度较短、车流量较少的公路隧道，相比于人工控制照明亮度，大大降低了隧道在能源方面的运营成本。在测速系统方面，相比于精度高但价格昂贵的多普勒雷达测速、简单直观但工序繁多、周期较长的照相测速［6］，本系统所设置的红外测速系统不仅简携直观、造价低廉，且精度较高，有较好的实际应用意义。

［1］王少飞,涂耘.中国公路隧道照明技术近20年来的发展与创新［J］.照明工程学报,2012,23（S1）:88-96.

［2］杜志刚,潘晓东,杨轸,等.高速公路隧道进出口视觉震荡与行车安全研究［J］.中国公路学报,2007（5）:101-105.

［3］王国安,米鸿涛,邓天宏,等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算［J］.气象与环境科学,2007,30（S1）:161-164.

［4］姬海宁.高频开关电源变压器的优化设计及其应用［D］.成都:电子科技大学,2003.

［5］陈建彬,沈惠平,丁磊,等.太阳能光伏发电二轴跟踪机构的研究现状及发展趋势［J］.机械设计与制造,2010（8）:264-266.

［6］张华,郑宾,武晓栋.基于单片机的红外光电开关测速系统设计［J］.伺服控制,2012（8）:47-49.

System and model of energy-saving highway tunnel

LI De-an,LIN Yi-ting,HUANG Dan-qing,LIU Xu-wei,LI Jian-chuang,YANG Cheng-hua
（School of Physics and Telecommunication Engineering,South China Normal University,Guangzhou 510006,China）

Highway tunnel is an important part of highway construction,but the traditional tunnel lighting system has the problems of large energy waste,high environmental pollution and low safety.This paper designs a system of solar intelligent power supply,trigger LED lighting and infrared speed detector with LCD display.The purpose is to improve energy efficiency and vehicle safety.

solar energy;trigger lighting;speed display;tunnel model

U45

A

1008-0171（2017）05-0036-05

2017-04-10

“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项项目资助（pdjh2016b0140）

李德安（1974-），男，广东梅州人，华南师范大学高级实验师。

【责任编辑：周绍缨 410154121@qq.com】