智能太阳能公交车站控制系统的研究与设计

李冰，计京鸿

（哈尔滨华德学院机器人工程学院，黑龙江哈尔滨，150025）

1 系统方案设计

■1.1 智能太阳能公交车站控制系统的组成

本系统是将太阳能转换成公交站各种用电设备所使用的电能。太阳能电池板在阳光下，将光能转换为电能并通过控制电路把光能产生的电能进行转换并为蓄电池供电，同时也为其他设备供电，首先将太阳能转换的电能经过DC-DC电路进行转换，转换成公交站用电设备所使用的电压，并通过互感器来检测DC-DC输出端的电压和电流，保证输出端的正常工作，单片机输出PWM来调节输出电压，最后由充电电路为设备和电池供电。作为安全性的电池，目前蓄电池的充电方式一般为恒流恒压充电：首先以稳定电流充电，当电池电压升高至一定值时，电路状态改为稳定电压充电，之后电流逐渐降低至零，充电完成。利用单片机进行智能控制，采用模块式结构，使太阳能到电能的顺利转换，同时系统还使用光强传感器，当光强减弱时，系统启动照明系统，为公交站提供路灯，通过对输出电流电压的调节，可对公交站的广告牌、站牌进行供电，如果需要远程控制也可以通过无线模块进行远距离的控制。

本系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

■1.2 智能太阳能公交车站控制系统的基本功能

（1）太阳能电池板将太阳的光能，热能转换成电能，并设计控制电路；

（2）DC-DC电路，将太阳能电池板的输出电压降低12V；

（3）设计单片机控制系统，通过单片机输出PWM波对输出电压进行调整；

（4）对输出电压和电流进行监测，保证输出的稳定性，选用MAX471芯片来进行信号的放大和转换；

（5）系统通过无线模块实现远程数据传输，对公交站控制系统进行监测和控制，避免了长距离布线带来的困扰，这里选择NRF24L01无线的方式；

（6）光强检测采用BH1750传感器，内置16bitAD转换器，直接数字输出，可对广泛的亮度进行高精度测定，当光强小于某一数值时，系统开启照明系统；

（7）液晶显示器显示当前系统的各项参数及站点信息。

2 系统的硬件设计

■2.1 电能转换电路设计

智能公交站的电能转换电路是由肖特基二极管，滤波电容，MOS管，LM7812组成的，MOS管的栅极是通过单片机输出的PWM方波来控制的，通过控制栅极来选择所需的电路，当Q1导通时，太阳能电池板通过二极管和MOS管为蓄电池充电，二极管的型号为1N1148，它的作用是防止反向电压，防止倒灌，然后再经过电容的滤波，保证电源的纹波不影响充电的效率，在经过导通的MOS管向蓄电池充电，充电的速度可以通过MOS管的导通频率来影响，也可以通过电源的调整来影响，大的电容可以很好的滤除直流电路中的交流成分，小的电容可以滤除纹波，使电源更稳定。当蓄电池充满电后，检测电路会把蓄电池的电压电流检测的信息发送给单片机，单片机通过数据判断出蓄电池的状态，如果蓄电池充满电，则单片机控制MOS管Q1关断，停止电源对蓄电池的充电，然后发出PWM方波来控制MOS管Q2开通，当Q2导通后，蓄电池就可以为负载供电了，在这些阶段中，检测电路会实时的检测电路的状态，包括电路的电流和蓄电池两端的电。此部分电路原理图如图2所示。

■2.2 模数转换电路设计

本控制系统需要使用3个模拟量输入通道，分别对蓄电池的电压、电流以及光敏电阻的模拟量进行转换，TLC2543模/数转换模块具有十一个输入通道，内部集成分辨率为十二位的串行A/D转换器，每次的转换都是逐次比较转换，每次模拟量的采样都有芯片自己完成，采样后芯片也会自动进行模拟量的保持，这些都是由内部集成的采样保持电路自动完成。TLC2543内部集成的A/D转换器采样精准，而且外部的参考电压是差分高阻抗的基准电压，这种电路的配合能提高转换刻度，同时降低内部的模拟电路的偏差、信号逻辑电路的偏移量，隔离外部电源波动的影响降低电源噪声。这种多输入通道、应用灵活的模/数转换，极小的线性误差小，特别适用于嵌入式系统数据采集和处理。模数转换电路图如图3所示。

图2 电能转换电路图

图3 模数转换电路

■2.3 电流检测电路设计

在本控制系统中，输出端的电压通过分压电阻进行检测，然后通过ADC进行转换，电流则通过专业用的芯片来进行，MAX471是电流-电压型运算放大器经常用于电源电路中，检测室通过电阻将电流转变成电压，电压值就可以通过模数转换电路来进行，将其与模数芯片的输入引脚连接，就可以进行转换，在本次设计中，要求能够检测出蓄电池两端的电压和电路中的电流，电压要求检测到小数点后一位即可，因此，MAX471完全满足要求，它的内部有一个35mΩ的电流采样电阻可以测量±3A的电流，MAX471有一个电流输出端。电流检测电路如图4所示。

图4 电流检测电路

■2.4 液晶显示电路设计

通过液晶显示器来显示公交站控制系统的状态以及到站信息等，因为需要显示的数据比较多，所以显示模块选用LCD12864液晶模块，它是自带中文标准字库点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及点阵二极管组成，可完成图形显示，也可以显示8×4个汉字。VCC一般接5V电源，VEE以及VL连接一个滑动变阻器，引脚BL+和BL-，是液晶屏的背光，可以直接接在VCC和GND上。液晶显示电路如图5所示。

图5 液晶显示电路

图6 无线通信电路

■2.5 无线控制电路设计

为了实现公交站控制系统的远程控制，使用无线模块连接上/下位机，在本次设计中，公交站的控制系统通过无线模块将系统数据发送给上位机，上位机处理数据后，得到实际的数据，数据在经过单片机进行处理，在对外围电路进行控制，这里我们使用的是NRF24L01通信模块，这种模块的成熟度较高，信号的完整性比较好，但是传输距离有限，大于1000米后，信号会出现衰减，因此，系统的使用还要注意距离的限制。无线通信电路图如图6所示。

■2.6 光控路灯电路设计

在智能公交站控制系统中，需要对路灯进行夜间的控制，这就需要对光线强度进行采集，当光强达到一定强度的下限时，单片机就会通过控制继电器电路，而继电器电路控制路灯的供电系统，当继电器打开路灯供电系统后，路灯就会被点亮。光控路灯电路图如图7所示。

图7 光控路灯电路图

3 系统软件设计

本控制系统采用单片机作为控制核心，单片机负责输出PWM来控制电能转换电路，同时对传感器的数据进行处理，主程序包含了各子程序，并对主函数内的子程序循环执行，直到完成指定功能后再次循环，通过子程序实现具体功能，系统的主程序流程图如图8所示。

图8 系统主程序流程图

4 结语

本文所设计的智能太阳能公交站控制系统，采用实用的51系列单片机和模数转换芯片，实现了对蓄电池主电路的电压，电流监测，使系统更加稳定可靠，性价比得以大幅度的提高。通过单片机来控制系统的运行和数据的处理，采集蓄电池两端的电压来监测蓄电池的状态，通过专用的运算放大器来实现电流的采集和检测，并通过模数转换电路将模拟量转换成数字量，然后通过程序设计，连接各个子电路，将他们的功能结合在一起，并将数字量进行处理，得到实际的电压电流值，单片机接收到数据后通过LCD1602显示出来。控制部分采用光耦进行隔离和驱动，大大减轻了单片机的负担，然后再通过光耦来控制三极管的工作状态，实现电路的切换，这样既防止了信号的串扰，也增强了单片机的驱动能力。保护电路的设计也十分的稳定可靠，不仅考虑到充放电的纹波影响，还考虑到了能量的续流，防止电路发生短路和倒灌，通过无线模块与上位机进行通信，光敏电阻可以实现对路灯的控制，实现了夜间的自动照明功能。通过电源电路和单片机电路的结合，实现了基于单片机的公交站控制系统，通过硬件设计和软件设计，系统已经具备了丰富的功能，完成了对传统公交站的改进。