基于光伏发电的超声波测距系统应用分析

陈雪娇，杨文菊，梁海芳

（新疆职业大学机械电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830013）

0 引言

在化石燃料对环境造成的破坏性影响和能源需求不断增加的压力下，可再生能源的清洁、低碳、高性价比被认为是可持续发展的必要前提[1]。太阳能光伏发电占太阳能利用率的95%以上，被认为是最有希望缓解能源短缺的候选者之一。随着常规能源价格的持续上涨以及太阳能发电技术的蓬勃发展，太阳能发电系统凭借其运行经济性和环保效益突出等显著特点，应用面逐步扩宽，使得越来越多电气化设备通过使用太阳能进行供电，在未来市场具有广阔的发展前景[2]。

1 系统运转原理

鉴于超声波目的指向较强、耗能量低等优势，可以在介质中传播相当一段路程，故通过利用超声波进行距离的测量是其典型的应用之一[3]。超声波测距作为一种不用接触其表面就能较准确得出距离的检测方式，比其他传统的测距方式如雷法测距等[4]，具有结构简单、适应极端恶劣环境的能力等特点。

超声波在第一次通过激光束时被称为参考信号。当回声再次经过激光时，它会产生另一个信号，带有距离信息[5]。由于光学检测是一种非接触检测，参考信号稳定、干净。采用互相关法确定参考信号与回波之间的时间间隔，该时间间隔直接反映了激光束到目标表面的距离。超声波相比较于其他波段，具有可直线传播、高频率、高穿透力等优势。因此，被广泛用于距离测量[6]。具体距离大小可用公式计算得出：l=v×ΔT/2式中，l为所求距离，v超声波在空气中的传输速度，ΔT为超声波往返时间差。

2 系统设计思路

本系统的总体设计框图是由多种模块组成，主要由光伏板、可充放电逆变器、蓄电池、超声波测距仪构成。

本系统工作原理：太阳光照射到光伏板上，将太阳能转化成电能，将直流电传输给带充放电功能的逆变器，由可充放电逆变器将直流电转换成市电，同时可充放电逆变器连接着蓄电池和超声波测距仪。输出直流电后为超声波测距仪供电，同时将光伏板多余的电量传输给蓄电池，可充放电逆变器内部有过冲、过放、防反冲保护电路。在光照充足时，由光伏板作为超声波测距仪电源模块为超声波测距仪供电；在光照不足时，由蓄电池作为超声波测距仪电源模块为超声波测距仪供电。本系统采用将太阳能光伏板供电和蓄电池供电相结合的方式，实现了昼夜不间断的供电系统，使超声波测距设备能随时正常工作。

超声波测距仪中包含可编程控制芯片STC89C51、LED显示模块、温度补偿模块、操作面板设置模块及执行驱动模块。

其中可编程控制芯片STC89C51，由中央处理器(CPU)、存储器和I/O连接器组成。单片机作为驱动实现系统，在此设计中占据主导地位。STC89C51单片机配置MCS-51内核，具备损耗小、性能完善等显著特点，在传统单片机基础之上，功能更加强大且智能化，广泛用于多种工业设计。将编写好的C语言程序下载到单片机，由电路模块实现系统功能。

在工作可靠性的要求下能做到降低成本，此外，STC89C51分析处理能力强且可实现在线编程，大大提高了系统的工作效率。

LED显示模块选用液晶显示屏，液晶显示器在寿命、成本、分辨率密度和峰值亮度方面都处于领先地位，在ACR、视角、功耗和色域(具有基于量子点的背光)方面可与OLED媲美，具备较高的分辨率且性能稳定，经济性突出，由此在市面上常见的众多不同类型的显示屏中脱颖而出。

测量目标距离的大小通过对超声波数据分析得出，最终将结果值呈现在LCD液晶中。原理依据将时间变量转变为脉冲变量，利用L=NC/2f，其中，N为脉冲变量值，f为脉冲频率。

超声波在传输过程中不可避免会受到室内外空气温度的影响，为有效降低因此问题产生的结果误差，本系统中加入了DS18B20传感器，凭借其体积小、操作简单、温度测试裕度大等显著优势成为本系统的温度补偿模块。将DS18B20挂在I/O总线上，转换温度通过提取DS18B20状态即可获得。此种方式测试速度加快且系统总体能耗降低，可在保证转换可靠性的前提下，确保测量结果的可信度。操作面板设置模块中包含体现不同功能的按键，如开机、关机、复位等。

本系统采用C语言编程，此机器语言作为硬件接口的常用的计算机编程语言，常被用到嵌入和机电整合的数据采集与实时控制中，易写易读易理解且具备在线编程能力。

3 设备参数配套问题

参照多晶硅太阳能电池板输出功率估算本设计系统所需的太阳能电池板的面积。多晶硅太阳能电池板转换效率约为17%。一般在室外空气温度25℃，瞬时太阳辐照量1000W/m2时，单位面积电池板的出功率约为170W。本设计中的测距模块采用的是220V的交流电压，因此必须要太阳能电池板输出的直流电压加以转换，此功能由可充放电逆变器来实现。使用过程中不可忽略功率损耗问题，一般可充放电逆变器功率损耗约为10%，因此在170W×0.9=153W标准光照条件下，室外空气温度为25℃时，单位面积太阳能电池板输出功率约为150W。

本系统设计对传统的超声波测距系统进行了一定的改进，每个方面都有不同程度的提高，整体上各项特性提高不少，但是本系统在现阶段发展水平还是非常有限，目前没有生产并投入使用，技术成熟后方可广泛应用在生活中。

4 结语

一种基于光伏发电的超声波测距系统主要由光伏板、可充放电逆变器、蓄电池、超声波测距仪构成。其中超声波测距仪中包含可编程控制芯片STC89C51、LED显示模块、温度补偿模块、操作面板设置模块及执行驱动模块。软件设计系统是C语言编程，具有在线编程能力，且功能强大，具备可移植性。其可通过一种非接触检测方式实现距离的测量，与传统测距系统相比，具备结构简单、抗干扰能力强，适应恶劣环境能力强等优势，可满足农业、医学、工业等多种测量需求。