一種基于STM32的光伏公交站臺(tái)自動(dòng)遮陽系統(tǒng)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 張 娟 朱向冰 臺(tái)德艷

一種基于STM32的光伏公交站臺(tái)自動(dòng)遮陽系統(tǒng)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 張 娟 朱向冰 臺(tái)德艷

基于傳統(tǒng)公交站臺(tái)固定的遮陽頂棚不佳的遮陽效果，本文提出改變傳統(tǒng)公交站臺(tái)固定的遮陽頂棚的方法，設(shè)計(jì)可根據(jù)太陽角度調(diào)節(jié)的智能遮陽裝置，同時(shí)將光伏電池組件與公交站臺(tái)的遮陽面板相結(jié)合。不僅滿足了狹小站臺(tái)空間內(nèi)的智能自動(dòng)遮陽，還能利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，使得遮陽發(fā)電兩相宜。

公交站臺(tái)；遮陽；太陽能；節(jié)能

0 引言

隨著公共交通的發(fā)展，公交站臺(tái)不僅是城市功能的外部設(shè)施，同時(shí)也是城市形象的一個(gè)“窗口”，成為市民和外地游客出行指南標(biāo)志，是人們在公共空間與人、環(huán)境產(chǎn)生聯(lián)系的紐帶[1]。公交站臺(tái)現(xiàn)有的遮陽裝置為固定的頂棚，用于遮擋陽光及風(fēng)霜雨雪天氣。但因場地限制，頂棚均較為狹窄，遮陽效果在一天內(nèi)的不同時(shí)間效果不同，不利于乘客的出行。同時(shí)公共交通設(shè)施正在向智能化和節(jié)能化發(fā)展，要如何做到節(jié)能和便利共行已經(jīng)成為社會(huì)的熱點(diǎn)話題[2]。

基于上述研究，本文提出了基于光伏供電即太陽能供電的公交站臺(tái)自動(dòng)遮陽系統(tǒng)，將不僅滿足了狹小站臺(tái)空間內(nèi)的實(shí)時(shí)遮陽，還能利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，而且我國的公交站臺(tái)數(shù)量龐大，同時(shí)響應(yīng)了新能源應(yīng)用的號召，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)工作原理

本論文研究的太陽能公交站臺(tái)自動(dòng)遮陽系統(tǒng)整體主要包括光伏供電模塊、傳感模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊四個(gè)部分。根據(jù)具體情況及細(xì)致化要求將系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種模式，分別為“自動(dòng)模式”和“行人模式”。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體如圖1所示，STM32為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，光伏供電模塊、傳感模塊、驅(qū)動(dòng)模塊及顯示模塊在STM32的“指揮”下協(xié)同完成工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 光伏供電模塊

光伏供電模塊是整個(gè)系統(tǒng)的電源部分，由太陽能電池、太陽能控制器和蓄電池組成。太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，工作時(shí)有三種狀態(tài)，分別為最大功率狀態(tài)、平衡狀態(tài)及停止?fàn)顟B(tài)。為配合太陽能電池，蓄電池同樣也有三種狀態(tài)，分別為充電狀態(tài)、放電狀態(tài)及截止?fàn)顟B(tài)。兩兩搭配一共組成了9種工作情況，如表1所示。

情況1為太陽能電池工作在最大功率狀態(tài)，產(chǎn)生的電能足夠支持負(fù)載工作并且還有富足，此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)將多余的能量儲(chǔ)存起來，在夜晚或者陽光不足的情況下使用。

情況2為陽光充足時(shí)，太陽能電池在最大功率狀態(tài)工作產(chǎn)生電能的功率除去支持負(fù)載部分的功率仍然大于蓄電池的充電功率，故轉(zhuǎn)為平衡狀態(tài)。

情況3為太陽能電池處于停止?fàn)顟B(tài)且蓄電池處于充電狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)沒有了能量來源，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

情況4為陽光不夠充足的情況下，太陽能電池已經(jīng)處于最大功率狀態(tài)，但不足以支持負(fù)載的工作所需功率，此時(shí)蓄電池處于放電狀態(tài)，將儲(chǔ)存的電能提供給負(fù)載。

情況5為當(dāng)太陽能電池處于平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出功率與負(fù)載持平，不需要蓄電池供電，故此種情況不可行。

情況6為當(dāng)光照強(qiáng)度過低如夜晚等情況時(shí)，太陽能電池?zé)o電能輸出，蓄電池開啟放電狀態(tài)維持負(fù)載的正常運(yùn)行。

情況7為當(dāng)太陽能電池處于最大功率狀態(tài)工作時(shí)其輸出功率與負(fù)載功率相持平，無富足電能儲(chǔ)存，故蓄電池處于截止?fàn)顟B(tài)。

表1 光伏供電模塊工作情況

情況8為當(dāng)蓄電池已充滿時(shí)，太陽能電池工作在平衡狀態(tài)支持負(fù)載工作，蓄電池截止，既不充電也不放電。

情況9為太陽能電池和蓄電池均停止工作，則系統(tǒng)無能量來源，停止工作。

綜上所述，情況3、5、9均不能采用，剩余情況的選擇通過太陽能控制器的控制來選擇，使得系統(tǒng)能夠得到一個(gè)穩(wěn)定且環(huán)保的電能輸出。

2.2 智能傳感模塊

智能傳感模塊由光敏傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、角度傳感器組成。溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器用于檢測環(huán)境情況，在一些風(fēng)霜雨雪等特殊天氣下能夠及時(shí)調(diào)整遮陽板，保護(hù)公交站臺(tái)的乘客。角度傳感器用于測量遮陽板的傾斜角度。而光敏傳感器是這個(gè)模塊的核心部分，用于獲知陽光的直射位置。光敏傳感器的東西南北方向分別放置四個(gè)光敏電阻P1、P2、P3、P4，中間有合適高度的遮光隔斷。P1、P2精確檢測太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度，P3、P4精確檢測太陽的視高度。從而將太陽位置信息傳回控制中心，驅(qū)動(dòng)遮陽板做出調(diào)整。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)模塊的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)控制遮陽板的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂步態(tài)如圖2所示，整體形態(tài)如圖3所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)臂步態(tài)圖

圖3 整體形態(tài)圖

以水平面為xoy平面，以兩條基礎(chǔ)支柱平面作為yoz平面，建立三維空間坐標(biāo)系，如圖3、圖4所示。I級驅(qū)動(dòng)臂在yoz平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，Ⅱ級驅(qū)動(dòng)臂在xoz平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度限制根據(jù)公交站臺(tái)具體所處位置環(huán)境設(shè)定。

驅(qū)動(dòng)臂的節(jié)點(diǎn)位置采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，能得到較大的傳動(dòng)比，同時(shí)具有自鎖性，適用于系統(tǒng)的間歇性調(diào)整，節(jié)省電能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

統(tǒng)程序流程圖如圖4所示，啟動(dòng)之后，先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)模式的選擇，包括自動(dòng)模式和行人模式。

若選擇自動(dòng)模式，傳感模塊首先開始工作，將光敏傳感器傳回的電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并且將相應(yīng)參數(shù)如溫度、濕度、風(fēng)速、四方光照強(qiáng)度、遮陽板角度等顯示。

圖4 程序流程圖

在LCD12864上。再通過光敏電阻傳回的數(shù)值計(jì)算太陽的直射角度，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角從而驅(qū)動(dòng)遮陽板轉(zhuǎn)動(dòng)，在事先確定的閾值內(nèi)達(dá)到遮陽的最佳角度，完成一次調(diào)整后繼續(xù)不停檢測太陽的直射角度。

若選擇行人模式，傳感模塊同樣首先開始工作，然后將參數(shù)值顯示在LCD12864上，供行人調(diào)整參考。行人通過不同按鍵調(diào)節(jié)Ⅰ級驅(qū)動(dòng)臂和Ⅱ級驅(qū)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度。當(dāng)一次調(diào)整后大于15分鐘仍為有第二次調(diào)整，則將默認(rèn)轉(zhuǎn)化為自動(dòng)模式。

4 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)公交站臺(tái)的改造，使得公交站臺(tái)獲得了自動(dòng)遮陽的功能，優(yōu)化了站臺(tái)功能性，方便了行人的出行。同時(shí)采用的光伏發(fā)電模式響應(yīng)了新能源的號召，使整個(gè)系統(tǒng)做到節(jié)能環(huán)保。

[1]王風(fēng)云.促進(jìn)我國清潔能源的協(xié)同發(fā)展[J].宏觀經(jīng)濟(jì)管理, 2016(03):59-61.

[2]魏世源,孫偉海,陳志堅(jiān),肖立新.太陽能電池效率分析[J].科學(xué)通報(bào),2016(16):1748-1753.

[3]廖唱,彭豐,王玉明.公交中途?？空菊九_(tái)設(shè)置問題實(shí)證研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2011(S1):181-186.

[4]吳洲,郝國強(qiáng),于霄童,黃勇.光伏遮陽組件在光伏建筑一體化中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣,2010(04):50-53.

[5]劉筠筠,張軍.太陽能光伏發(fā)電與建筑智能遮陽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作,2015(09):61-62.

張娟【通信作者】（1997—），女，大學(xué)本科，主要研究方向：嵌入式技術(shù)應(yīng)用。

安徽師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610370019）。

朱向冰（1977—），男，博士，教授，主要研究方向：光電技術(shù)及光電設(shè)計(jì)。

臺(tái)德艷（1976—），女，碩士，講師，主要研究方向：圖像檢索及太陽能應(yīng)用。