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太阳能路灯智能控制系统的设计

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：马铭、杜羽龙、程瑞伟、纪光洋、马秋环

[导读] 该款太阳能路灯智能控制系统主要由主控装置，追光装置，自动升降装置，智能检测装置等部分组成。路灯采用STM32F103作为主控核心，结构的升降可以节省路灯清洗时的人力物力。自动追光模块智能高效地利用光照的角度不同实现自动追光，并把转换的电能存储到电源存储模块。

1.青岛黄海学院马铭、杜羽龙、程瑞伟、纪光洋、马秋环 266427

摘要：该款太阳能路灯智能控制系统主要由主控装置，追光装置，自动升降装置，智能检测装置等部分组成。路灯采用STM32F103作为主控核心，结构的升降可以节省路灯清洗时的人力物力。自动追光模块智能高效地利用光照的角度不同实现自动追光，并把转换的电能存储到电源存储模块。智能检测模块中的不同传感器会实时检测道路上的行人信息，实现更加智能化的路灯开通和关断，以此达到节能的作用。
关键词：追光；智能检测；自动控制
        引言
针对大多数传统路灯采用人工控制、分时控制或根据季节不同来调整照明时间等单一的控制方式和传统路灯电能消耗大、维护成本高等的问题，设计了该款太阳能路灯智能控制系统[1]。该设计有效解决了路灯照明中电力浪费和路灯清洁代价高的一些问题，大大的提高了路灯照明效率，减少了维护的成本。在全球能源紧缺、可再生资源匮乏的背景下，实现人类的长久发展已成为世界各国面临的共同课题[2-3]。
        1.硬件系统设计
        采用STM3F103单片机作为主控系统芯片；追光模块利用舵机带动太阳能电池板进行跟踪太阳光；用光敏电阻、声控传感器和人体感应传感器来感应外界信息。电源模块会给主控系统、追光模块、智能检测模块和自动升降装置进行供电。通过主控系统的智能检测模块根据检测到的信号进行灯光的控制；自动升降模块会根据需要上升和降落灯头。具体工作流程如下图1所示。

        1.1驱动电路
        电机驱动电路是三相逆变桥，并且选择了集成驱动芯片IR2101，结构简单，稳定可靠，速度快，精度高。 MOS管使用耐压为75V，最大电流为110A的N沟道MOS管IRF3205。
        1.2电流检测电路
        电机的工作电流通过采样电阻转换为电压信号。经过由精密放大器LMV611组成的同向比例运算放大器电路放大后，作为电流闭环控制电流反馈信号输入到微控制器进行AD采样。
        2.软件系统设计
        该系统程序设计部分主要有主控装置，追光装置，自动升降装置，智能检测装置等部分组成。系统的程序编写以及调试用到的为Keil uvision5软件。当软件最后生成.hex后即可以用下载线连接电脑和电路板下载到主控芯片进行调试。
        2.1升降装置
        升降装置用来升降灯头，有推杆电机和丝杠两种办法，推杆升降装置与丝杠升降装置的工作原理都是把直流电机的转动转化为直线运动，两者的控制精度都是相差无几的。在实际的调查中，推杆电机的价格也要比丝杠升降装置的价格更低。此外，考虑到路灯升降装置要长时间保持在一个高度，并且要长时间推动灯罩和太阳能电池板，所以考虑推动功率更大、可以远距离操控，并且有限位开关的推杆电机。
        2.2自动追光
        在考虑单一方向一块太阳能光能综合利用率较低的情况下，采用了多块太阳能板结合锂电池一起为整个系统供电的办法。此外为了实现太阳能能源的高效利用，采用自动追光控制系统。自动追光主要是通过检测太阳光的强度来实现的，本设计采用了一种分块采光来实现对太阳光的准确采值，采光是通过分布在四个象限的四个光敏电阻的采值来实现的，光敏电阻采集到的信号会通过转化后变为模拟信号，从而传递给单片机进行分析处理。若要达到最大的采光效率，就要实时保证太阳能电池板正对太阳光，这时太阳能电池板在单一的一个方向上转动是实现不了的，所以太阳能电池板要能实现两个自由度上的转动，故该装置在X轴和Y轴上分别安装了一个舵机实现追光的控制，从而实现太阳能电池板的全方位采光。
        2.3智能控制
        该部分用到的传感器为声控和人体感应传感器。声控传感器主要用来检测路上是否有车辆将要经过。人体感应传感器主要用来检测路上是否有行人走过。为了达到智能化节能化这一个理念，夜晚来临路灯开通时，并且路上没有车辆与行人时，路灯会处于一个比较低的亮度。但是一旦这两个传感器其中有一个检测到信号时，这时已经点亮的路灯就会从原本的低亮度调到一个更高的亮度，方便行人的出行，并且以此达到节能的目的。
        3.结论
        为了降低和缓解政府在道路照明上的花费，一些城市也想出了人工控制节能，时控节能和光控节能等方式，实现的一般办法大多数是在配电柜中安装专门的定时装置，定时装置的时间设定会根据季节的不同的来进行相应的人为调整，从而实现自动开断，但是这种办法在关与开灯时完全不考虑现场是否有行车的存在。虽然这种传统的办法可以增加一些照明的效率，但是这种办法在实现起来又要花费额外的人力，又会增加政府的开支，无法达到真正的绿色节能。太阳能路灯智能控制系统的设计可解决此类问题。
参考文献
1]张春妍.智能太阳能路灯系统设计[J].自动化技术与应用,2020,39(09):139-142.
[2]许浩,张熙,马讯,徐子乔.城市环境监测太阳能路灯系统设计[J].信息技术与信息化,2020(08):96-98.
[3]苗鹏,崔少军,刘计良.太阳能路灯自适应节能装置的设计[J].北京工业职业技术学院学报,2020,19(03):32-35.
马铭 1999.08 山东省临沂市本科学士控制工程
杜羽龙 1999.11 山东省东营市本科学士机械工程
程瑞伟 2000.10 山东省邹平市本科学士控制工程
纪光洋 1999.11 山东省泰安市本科学士控制工程
马秋环（1982-），女，山东菏泽人，硕士，副教授，研究方向：控制科学与工程
该项目由青岛黄海学院省级国创项目《太阳能路灯智能控制系统的设计》（S202013320029）支持。