太陽能交通警示板設計分析

朱小燕

（廣東省高級技工學校，廣東 惠州516100）

0 引言

隨著科技的發展，世界能源危機加劇，世界各國都在尋求新能源和新的節能技術來解決能源危機問題，而太陽能便是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源。太陽能光電產品在人們的日常生活中越來越受歡迎。

由于電子技術的迅速發展，LED顯示屏成為現代社會信息顯示的重要媒介，它具有顯示信息量大、外形美觀、操作靈活、使用方便的特點，因此適用于汽車站、火車站、道路、交通警示等公共場合。本文的設計采用了太陽能蓄電池來供電，涉及充電和放電、顯示技術、系統軟件技術、存儲技術等，能提高道路交通標志的可視距離，在夜間的警示效果更為顯著，從而更醒目地起到道路交通指引作用，可廣泛適用于高等級公路和城鄉道路。由于太陽能交通警示板系統以太陽光為能源，具有清潔、可再生的特點，整個系統結構簡單、成本低廉，具有一定的實用性。

1 太陽能交通警示板系統組成

系統包括電池充電、過壓／過放保護、計數、警示時間日期等電路，原理框圖如圖1所示。光伏板將太陽能轉化為電能，通過充電電路存儲到蓄電池中，光控電路實現LED白天工作、晚上關閉的控制，警示電路不工作時將電源切斷，以實現較小電流工作，延長蓄電池工作時間。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

2.1 充電電路

充電電路將光伏板轉化的電能存儲到蓄電池里，系統主要考慮過壓保護和過放保護。電路圖如圖2所示。圖中二極管4007防止蓄電池電流倒流而損失電能，J為繼電器觸點，常閉點表示電池板斷開給蓄電池直接充電，系統在過壓和蓄電池電壓過低無法使繼電器工作時處在常閉狀態，這時蓄電池通過由恒流管組成的恒流電路充電，一方面在電壓過低時可以起到預充電作用，另一方面在電壓充滿的時候又可以進行浮充電。

圖2 充電電路

恒流管是4DH7型，它的突出優點是電流穩定度高、溫度特性優良、起始電壓低、可靠性高、恒流可調和溫度系數可調。在滿足兩端3和1腳的電壓差大于3 V時，通過它的電流恒定為IH＝1 240／R，曲線關系如圖3所示。

圖3 關系曲線圖

圖3 中VS約為3 V，而VM為50 V。系統設定為1 240／10＝124 m A，這是蓄電池電壓低時預充電的電流，此設計一方面可以起到預充電作用，另一方面又可以克服由于電壓過低無法使繼電器工作而無法對蓄電池充電的缺點。當蓄電池充滿，繼電器觸點回到常閉點，此時恒流管4DH7最大壓差為8.9－7.5＝1.4 V（設定蓄電池滿壓為7.5 V，而光伏板最高電壓為8.9 V），由圖3關系可知，此時一個很小的電流通過4DH7給蓄電池充電，起到浮充的作用。當繼電器觸點向上時4DH7上無壓差，無電流經過，蓄電池直接充電。

2.2 光控電路

光控電路主要實現控制LED白天工作，晚上關閉，系統在電路設計上增加了避免瞬時光照引起的誤動作，電路原理圖如圖4所示。光伏板輸出的電壓信號通過電阻對電容進行積分，再輸到比較器3腳，與2腳設定電壓進行比較，這里2腳設定電壓為8 V左右，可根據具體情況設置。白天時3腳電壓要高于2腳，所以Port口輸出高電平去控制其他電路；夜晚則相反。此電路可避免瞬時光照引起的干擾，當光伏板受到瞬時光照時輸出一個脈沖波形，通過電阻對電容進行緩慢充電，光照過后光伏板變為0電壓，此時電容又通過電阻放電，只要設置好R、C參數就可以起到抗干擾作用。由T＝－RCLn（Vi／Vo），Vo為充電電壓即光伏板電壓，Vi為電容充電達到的電壓，這里為2腳的比較電壓，所以理論計算時間（設光伏板瞬時充電電壓為5 V）T＝－47×1×Ln（8／5）＝22 s，也就是說5 V電壓給電容充電時要過22 s才能達到比較電壓，這樣時間已經滿足要求，也可通過改變參數來改變時間。

圖4 光控電路

2.3 過充保護電路

系統用比較器對蓄電池進行過壓保護，如圖5所示。光伏板在陽光強烈的情況輸出最大值是9 V，蓄電池過充電壓為V／2×2.5＝7.5 V，通過穩壓二極管設定比較電壓為3.49 V，電壓比較器的正向輸入電壓值由R1、RP1的值決定，當蓄電池電壓達到7.5 V時調節RP1使其電壓達到3.49 V。在充電前電壓比較器LM393輸出為低電平時，Q1截止，Q2導通工作，電磁繼電器J吸合，對蓄電池充電；當蓄電池電壓超過7.5 V時，電壓比較器LM393輸出為高電平，此時Q1導通，Q2截止，電磁繼電器斷開不工作，太陽能光伏板停止對蓄電池充電，因此起到了過充保護的效果。

圖5 過充保護電路

2.4 過放保護電路

當電源供電電壓過低時，整個系統工作不穩定，電路故障也隨之增加，對電源本身也不利，因此，設計本系統時我們就考慮了電源過放保護電路。基本原理同過壓保護。

2.5 計數警示電路

電路由計數器、譯碼器和數碼管組成，如圖6所示，工作計數器根據外部脈沖信號進行計數，并送譯碼顯示。譯碼器1的LT和譯碼器2的BL受光控電路的Port口控制，當Port口為低電平時，數碼管1顯示日字，數碼管2關閉。

2.6 車輛檢測電路

電路由激光發射管、光電池和ICL7650自穩零運放組成，原理如圖7所示。當有車通過時，激光線被擋住，ICL7650輸出低電平，車輛過去后回到高電平，這樣來檢測車流量。此電路的供電電源受光控電路Port口控制，晚上時關閉整個電路電源以達到省電的目的。

3 系統軟件設計

圖6 計數警示電路

圖7 車輛檢測電路

用單片機來控制液晶顯示屏（單片機芯片選用89S52型號，液晶顯示屏選用LCD1602型號），可在液晶顯示屏上顯示時間（24進制）、日期和警示語，并可通過鍵盤對時間和日期進行調整。時間、日期與警示語分2次輪流顯示，每10 s做一次變化，20 s為一個周期。單片機所需電源由鉛蓄電池提供，電壓為5 V。采用液晶（LCD）顯示，界面形象清晰，內容豐富，可顯示復雜字符，易于和單片機接口，且耗電少。系統工作流程如圖8、圖9所示。

圖8 輪流顯示時間、日期和警示語主程序流程

圖8 流程說明：系統工作時，會在液晶顯示屏上顯示固定的時間和日期，此時可根據需要對時間、日期進行調整。確定后，既可看到時間、日期與警示語的輪流顯示，同時能一直顯示溫度。

圖9流程說明：按鍵可顯示0～9、“／”、“：”共12個符號，另有一個按鍵作為確定鍵（按其他鍵無反應）。系統一工作就會進入時間調整狀態，此時若需對時間和日期進行調整，則調整好后按確定鍵退出，否則直接按確定鍵退出。

圖9 鍵盤調整時間、日期子程序流程

4 結語

系統設計采用的過壓、過放保護裝置，使系統能工作在穩定狀態，同時系統又采用了4DH7恒流管在蓄電池低壓和滿壓時對其進行預充電和浮充電，延長了電池的壽命。系統在滿足功能要求的情況下，通過切斷不工作部分電路的電源，以及采用數碼管和警示管共用方式降低了蓄電池的工作電流，延長了電池的工作時間。系統使用太陽能，清潔、可再生，給交通提供方便的同時設計也達到了環保要求。

［1］謝嘉圭，宣月清，馮軍.電子線路：線性部分［M］.第4版.高等教育出版社，1999

［2］李青總.電路與電子技術基礎——數學電子技術基礎［M］.西南交通大學出版社，2005

［3］姚年春，侯玉杰.電路基礎［M］.人民郵電出版社，2010

［4］王宏民.LED點陣顯示屏驅動方案［J］.黑龍江電子技術，1999（5）

［5］西貝.LED的應用與發展［J］.廣東電子，1998（2）

［6］馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機的C語言應用程序設計［M］.北京航空航天大學出版社，2003