一種多功能光伏涼亭的設計與實施

孟奕峰

（成都職業技術學院，四川成都，610000）

0 引言

隨著社會的發展，太陽能光伏發電系統已經廣泛在小區、公園、園林景區中得到運用。在目前提倡節能的號召下，已經有將太陽能光伏發電應用到戶外休息涼亭上，實現的功能大多是滿足充電與照明，此類光伏供電多功能涼亭設計存在一定缺陷，比如沒有考慮電氣設備所處的位置是否需要做到防雷及防火、蓄電池放置相對高度較低容易受潮導致使用年限的降低；此外，現在的太陽能光伏涼亭大多修建在樹林密集區域，天氣干燥時容易引起火災，現有設計沒有安裝火災報警裝置，安全性能低。基于以上原因，我們設計了一種多功能太陽能光伏涼亭，主要解決現有技術中存在的涼亭沒有設置火災報警裝置使得安全性低，不能動態的顯示蓄電池的電量與附近相關的地圖信息，以及不能改變涼亭內電燈及路燈的明亮程度等問題。

1 整體設計

該多功能太陽能涼亭通過設置在四角頂蓋頂部的太陽能板通過太陽能轉化為電能，經光伏控制器存儲在蓄電池中，為了避免蓄電池漏電，在蓄電池前端連接帶漏電保護的空氣開關，蓄電池為顯示屏、USB 接口、插座、電燈、控制系統提供電能，并且無線網絡模塊、煙霧探測器、顯示屏、USB 充電接口、插座、電燈均與控制系統相連，無線網絡模塊設置在頂端，輻射面更廣，煙霧探測器設置在四角頂蓋的對角上，可更好的探測環境中的煙霧量，當煙霧探測器感應到的煙霧濃度超過設定值時，將信息反饋到控制系統，控制系統發出報警指令，聲光警報器收到指令后發出報警聲提醒行人，聲光警報器安裝位置朝向涼亭外，這樣聲音更容易擴散出去，可以讓更多的人聽到報警聲而逃離危險區域，而且安裝在空心支柱頂部，可以避免人為破壞，控制系統設置了電燈與周圍路燈的開啟時間與關閉時間，避免了資源浪費，空心支柱柱體上的USB 接口與插座可以滿足多種充電，并且顯示屏上會顯示當前蓄電池的剩余電量，而且可以顯示涼亭所在地附近地圖，可以方便行人對周圍環境的了解，同時也方便在突發情況下逃生，安裝在平板座椅下面的鋁合金電箱，電箱的開口處朝向涼亭內部，這樣可以很好的避免下雨天雨水流進箱內，讓蓄電池受潮縮短使用壽命，根據年平均降水量電箱安裝時箱底距離基板1 的高度不小于20 厘米為宜。本系統結構剖面圖如圖1 所示、本平板座椅結果示意圖如圖2 所示。

圖1 系統結 構剖面圖

圖2 平板座椅結果示意圖

2 系統方案設計

本設計以S7-200PLC 為主控制核心，實用了控制模塊、充放電模塊、煙霧報警模塊、智能燈光模塊、GPS 模塊、智能追光模塊來實整個系統的功能。煙霧探測器感應到的煙霧濃度超過設定值時，將信息反饋到控制系統，控制系統發出報警指令，聲光警報器收到指令后發出報警聲提醒行人?？刂葡到y設置了電燈與周圍路燈的開啟時間與關閉時間，避免了資源浪費?？招闹еw上的USB 接口與插座可以滿足多種充電，并且顯示屏上會顯示當前蓄電池的剩余電量，而且可以顯示涼亭所在地附近地圖，可以方便行人對周圍環境的了解，同時也方便在突發情況下逃生。整體結構圖如圖3 所示。

圖3 系統總體結構框圖

3 硬件設計

本系統主要由控制模塊、充放電模塊、煙霧報警模塊、智能燈光模塊、GPS 模塊、智能追光模塊等七個模塊構成。

3.1 主控系統

可編程邏輯控制器（PLC）是種工業環境下應用的數字運算操作電子系統，其采用可編程的存儲器，在內部存儲執行順序控制、邏輯與算術運算、計數及定時等操作的指令，通過模數信號的輸入輸出來控制各種類型的工業設備及其生產過程。PLC 廣泛應用于工業控制領域，大致具有如下優點：

（1）重要的特點“可編程”。

（2）具備較高的可靠性及抗干擾能力。

（3）產品技術成熟，功能完善，適用性強。

（4）“編程”操作便捷易用。

（5）控制系統的設計簡便，易搭建、維護、改造。

（6）體積小，重量輕，能耗低。

本設計采用S7-200 CPU221型PLC（德國西門子公司生產）,其CPU221 集成10 個數字量I/O 點，其中包括6 個輸入點和/4 輸出點。無I/O 擴展能力。6KB 字節用戶程序，及2KB 的數據存儲空間。同時集成了4×30kHz 的獨立高速計數器、2×20kHz 高速脈沖輸出、1×RS-485 通訊接口，可進行PPI 及MPI 通訊協議并具有自由方式通訊能力，CPU 性能卓越，非常適合于高精度控制的微型控制器。本設計中S7-200CPU211 控制著充放電模塊、煙霧報警模塊、智能燈光模塊、GPS 模塊等模塊工作；同時，實現模塊與模塊之間的連接通斷行為。

3.2 充放電模塊

充電模塊主要是利用光伏發電技術，基于單片機控制的光強測試器的設計[1]。白天時單片機控制電源全部有光伏板供電不足時，蓄電池補充，晚上單片機控制電源全部送給蓄電池。

充放電模塊如圖4 所示。

FM6316GE 是一款便攜式的電源管理IC，具有負載檢測、充電管理及升壓限流（DC-DC）等功能。目前廣泛應用于移動電源充電模塊的設計。

FM6316GE 可以實現涓流、恒流或恒壓充電三種全過程的充電方式。系統處于充電狀態時會關閉輸出放電路徑，當外部輸入電源去掉時，FM6316GE由電池向外部設備供電，若沒有檢測到外部設備的接入，則系統進入待機狀態，整個系統待機電流為16uA。恒流充電電流和升壓限流值通過外加電阻編程。

FM6316GE 電源管理IC 可靠性高，具備短路保護、充電時防倒灌保護，負載過流保護，軟啟動保護，過溫及欠壓保護等多重保護功能。

DW06D 為可充電鋰電池組電路保護IC，其工作原理為通過檢測鋰電池（組）的電信號，控制充電器或負載通斷行為，保護可充電鋰電池（組）不會因為過沖過放而損壞。MOSFET 內置于IC 芯片中，等效電阻為50mΩ（典型值）。

DW06D 保護IC 芯片具有5 種工作狀態，分別是：

（1）正常工作狀態：無任何異常情況，充電和放電過程自由轉換。

圖4 充放電模塊

（2）過充電壓狀態：在正常工作狀態下，當鋰電池（組）電壓大于過充檢測電壓(VOCP)，且持續時間達到或高于過充電壓檢測延時間(TOC)，芯片將控制MOSFET 關斷，鋰電池（組）停止充電。過充電壓在以下兩種情況下將被釋放：①當鋰電池（組）電壓低于過充解除電壓(VOCR),DW06D 控制FET 導通，系統切回正常工作狀態。②外部連接負載且開始放電行為,DW06D 控制FET 導通切回正常工作狀態。其過充解除機制可解釋為，當外接負載后，通過充電FET 內部寄生二極管系統開始放電，鋰電池（組）電壓升到0.7V，芯片實時監測到這個電壓后，若鋰電池（組）電壓小于等于VOCP,DW06D 立刻恢復到正常工作模式；此外，若當外接負載后，如果鋰電池（組）電壓小于等于過流1 檢測電壓，芯片將不會切換至正常狀態。

（3）過放電壓狀態：在正常放電過程中，當鋰電池（組）電壓小于過放檢測電壓(VODP)且持續時間大于等于過放電壓檢測延時間(TOD)，DW06D 將斷開連接，停止放電。當FET關斷時，鋰電池（組）電壓通過內部BATT-與VDD 之間的電阻（RBATT-D）切換到高電平。當鋰電池（組）電壓大于短路檢測電壓,芯片的耗電流會降到休眠電流(IPDN)。這種狀態被稱為休眠狀態。在過放和休眠狀態由RBATT-D電阻連接。當一個充電器連接上并且RBATT-D兩端的電勢差大于等于1.3V(典型值)時休眠狀態解除。此時控制放電FET 仍處于斷開狀態，若鋰電池（組）電壓大于等于VODP，芯片將使FET 導通，系統切回正常工作模式。

（4）負載短路狀態：如果鋰電池（組）電壓大于短路保護電壓(VOI2)，將斷開負載電路，停止放電行為，此行為的延遲時間通常小于等于TOI2。當鋰電池（組）電壓大于VOI2時，負載短路情況解除。

（5）延時電路狀態：當芯片檢測到過放電流1，IC 將同時檢測計算過放電流2 和負載短路的延時時間，IC 實時監測延時時間，若其小于測到過放電流2 或者負載短路的時間， DW06D 將停止放電。通過檢測過放電流、過放檢測延遲時間、電池電壓、過放檢測電壓之間關系，系統將在休眠狀態/停止放電狀態之間切換。其過電流延時時間如圖5所示。

圖5 電流延時時間

3.3 煙霧報警模塊

煙霧報警[3]模塊主要利用煙霧報警器檢測涼亭內煙霧的狀況，如果煙霧是設定煙霧類型，那么煙霧報警器就會將信號反饋給控制模塊，并開啟報警，已到達提醒人們著火了。煙霧報警模塊的主控IC 為DHT11 傳感器，其集成了NTC測溫元件和電阻式感濕元件，并采用高性能8 位單片機進行控制。該IC 具有性價比極高，且超快響應、抗干擾能力強。煙霧報警模塊如圖6 所示。

圖6 煙霧報警模塊

3.4 智能燈光模塊

智能燈光模塊[2]主要利用光敏傳感器和控制系統控制補光，由光敏傳感器進行光度采集，然后進行判斷，再反饋給控制器，進行自動補光，形成一個智能化的補光系統。智能燈光模塊如圖7 所示。

圖7 智能燈光模塊

3.5 GPS 模塊

GPS[4]模塊主要利用GPS 的定位系統達到顯示附近地圖的情況，當著火時，出發警報，會由GPS 系統接收信號并發送信號定位當前火災區域并計算距離。pc8231tk 是一種硅鍺碳單片集成電路，設計為低噪聲用于GPS 和移動通信的放大器。該器件具有低噪聲和高功率增益的特點。pc8231tk 的特點。此設備通過修改外部匹配在1.5 到2.4 GHz 的頻率范圍內啟用。該封裝是6 針無鉛微型模具，適用于表面安裝。該IC 采用我們的超高速工藝（UHS4）雙極工藝制造。GPS 模塊如圖8 所示。

4 優勢

通過GPS 模塊、無線發射器、無線接收器，可將該涼亭的蓄電池電量信息上傳至管理方的控制電腦上，如果存在多個太陽能涼亭，控制端可將所有的蓄電池電量信息繪制表格信息，并通過GPS 定位確定其他涼亭與該涼亭的距離，然后反饋到該涼亭控制系統并通過顯示屏顯示出來，這樣可方便使用者了解各蓄電池的電量情況，同時也提高了資源的利用率。并可通過顯示屏顯示涼亭所在位置就近的地圖信息，方便查詢各個路口通往的情況，并且在發生險情時也有利于撤離。本設計的蓄電池前端設置的帶漏電保護的空氣開關，可以有效避免蓄電池意外漏電造成的觸電的危險。光伏控制器可以控制太陽能板的輸出電壓，保護蓄電池不被過充，同時，在晚上太陽能板不發電時，也可以防止蓄電池的電倒流。電箱采用鋁合金結構，具有防水、耐腐蝕等優點，而且電箱距離基板有一點高度，避免了內部蓄電池受潮而縮短使用年限的問題。太陽能板采用晶硅太陽能電池組件，具有安裝方便、成本低等優點。

5 總結

本設計解決了現有技術中涼亭無法火災報警、無法顯示蓄電池剩余電量及無法調節燈的明亮程度。該設計包括基板上的空心支柱，在支柱頂部的四角頂蓋頂上的避雷針、太陽能板、無線網絡、煙霧探測器，柱體上的顯示屏、USB 充電接口、插座、電燈、聲光警報器、光敏傳感器，柱體內部的控制系統、光伏控制器、可控硅調壓控制器，空心支柱之間的平板座椅，平板座椅下裝蓄電池的電箱。通過上述方案，本設計達到了可以通過檢測煙霧到達火災報警，可顯示蓄電池剩余電量、附近地圖、根據環境明亮程度調節燈亮程度，具有較高的實用價值和推廣價值。