基于太陽能的車輛室溫自動調節(jié)系統(tǒng)設計*

單浩 劉師威 藍谷城 付佳豪 郝亮 李駿

（遼寧工業(yè)大學）

近年來，伴隨著世界能源危機的日益嚴重，石油價格不斷上漲，利用常規(guī)能源已經(jīng)不能適應世界經(jīng)濟快速增長的需要。同時，以煤、石油作為燃料的能源在燃燒過程中產(chǎn)生的有害物質已經(jīng)成為造成全球變暖的主要因素，人類的生活將會受到很大的威脅。因此，必須加大對新能源的開發(fā)和利用。而太陽能無疑是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，全球能源專家也認為，太陽能將成為21 世紀重要且頗具前景的能源之一[1-2]。因此，在大力發(fā)展太陽能這種新能源的背景下，采用STC89C52RC 作為微處理器核心，研發(fā)“智能化車載太陽能輔助供電系統(tǒng)”實現(xiàn)車輛傳統(tǒng)供電設備智能化監(jiān)測，對最終在傳統(tǒng)供電設備失效情況下仍可保證一定的續(xù)駛里程具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)的硬件電路主要是太陽能輔助供電控制電路，是整個電路的核心。硬件電路部分確定后，汽車太陽能供電自動控制系統(tǒng)的功能主要由系統(tǒng)的軟件來實現(xiàn)。通過對蓄電池端電壓值和溫度傳感器室內采集溫度的處理，以及對太陽能電池發(fā)電的控制管理，完成對車輛原有供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測。控制系統(tǒng)的用電控制模塊是通過繼電器使得汽車電源、汽車空調系統(tǒng)和太陽能電池系統(tǒng)連接。太陽能發(fā)電控制模塊包括太陽能電池板和蓄電池管理單元，蓄電池管理單元和太陽能電池板與太陽能蓄電池連接。太陽能發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池進行充電、對汽車空調供電，并對蓄電池的充放電與汽車室內的溫度進行有效控制和管理，使得蓄電池得到保護及合理利用。圖1 示出太陽能輔助供電系統(tǒng)總體結構。

圖1 太陽能輔助供電系統(tǒng)總體結構圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)的硬件主要包括STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng)、電壓信號采集模塊、LCD1602 液晶顯示模塊、大功率可調降壓電源模塊、1 路繼電器控制模塊、溫度監(jiān)測模塊、蜂鳴器報警及GSM短信通信模塊等。

2.1 STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)

STC89C52RC 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8 K 字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash 存儲器[3]。STC89C52RC 在經(jīng)典的MCS-51 內核基礎上進行了改進，使得芯片具有傳統(tǒng)方法的51 單片機不具備的功能。因車輛輔助供電系統(tǒng)只有1 個模數(shù)轉換芯片ADC0809CCN，所以本系統(tǒng)采用基于MCS-51 內核的增強型STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠更好地接收ADC0809CCN 傳送的汽車蓄電池電壓值和發(fā)電機故障數(shù)據(jù)，迅速準確地判斷執(zhí)行系統(tǒng)設定的相關命令。系統(tǒng)電源則是由傳統(tǒng)5 V 直流電提供。

2.2 電壓信號采集模塊

ADC0809CCN 是 CMOS 工藝 8 通道 8 位逐次逼近式A/D 模數(shù)轉換器[4]。其內部有一個8 通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選8 通道模擬輸入信號中的1 個進行A/D 轉換。

在系統(tǒng)中用于將汽車蓄電池電壓值變化的模擬量實時轉換成數(shù)字量提供給STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng)進行讀取，單片機根據(jù)蓄電池不同的電壓值實現(xiàn)不同的功能。當系統(tǒng)檢測到汽車發(fā)電機出現(xiàn)故障時，開始執(zhí)行判斷語句，當蓄電池電壓低于15 V 時，系統(tǒng)開啟1 路繼電器控制模塊電路，將太陽能電池板轉化的電能傳送給蓄電池進行充電，延長汽車行駛里程，以便到達就近的維修站進行維修；當蓄電池電壓高于15 V時，系統(tǒng)關閉充電，防止蓄電池將較高電壓直接提供給車上用電設備導致設備故障或損壞，同時延長了蓄電池的使用壽命。

2.3 LCD1602液晶顯示模塊

系統(tǒng)采用微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的LCD1602 液晶顯示屏，它是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×02 個，即32 個字符[5]。其原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，即可以顯示出蓄電池電壓、交流發(fā)電機電壓和車內溫度值。

2.4 大功率可調降壓電源模塊

因太陽能電池板電壓的不確定性，直接將太陽能電池板轉化的電能用于汽車蓄電池的供電，會導致車上用電設備部分功能失效，如一些傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)錯誤等，繼而導致汽車發(fā)生一系列嚴重故障；同時如果太陽能電池板電壓低于蓄電池電壓，將會發(fā)生電流倒灌現(xiàn)象，嚴重時會燒毀太陽能電池板，縮短續(xù)駛里程等。因此系統(tǒng)采用了大功率可調降壓電源模塊保護系統(tǒng)電路，將太陽能電池板的電壓穩(wěn)定在一設定值，使系統(tǒng)對于蓄電池的供電安全可靠，同時可調降壓模塊在輸出端配備了10 A 整流二極管，用于防止電流倒灌燒毀太陽能電池板。

2.5 繼電器控制模塊

系統(tǒng)在將太陽能經(jīng)穩(wěn)壓后的電能給汽車蓄電池供電之前，需要操縱一個繼電器控制模塊，來實現(xiàn)是否給蓄電池進行供電，這是車輛太陽能輔助供電系統(tǒng)最主要的功能。首先，通過ADC0809CCN 模數(shù)轉換芯片檢測汽車蓄電池的電壓和車內的溫度，再將蓄電池電壓和室內溫度的模擬量轉化為數(shù)字量傳送給最小系統(tǒng)，控制器通過比較，確定繼電器的開啟與關閉，實現(xiàn)對蓄電池輔助供電的智能管理和車內溫度的智能化調節(jié)。

2.6 蜂鳴器報警及GSM短信通信模塊

系統(tǒng)采用電磁式有源蜂鳴器模塊，工作電壓為3.3～5 V。其內部有一簡單的振蕩電路，能將恒定的電流轉化成一定頻率的脈沖信號，程序控制方便，VCC 外接3.3～5 V 電壓，GND 外接驅動系統(tǒng) GND，I/O 外接 IO引腳或其他音頻驅動源，接低電平即可讓其發(fā)聲，操作簡單[6]。當發(fā)電機出現(xiàn)故障或檢測到的蓄電池電壓值過高時，系統(tǒng)均會發(fā)出語音報警，同時考慮到在停車后駕駛員離車狀態(tài)下，蓄電池因某些外界因素導致電壓較低不足以啟動汽車的情況，系統(tǒng)加入了GSM 短信通信模塊，SIM800C_mini 板采用高性能工業(yè)級GSM/GPRS 四頻模塊，SIM800C 的工作頻段為：GSM850/900/1 800/1 900 MHz，除可以實現(xiàn)電話語音、SMS、（短信、彩信）GPRS 數(shù)據(jù)傳輸功能外（支持透傳模式、域名解析和IP 模式），還具有DTMF 解碼（可以識別對方按鍵）、TTS（語音播報）和藍牙功能。硬件設計在官方設計上加以優(yōu)化，采用高效開關電源供電，SIM 卡采用主流的MICRO 卡座，質量更堅固，使系統(tǒng)可以長時間實時監(jiān)測蓄電池狀態(tài)，并通過GSM短信報警的方式，提醒駕駛員蓄電池沒電了，使駕駛員及時對蓄電池進行更換處理，避免耽誤出行。

2.7 溫度監(jiān)測模塊

本系統(tǒng)選用LVQWZ-31 型的智能大氣溫度傳感器，由溫度傳感模塊、變送模塊、漂零及溫度補償模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊等組成。傳感器內置信號采樣及放大、漂零及溫度補償功能，用戶接口簡潔、方便。傳感器含RS485 接口，可與單片機最小系統(tǒng)和液晶顯示屏等設備連接通信，大幅度降低布線成本，方便二次開發(fā)；通過其實時監(jiān)測停車狀態(tài)下的車輛室內溫度，從而可以實時開啟空調，實現(xiàn)車內溫度的自動調節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件部分采用嵌入式C 語言在Keil uVision 3 集成開發(fā)環(huán)境中進行代碼編寫，然后編譯成.Hex機器碼文件，運行于基于MCS-51 內核的增強型STC89C52RC 微處理器。圖2 示出太陽能室內溫度自調節(jié)系統(tǒng)運行流程圖。由圖2 可知，系統(tǒng)上電首先進行各個硬件的初始化操作，然后通過電壓信號采集模塊進行蓄電池的電壓信號采集，將采集到的電壓信號轉換為電信號傳送給單片機控制單元，同時在LCD 液晶顯示模塊上實時顯示蓄電池電壓和車內溫度。此外，車輛太陽能輔助供電系統(tǒng)還檢測發(fā)電機工作信號，在檢測到發(fā)電機故障溫度過高或過低時啟動繼電器控制開關，開始對蓄電池進行緊急充電和車內空調的供電開啟，保證汽車繼續(xù)行駛一定的里程，以便能夠到達附近的維修站進行維修和室內溫度舒適性調節(jié)。當蓄電池處于高壓狀態(tài)時，蜂鳴器發(fā)出報警，并通過繼電器控制模塊的斷開電路，實現(xiàn)對蓄電池的保護，同時還防止了高壓的蓄電池在給車上用電設備供電時導致的設備故障或損壞。考慮到在停車后駕駛員離車狀態(tài)下，也可實時監(jiān)測蓄電池狀態(tài)，當蓄電池因某些外界因素（如嚴寒天氣）導致的蓄電池電壓較低不足以起動汽車時，系統(tǒng)通過GSM 短信報警的方式，提醒駕駛員蓄電池沒電了，以便駕駛員及時對蓄電池進行更換處理，避免耽誤出行；同時汽車在啟動前1 h，通過溫度檢測傳感器檢測判別室內溫度是否符合系統(tǒng)開啟要求，以保證乘員上車后有舒適的車內溫度。

圖2 太陽能室內溫度自調節(jié)系統(tǒng)運行流程圖

部分C 語言編譯的代碼程序：

4 結論

文章設計了以嵌入式算法編譯的單片機控制系統(tǒng)，并搭配語音報警等6 大功能硬件模塊，實現(xiàn)了車內溫度監(jiān)測、供電系統(tǒng)故障監(jiān)測和狀態(tài)監(jiān)測三位一體的功能。目前市面現(xiàn)有的同類產(chǎn)品往往只是針對室內溫度監(jiān)測并實時開啟空調來調節(jié)溫度，而文章設計的這套系統(tǒng)兼具實現(xiàn)供電系統(tǒng)故障和狀態(tài)有效監(jiān)測的功能，并將故障信息通過GSM實時發(fā)送給車主并提醒車主注意，以免耽誤行程。該系統(tǒng)的研發(fā)也充分證明了采用低成本、高科技的手段可以實現(xiàn)需要達到的特定功能，解決了現(xiàn)實生活中遇到的痛點問題，有利于實車匹配的應用和推廣。