基于光伏發(fā)電的超聲波測距系統(tǒng)應(yīng)用分析

陳雪嬌，楊文菊，梁海芳

（新疆職業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

在化石燃料對環(huán)境造成的破壞性影響和能源需求不斷增加的壓力下，可再生能源的清潔、低碳、高性價比被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展的必要前提[1]。太陽能光伏發(fā)電占太陽能利用率的95%以上，被認(rèn)為是最有希望緩解能源短缺的候選者之一。隨著常規(guī)能源價格的持續(xù)上漲以及太陽能發(fā)電技術(shù)的蓬勃發(fā)展，太陽能發(fā)電系統(tǒng)憑借其運行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益突出等顯著特點，應(yīng)用面逐步擴(kuò)寬，使得越來越多電氣化設(shè)備通過使用太陽能進(jìn)行供電，在未來市場具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

1 系統(tǒng)運轉(zhuǎn)原理

鑒于超聲波目的指向較強、耗能量低等優(yōu)勢，可以在介質(zhì)中傳播相當(dāng)一段路程，故通過利用超聲波進(jìn)行距離的測量是其典型的應(yīng)用之一[3]。超聲波測距作為一種不用接觸其表面就能較準(zhǔn)確得出距離的檢測方式，比其他傳統(tǒng)的測距方式如雷法測距等[4]，具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)極端惡劣環(huán)境的能力等特點。

超聲波在第一次通過激光束時被稱為參考信號。當(dāng)回聲再次經(jīng)過激光時，它會產(chǎn)生另一個信號，帶有距離信息[5]。由于光學(xué)檢測是一種非接觸檢測，參考信號穩(wěn)定、干凈。采用互相關(guān)法確定參考信號與回波之間的時間間隔，該時間間隔直接反映了激光束到目標(biāo)表面的距離。超聲波相比較于其他波段，具有可直線傳播、高頻率、高穿透力等優(yōu)勢。因此，被廣泛用于距離測量[6]。具體距離大小可用公式計算得出：l=v×ΔT/2式中，l為所求距離，v超聲波在空氣中的傳輸速度，ΔT為超聲波往返時間差。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

本系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖是由多種模塊組成，主要由光伏板、可充放電逆變器、蓄電池、超聲波測距儀構(gòu)成。

本系統(tǒng)工作原理：太陽光照射到光伏板上，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，將直流電傳輸給帶充放電功能的逆變器，由可充放電逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成市電，同時可充放電逆變器連接著蓄電池和超聲波測距儀。輸出直流電后為超聲波測距儀供電，同時將光伏板多余的電量傳輸給蓄電池，可充放電逆變器內(nèi)部有過沖、過放、防反沖保護(hù)電路。在光照充足時，由光伏板作為超聲波測距儀電源模塊為超聲波測距儀供電；在光照不足時，由蓄電池作為超聲波測距儀電源模塊為超聲波測距儀供電。本系統(tǒng)采用將太陽能光伏板供電和蓄電池供電相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了晝夜不間斷的供電系統(tǒng)，使超聲波測距設(shè)備能隨時正常工作。

超聲波測距儀中包含可編程控制芯片STC89C51、LED顯示模塊、溫度補償模塊、操作面板設(shè)置模塊及執(zhí)行驅(qū)動模塊。

其中可編程控制芯片STC89C51，由中央處理器(CPU)、存儲器和I/O連接器組成。單片機(jī)作為驅(qū)動實現(xiàn)系統(tǒng)，在此設(shè)計中占據(jù)主導(dǎo)地位。STC89C51單片機(jī)配置MCS-51內(nèi)核，具備損耗小、性能完善等顯著特點，在傳統(tǒng)單片機(jī)基礎(chǔ)之上，功能更加強大且智能化，廣泛用于多種工業(yè)設(shè)計。將編寫好的C語言程序下載到單片機(jī)，由電路模塊實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

在工作可靠性的要求下能做到降低成本，此外，STC89C51分析處理能力強且可實現(xiàn)在線編程，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

LED顯示模塊選用液晶顯示屏，液晶顯示器在壽命、成本、分辨率密度和峰值亮度方面都處于領(lǐng)先地位，在ACR、視角、功耗和色域(具有基于量子點的背光)方面可與OLED媲美，具備較高的分辨率且性能穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性突出，由此在市面上常見的眾多不同類型的顯示屏中脫穎而出。

測量目標(biāo)距離的大小通過對超聲波數(shù)據(jù)分析得出，最終將結(jié)果值呈現(xiàn)在LCD液晶中。原理依據(jù)將時間變量轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖變量，利用L=NC/2f，其中，N為脈沖變量值，f為脈沖頻率。

超聲波在傳輸過程中不可避免會受到室內(nèi)外空氣溫度的影響，為有效降低因此問題產(chǎn)生的結(jié)果誤差，本系統(tǒng)中加入了DS18B20傳感器，憑借其體積小、操作簡單、溫度測試裕度大等顯著優(yōu)勢成為本系統(tǒng)的溫度補償模塊。將DS18B20掛在I/O總線上，轉(zhuǎn)換溫度通過提取DS18B20狀態(tài)即可獲得。此種方式測試速度加快且系統(tǒng)總體能耗降低，可在保證轉(zhuǎn)換可靠性的前提下，確保測量結(jié)果的可信度。操作面板設(shè)置模塊中包含體現(xiàn)不同功能的按鍵，如開機(jī)、關(guān)機(jī)、復(fù)位等。

本系統(tǒng)采用C語言編程，此機(jī)器語言作為硬件接口的常用的計算機(jī)編程語言，常被用到嵌入和機(jī)電整合的數(shù)據(jù)采集與實時控制中，易寫易讀易理解且具備在線編程能力。

3 設(shè)備參數(shù)配套問題

參照多晶硅太陽能電池板輸出功率估算本設(shè)計系統(tǒng)所需的太陽能電池板的面積。多晶硅太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率約為17%。一般在室外空氣溫度25℃，瞬時太陽輻照量1000W/m2時，單位面積電池板的出功率約為170W。本設(shè)計中的測距模塊采用的是220V的交流電壓，因此必須要太陽能電池板輸出的直流電壓加以轉(zhuǎn)換，此功能由可充放電逆變器來實現(xiàn)。使用過程中不可忽略功率損耗問題，一般可充放電逆變器功率損耗約為10%，因此在170W×0.9=153W標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，室外空氣溫度為25℃時，單位面積太陽能電池板輸出功率約為150W。

本系統(tǒng)設(shè)計對傳統(tǒng)的超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，每個方面都有不同程度的提高，整體上各項特性提高不少，但是本系統(tǒng)在現(xiàn)階段發(fā)展水平還是非常有限，目前沒有生產(chǎn)并投入使用，技術(shù)成熟后方可廣泛應(yīng)用在生活中。

4 結(jié)語

一種基于光伏發(fā)電的超聲波測距系統(tǒng)主要由光伏板、可充放電逆變器、蓄電池、超聲波測距儀構(gòu)成。其中超聲波測距儀中包含可編程控制芯片STC89C51、LED顯示模塊、溫度補償模塊、操作面板設(shè)置模塊及執(zhí)行驅(qū)動模塊。軟件設(shè)計系統(tǒng)是C語言編程，具有在線編程能力，且功能強大，具備可移植性。其可通過一種非接觸檢測方式實現(xiàn)距離的測量，與傳統(tǒng)測距系統(tǒng)相比，具備結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強等優(yōu)勢，可滿足農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等多種測量需求。