一種基于STM32的光伏公交站臺自動遮陽系統

安徽師范大學物理與電子信息學院 張 娟 朱向冰 臺德艷

一種基于STM32的光伏公交站臺自動遮陽系統

安徽師范大學物理與電子信息學院 張 娟 朱向冰 臺德艷

基于傳統公交站臺固定的遮陽頂棚不佳的遮陽效果，本文提出改變傳統公交站臺固定的遮陽頂棚的方法，設計可根據太陽角度調節的智能遮陽裝置，同時將光伏電池組件與公交站臺的遮陽面板相結合。不僅滿足了狹小站臺空間內的智能自動遮陽，還能利用太陽能進行發電，使得遮陽發電兩相宜。

公交站臺；遮陽；太陽能；節能

0 引言

隨著公共交通的發展，公交站臺不僅是城市功能的外部設施，同時也是城市形象的一個“窗口”，成為市民和外地游客出行指南標志，是人們在公共空間與人、環境產生聯系的紐帶[1]。公交站臺現有的遮陽裝置為固定的頂棚，用于遮擋陽光及風霜雨雪天氣。但因場地限制，頂棚均較為狹窄，遮陽效果在一天內的不同時間效果不同，不利于乘客的出行。同時公共交通設施正在向智能化和節能化發展，要如何做到節能和便利共行已經成為社會的熱點話題[2]。

基于上述研究，本文提出了基于光伏供電即太陽能供電的公交站臺自動遮陽系統，將不僅滿足了狹小站臺空間內的實時遮陽，還能利用太陽能進行發電，而且我國的公交站臺數量龐大，同時響應了新能源應用的號召，具有非常廣闊的應用前景。

1 系統工作原理

本論文研究的太陽能公交站臺自動遮陽系統整體主要包括光伏供電模塊、傳感模塊、驅動模塊和顯示模塊四個部分。根據具體情況及細致化要求將系統設計了兩種模式，分別為“自動模式”和“行人模式”。

2 系統結構設計

系統結構整體如圖1所示，STM32為整個系統的控制中心，光伏供電模塊、傳感模塊、驅動模塊及顯示模塊在STM32的“指揮”下協同完成工作。

圖1 系統結構圖

2.1 光伏供電模塊

光伏供電模塊是整個系統的電源部分，由太陽能電池、太陽能控制器和蓄電池組成。太陽能電池將太陽能轉化為電能，工作時有三種狀態，分別為最大功率狀態、平衡狀態及停止狀態。為配合太陽能電池，蓄電池同樣也有三種狀態，分別為充電狀態、放電狀態及截止狀態。兩兩搭配一共組成了9種工作情況，如表1所示。

情況1為太陽能電池工作在最大功率狀態，產生的電能足夠支持負載工作并且還有富足，此時蓄電池處于充電狀態將多余的能量儲存起來，在夜晚或者陽光不足的情況下使用。

情況2為陽光充足時，太陽能電池在最大功率狀態工作產生電能的功率除去支持負載部分的功率仍然大于蓄電池的充電功率，故轉為平衡狀態。

情況3為太陽能電池處于停止狀態且蓄電池處于充電狀態，整個系統沒有了能量來源，系統停止運行。

情況4為陽光不夠充足的情況下，太陽能電池已經處于最大功率狀態，但不足以支持負載的工作所需功率，此時蓄電池處于放電狀態，將儲存的電能提供給負載。

情況5為當太陽能電池處于平衡狀態時，其輸出功率與負載持平，不需要蓄電池供電，故此種情況不可行。

情況6為當光照強度過低如夜晚等情況時，太陽能電池無電能輸出，蓄電池開啟放電狀態維持負載的正常運行。

情況7為當太陽能電池處于最大功率狀態工作時其輸出功率與負載功率相持平，無富足電能儲存，故蓄電池處于截止狀態。

表1 光伏供電模塊工作情況

情況8為當蓄電池已充滿時，太陽能電池工作在平衡狀態支持負載工作，蓄電池截止，既不充電也不放電。

情況9為太陽能電池和蓄電池均停止工作，則系統無能量來源，停止工作。

綜上所述，情況3、5、9均不能采用，剩余情況的選擇通過太陽能控制器的控制來選擇，使得系統能夠得到一個穩定且環保的電能輸出。

2.2 智能傳感模塊

智能傳感模塊由光敏傳感器、溫濕度傳感器、風速傳感器、角度傳感器組成。溫濕度傳感器、風速傳感器用于檢測環境情況，在一些風霜雨雪等特殊天氣下能夠及時調整遮陽板，保護公交站臺的乘客。角度傳感器用于測量遮陽板的傾斜角度。而光敏傳感器是這個模塊的核心部分，用于獲知陽光的直射位置。光敏傳感器的東西南北方向分別放置四個光敏電阻P1、P2、P3、P4，中間有合適高度的遮光隔斷。P1、P2精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度，P3、P4精確檢測太陽的視高度。從而將太陽位置信息傳回控制中心，驅動遮陽板做出調整。

2.3 驅動模塊

驅動模塊的驅動模塊的電機采用步進電機控制遮陽板的轉動驅動臂步態如圖2所示，整體形態如圖3所示。

圖2 驅動臂步態圖

圖3 整體形態圖

以水平面為xoy平面，以兩條基礎支柱平面作為yoz平面，建立三維空間坐標系，如圖3、圖4所示。I級驅動臂在yoz平面內轉動，Ⅱ級驅動臂在xoz平面內轉動。轉動的最大角度限制根據公交站臺具體所處位置環境設定。

驅動臂的節點位置采用蝸輪蝸桿傳動，能得到較大的傳動比，同時具有自鎖性，適用于系統的間歇性調整，節省電能。

3 系統軟件設計

統程序流程圖如圖4所示，啟動之后，先進行各個模塊的初始化，然后進行系統模式的選擇，包括自動模式和行人模式。

若選擇自動模式，傳感模塊首先開始工作，將光敏傳感器傳回的電信號進行A/D轉換,并且將相應參數如溫度、濕度、風速、四方光照強度、遮陽板角度等顯示。

圖4 程序流程圖

在LCD12864上。再通過光敏電阻傳回的數值計算太陽的直射角度，驅動步進電機轉角從而驅動遮陽板轉動，在事先確定的閾值內達到遮陽的最佳角度，完成一次調整后繼續不停檢測太陽的直射角度。

若選擇行人模式，傳感模塊同樣首先開始工作，然后將參數值顯示在LCD12864上，供行人調整參考。行人通過不同按鍵調節Ⅰ級驅動臂和Ⅱ級驅動臂的轉動方向和角度。當一次調整后大于15分鐘仍為有第二次調整，則將默認轉化為自動模式。

4 結論

通過對傳統公交站臺的改造，使得公交站臺獲得了自動遮陽的功能，優化了站臺功能性，方便了行人的出行。同時采用的光伏發電模式響應了新能源的號召，使整個系統做到節能環保。

[1]王風云.促進我國清潔能源的協同發展[J].宏觀經濟管理, 2016(03):59-61.

[2]魏世源,孫偉海,陳志堅,肖立新.太陽能電池效率分析[J].科學通報,2016(16):1748-1753.

[3]廖唱,彭豐,王玉明.公交中途停靠站站臺設置問題實證研究[J].交通運輸系統工程與信息,2011(S1):181-186.

[4]吳洲,郝國強,于霄童,黃勇.光伏遮陽組件在光伏建筑一體化中的應用[J].現代建筑電氣,2010(04):50-53.

[5]劉筠筠,張軍.太陽能光伏發電與建筑智能遮陽系統設計[J].電子制作,2015(09):61-62.

張娟【通信作者】（1997—），女，大學本科，主要研究方向：嵌入式技術應用。

安徽師范大學大學生創新創業訓練計劃項目（201610370019）。

朱向冰（1977—），男，博士，教授，主要研究方向：光電技術及光電設計。

臺德艷（1976—），女，碩士，講師，主要研究方向：圖像檢索及太陽能應用。