基于ATMEGA16太陽能無雨走道的設計

張以涵 羅磊 王學忠

摘 ? 要：隨著城市人口增長，馬路兩邊人行道、小區內部道路上經常是人車混合通行，存在安全隱患，特別是雨天，由于雨傘面積大，透光性不好，很容易引發交通事故。針對上述問題，文章提出基于ATMEGA16太陽能無雨走道的設計。利用流動空氣能夠改變物體運動軌跡的原理，讓高速噴出的氣流形成一道看不見的氣幕雨傘，并與太陽能路燈相結合，起到夜間照明、雨天遮雨的作用。

關鍵詞：太陽能;ATMEGA16A;無雨走道

隨著大量人口涌入城市，交通變得更加擁堵，下雨天的道路交通情況很糟。由于雨傘面積大且透光不好，容易擋住視線，引發各種交通事故。針對上述問題，提出基于ATMEGA16太陽能無雨走道的設計。利用流動空氣能夠改變物體運動軌跡的原理，讓壓縮后的高速氣流從燈桿的底部吸入，然后從燈桿的頂部噴出，形成一道看不見的氣幕隔離圈，像一把隱形的大雨傘，避免人們被雨淋濕，并與傳統的太陽能路燈相結合，起到夜間照明的作用。

1 ? ?太陽能無雨走道的系統設計

主控系統由核心芯片ATMEGA16、太陽能板、保護單元、蓄電池、檢測及負載LAMP、空氣壓縮機等模塊組成[1]。路燈可通過編程實現自動與定時相結合的控制方式。空氣雨傘根據雨量的大小，編程實現兩組空氣壓縮機的不同組合，實現氣流噴出的方向和氣幕大小不同的遮雨屏障。蓄電池采用直充、浮充和涓充3種方法[2]，并設溫度補償電路。

2 ? ?控制電路設計

如圖1所示，控制電路是以ATMEGA16為核心，該芯片是一款8位精簡指令、低功耗，內有模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）模塊電路、四通道脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出等功能。主電源BT1由多組鉛酸電池組并聯構成的。C1，C4的作用是減少高頻雜波對控制系統的干擾。RV是壓敏電阻，起到防雷擊的作用。Q6，D4等元器件把12 V電壓降為10 V。Q7，D6將10 V穩壓成5 V供ATMEGA16芯片及其他電路使用[3]。R1，R27，R10，R12和D5構成電壓檢測電路，并通過U2的第3引腳輸入到單片機的內部進行相應的處理。

2.1 ?充電過程

當太陽能板受到太陽光照射時，經其內部A/D模塊處理后的信號與閥值電壓比較，當電壓超過6 V，LED5亮起，開啟充電模式[4-5]。此時，U2的2引腳為高電平，Q4，Q5斷開，Q1，Q2變為導通。電流從U1的“+”→蓄電池BT1“+”→ “-”→Q2→Q1→U1的“-”流過，實現對BT1快速充電。隨著BT1的電位增大，LED2～LED4一一亮起。當BT1電壓為13.6 V，充電方式由直充切換為PWM浮充模式，U2的第2引腳變為PWM脈沖信號，控制Q1，Q2導通與截止，向BT1充電。隨著BT1的電位逐步增大，PWM的占空比逐步減小，充電時間縮短;反之，充電時間變長，電壓升高，如此反復沖到14.6 V為止;最后，采用涓流充電，間隔時長為1 h以上。

2.2 ?太陽能路燈控制電路

由R7，R9，D3，Q3，RL等構成路燈放電回路，當BT1大于11.0 V，負載LAMP兩端輸出BT1和太陽能板混合電能;當BT1降至11.0 V，U2的40引腳變為高電平，Q8，Q3關斷，同時LED1燈點亮，進行低壓保護工作。放電時，LED燈的亮滅狀態表示當前電量的多少，LED4亮表示BT1電壓為12.8 V以上;LED3亮表示BT1電壓在12.8 V與11.8 V之間;LED2亮時，電壓大于11.0 V低于11.8 V。當BT1的電壓小于11.0 V，LED2閃爍，此時應該關閉或切換供電方式，以保護BT1，如不關閉，3 min后強行關閉或切換供電方式。傍晚，當U2的第36引腳GK檢測到電壓低于6.0 V，自動打開太陽能路燈;早上，當U2第36引腳GK檢測到電壓高于6.0 V時，自動關掉太陽能路燈。

2.3 ?無雨走道空氣雨傘控制電路

流動的空氣能夠改變物體的運動軌跡。空氣運動速度越快，它的能量也就越強，而噴射的氣流也可以將一些物體隔離開來，形成一道氣幕屏障，類似一個無形的大雨傘，把行人與雨水隔離開，起到遮雨的功能，所以也稱之為空氣雨傘。當把空氣雨傘與太陽能路燈相結合，燈桿的上部為氣體的噴出口，燈桿的下部為高壓氣體的進入通道：將將壓縮的氣體從燈桿底部送入，然后從燈桿上部的口噴出，噴出的高速氣體在燈桿的上部形成一道圓形氣幕。這道氣幕有效保護了道路上的行人，避免被雨淋濕。氣幕的覆蓋的范圍可以根據雨水的大小進行自動調節控制。圖1中，U4是雨水檢測模塊，通過U4來檢測是否降雨以及降雨量的多少。當U4檢測到下小雨，U2的第39引腳由低電平“0”變為高電平“1”，控制Q9閉合，壓縮機1啟動，產生一道相當較小的圓形氣幕;當U4檢測到下中雨，從U2的第38引腳由“0”電平變成“1”高電平，控制Q10閉合，壓縮機2啟動，生成一道相對較大的圓形氣幕;當U4檢測到下大雨時，從單片U2的第38引腳、39引腳均輸出高電平控制Q9，Q10閉合，壓縮機1和壓縮機2均開啟，產生一道最大的圓形氣幕。

3 ? ?系統軟件設計

主控程序主要包括太陽能板電壓檢測程序、白天充電控制程序、夜晚路燈控制程序、雨水檢測、空氣雨傘控制等。

白天充電控制程序主要實現的功能：（1）對太陽的光線進行采樣，判斷是否啟動充電程序。（2）根據充電電壓的大小，依次通過LED燈顯示充電的狀態，并自動進行直充、浮充和涓充的切換。

夜晚控制程序的功能：（1）檢測環境根據光線判斷是日間還是晚間，是否啟動路燈控制程序。（2）實時監控蓄電池電壓，具有欠壓保護功能和工作模式切換功能。

4 ? ?結語

本文主要對傳統的太陽能路燈進行改造，利用高速的流動空氣來改變雨水的運動軌跡，實現無雨走道的功能。具體的做法：先進行空氣壓縮，并將壓縮后的氣體從燈桿的底部送入，從燈桿的頂部噴出，氣流在燈桿的上部形成一道氣幕，起到傘蓋的作用，氣幕的大小可以自動根據雨量的大小進行調節。主控芯片采用的是ATMEGA16，采用的能源主要是太陽能，也可以進行市電之間進行切換。蓄電池采用了直充、浮充和涓充3種充電形保護式，并具有過壓、欠壓等保護功能。

[參考文獻]

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