一種綠色節能智能系統的設計與實現

楊 斌

（廣東東軟學院計算機學院，廣東 佛山 528225）

0 引言

隨著資源消耗不斷上升，發現新能源，提高資源的利用率是一個關鍵的問題。太陽能是一種大自然本身具有的可再生能量，用之不盡且沒有污染，合理的使用太陽能可以很好的解決資源方面的問題[1]。目前市場上大部分的太陽傘功能單一，而且隨著太陽的移動，有部分位置無法遮陰[2]。少部分電動傘，在原有的基礎上添加了太陽板，用太陽板進行收集陽光，并把太陽能轉化為電能，同時還裝有干電池用于儲能，當太陽光不夠強烈時會進行電能補充，但是太陽板固定，利用效率不高[3]。智能節能太陽傘，一方面利用太陽提供能量，另一方面為人們遮陽避暑以及提供一些便利的功能如：手機充電，風扇散熱等[4]。以上功能，均由太陽能作為唯一能源進行提供，并且不會產生任何的污染成分，綠色，環保。

1 系統的總體設計

本設計的整體系統由控制模塊、光照檢測模塊、執行模塊、溫濕度檢測模塊、散熱模塊、電燈模塊、電源模塊等組成。其中，控制模塊最小系統由四部分組成：STM32F103芯片[5]、復位電路、供電電路、晶振電路；檢測模塊主要由4個光敏電阻及其外圍電路構成；執行模塊主要包括舵機和所需的驅動電路；溫濕度檢測模塊主要由DHT11溫濕度傳感器和外圍電路構成；散熱模塊由風扇和外圍電路構成；電燈模塊由一個LED燈管和繼電器等外圍電路構成。

接收到陽光時，4個光敏電阻會產生不一樣的電阻，電阻小的方向與太陽光線的方向相同，因此，本系統采用光敏電阻檢測太陽照射下產生電阻的差值，可以精確定位太陽相對位置[9-10]。當光線直射到光電傳感器（4個光敏電阻）時，他們的左右、上下差值會趨近 0，從此可以通過舵機轉動的角度來判斷此時太陽光的位置。

電器部分采用自動控制，通過STM32單片機控制光敏傳感器來判斷太陽的方向并且自動定位瞄準太陽，對太陽進行持續的跟蹤和對太陽光高效率的利用。同時通過溫度傳感器、光敏傳感器等傳感器收集數據，當溫度高于設定的24 ℃時，進而控制風扇的打開，當光敏檢測到光線暗時，小燈打開。系統設計框圖見圖1所示。

圖1 系統整體設計框圖Fig.1 overall system design block diagram

2 系統硬件設計

2.1 單片機最小系統設計

控制系統是整個系統中最為重要的地方，相當于人類的大腦，一旦控制系統不能正常工作，其它外圍電路以及一些傳感器都無法工作，所以說設計中最為重要的地方就是對于控制系統的設計。最小系統由 STM32F103 芯片、供電電路、復位電路、晶振電路四部分組成。

2.2 舵機電路設計

本系統選擇LD-27MG數字舵機[6]。其具體參數為：（1）尺寸：40×20×40.5 mm；（2）速度：0.16 sec/60° 7.4 V；（3）工作電壓：5-7.4 V。

該舵機的額定電壓為 6 V，空載電流為100 mA，有超大的扭力，扭矩為20 kg·cm，可以實現雨傘的移動，精度高，虛位小，有三條接線口，分別為信號線、電源正極線、地線，因此接線比較容易。

其中舵機原理圖如圖2所示。

圖2 舵機模塊電路Fig.2 steering gear module circuit

2.3 光照檢測模塊設計

光敏傳感器使用時，要通過對光照敏感的電子元件將光信息變成電子數據，對于不同顏色的光，檢測到的數據信息是不同的，還能實現許多檢測功能[7]。本設計的光照信息采集模塊主要應用光敏電阻的工作原理制作而成，在不同的光照情況下，檢測到的信息不同，傳感器的輸出為高電位，轉換信號，將數字信號發送給單片機，單片機將根據程序執行檢測任務。

光照檢測傳感器結構仿真如圖 3所示。用光照檢測傳感器（4個光敏電阻）產生電壓的差值并通過單片機處理來確定太陽能利用裝置與太陽的水平相對位置。光照檢測傳感器檢測電路主要由光電傳感器、電阻、復位按鈕以及STM32芯片里的內置ADC組成[8]。

圖3 光照檢測傳感器結構仿真Fig.3 structure simulation of light detection sensor

2.4 溫濕度傳感器DHT11設計

DHT11數字溫濕度傳感器由電阻式感濕元器件和NTC測溫元件組成[9]，輸出的是數字信號。為確保傳感器的可靠性和穩定性，使用了一種特殊技術來確定溫度和濕度以及數字采集，每個傳感器都將被精確校準，并編寫成程序使得校準系數存在OTP內存中[10]。產品的封裝僅為4個引腳，連接方便，采用單線串行接口，這樣簡單快捷的讓系統進行集成，同時還擁有體積小、功耗低、信號傳輸距離較遠、響應速度快、抗干擾能力強等優勢。

電源引腳：該溫濕度傳感器的工作電壓在3-5.5 V之間，在上電1 S后，才能發送任何指令，因為1S前是不穩定狀態。如果電源引腳部分有雜波，可通過增加一個電容進行濾波。

串行接口（單線雙向）：單片機和 DHT11傳感器的數據通訊是同步的，通過單總線數據模式，傳輸一次數據（分數+整數）的時間大約是4 MS。

原理圖接線如圖4所示。

圖4 溫濕度電路模塊Fig.4 temperature and humidity circuit module

2.5 風扇設計

這部分采用繼電器加12 V的電腦散熱風扇。繼電器有三個點，一個可以動（點 3）和兩個靜止不動（點1和點2）。當線圈失電時，點3和點1接觸，此時電路斷開，不給風扇通電；當線圈通電時，點3立刻和原來接觸點1斷開，從而打到點2位置，此時風扇的電路為通路，風扇打開。利用這一原理，可以有效的保護電路的安全，提高安全性和穩定性。

原理圖接線如圖5所示。

圖5 風扇電路模塊Fig.5 fan circuit module

3 系統軟件設計

軟件所使用的開發環境為Keil uVision5，編寫設計采用的語言為C語言。系統軟件實現的功能：

（1）通過光敏電阻檢測到光照強度；

（2）實現太陽定位和跟蹤；

（3）根據光照強度控制電燈的開閉；

（4）根據檢測到的溫濕度值進而控制散熱模塊的運行。

3.1 主程序設計

首先，單片機上電后先進行一系列的初始化，對系統的時鐘等進行初始化，然后接下來開始執行主程序，進而調動各個子程序，檢測光照是否暗，當周圍的環境比較亮時，關閉LED燈，然后對太陽進行跟蹤定位，當周圍的環境變暗，雨傘恢復直立狀態，并且打開LED燈；檢測當前的溫度是否達到26 ℃，當大于等于26 ℃時，打開風扇，當溫度小于26 ℃時，關閉風扇。

程序設計思路見圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 program flow chart

3.2 定位跟蹤程序設計

當光電傳感器（4個光敏電阻）傳回相應的阻值并且通過4路ADC傳回STM32單片機的內部的4路ADC檢測裝置，采用ADC四通道逐次轉換(單次、單通道軟件觸發)的方式來檢測四個不同的ad數值，通過其差值來檢測出太陽的相對位置并反饋到通過數據的處理，4路PWM輸出模式用于控制舵機的旋轉。當控制轉向機構時，需要時間脈沖，脈沖時間通常為 20 ms，部分控制脈沖是高脈沖電平的一部分，控制角度通常為0.5 ms-2.5 ms之間。通過控制舵機的轉動，從而達到設備在水平和俯仰方向上的有機運動。測量的轉動角度和實際的太陽角度如下表1所示。

表1 太陽高度角實驗數據表Tab.1 experimental data sheet of solar altitude angle

4 系統調試

4.1 系統制作

一個簡單的項目在開發過程中主要分為 5個主要步驟，第一步：整體系統的概念設計以及該系統在對應領域的需求；第二步：對于概念進行建模仿真；第三步：進行軟硬件設計；第四步：編寫程序；第五步：反復調試軟硬件系統，讓二者協調工作，并且穩定運行。

4.2 原理圖設計

從原理圖中能夠得到，整個系統具體分成以下幾個模塊，單片機最小系統模塊、舵機模塊、光照檢測模塊、溫濕度測試模塊、散熱模塊、LED模塊以及電源模塊等。如圖7所示。

圖7 原理圖Fig.7 the schematic diagram

4.3 運行結果分析

在實物運行過程中，我們用手機燈模擬太陽光，通過手機燈的轉動，來模擬太陽的移動和實現光線的強弱變化，當光強檢測裝置檢測到的數據存在差別時，舵機控制雨傘向光照較強的方向調整，當兩端的檢測裝置檢測到的光強數據基本相同時，停止調整；把手機燈關掉后，雨傘會直立，然后打開LED燈；用雙手捂熱溫度傳感器，模擬夏天的感覺，風扇會打開反之風扇關閉；同時還可進行充電。

從以上的原理圖設計以及運行結果分析可以實現實物硬件的制作和調試，能夠實現太陽能方位跟蹤系統、開燈、散熱、充電等功能。圖8為綠色節能智能系統的實物圖。

圖8 綠色節能智能系統實物圖Fig.8 physical drawing of green energy-saving intelligent system

5 結論

太陽能是一種應用價值極高的綠色新型能源，因此其具有較高的應用價值。本文圍繞單片機進行太陽能綠色智能追光系統設計，四個方位上的光敏電阻實時檢測不同方位太陽光的強度，當檢測到有差異的時候，就會發送一個信號到單片機中，單片機就會控制舵機來實現陽傘的轉動，進行太陽的跟隨。同時溫濕度傳感器一直在工作，當達到規定的溫度值或者濕度值時候，風扇就會轉動，開始對環境溫度的調節。將太陽能轉化為電能，并把轉換的電能運用到設備中去，適應當前社會提倡的節能減排生活且環保、無污染；市場非常廣泛，使用價值高。