校园电子引导系统

姚鹏 龚威

(1:天津城市建设学院计算机与信息工程学院，天津 300384;2:天津城市建设学院控制与机械工程学院，天津 300384)

1 系统概述

校园电子引导系统是嵌入式控制技术、太阳能发电为核心技术的节能、智能化产品.本系统由太阳能供电系统部分和电子引导系统两部分组成，整体硬件结构如图1所示.

太阳能控制部分是由嵌入式核心控制电路控制，核心控制器采用台湾HOLTEK公司的单片机.系统采用蓄电池为电子引导系统供电，控制器通过A/D转换器对蓄电池电压进行采样，当电压低于设定值时，对蓄电池进行充电.为了保证蓄电池能够稳定、长寿命的工作，需要对其充放电做出合理控制，程序中设计了防过充/放的控制电路［1］.当电压低于过放电压时，控制电路控制切断大功率负载的供电，启动太阳能供电系统为蓄电池充电;当电压高于过充电压时，核心控制电路控制断开太阳能充电系统，防止蓄电池受损.

电子引导部分也由嵌入式控制电路控制.在一块安装有防雨雪罩的展牌上安装若干按键，它们对应校园内的各部门、建筑及院系地点.使用者接近电子引导牌时位于两侧的红外漫反射式传感器同时检测到有物体靠近，传感器输出信号经控制电路处理，校园电子引导系统由待机省电模式转为工作模式.以光敏电阻为核心器件构成的光强测试电路来检测当前环境的光强，判断是否开启照明模块.在使用者按下对应地点的所属按键后，电子引导部分的核心控制电路控制启动多媒体彩色液晶显示及语音播放模块，利用多媒体技术给使用者详尽而又耳目一新的智能化介绍.当用户离开了引导系统的传感检测范围后，系统会在一定的延时时间后自动进入待机状态.校园电子引导系统硬件结构见图1.

图1 校园电子引导系统硬件结构

2 太阳能电池板和蓄电池的选择

根据太阳能发电板的光生伏打效应，可以建立如图2所示的太阳能光伏电池理想模型.使用中，常根据某一确定的日照强度和温度，表示太阳能供电系统的输出电压和输出电流之间的关系的太阳能供电系统IV特性(如图3所示).图3中，Isc为短路电流;Voc为开路电压;Im为最大功率点电压;Vm为最大功率点电压;Pm为最大功率点功率.由图3可知，太阳能供电系统既非恒压源，也非恒流源，不可能为负载提供任意大的功率.实际上它是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相对保持恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零［2］.

本文以天津市为例，天津城区的地理位置为北纬39°，东经117°，考虑到光伏阵列最好效果体现在夏季和秋季，位于北半球的需要在纬度上加上15°，以达到最大的垂直照射角度，故采用的是电池板安装于水平夹角约为45°.根据当地的光照强度，最强集中于中午12点到13点之间，太阳偏角为15°，故调整光伏阵列向西南方向偏出15°.选择的光伏阵列的型号为HR-201 F的多晶硅太阳能电池板.

图2 太阳能供电系统等效模型

图3 太阳能供电系统的I-V特性曲线

蓄电池的特性分析对合理的选择蓄电池也十分重要.蓄电池最基本的工作参数有额定蓄电池容量(C)、放电深度(DOD)、荷电状态(SOC)［3］.

(a)蓄电池容量. 蓄电池充电容量Qc，是指蓄电池充电时消耗的电量.

其中，Ic为充电电流;tc为充电时间.

蓄电池放电容量Qd，是蓄电池在一定工作条件下实际放出了的能量.

其中，Id为充电电流;td为放电时间.电池容量以符号C表示，常用单位为安培小时(Ah).

(b)荷电状态. 蓄电池的荷电状态(SOC)用来反映蓄电池的剩余容量，其数值上定义为蓄电池剩余电量占其总容量的百分比，即:

其中，Q(t)为蓄电池的实际容量;Qb为蓄电池的标称容量.

(c)蓄电池的放电深度. 蓄电池的放电深度定义为DOD=1-SOC，其寿命与放电深度有很大关系.在系统设计时，并不是DOD取得越小越好，因为DOD越小，蓄电池不能放出的储备容量就越多，这样浪费电能，还增加成本.综合考虑，设计中DOD为70%.

按照工作环境一直处于阴雨天的情况下，蓄电池容量能供应系统正常工作10 d的标准进行选取［3］.则蓄电池容量为:

系统的供电为12 V，故选择蓄电池为12 V的额定电压，则蓄电池的容量计算为:

校园电子引导系统工作时间一般默认情况下认为12 h，经粗略测量其功率大概为1 W.对于照明LED工作时间是在6 h左右，其功率在0.5 W左右.则每天消耗的总功率为15 W.

3 电子引导部分控制电路及系统软件设计

由于篇幅所限，这里仅简单介绍电子引导部分的控制电路设计.电路中采用内嵌UART和A/D转换器的HT46 RU232单片机芯片，语音芯片采用WT588 D，系统中采用迪文公司生产的DMT80600 S104全彩液晶显示器，系统中还应用了漫反射传感器，用于人员的识别和光敏电阻照明灯具的控制，具体电路如图4所示.

图4 电子引导系统控制电路图

系统软件设计在太阳能控制部分以控制电路控制防过充/放为主，在电子引导部分以核心控制电路控制传感检测和启动语音模块和彩色液晶显示模块为主.这两部分的程序如图5和图6所示.

图5 太阳能控制部分主程序流程

图6 电子引导部分主程序流程

4 结语

校园电子引导系统具有创新性，改变了传统校园的引导方式，太阳能供电系统的选取，多媒体信息技术和嵌入式控制技术的应用体现了环保、智能的理念.校园电子引导系统的应用，对未来的大面积居民区、商业区、旅游景区和校园的引导提供了一个可选择的现代化电子工具.

［1］孙 成.铅蓄电池使用寿命与放电深度和充电条件的关系［J］.蓄电池，1987(4):35-39.

［2］谢 飞.风光互补型LED路灯控制方法的研究与实现［D］.天津:天津城市建设学院，2010.

［3］张培仁.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2007:40-47.