基于太阳能的车辆室温自动调节系统设计*

单浩 刘师威 蓝谷城 付佳豪 郝亮 李骏

（辽宁工业大学）

近年来，伴随着世界能源危机的日益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已经不能适应世界经济快速增长的需要。同时，以煤、石油作为燃料的能源在燃烧过程中产生的有害物质已经成为造成全球变暖的主要因素，人类的生活将会受到很大的威胁。因此，必须加大对新能源的开发和利用。而太阳能无疑是符合我国可持续发展战略的理想绿色能源，全球能源专家也认为，太阳能将成为21 世纪重要且颇具前景的能源之一[1-2]。因此，在大力发展太阳能这种新能源的背景下，采用STC89C52RC 作为微处理器核心，研发“智能化车载太阳能辅助供电系统”实现车辆传统供电设备智能化监测，对最终在传统供电设备失效情况下仍可保证一定的续驶里程具有重要的现实意义。

1 系统的工作原理

该系统的硬件电路主要是太阳能辅助供电控制电路，是整个电路的核心。硬件电路部分确定后，汽车太阳能供电自动控制系统的功能主要由系统的软件来实现。通过对蓄电池端电压值和温度传感器室内采集温度的处理，以及对太阳能电池发电的控制管理，完成对车辆原有供电系统的实时监测。控制系统的用电控制模块是通过继电器使得汽车电源、汽车空调系统和太阳能电池系统连接。太阳能发电控制模块包括太阳能电池板和蓄电池管理单元，蓄电池管理单元和太阳能电池板与太阳能蓄电池连接。太阳能发电系统对蓄电池进行充电、对汽车空调供电，并对蓄电池的充放电与汽车室内的温度进行有效控制和管理，使得蓄电池得到保护及合理利用。图1 示出太阳能辅助供电系统总体结构。

图1 太阳能辅助供电系统总体结构图

2 系统的硬件设计

系统的硬件主要包括STC89C52RC 单片机最小系统、电压信号采集模块、LCD1602 液晶显示模块、大功率可调降压电源模块、1 路继电器控制模块、温度监测模块、蜂鸣器报警及GSM短信通信模块等。

2.1 STC89C52RC单片机最小系统

STC89C52RC 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8 K 字节系统可编程Flash 存储器[3]。STC89C52RC 在经典的MCS-51 内核基础上进行了改进，使得芯片具有传统方法的51 单片机不具备的功能。因车辆辅助供电系统只有1 个模数转换芯片ADC0809CCN，所以本系统采用基于MCS-51 内核的增强型STC89C52RC 单片机最小系统。该系统能够更好地接收ADC0809CCN 传送的汽车蓄电池电压值和发电机故障数据，迅速准确地判断执行系统设定的相关命令。系统电源则是由传统5 V 直流电提供。

2.2 电压信号采集模块

ADC0809CCN 是 CMOS 工艺 8 通道 8 位逐次逼近式A/D 模数转换器[4]。其内部有一个8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选8 通道模拟输入信号中的1 个进行A/D 转换。

在系统中用于将汽车蓄电池电压值变化的模拟量实时转换成数字量提供给STC89C52RC 单片机最小系统进行读取，单片机根据蓄电池不同的电压值实现不同的功能。当系统检测到汽车发电机出现故障时，开始执行判断语句，当蓄电池电压低于15 V 时，系统开启1 路继电器控制模块电路，将太阳能电池板转化的电能传送给蓄电池进行充电，延长汽车行驶里程，以便到达就近的维修站进行维修；当蓄电池电压高于15 V时，系统关闭充电，防止蓄电池将较高电压直接提供给车上用电设备导致设备故障或损坏，同时延长了蓄电池的使用寿命。

2.3 LCD1602液晶显示模块

系统采用微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的LCD1602 液晶显示屏，它是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×02 个，即32 个字符[5]。其原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出蓄电池电压、交流发电机电压和车内温度值。

2.4 大功率可调降压电源模块

因太阳能电池板电压的不确定性，直接将太阳能电池板转化的电能用于汽车蓄电池的供电，会导致车上用电设备部分功能失效，如一些传感器传输的数据错误等，继而导致汽车发生一系列严重故障；同时如果太阳能电池板电压低于蓄电池电压，将会发生电流倒灌现象，严重时会烧毁太阳能电池板，缩短续驶里程等。因此系统采用了大功率可调降压电源模块保护系统电路，将太阳能电池板的电压稳定在一设定值，使系统对于蓄电池的供电安全可靠，同时可调降压模块在输出端配备了10 A 整流二极管，用于防止电流倒灌烧毁太阳能电池板。

2.5 继电器控制模块

系统在将太阳能经稳压后的电能给汽车蓄电池供电之前，需要操纵一个继电器控制模块，来实现是否给蓄电池进行供电，这是车辆太阳能辅助供电系统最主要的功能。首先，通过ADC0809CCN 模数转换芯片检测汽车蓄电池的电压和车内的温度，再将蓄电池电压和室内温度的模拟量转化为数字量传送给最小系统，控制器通过比较，确定继电器的开启与关闭，实现对蓄电池辅助供电的智能管理和车内温度的智能化调节。

2.6 蜂鸣器报警及GSM短信通信模块

系统采用电磁式有源蜂鸣器模块，工作电压为3.3～5 V。其内部有一简单的振荡电路，能将恒定的电流转化成一定频率的脉冲信号，程序控制方便，VCC 外接3.3～5 V 电压，GND 外接驱动系统 GND，I/O 外接 IO引脚或其他音频驱动源，接低电平即可让其发声，操作简单[6]。当发电机出现故障或检测到的蓄电池电压值过高时，系统均会发出语音报警，同时考虑到在停车后驾驶员离车状态下，蓄电池因某些外界因素导致电压较低不足以启动汽车的情况，系统加入了GSM 短信通信模块，SIM800C_mini 板采用高性能工业级GSM/GPRS 四频模块，SIM800C 的工作频段为：GSM850/900/1 800/1 900 MHz，除可以实现电话语音、SMS、（短信、彩信）GPRS 数据传输功能外（支持透传模式、域名解析和IP 模式），还具有DTMF 解码（可以识别对方按键）、TTS（语音播报）和蓝牙功能。硬件设计在官方设计上加以优化，采用高效开关电源供电，SIM 卡采用主流的MICRO 卡座，质量更坚固，使系统可以长时间实时监测蓄电池状态，并通过GSM短信报警的方式，提醒驾驶员蓄电池没电了，使驾驶员及时对蓄电池进行更换处理，避免耽误出行。

2.7 温度监测模块

本系统选用LVQWZ-31 型的智能大气温度传感器，由温度传感模块、变送模块、漂零及温度补偿模块、数据处理模块、通信模块等组成。传感器内置信号采样及放大、漂零及温度补偿功能，用户接口简洁、方便。传感器含RS485 接口，可与单片机最小系统和液晶显示屏等设备连接通信，大幅度降低布线成本，方便二次开发；通过其实时监测停车状态下的车辆室内温度，从而可以实时开启空调，实现车内温度的自动调节。

3 系统软件设计

本系统软件部分采用嵌入式C 语言在Keil uVision 3 集成开发环境中进行代码编写，然后编译成.Hex机器码文件，运行于基于MCS-51 内核的增强型STC89C52RC 微处理器。图2 示出太阳能室内温度自调节系统运行流程图。由图2 可知，系统上电首先进行各个硬件的初始化操作，然后通过电压信号采集模块进行蓄电池的电压信号采集，将采集到的电压信号转换为电信号传送给单片机控制单元，同时在LCD 液晶显示模块上实时显示蓄电池电压和车内温度。此外，车辆太阳能辅助供电系统还检测发电机工作信号，在检测到发电机故障温度过高或过低时启动继电器控制开关，开始对蓄电池进行紧急充电和车内空调的供电开启，保证汽车继续行驶一定的里程，以便能够到达附近的维修站进行维修和室内温度舒适性调节。当蓄电池处于高压状态时，蜂鸣器发出报警，并通过继电器控制模块的断开电路，实现对蓄电池的保护，同时还防止了高压的蓄电池在给车上用电设备供电时导致的设备故障或损坏。考虑到在停车后驾驶员离车状态下，也可实时监测蓄电池状态，当蓄电池因某些外界因素（如严寒天气）导致的蓄电池电压较低不足以起动汽车时，系统通过GSM 短信报警的方式，提醒驾驶员蓄电池没电了，以便驾驶员及时对蓄电池进行更换处理，避免耽误出行；同时汽车在启动前1 h，通过温度检测传感器检测判别室内温度是否符合系统开启要求，以保证乘员上车后有舒适的车内温度。

图2 太阳能室内温度自调节系统运行流程图

部分C 语言编译的代码程序：

4 结论

文章设计了以嵌入式算法编译的单片机控制系统，并搭配语音报警等6 大功能硬件模块，实现了车内温度监测、供电系统故障监测和状态监测三位一体的功能。目前市面现有的同类产品往往只是针对室内温度监测并实时开启空调来调节温度，而文章设计的这套系统兼具实现供电系统故障和状态有效监测的功能，并将故障信息通过GSM实时发送给车主并提醒车主注意，以免耽误行程。该系统的研发也充分证明了采用低成本、高科技的手段可以实现需要达到的特定功能，解决了现实生活中遇到的痛点问题，有利于实车匹配的应用和推广。