智能太陽能隧道燈的仿真設計研究

摘要：提出一種基于單片機控制的太陽能隧道燈的設計原理與方法，介紹了設計的太陽能隧道燈的硬件電路圖和軟件流程圖。通過單片機和太陽能電池實現了智能控制和節(jié)約能源的目標。該裝置不僅實現了一般隧道燈的功能，更具有低碳、環(huán)保、智能等優(yōu)點。
關鍵詞：太陽能；隧道燈；單片機；LED

0 引言
    在我國，鐵路、公路中存在大量隧道。汽車在駛入或駛出隧道時亮度突變的會使駕駛人員的視覺產生“黑洞效應”或“白洞效應”。這樣很可能會導致交通事故的頻發(fā)，為了適應視覺的變化，需要設置附加隧道燈。目前，國內外大多數的隧道燈都是“長明燈”，無論隧道中是否有車輛，燈都是開啟的。這樣必然導致能源的大量浪費。我國是一個人口大國，也是一個發(fā)展中國家，高速發(fā)展的經濟對能源的需求和消耗都很大，同時對環(huán)境的破壞也日益嚴重。我國政府為了應對這些危機，大力倡導合理利用能源、節(jié)能減排和保護環(huán)境，提出經濟建設要與環(huán)境保護相結合的和諧發(fā)展戰(zhàn)略，這已成為我國經濟發(fā)展的主渠道。
    本文中的智能太陽能隧道裝置正是遵循節(jié)約能源，保護環(huán)境的理念而設計的。該裝置以太陽能為能源，通過單片機的控制設計不僅解決了隧道中隧道燈長開和能源浪費的問題，還模擬了實際隧道的各種情況，當隧道內出現各種突發(fā)狀況時能及時報警。因此該裝置具有很強的實用性和現實意義。

1 系統(tǒng)構成
    圖1是整個系統(tǒng)的結構圖，包括電源、檢測、控制、照明和報警五個部分。

    電源裝置包括鋰電池充電電路和電池部分。主要功能是把從太陽能電池中得到的一部分電能儲存在鋰電池中，用鋰電池給控制電路及報警電路供電；檢測裝置由一對紅外傳感器組成，分別安置在隧道兩端。當檢測到有車輛經過時可以發(fā)送信號到控制裝置；控制裝置是整個電路的核心部分，由單片機負責控制整個電路和功能的實現。這部分電路可以從外部電路獲取信號，同時給外部電路發(fā)出指令；照明裝置是整個裝置主要的對外工作部分，由一些高亮二極管燈組成，既省電，又可實現對隧道內的照明；報警裝置由一個報警燈和蜂鳴器構成。當車輛進入隧道的時間過長，單片機就會發(fā)出信號來驅動報警電路，實現報警功能，直到工作人員按下停止報警鍵才停止報警，方便工作人員及時發(fā)現并處理隧道內出現的問題。

2 硬件設計
2．1 電源部分
    本裝置完全由太陽能供電，當沒有陽光時，可以將太陽能電池將在有陽光時獲得的電能通過充電電路儲存在鋰電池中，由鋰電池給整個裝置供電。充電電路中采用的是MAX1811芯片，它采用增強散熱型8引腳ISO封裝，無需微處理器控制。此外MAX1811內部還帶有熱保護二極管，其降低了充電器的成本與尺寸。充電電路原理圖如圖2所示。

2．2 控制部分
    控制電路原理圖如圖3所示，選用8位的AT89S52單片機作為主要控制芯片，其是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，可以為外圍的電路提供足夠的IO端口，8 KB的FLASH能夠容納所寫的程序。本設計采用12 MHz的晶振作為主系統(tǒng)的工作時鐘。

2．3 照明部分
    由于普通發(fā)光二極管無法滿足照明需求，采用節(jié)能、環(huán)保、長壽命的LED燈作為照明燈。由于本裝置只是一個模型，所以選用了8個高亮的LED燈。在實際應用中，可以將這些高亮的LED燈組合在一起組成一個組合燈，這樣就能夠達到照明的要求。照明電路圖如圖4所示。
2．4 檢測部分
    檢測裝置由一對紅外反射頭構成，它們之間的距離可調。本裝置選用的是距離為2 m的紅外反射頭。在實際應用時可以選擇距離更遠的紅外反射頭，或者紅外對射頭。根據反射信號來判斷是否有車輛進入，由單片機進行相關處理以實現車輛的自動檢測。
2．5 報警部分
    報警裝置由蜂鳴器和報警燈組成。由于單片機的IO端口輸出電流過小，無法直接驅動蜂鳴器，需要加上一個三極管來驅動蜂鳴器。報警電路圖如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)
    軟件設計流程圖如圖6所示。系統(tǒng)初始化后，首先調用紅外傳感器檢測程序。然后判斷入口處是否有車經過，如果沒有車經過，則繼續(xù)檢測，一旦有車經過，則燈亮起。如果燈亮以后，檢測到出口處有車經過，則燈熄滅，系統(tǒng)返回初始化。至此，單片機完成一次檢測與判斷；之后，如果燈沒有亮起，則系統(tǒng)返回初始化，進行新一輪的數據測量。直到入口處有車經過，則燈再次亮起。如果在進入的車輛還未駛出隧道時就又有車輛進入，則記數程序開始運行，入口、出口處的紅外探測器同時檢測、記錄進入和駛出的車輛的數目，直到進入數量等于駛出數量，即車輛全部駛出時，燈才熄滅。
    如果有車輛進入且并未全部駛出時，入口處紅外探測器又長時間未檢測到有車輛進入，記時程序開始啟動。當在設定時間到達時，出口處紅外探測器檢測到車輛駛出數目小于入口處紅外探測器檢測到的進入數目時，即在設定時間內車輛未全部駛出時，報警程序啟動。直到控制臺按下報警停止鍵時，報警程序停止，程序自動返回初始化，否則繼續(xù)報警。

4 結語
    本文闡述了基于單片機技術的太陽能隧道燈工作的全過程，經過對模型的實驗測試，可以完成對隧道的智能照明，以及對車輛數量的數據進行分析、處理和存儲，并及時判斷車輛是否發(fā)生事故和及時報警。整個裝置全由太陽能供電，并結合單片機控制，具有較強的通用性，適用于模塊化設計。此系統(tǒng)不僅可以大量用于鐵路、公路隧道內，而且還可適用于一些無人看守的自然保護區(qū)和危險區(qū)域。該系統(tǒng)開發(fā)成本低，性價比高，低碳環(huán)保，具有較好的應用價值和社會意義。