本作品选用STC12C5612AD单片机作为主控芯片,制作了一款基于多信息优化控制的太阳能照明灯。它主要包括白天模式下基于光传感器和离散时间控制的智能追光方案、夜间模式下运用菲涅尔透镜加热释电红外传感实现基于空间几何的照明控制和针对系统累积偏差进行的红外校准。系统充分考虑了晴天和连续阴雨天等多种天气状况,并给出不同地区各月太阳能电池板的最佳倾角表和可调节的机构。
白天模式:系统首先根据光敏电阻采集并经A/D转换的电压数值,判断是否进入白天,再根据DS12C887读出的时间是否在设定的时间段内,若二者均满足,则唤醒单片机时自动完成夜晚模式到白天模式的切换。白天模式下,单片机一直处于掉电状态,利用时钟芯片DS12C887每隔30分钟将其唤醒一次,随后由单片机驱动直流减速步进电机,根据相关算法,带动太阳能电池板自动转至光强最大处停止。此后系统再次进入掉电模式,等待下一次的中断唤醒,实现再次追光。
夜晚模式:系统判断进入夜晚的方法与白天模式类似。进入夜晚模式前,系统首先确认在白天的下午时段是否曾有过追光动作,如有,则驱动太阳能电池板反向旋转约90°,以便于第二天追光;若无,则电机不进行反向旋转。随后自动关闭电机电源,打开热释电红外传感器,并运用菲涅尔透镜的空间几何定位作用,形成一定范围的监控区域,实时监测有无人进入该区域。当监测到有人进入时,切换灯至高亮模式以照明;当监测到人离开或静止不动时,延迟一段时间后灯转为低亮模式以节能。
偏差校准:由于本系统追光部分选用的光线传感器为光敏电阻,其具有耐炎热、抗严寒、不易损坏、使用寿命长等特性。但若将该系统放置在沙尘较多的地区,日积月累,光敏电阻上沉积的较厚沙尘,将严重影响其准确追光精度。为解决此类问题,在系统中加入偏差校准模块。考虑到合肥地区沙尘较小,故本系统选用成本较低的红外遥控人机交互控制的偏差校准模块对系统可能出现的累积偏差进行校准。
抗干扰设计:在系统程序设计中,加入了一个特殊标志位,当系统在下午时间段(12:00~17:00)有过追光动作,则该标志位设为1;若无,则将该标志位清0。系统进入夜晚模式前,首先判断该标志位,若为1,则驱动电机反转约90°,便于第二天的追光;若为0,则电机不反转,直接进入夜晚模式。这样便可实现系统各种天气条件下的抗干扰设计,提高系统的稳定性。具体分析如下:
(1)晴天:每天清晨太阳升起时,两光线传感器接收的光照强度不同,便会自动感应,驱动减速步进电机带动太阳能电池板转至东方太阳升起处,随后开始一天的追光,直至太阳落山,此时太阳能电池板应朝向西方位置。在判断进入夜晚模式前,电机先反转约90°, 便于第二天的追光。
(2)多云天气:和晴天一样,系统依然正常追光。
(3)雷暴天气:在此类恶劣天气条件下,系统依然可以正常工作。只要有阳光出现,系统便能自动感应追光至光强最大处停止;若突然出现乌云遮挡住阳光,电机便停在前一次追光处,等待下一次阳光出现再次追光;若外界光线太暗,系统会自动打开灯,以便照明,等到雨过天晴时,会自动关灯继续追光。
(4)阴天:由于阴天光线较弱且较分散,所以系统不进行追光。
(5)连续阴雨天:系统在进入连续阴雨天之前,如果曾在下午时有过追光动作,则进入夜晚模式前,电机依然反转约90°,以等待晴天的到来;如果下午的整个时段都未追过光,则电机任何时刻都不会进行反转90°的动作,直接识别白天或夜晚、光线强或光线暗,实现追光或开灯的动作。
第十二届“挑战杯”作品 三等奖
该作品在某省挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛中获得省级“特等奖”