智能太阳能隧道灯的仿真设计研究

摘要：提出一种基于单片机控制的太阳能隧道灯的设计原理与方法，介绍了设计的太阳能隧道灯的硬件电路图和软件流程图。通过单片机和太阳能电池实现了智能控制和节约能源的目标。该装置不仅实现了一般隧道灯的功能，更具有低碳、环保、智能等优点。
关键词：太阳能；隧道灯；单片机；LED

0 引言
    在我国，铁路、公路中存在大量隧道。汽车在驶入或驶出隧道时亮度突变的会使驾驶人员的视觉产生“黑洞效应”或“白洞效应”。这样很可能会导致交通事故的频发，为了适应视觉的变化，需要设置附加隧道灯。目前，国内外大多数的隧道灯都是“长明灯”，无论隧道中是否有车辆，灯都是开启的。这样必然导致能源的大量浪费。我国是一个人口大国，也是一个发展中国家，高速发展的经济对能源的需求和消耗都很大，同时对环境的破坏也日益严重。我国政府为了应对这些危机，大力倡导合理利用能源、节能减排和保护环境，提出经济建设要与环境保护相结合的和谐发展战略，这已成为我国经济发展的主渠道。
    本文中的智能太阳能隧道装置正是遵循节约能源，保护环境的理念而设计的。该装置以太阳能为能源，通过单片机的控制设计不仅解决了隧道中隧道灯长开和能源浪费的问题，还模拟了实际隧道的各种情况，当隧道内出现各种突发状况时能及时报警。因此该装置具有很强的实用性和现实意义。

1 系统构成
    图1是整个系统的结构图，包括电源、检测、控制、照明和报警五个部分。

    电源装置包括锂电池充电电路和电池部分。主要功能是把从太阳能电池中得到的一部分电能储存在锂电池中，用锂电池给控制电路及报警电路供电；检测装置由一对红外传感器组成，分别安置在隧道两端。当检测到有车辆经过时可以发送信号到控制装置；控制装置是整个电路的核心部分，由单片机负责控制整个电路和功能的实现。这部分电路可以从外部电路获取信号，同时给外部电路发出指令；照明装置是整个装置主要的对外工作部分，由一些高亮二极管灯组成，既省电，又可实现对隧道内的照明；报警装置由一个报警灯和蜂鸣器构成。当车辆进入隧道的时间过长，单片机就会发出信号来驱动报警电路，实现报警功能，直到工作人员按下停止报警键才停止报警，方便工作人员及时发现并处理隧道内出现的问题。

2 硬件设计
2．1 电源部分
    本装置完全由太阳能供电，当没有阳光时，可以将太阳能电池将在有阳光时获得的电能通过充电电路储存在锂电池中，由锂电池给整个装置供电。充电电路中采用的是MAX1811芯片，它采用增强散热型8引脚ISO封装，无需微处理器控制。此外MAX1811内部还带有热保护二极管，其降低了充电器的成本与尺寸。充电电路原理图如图2所示。

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2．2 控制部分
    控制电路原理图如图3所示，选用8位的AT89S52单片机作为主要控制芯片，其是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，可以为外围的电路提供足够的IO端口，8 KB的FLASH能够容纳所写的程序。本设计采用12 MHz的晶振作为主系统的工作时钟。

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2．3 照明部分
    由于普通发光二极管无法满足照明需求，采用节能、环保、长寿命的LED灯作为照明灯。由于本装置只是一个模型，所以选用了8个高亮的LED灯。在实际应用中，可以将这些高亮的LED灯组合在一起组成一个组合灯，这样就能够达到照明的要求。照明电路图如图4所示。
2．4 检测部分
    检测装置由一对红外反射头构成，它们之间的距离可调。本装置选用的是距离为2 m的红外反射头。在实际应用时可以选择距离更远的红外反射头，或者红外对射头。根据反射信号来判断是否有车辆进入，由单片机进行相关处理以实现车辆的自动检测。
2．5 报警部分
    报警装置由蜂鸣器和报警灯组成。由于单片机的IO端口输出电流过小，无法直接驱动蜂鸣器，需要加上一个三极管来驱动蜂鸣器。报警电路图如图5所示。

3 软件系统
    软件设计流程图如图6所示。系统初始化后，首先调用红外传感器检测程序。然后判断入口处是否有车经过，如果没有车经过，则继续检测，一旦有车经过，则灯亮起。如果灯亮以后，检测到出口处有车经过，则灯熄灭，系统返回初始化。至此，单片机完成一次检测与判断；之后，如果灯没有亮起，则系统返回初始化，进行新一轮的数据测量。直到入口处有车经过，则灯再次亮起。如果在进入的车辆还未驶出隧道时就又有车辆进入，则记数程序开始运行，入口、出口处的红外探测器同时检测、记录进入和驶出的车辆的数目，直到进入数量等于驶出数量，即车辆全部驶出时，灯才熄灭。
    如果有车辆进入且并未全部驶出时，入口处红外探测器又长时间未检测到有车辆进入，记时程序开始启动。当在设定时间到达时，出口处红外探测器检测到车辆驶出数目小于入口处红外探测器检测到的进入数目时，即在设定时间内车辆未全部驶出时，报警程序启动。直到控制台按下报警停止键时，报警程序停止，程序自动返回初始化，否则继续报警。

4 结语
    本文阐述了基于单片机技术的太阳能隧道灯工作的全过程，经过对模型的实验测试，可以完成对隧道的智能照明，以及对车辆数量的数据进行分析、处理和存储，并及时判断车辆是否发生事故和及时报警。整个装置全由太阳能供电，并结合单片机控制，具有较强的通用性，适用于模块化设计。此系统不仅可以大量用于铁路、公路隧道内，而且还可适用于一些无人看守的自然保护区和危险区域。该系统开发成本低，性价比高，低碳环保，具有较好的应用价值和社会意义。