基于ATMEGA16太阳能无雨走道的设计

张以涵 罗磊 王学忠

摘   要：随着城市人口增长，马路两边人行道、小区内部道路上经常是人车混合通行，存在安全隐患，特别是雨天，由于雨伞面积大，透光性不好，很容易引发交通事故。针对上述问题，文章提出基于ATMEGA16太阳能无雨走道的设计。利用流动空气能够改变物体运动轨迹的原理，让高速喷出的气流形成一道看不见的气幕雨伞，并与太阳能路灯相结合，起到夜间照明、雨天遮雨的作用。

关键词：太阳能;ATMEGA16A;无雨走道

随着大量人口涌入城市，交通变得更加拥堵，下雨天的道路交通情况很糟。由于雨伞面积大且透光不好，容易挡住视线，引发各种交通事故。针对上述问题，提出基于ATMEGA16太阳能无雨走道的设计。利用流动空气能够改变物体运动轨迹的原理，让压缩后的高速气流从灯杆的底部吸入，然后从灯杆的顶部喷出，形成一道看不见的气幕隔离圈，像一把隐形的大雨伞，避免人们被雨淋湿，并与传统的太阳能路灯相结合，起到夜间照明的作用。

1    太阳能无雨走道的系统设计

主控系统由核心芯片ATMEGA16、太阳能板、保护单元、蓄电池、检测及负载LAMP、空气压缩机等模块组成[1]。路灯可通过编程实现自动与定时相结合的控制方式。空气雨伞根据雨量的大小，编程实现两组空气压缩机的不同组合，实现气流喷出的方向和气幕大小不同的遮雨屏障。蓄电池采用直充、浮充和涓充3种方法[2]，并设温度补偿电路。

2    控制电路设计

如图1所示，控制电路是以ATMEGA16为核心，该芯片是一款8位精简指令、低功耗，内有模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）模块电路、四通道脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）输出等功能。主电源BT1由多组铅酸电池组并联构成的。C1，C4的作用是减少高频杂波对控制系统的干扰。RV是压敏电阻，起到防雷击的作用。Q6，D4等元器件把12 V电压降为10 V。Q7，D6将10 V稳压成5 V供ATMEGA16芯片及其他电路使用[3]。R1，R27，R10，R12和D5构成电压检测电路，并通过U2的第3引脚输入到单片机的内部进行相应的处理。

2.1  充电过程

当太阳能板受到太阳光照射时，经其内部A/D模块处理后的信号与阀值电压比较，当电压超过6 V，LED5亮起，开启充电模式[4-5]。此时，U2的2引脚为高电平，Q4，Q5断开，Q1，Q2变为导通。电流从U1的“+”→蓄电池BT1“+”→ “-”→Q2→Q1→U1的“-”流過，实现对BT1快速充电。随着BT1的电位增大，LED2～LED4一一亮起。当BT1电压为13.6 V，充电方式由直充切换为PWM浮充模式，U2的第2引脚变为PWM脉冲信号，控制Q1，Q2导通与截止，向BT1充电。随着BT1的电位逐步增大，PWM的占空比逐步减小，充电时间缩短;反之，充电时间变长，电压升高，如此反复冲到14.6 V为止;最后，采用涓流充电，间隔时长为1 h以上。

2.2  太阳能路灯控制电路

由R7，R9，D3，Q3，RL等构成路灯放电回路，当BT1大于11.0 V，负载LAMP两端输出BT1和太阳能板混合电能;当BT1降至11.0 V，U2的40引脚变为高电平，Q8，Q3关断，同时LED1灯点亮，进行低压保护工作。放电时，LED灯的亮灭状态表示当前电量的多少，LED4亮表示BT1电压为12.8 V以上;LED3亮表示BT1电压在12.8 V与11.8 V之间;LED2亮时，电压大于11.0 V低于11.8 V。当BT1的电压小于11.0 V，LED2闪烁，此时应该关闭或切换供电方式，以保护BT1，如不关闭，3 min后强行关闭或切换供电方式。傍晚，当U2的第36引脚GK检测到电压低于6.0 V，自动打开太阳能路灯;早上，当U2第36引脚GK检测到电压高于6.0 V时，自动关掉太阳能路灯。

2.3  无雨走道空气雨伞控制电路

流动的空气能够改变物体的运动轨迹。空气运动速度越快，它的能量也就越强，而喷射的气流也可以将一些物体隔离开来，形成一道气幕屏障，类似一个无形的大雨伞，把行人与雨水隔离开，起到遮雨的功能，所以也称之为空气雨伞。当把空气雨伞与太阳能路灯相结合，灯杆的上部为气体的喷出口，灯杆的下部为高压气体的进入通道：将将压缩的气体从灯杆底部送入，然后从灯杆上部的口喷出，喷出的高速气体在灯杆的上部形成一道圆形气幕。这道气幕有效保护了道路上的行人，避免被雨淋湿。气幕的覆盖的范围可以根据雨水的大小进行自动调节控制。图1中，U4是雨水检测模块，通过U4来检测是否降雨以及降雨量的多少。当U4检测到下小雨，U2的第39引脚由低电平“0”变为高电平“1”，控制Q9闭合，压缩机1启动，产生一道相当较小的圆形气幕;当U4检测到下中雨，从U2的第38引脚由“0”电平变成“1”高电平，控制Q10闭合，压缩机2启动，生成一道相对较大的圆形气幕;当U4检测到下大雨时，从单片U2的第38引脚、39引脚均输出高电平控制Q9，Q10闭合，压缩机1和压缩机2均开启，产生一道最大的圆形气幕。

3    系统软件设计

主控程序主要包括太阳能板电压检测程序、白天充电控制程序、夜晚路灯控制程序、雨水检测、空气雨伞控制等。

白天充电控制程序主要实现的功能：（1）对太阳的光线进行采样，判断是否启动充电程序。（2）根据充电电压的大小，依次通过LED灯显示充电的状态，并自动进行直充、浮充和涓充的切换。

夜晚控制程序的功能：（1）检测环境根据光线判断是日间还是晚间，是否启动路灯控制程序。（2）实时监控蓄电池电压，具有欠压保护功能和工作模式切换功能。

4    结语

本文主要对传统的太阳能路灯进行改造，利用高速的流动空气来改变雨水的运动轨迹，实现无雨走道的功能。具体的做法：先进行空气压缩，并将压缩后的气体从灯杆的底部送入，从灯杆的顶部喷出，气流在灯杆的上部形成一道气幕，起到伞盖的作用，气幕的大小可以自动根据雨量的大小进行调节。主控芯片采用的是ATMEGA16，采用的能源主要是太阳能，也可以进行市电之间进行切换。蓄电池采用了直充、浮充和涓充3种充电形保护式，并具有过压、欠压等保护功能。

[参考文献]

[1]尚冬梅，刘党军，韩娟，等.太阳能路灯控制器的设计[J].信息通信，2016（1）：85-86.

[2]贺廉云.太阳能路灯的控制电路设计[J].智能计算机与应用，2016（5）：53-54.

[3]曹莹.基于Atmega48太阳能路灯控制器研究[J].电子设计工程，2012（11）：20.

[4]庞腾飞.多功能空气屏障雨伞设计说明[J].时代金融，2018（3）：333.

[5]王东锋，王会良，董冠强.单片机C语言应用100例[M].北京：电子工业出版社，2010.