摘要：在夏季陽光直射下露天停放汽車內(nèi)，由于“孤島效應(yīng)”，車內(nèi)氣溫持續(xù)升高，高溫易導(dǎo)致車輛自然，也使進(jìn)入車內(nèi)駕駛者感到非常酷熱。針對(duì)上面的問題設(shè)計(jì)了一款基于太陽能電池供電的駐車空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)智能控制蓄電池的充放電;根據(jù)車內(nèi)溫度控制風(fēng)機(jī)的功率，通過實(shí)現(xiàn)車內(nèi)外空氣交換循環(huán)使車內(nèi)溫度始終保持適宜狀態(tài)，而且可以通過手機(jī)GSM遠(yuǎn)程操控。經(jīng)過不斷地測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能，安裝簡(jiǎn)單方便，解決了夏季開車的煩惱，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的社會(huì)效益。

　　關(guān)鍵詞：孤島效應(yīng);太陽能供電;智能控制;GMS遠(yuǎn)程操控;節(jié)能減排

　　1概述

　　太陽能利用技術(shù)是汽車空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)，國內(nèi)的各大汽車制造商應(yīng)該抓住機(jī)遇，在太陽能汽車空調(diào)上進(jìn)行創(chuàng)新研究，目前汽車上的太陽能空調(diào)主要是將太陽能所轉(zhuǎn)換的電能用于空調(diào)。香港理工大學(xué)科研人員和工業(yè)界合作開發(fā)成功一種太陽能驅(qū)動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)并完成了一系列道路試驗(yàn)[1]。奇瑞汽車股份有限公司研發(fā)一項(xiàng)專利，主要關(guān)于太陽能天窗對(duì)車廂內(nèi)溫度調(diào)節(jié)裝置，太陽能天窗上安裝太陽能電池板，給半導(dǎo)體空調(diào)供電實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。

　　日本的本田與日產(chǎn)公司都研制了應(yīng)用太陽能的電動(dòng)汽車，太陽能用于為車載空調(diào)及其他車載設(shè)備提供輔助電源。相比其他領(lǐng)域，太陽能汽車空調(diào)領(lǐng)域是新興行業(yè)，處于起步階段，截根據(jù)電能的利用方式不同，其制冷方式主要有兩種：一種是利用電能帶動(dòng)壓縮機(jī)工作制冷，另一種是將產(chǎn)生的電能應(yīng)用到半導(dǎo)體制冷，主要涉及以下四個(gè)技術(shù)內(nèi)容：汽車空調(diào)用太陽能電池;太陽能半導(dǎo)體空調(diào);太陽能天窗空調(diào)及利用太陽能熱能結(jié)合余熱驅(qū)動(dòng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)[2-4]。

　　汽車的空調(diào)系統(tǒng)早已經(jīng)成為汽車中舉足輕重的功能部件，但是大多數(shù)汽車的空調(diào)系統(tǒng)只有在汽車啟動(dòng)后，通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)，在炎熱的夏季，陽光直射下露天停放汽車內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作無法為空調(diào)系統(tǒng)提供電能，伴隨著太陽光的強(qiáng)烈照曬，密閉車內(nèi)空氣溫度會(huì)急劇升高，由此產(chǎn)生“孤島”效應(yīng)。高溫易導(dǎo)致車輛自然，也使進(jìn)入車內(nèi)駕駛者感到非常酷熱。

　　意外被鎖在汽車內(nèi)的孩童導(dǎo)致高溫死亡事件的常見報(bào)到發(fā)生，可見在車輛熄火情況下保持車內(nèi)溫度適宜尤為重要。基于上面的問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于太陽能電池供電的駐車空調(diào)系統(tǒng)，智能控制太陽能電池對(duì)蓄電池的充放電;根據(jù)車內(nèi)溫度控制風(fēng)機(jī)的功率，通過實(shí)現(xiàn)車內(nèi)外空氣交換循環(huán)使車內(nèi)溫度始終保持適宜狀態(tài)，而且可以通過手機(jī)GSM遠(yuǎn)程操控。該系統(tǒng)減少依靠燃油發(fā)電的汽車自身空調(diào)系統(tǒng)的使用，減少汽車尾氣的排放，最終達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的[5]。

　　2駐車空調(diào)系統(tǒng)框圖及介紹

　　處于中間位置的是STM32主控芯片，OLED顯示模塊與主控芯片連接提供各種狀態(tài)信息的顯示;GSM通訊模塊用于手機(jī)端的控制、信息的交互和系統(tǒng)狀態(tài)的傳輸;測(cè)溫模塊與主控芯片的ADC模塊相連，用于溫度的監(jiān)測(cè);太陽能電池板、充放電控制電路、蓄電池以及蓄電池容量檢測(cè)電路組成了電能提供系統(tǒng);繼電器在系統(tǒng)中充當(dāng)開關(guān)作用;調(diào)速控制電路與主芯片的PWM相連，同時(shí)與排風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)組成了風(fēng)冷和空氣交換系統(tǒng)。

　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　空調(diào)控制系統(tǒng)的處理器芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103C8T6，它是是一款基于ARMCortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，需要電壓2V~3.6V，具有優(yōu)點(diǎn)：一流的外設(shè)1μs的12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度;低功耗在72MHz時(shí)消耗36mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機(jī)時(shí)下降到2μA。由于采用蓄電池供電，其電壓為12V，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路為主控芯片提供3.3V電壓。

　　3.2溫度監(jiān)測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

　　溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)熱敏電阻，它的特性為隨著外界溫度變化其本身阻值發(fā)生相應(yīng)改變[6]。本設(shè)計(jì)采用pt100鉑電阻作為溫度傳感器，其中端子P17用于連接溫度傳感器，當(dāng)車內(nèi)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的電阻值將發(fā)生改變，導(dǎo)致其兩端電壓發(fā)生改變，經(jīng)過RC濾波電路和分壓電路后，得到了比較穩(wěn)定的電壓信號(hào)，再將此信號(hào)輸入到主芯片STM32的ADC模塊。主芯片STM32根據(jù)采樣得到的ADC值與以及通過實(shí)驗(yàn)得到的溫度傳感的V-T的近似函數(shù)關(guān)系如公式所示，可以根據(jù)采集得到電壓值推導(dǎo)出當(dāng)前傳感器測(cè)定的溫度值。

　　3.3調(diào)速模塊電路設(shè)計(jì)

　　駐車空調(diào)系統(tǒng)是利用空氣交換和風(fēng)冷的原理，使車內(nèi)溫度與外界環(huán)境溫度近似相等，進(jìn)而使人剛進(jìn)入車內(nèi)時(shí)，不至于因太陽光長期照射密閉空間而導(dǎo)致溫度過高使人產(chǎn)生不適感。由于空調(diào)箱體的鼓風(fēng)機(jī)為有刷直流電機(jī)，因此可以應(yīng)用PWM輸出控制驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊，所以當(dāng)單片器STM32系統(tǒng)輸出不同占空比、不同頻率的PWM信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和轉(zhuǎn)速的控制[7]。

　　3.4太陽能電池板與蓄電池容量的選型

　　太陽能電池板是一種能將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電半導(dǎo)體薄片。電池板太陽能電池板有多種，通常是單晶和多晶電池板[7]。因?yàn)檐図斢谢⌒危瑒傂缘奶�陽能板不好安裝，因此選擇半柔性太陽能板，半柔性使得很薄而且縱向有柔性可以彎曲，正好符合貼在車頂上的需求。

　　本設(shè)計(jì)選用了兩片半柔性單晶太陽能電池板，每片功率為80W，尺寸(1250*400mm)，峰值電壓18V，開路電壓22V，峰值電流4.44A，考慮到風(fēng)機(jī)輸出峰值功率接近240瓦，直接由太陽能電池板直接供電無法滿足功率要求，因此先要通過太陽能電池向鉛酸蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存，鉛酸蓄電池再為空調(diào)系統(tǒng)提供電能，考慮輸出功率選擇鉛酸蓄電池選用12V/100AH。使用中要了解其SOC(Stateofcharge)，即荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，用百分?jǐn)?shù)表示，根據(jù)常見12V電池充放電特性曲線[8]。

　　3.5電池電量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　考慮到蓄電池過放會(huì)導(dǎo)致蓄電池的壽命降低，系統(tǒng)會(huì)不斷的對(duì)蓄電池內(nèi)電能容量進(jìn)行采集，通過分壓電路和RC濾波電路后得到穩(wěn)定的電壓值，將穩(wěn)定的電壓值輸入到STM32內(nèi)部的ADC模塊內(nèi)進(jìn)行分析，當(dāng)電壓值低于預(yù)設(shè)值(10.7V)[9]時(shí)，切斷供電裝置，以保護(hù)蓄電池過放電。

　　3.6繼電器模塊電路設(shè)計(jì)

　　繼電器在系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)受控的開關(guān)，當(dāng)輸入端Relay1輸入的是高電平，三極管U2導(dǎo)通，線圈中有電流流過，使鐵芯產(chǎn)生磁力，吸引開關(guān)K1由2端轉(zhuǎn)向3端;當(dāng)輸入端Relay1輸入的是低電平，三極管U2截止，線圈中沒有電流流過，沒有磁力產(chǎn)生，故開關(guān)K2由3轉(zhuǎn)向2，特別注意在開關(guān)關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)過電壓，要安裝設(shè)計(jì)線圈的續(xù)流二極管。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1軟件總體設(shè)計(jì)

　　當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)初始化后，會(huì)判斷手機(jī)端是否傳送有效字符串對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行有效操控，然后會(huì)對(duì)檢測(cè)蓄電池容量，以確保蓄電池沒有過放，如果蓄電池容量低于預(yù)設(shè)值，繼電器和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉，電池充電;如果蓄電池容量充足，會(huì)進(jìn)行對(duì)車內(nèi)溫度進(jìn)行采集，判斷車內(nèi)溫度是否高于預(yù)設(shè)值，如果高于預(yù)設(shè)值，會(huì)控制繼電器開啟，風(fēng)機(jī)開始工作;如果低于預(yù)設(shè)值，會(huì)控制繼電器關(guān)閉，風(fēng)機(jī)停止工作。

　　4.2GMS通信模軟件設(shè)計(jì)

　　我們?cè)谠撓到y(tǒng)中嵌入了一個(gè)GSM通信模塊，該模塊可以與用戶的手機(jī)進(jìn)行信息交互。STM32系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)來自手機(jī)端的指令，并進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的目的，節(jié)省了許多時(shí)間;系統(tǒng)也可以將自身狀態(tài)參數(shù)通過STM32主控芯片發(fā)送到手機(jī)端，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)能夠盡快的解決，大大減小了意外的發(fā)生，并可以根據(jù)用戶個(gè)人喜好調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度，提高用戶可操控性。

　　結(jié)束語

　　該系統(tǒng)完成了樣機(jī)制作，經(jīng)過測(cè)試完成了預(yù)設(shè)的功能，由于采用太陽能供電，大大節(jié)省了汽車的燃油，采用排風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)車內(nèi)外空氣交換循環(huán)使車內(nèi)溫度始終保持適宜狀態(tài)，GMS通訊模塊的增加控制上的方便。相信不久的將來，太陽能電池和半導(dǎo)體制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，從而代替現(xiàn)有的汽車壓縮制冷空調(diào)，減少尾氣及有害制冷劑的排放，解決對(duì)大氣污染影響嚴(yán)重的問題。

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　　環(huán)境方向評(píng)職知識(shí)：怎么在《資源節(jié)約與環(huán)保》上發(fā)表文章

　　《資源節(jié)約與環(huán)保》(月刊)創(chuàng)刊于2005年，是天津市經(jīng)委主管、天津市節(jié)能協(xié)會(huì)主辦的全國公開發(fā)行刊物。本刊堅(jiān)持“質(zhì)量第一，讀者至上”的辦刊宗旨，關(guān)注我國能源經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，報(bào)道能源與節(jié)能領(lǐng)域最新科研成果;發(fā)表能源與節(jié)能工作者的學(xué)術(shù)論文、技術(shù)專利;介紹國內(nèi)外能源開發(fā)與節(jié)能新技術(shù);推廣節(jié)能減排、節(jié)能環(huán)保的典型經(jīng)驗(yàn);同時(shí)為從事教育、管理、科研、以及廣大一線工作的技術(shù)人員就能源、環(huán)保及節(jié)能相關(guān)問題提供了一個(gè)政策研討、理論交流及節(jié)能和環(huán)保等新技術(shù)推廣的平臺(tái)。