CN211773246U - 一种太阳能道路自动洒水装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能道路自动洒水装置，包括单片机、温湿度检测模块、灰尘检测模块、人体红外感应模块、LCD显示模块、按键模块、太阳能采集模块和水泵控制模块；温湿度检测模块和灰尘检测模块将测量到的数据通过单总线传输给单片机，单片机将转换后的数据传输给水泵控制模块控制是否洒水。人体红外感应模块将检测到行人的信息传输给所述单片机，单片机通过水泵控制模块控制水泵停止洒水。避免了洒水车的道路占用，减轻了交通压力；根据道路周围温度、湿度、PM2.5浓度和行人等环境因素，控制洒水量和洒水时机，有效避免了因洒水时喷溅而对市民带来的不便和困扰；利用太阳能供电，节能环保；节省人力物力，高效合理地进行道路清洁。

Description

一种太阳能道路自动洒水装置

技术领域

本实用新型涉及道路自动洒水装置，尤其涉及一种太阳能道路自动洒水装置。

背景技术

目前国内大部分城市的道路洒水工作仍然依靠人工驾驶洒水车进行作业，在安排洒水车进行洒水作业时，不能根据道路周围环境及时合理地实施洒水，存在作业成本高和效率低等问题。此外，洒水车在作业时不能顾及周围路况，经常会出现喷湿行人的现象，对人民的生活带来很多的不便和安全隐患，造成资源的浪费。

为了解决城市洒水车的作业成本高、效率低、对行人出行造成影响等问题，科研人员努力研究新型的道路洒水方式，目前主要集中在两个研究方向：新型无人洒水车和城市道路自动洒水装置。道路自动洒水装置相比无人洒水车，不仅能够更好的实施洒水，还能够减少道路占用和尾气排放。骆恩震在其申请的专利“路灯杆洒水装置”(申请号：2007203064725，授权公告号：CN201124138)公开了一种路灯杆洒水装置，该装置在道路边站立的路灯杆上安装喷水头，喷水头与水管连接，水管另一端与电磁阀连接，电磁阀另一端与自来水管连接，电磁阀具有控制洒水开关的功能。当需要进行洒水作业时，只需人工打开电磁阀，便可开始实施洒水。该装置替代了道路洒水车，避免了洒水车的道路占用，减轻了交通压力。该装置仍然需要工作人员观察道路情况来控制洒水开关。陈翔宇在其申请的专利“城市道路隔离带环保自动洒水系统”(申请号：2010201508545，授权公告号：CN201605559U)公开了一种城市道路隔离带环保自动洒水系统。该系统在隔离带上安装喷嘴，并且将水阀与供水系统连通，利用与水阀连接的控制装置设置洒水时间，实现了自动洒水的功能。该装置可达到一次投入、长期使用的效果，能够有效节约成本，降低费用。但是上述公开的两种道路洒水系统都不能实时检测道路周围环境状况以适时适量的进行洒水。长安大学其申请的专利“一种路面洒水装置”(申请号：2012207470593，授权公告号：CN203129068U)公开了一种路面洒水装置，该装置在普通自动洒水装置的基础上，添加了STC12单片机作为检测核心，同时设置了用于检测路面湿度的HS1101传感器；本装置通过HS1101湿度传感器实时检测道路湿度情况，可以根据路面干湿度，利用单片机控制洒水时间；该装置增加了温湿度检测功能，通过感应到的路面湿度变化，继而控制洒水系统及时缓解环境干燥问题，同时也避免了由于不必要的洒水而导致路面过度潮湿、积水的现象；但该装置仍需要外接供电电源。

实用新型内容

实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种太阳能供电道路自动洒水装置。

技术方案：本实用新型包括单片机、温湿度检测模块、灰尘检测模块、人体红外感应模块、LCD显示模块、按键模块、太阳能采集模块和水泵控制模块；所述温湿度检测模块将数据通过单总线传输给单片机主控模块进行处理；所述温湿度检测模块和所述灰尘检测模块将测量到的数据传输给所述单片机，所述单片机将转换后的数据传输给水泵控制模块，所述水泵控制模块控制是否洒水。所述人体红外感应模块将检测到行人的信息传输给所述单片机，所述单片机通过水泵控制模块控制水泵停止洒水。

所述温湿度检测模块测量道路的周围温度值和湿度值；所述灰尘检测模块包括PM2.5浓度传感器和PM10浓度传感器；所述PM2.5浓度传感器用来检测道路周围空气中的小粒径颗粒含量，所述PM10浓度传感器用来检测道路周围空气中的大粒径颗粒含量；所述单片机内部有12位ADC模数转换器；所述PM2.5浓度传感器和PM10浓度传感器分别与所述单片机内的ADC模数转换器相连接。

所述按键模块用来设定在良好的道路环境下温度、湿度和PM2.5与PM10浓度的正常范围值；所述LCD显示模块采用液晶显示屏，显示所述温湿度检测模块、所述灰尘检测模块测得的数据值和所述按键模块设定温湿度、灰尘浓度的阈值；所述太阳能采集模块为供电电源，由多晶硅太阳能电池板和稳压电路组成；所述多晶硅太阳能电池板将采集到的太阳能转化为电源，所述稳压电路进行降压。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型用代替洒水车进行道路洒水工作，避免了洒水车的道路占用，减轻了交通压力；根据道路周围温度、湿度、PM2.5浓度和行人等环境因素，控制洒水量和洒水时机，有效避免了因洒水时喷溅而对市民带来的不便和困扰；在阳光充足的情况下利用太阳能进行供电，节能环保；节省人力物力，高效合理地进行道路清洁，利于创造美好的城市道路环境。

附图说明

图1为本实用新型的硬件结构框图；

图2为本实用新型的9V转5V降压稳压电路图；

图3为本实用新型的5V转3.3V降压稳压电路图；

图4为本实用新型的单片机主控电路图；

图5为本实用新型的温湿度检测模块电路图；

图6为本实用新型的PM2.5检测模块电路图；

图7为本实用新型的PM10检测模块电路图；

图8为本实用新型的人体红外感应模块电路图；

图9为本实用新型的LCD显示模块电路图；

图10为本实用新型的水泵驱动电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型技术方案做进一步说明。

(1)电源电路：电源电路为道路自动洒水控制装置中的单片机主控模块、温湿度检测模块、PM2.5检测模块、PM10检测模块、人体红外感应模块和水泵控制模块等电路进行供电。由于天气晴朗时，气温较高、环境相对干燥，路面上更加容易产生扬尘，灰尘在空气中的传播速度也会更快，因此该装置大多工作在太阳光比较充足的时候，因此能够采用太阳能进行供电。

电源电路由9V转5V稳压电路和5V转3V稳压电路两部分组成。道路自动洒水控制装置中LCD1602显示模块、PM2.5传感器、PM10传感器、人体红外感应传感器和水泵电路的工作电源为5V。在阳光充足的情况下，太阳能电池饱和输出电压大概在9V左右，所以不能直接用太阳能电池进行供电，因此需要设计9V转5V降压稳压电路。9V转5V降压稳压电路图如图2所示。该电路的核心是DC-DC降压型转换器LM7805，用于电源降压并提供稳定的直流电源。LM7805是工业电源中常用的三端稳压芯片。BT1为太阳能硅光电池，IN引脚为该芯片电压输入端口，BT1端的输出电压经过滤波电容C13和C14输入到引脚IN。GND引脚是接地端口。OUT引脚是LM7805输出端口，与滤波电容C15、C16和C17组成的电源滤波网络相连，用于输出5V稳定直流电压，可以作为LCD1602显示模块和各种传感器的工作电源。

由于STM32F103C8单片机需要3.3V供电，所以本实用新型需要5V转3.3V的降压电路，其降压稳压电路图如图3所示。XC6206-33是三引脚低压差大电流稳压器，可以将9V转5V稳压电路提供的5V电压，转换成可以供STM32F103C8单片机直接使用的3.3V电压。GND引脚是芯片的接地端口，与STM32单片机接地。VOUT引脚是芯片的输出端口，直接输出3.3V电源可供单片机直接使用。此外，稳压芯片XC6206的Vin引脚外接10μF的极性电容C6和100nF的瓷片电容C7，稳压芯片XC6206的VOUT引脚外接10μF的极性电容C8和两个100nF的瓷片电容C9与C10，用于为输入和输出部分电源滤波。

(2)STM32单片机主控电路：STM32F103C8单片机主控电路是太阳能供电的道路自动洒水装置进行环境检测和洒水控制的核心。STM32单片机具有18个带有12位ADC模数转换器的信号采集通道，可直接接收各传感器采集的模拟数据并进行处理。

STM32单片机主控电路如图4所示。STM32单片机的引脚即OCS_OUT和OSC_IN是外接晶振的输出和输入端，连接一个8MHz晶振Y1，晶振Y1与两个20pF稳频电容C11和C12构成的外部高速时钟电路，可以经过单片机内部锁相环倍频，作为单片机工作时钟，其中R9为1M欧姆电阻用于高频时钟电路的阻抗匹配。单片机主控电路由5V转3.3V稳压电路供电。STM32单片机的NRST引脚是外部复位端口。按键S1、电阻R6和电容C2组成的外部复位电路与NRST引脚连接。电阻R6为上拉电阻，和电容C2用于消除抖动。当按键S1按下，产生两个周期以上的复位脉冲时，NRST引脚被拉低产生外部硬件复位信号。引脚VSS_1是单片机模拟电源地端口。VDD_1引脚是模拟电源，经过电容C3进行电源滤波后与单片机的电源引脚相接。引脚VDD_2连接电容C1可以使外接电源更加精准，作为单片机的ADC或DAC的参考电压。

(3)温湿度检测模块电路：温湿度传感器是自动洒水装置进行环境检测的重要组成部分，用于检测道路周围空气的温湿度情况。本实用新型选择DHT11传感器作为温湿度检测模块。DHT11共有四个引脚，引脚1是传感器的供电端，直接接5V电源。引脚2是传感器的单总线16位串行数字输出端，负责输出检测到的模拟信号，引脚2与单片机的PA9引脚相连，将模拟信号传输到单片机ADC12_IN16输入通道，转换为数字信号输出，作为控制继电器通断的依据之一。R2为10KΩ的上拉电阻，其阻值是电源电压和输出电流的比值，用来保证输出电压的稳定。引脚3为空脚，所以悬空；引脚4为接地端，连接电源负极。温湿度检测模块的电路图如图5所示。

(4)灰尘检测模块电路：灰尘检测模块由PM2.5检测模块和PM10检测模块两部分组成，PM2.5检测模块如图6所示。本装置采用GP2Y1010AU0F传感器实时检测洒水装置旁道路周围的空气中不可见扬尘颗粒物(即PM2.5)的浓度，又称为雾霾传感器。其检测原理就是检测空气中颗粒物对光线的散射程度进行判断颗粒浓度：空气中的微粒和分子会产生光的散射现象，光强大小和电信号成正比，只需要检测电信号就可以测定颗粒物的浓度。其内部对角布置了一对光电晶体管，利用这种结构可以探测到空气中灰尘的反射光。

GP2Y1010AU0F模块的供电电压为5V，电阻R7为内部发光二极管的限流电阻，其阻值由供电电压和内部发光二极管的工作电流决定。电容C4为220μF的滤波电容，滤除电源开启时内部发光二极管工作中的高次谐波。GP2Y1010AU0F模块引出了内部发光二极管的控制接口LED和V-LED，分别对应引脚3和引脚1。引脚2和引脚4分别是发光二极管和数据输入端的接地线，引脚6连接电源。引脚3是内部发光二极管频率控制口，STM32单片机的PB2脚通过开关三极管Q2与该引脚相连，调整内部发光二极管脉冲工作频率以适应PM2.5光学检测。其引脚5和单片机的PA10引脚连接，将实时检测到的PM2.5颗粒物浓度通过OUT引脚，输出相应的模拟电压信号，传输给单片机，经过A/D转换和公式计算后得出此时的PM2.5浓度，并通过LCD1602进行显示。

DSL-08传感器可以实时检测洒水装置旁道路周围空气中的可见扬尘颗粒物(即PM10)的浓度，又称为扬尘传感器。DSL-08浓度传感器的工作原理类似于GP2Y1010AU0F浓度传感器。不同于PM2.5浓度传感器的是，该PM10浓度传感器内部光源的是由光纤激光器产生的，比普通LED光源精度更高。该传感器输出的不是颗粒物浓度的模拟信号，而是以串口通信方式给STM32单片机传输的颗粒物浓度数字信号。该模块与STM32F103C8T6单片机串口接口连接方法如图7所示。

DSL-08传感器引脚1连接电源，引脚2是该传感器的地线。其引脚3是传感器开关机状态控制口，高电平或悬空为正常工作状态，低电平为关机状态。该模块将实时检测到的空气中PM10颗粒物浓度值通过串口3传输给单片机，DSL-08传感器的RXD引脚和TXD引脚是串口通信的数据与地址的接收和发送端口，分别与单片机的PB10/TX3和PB11/RX3引脚相连接(STM32F103C8T6单片机的串口3)，其中单片机的PB10/TX3引脚为发送端，PB11/RX3引脚为接收端。

(5)人体红外感应模块电路：本实用新型采用DYP-ME003热释电传感器作为人体红外感应模块，用于检测洒水装置周围是否有行人通过。其工作原理是：人体都有恒定的体温会发出特定波长10μm左右的红外线，被该传感器内部的菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应镜头上；红外感应镜头为热释电元件，接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检测处理后就能产生由人体存在的信号。

单片机的PA11脚通过电阻R1、R3和开关三极管Q1组成的逻辑开关电路与传感器OUT引脚相连，组成整个人体红外感应模块电路。当人体红外感应模块检测到有人在检测范围内时，OUT脚持续传输高电平，开关三极管Q1导通，向单片机PA11端输出低电平；当检测到行人离开时，OUT脚会延时一段时间后再转变为输出低电平，开关三极管Q1断开，向单片机PA11端输出高电平。人体红外感应模块电路图如图8所示。

(6)LCD显示模块电路：LCD显示模块电路不仅用于显示各传感器测量的环境数据(温湿度、PM2.5和PM10浓度数据)，而且可以实现按键功能可视化操作。本电路采用LCD1602液晶显示模块，可以由STM32单片机直接驱动。

LCD1602液晶显示模块电路如图9所示。该模块采用并行接口连接方式，其接口有GND，VCC，CS，RS，R/W，A/K，D0～D7。引脚1是GND电源接地引脚，引脚2是VCC电源输入引脚，其工作电压为5V。引脚3—VO引脚连接电位器RT1再接入电源两端，可以用来调节显示屏的显示亮度。引脚4—RS引脚连接单片机的PC13引脚，用于寄存器的选择：高电平时作为数据寄存器，低电平时作为指令寄存器。引脚5是RW读写信号，连接单片机的PC14引脚，用于数据的读写控制：高电平时作为数据/命令读取，低电平时作为数据/命令写入。引脚6—EN引脚为使能端，与单片机的PC15引脚相连，高电平读取信息，低电平执行指令。引脚7～14是8位双向数据/命令传输口，分别连接单片机的PA0～PA7引脚，负责单片机和显示模块的数据/命令传输。引脚15和引脚16是背景灯的电源引脚，分别连接电源的正极和负极。

(7)水泵控制模块电路：水泵控制模块电路负责控制水泵开启的开关，由继电器和保护电路组成，其电路图如图10所示。继电器JDQ-5具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系，通常应用于自动化的控制电路中，需要较强的电流驱动，可作为控制水泵电源通断的开关。继电器的引脚1为控制端，引脚2为接地端，引脚3为公共端，引脚4和引脚5分别为常开端和常闭端。在继电器未工作状态下，内部的电磁阀未吸合，引脚3和引脚4相连，即处于常开状态；在继电器工作时，内部的电磁阀吸合，引脚3和引脚5相连，即处于闭合状态。

J3为水泵回路的接口，分别与继电器的公共端和常开端相连。STM32单片机的PA12引脚与三极管Q3的基极相连，用于控制继电器开关。当STM32单片机的引脚PA12输出低电平时，三极管Q3导通产生较强的驱动电流，控制继电器进入闭合状态，继电器的引脚3和引脚5导通，继而水泵回路导通；当STM32单片机的引脚PA12输出高电平时，开关三极管Q3截止，继电器不工作，继电器的引脚3和引脚5不连通，继而水泵回路断开。LED灯与1K限流电阻R4组成继电器的工作指示电路，继电器工作时LED点亮，反之处于熄灭状态。二极管D1为IN4148用于保护继电器，防止电路的损坏。

Claims (8)

1.一种太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：包括单片机、温湿度检测模块、灰尘检测模块、人体红外感应模块、LCD显示模块、按键模块、太阳能采集模块和水泵控制模块；所述温湿度检测模块将数据通过单总线传输给单片机主控模块进行处理；所述温湿度检测模块和所述灰尘检测模块将测量到的数据传输给所述单片机，所述单片机将转换后的数据传输给水泵控制模块，所述水泵控制模块控制是否洒水，所述人体红外感应模块将检测到行人的信息传输给所述单片机，所述单片机通过水泵控制模块控制水泵停止洒水。

2.根据权利要求1所述的太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：所述温湿度检测模块测量道路的周围温度值和湿度值。

3.根据权利要求1所述的太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：所述灰尘检测模块包括PM2.5浓度传感器和PM10浓度传感器；所述PM2.5浓度传感器用来检测道路周围空气中的小粒径颗粒含量，所述PM10浓度传感器用来检测道路周围空气中的大粒径颗粒含量。

4.根据权利要求1所述的太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：所述单片机内部有12位ADC模数转换器。

5.根据权利要求3所述的太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：所述PM2.5浓度传感器和PM10浓度传感器分别与所述单片机内的ADC模数转换器相连接。

6.根据权利要求1所述的太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：所述按键模块用来设定道路环境温度、湿度和PM2.5与PM10浓度的范围值。

7.根据权利要求1所述的太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：所述LCD显示模块采用液晶显示屏，显示所述温湿度检测模块、所述灰尘检测模块测得的数据值和所述按键模块设定温湿度、灰尘浓度的阈值。

8.根据权利要求1所述的太阳能道路自动洒水装置，其特征在于：所述太阳能采集模块为供电电源，由多晶硅太阳能电池板和稳压电路组成；所述多晶硅太阳能电池板将采集到的太阳能转化为电源；所述稳压电路进行降压。

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