太陽能供熱地板模塊的設(shè)計(jì)與研究

葉 沙，李媛媛

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

太陽能供熱地板模塊的設(shè)計(jì)與研究

葉 沙，李媛媛

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

以設(shè)計(jì)研發(fā)一款太陽能供熱地板模塊為研究對(duì)象，此模塊以單片機(jī)STC12C5A60S2作為核心，太陽能電池板、蓄電池、電加熱板、強(qiáng)化復(fù)合地板和散熱材料為構(gòu)件搭建一個(gè)太陽能集熱控制系統(tǒng)，安裝有顯示屏、按鍵控制器，通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作及溫度控制。地板具有快速安裝、拆卸，運(yùn)輸便捷的特點(diǎn)，由太陽能獨(dú)立供電，后期可根據(jù)具體使用場(chǎng)景進(jìn)行外形和控制關(guān)系等方面的改造、升級(jí)、具有一定創(chuàng)新價(jià)值和應(yīng)用前景。

太陽能供熱；供熱地板；集熱；單片機(jī)；溫度控制?

太陽能作為可再生新型能源是應(yīng)對(duì)能源短缺的選擇之一，大規(guī)模利用能減少對(duì)化石能源的依賴。太陽能發(fā)電利用太陽能電池光生伏打效應(yīng)，直接將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能。電加熱技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換方式，有助于實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制，且熱效率高，不產(chǎn)生殘余物。

傳統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)通常將太陽能電池組集中安裝在室外，白天陽光充足時(shí)發(fā)電系統(tǒng)向蓄電池充電；夜晚或陽光不充足時(shí)發(fā)電系統(tǒng)將蓄電池存儲(chǔ)的電能逆變放電，實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。系統(tǒng)控制器連接不同器件，實(shí)現(xiàn)控制各器件之間儲(chǔ)電，供電等工作關(guān)系。通常獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)場(chǎng)所，系統(tǒng)內(nèi)的各組件相互分離，在安置初期需要繁瑣的搭建、安裝、線路鋪設(shè)等過程，若此住所需要時(shí)常遷移，則傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就顯現(xiàn)出一定的弊端。本設(shè)計(jì)太陽能供熱地板模塊針對(duì)的使用環(huán)境主要為需要不定期移動(dòng)，要求能快速拆卸、搭建，以及在特定環(huán)境下需要供暖。此地板模塊獨(dú)立工作的整合方式，符合相關(guān)需求。

1 基本原理及設(shè)計(jì)思路

本供熱地板模塊主要部件有太陽能電池板、蓄電池、加熱板、控制電路和芯片。整體構(gòu)想是地板一面是太陽能電池板，在白天或光照充足時(shí)，此面向上，地板置于室外，吸收光能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存于內(nèi)部蓄電池中。夜晚或光照不充足時(shí)地板置于室內(nèi)，另一面是木地板，其內(nèi)部面接觸電加熱板，此面向上，由控制開關(guān)開啟，蓄電池開始為加熱板供電，加熱板通過地板散熱為房間供熱?？傮w構(gòu)成，具體功能，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

太陽能電池板把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存于蓄電池中并可向電加熱板供電，蓄電池會(huì)持續(xù)輸出大小合適的直流電讓電加熱板不斷升溫，熱量會(huì)通過接觸在電加熱板上的散熱層及木地板輻射至室內(nèi)空氣達(dá)到供暖目的。控制器有溫度控制功能，手動(dòng)輸入預(yù)設(shè)溫度，溫度值顯示在控制器的顯示屏上，單片機(jī)依據(jù)溫度傳感器讀取的加熱板溫度和預(yù)設(shè)溫度比較，繼而控制加熱電路的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)加熱溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)溫度的目的，體現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)自動(dòng)化、智能化的特點(diǎn)。本供熱系統(tǒng)具有簡(jiǎn)便、可控、直觀等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了利用太陽能光伏發(fā)電以及供熱的目的。

2.1 系統(tǒng)主要部件

（1）單片機(jī)?？刂破餍枰獙?shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)與控制，電路關(guān)斷與導(dǎo)通，使用單片機(jī)STC12C5A60S2的電路能達(dá)到這些功能。單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集的溫度和預(yù)設(shè)溫度比較，控制電路使負(fù)載溫度保持在預(yù)設(shè)溫度，達(dá)到控制加熱板溫度的目的。

（2）太陽能電池板。太陽能電池組成結(jié)構(gòu)是P型與N型半導(dǎo)體，具有將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存于蓄電池或是直接為直流負(fù)載提供電流的特性。本設(shè)計(jì)選用12V、60W單晶太陽能電池板，滿足本系統(tǒng)需要。

（3）蓄電池。蓄電池能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存電能，也能向負(fù)載提供合適的電能，是能夠逆向的低壓直流電源。較其它器件更加符合本系統(tǒng)的特性是：①維護(hù)成本低；②充電效率高；③工作溫度范圍廣。本設(shè)計(jì)選取12V，20AH，6.0AMAX鉛酸蓄電池，滿足本系統(tǒng)需要。

（4）電加熱板。電加熱板發(fā)熱原料是電熱合金絲，表面覆蓋著用來輻射熱量的材料。本設(shè)計(jì)選用12V，30W硅橡膠加熱板，可控溫度為0～50℃內(nèi)，滿足本系統(tǒng)需要。

（5）地板。強(qiáng)化復(fù)合地板的穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)牢固，適用于安裝地暖的室內(nèi)環(huán)境。本設(shè)計(jì)選用耐高溫強(qiáng)化復(fù)合地板,滿足本系統(tǒng)需要。

（6）阻燃材料。阻燃橡膠墊是由高分子聚合劑、防火劑等材料，由高溫高壓聚合后產(chǎn)生的一類粘接材料，有極好的自熄性和阻燃性。本設(shè)計(jì)選用阻燃橡膠墊置于電加熱板與木板、控制器接觸處，以防加熱板高溫造成內(nèi)部其他部件損壞。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

控制器硬件電路由單片機(jī)、按鍵控制模塊、溫度檢測(cè)模塊、顯示屏模塊、指示燈模塊、恒流恒壓模塊、過充過放保護(hù)模塊、防反充模塊構(gòu)成。

（1）按鍵控制模塊。按鍵控制模塊由四個(gè)按鍵構(gòu)成，為系統(tǒng)輸入設(shè)備，根據(jù)觸發(fā)命令令系統(tǒng)電路導(dǎo)通或關(guān)閉或達(dá)到相應(yīng)加熱溫度。本系統(tǒng)四個(gè)按鍵均為單按鍵電路，即按鍵電路和單片機(jī)I/O口線連接構(gòu)成閉合電路。按鍵設(shè)計(jì)模式：①選擇模式A，控制充電電路導(dǎo)通或截止，按S2，STC12C5A60S2的 P2.4置成低電平，充電電路導(dǎo)通，太陽能板開始為蓄電池充電。再按S2，P2.4置成高電平，充電電路截止，太陽能板停止為蓄電池充電。②選擇模式B，控制加熱電路導(dǎo)通或截止，按S3，STC12C5A60S2的P2.5置成低電平，加熱電路導(dǎo)通，蓄電池為直流負(fù)載提供穩(wěn)定電源。再按S3，P2.5置成高電平，放電電路截止，蓄電池停止向負(fù)載供電。③溫度調(diào)節(jié)，按下S4，STC12C5A60S2的P2.6置成低電平，設(shè)定溫度值加1；按下S5，STC12C5A60S2的P2.7置成低電平，設(shè)定溫度值減1。

（2）溫度檢測(cè)模塊。溫度檢測(cè)模塊采用了溫度傳感器DS18B20，其特殊的單線接口方式，使其有測(cè)溫精確、低功耗優(yōu)勢(shì)，滿足本系統(tǒng)需求。

（3）顯示屏模塊。本系統(tǒng)選用0.96寸SPI接口OLED顯示屏模塊，預(yù)設(shè)溫度、溫度傳感器、電量檢測(cè)模塊由單片機(jī)處理送至液晶顯示電路，在屏上顯示預(yù)設(shè)溫度，當(dāng)前溫度，電池電壓信息。

（4）指示燈模塊。本設(shè)計(jì)有三處LED指示燈，第一處是充電狀態(tài)指示燈，當(dāng)檢測(cè)到電量充滿，指示燈亮且顯示綠色；未充滿時(shí)，指示燈亮且顯示紅色。第二處是太陽能供電指示燈，當(dāng)充電電路導(dǎo)通即太能板接收到光能轉(zhuǎn)換為電能并儲(chǔ)存于蓄電池時(shí)，太陽能板正常供電指示燈亮且顯示紅色；當(dāng)充電電路斷開即沒有電能輸出至蓄電池時(shí)，指示燈熄滅。第三處為負(fù)載工作指示燈，當(dāng)加熱電路導(dǎo)通，即蓄電池為加熱板供電時(shí)，指示燈亮且顯示綠色；當(dāng)加熱電路斷開即蓄電池停止向加熱板供電時(shí)，指示燈熄滅。

（5）過充過放保護(hù)模塊。鉛酸蓄電池充、放電過度，對(duì)蓄電池的存儲(chǔ)量和使用壽命影響極大。增加過充、過放保護(hù)模塊是必需步驟。在過充保護(hù)電路中，用運(yùn)放電路構(gòu)成的電壓比較器，調(diào)節(jié)電阻R27，負(fù)載電流小于一定值時(shí)，運(yùn)放電路即輸出低電平，單片機(jī)檢測(cè)到輸出信號(hào)，判斷蓄電池處于過充狀態(tài)，控制充電電路斷開，停止供電，實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)的目的在過放保護(hù)模塊的電路中，涉及到與單片機(jī)STC12C5A60S2的ADC模塊的連接。蓄電池的正負(fù)極接線與單片機(jī)CLKOUT2/ADC0/P1.0和ADC/P1.1連接，實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池電壓值，低于預(yù)設(shè)電壓值（實(shí)測(cè)8.7V）時(shí)，切斷加熱電路，實(shí)現(xiàn)過放保護(hù)的目的。

（6）防反充模塊。防反充二極管被安置在串聯(lián)電路中起單向?qū)ㄗ饔?，同避免因太陽能電池板在沒有光照不發(fā)電或出現(xiàn)短路故障時(shí)蓄電池會(huì)向太陽能電池板反向供電。它與太陽能電池板和控制器電路相連，有著正向?qū)ǚ聪蚪刂沟墓δ?。一般需要其能接受相?dāng)大的電流，同時(shí)正向電壓降、反向飽和電流很小，通?？蛇x用合適的整流二極管。

（7）復(fù)位電路。復(fù)位電路的功能是使單片機(jī)程序計(jì)數(shù)器清零。在本設(shè)計(jì)中按下按鈕S1，復(fù)位電路導(dǎo)通，則單片機(jī)開始復(fù)位操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路為將要完成的功能分成獨(dú)立模塊，相互之間的關(guān)系、單獨(dú)使用由單片機(jī)和監(jiān)控程序完成總調(diào)控及處理，有效實(shí)現(xiàn)集熱控制，電量檢測(cè)等功能。軟件部分包括主要程序，電池電量檢測(cè)子程序，按鍵控制子程序，指示燈顯示子程序，過充過放保護(hù)電路子程序，溫度控制電路子程序等。

主程序?yàn)橄到y(tǒng)先對(duì)溫度傳感器、顯示屏模塊及系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，接著由按鍵輸入模塊的C/D鍵檢測(cè)預(yù)設(shè)溫度信息并存儲(chǔ)，然后系統(tǒng)由按鍵輸入的A/B鍵確定模式選擇對(duì)象。按A鍵，系統(tǒng)切換至模式A通道，判斷按鍵的單雙次來選擇充電電路導(dǎo)通與截止，單次則充電電路導(dǎo)通，雙次則充電電路斷開，并通過電量檢測(cè)的信息進(jìn)行過充保護(hù)模塊后續(xù)操作的判斷，過充則斷開充電電路，無過充則繼續(xù)充電。按B鍵，系統(tǒng)切換至模式B的通道，判斷按鍵的單雙次，若單次，系統(tǒng)控制加熱電路導(dǎo)通，若雙次，則加熱電路斷開，同時(shí)進(jìn)行電池過放的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到電量低于20%則自動(dòng)斷開加熱電路，否則進(jìn)行PID控制，即溫度傳感器讀取到的實(shí)時(shí)溫度和使用者預(yù)設(shè)溫度比較從而控制電加熱板加熱電路的通斷，確保實(shí)時(shí)溫度與預(yù)設(shè)溫度一致，實(shí)現(xiàn)集熱控制的功能。

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)STC12C5A60S2的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫；研究了多種集熱溫度控制的方法，最終采取軟件程序中加入了PID控制的方法，實(shí)現(xiàn)了用戶在一定溫度范圍內(nèi)自由控制的目的。利用太陽能電池板光生伏打效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的原理和基本構(gòu)件，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款由太陽能獨(dú)立供電的便于安裝和拆卸的獨(dú)立太陽能供熱地板模塊。

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上海市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“太陽能地板模塊的設(shè)計(jì)與研究”，項(xiàng)目編號(hào)：cs1602007。

葉沙（1995-），男，大學(xué)本科，主要研究方向：自動(dòng)控制。