电子设备的太阳能供电

电子设备的太阳能供电（精选8篇）

电子设备的太阳能供电 篇1

1 引言

太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。太阳能既是一次能源, 又是可再生能源。它资源丰富, 既可免费使用, 又无需运输, 对环境无任何污染, 具有节能、环保、方便的优点。近年来, 光伏发电成为发展最为迅速的产业之一, 各国纷纷出台相关的政策和规划, 积极发展光伏产业。2005年, 我国政府也出台了《可再生能源法》, 该政策的颁布和实施, 为光伏发电的发展提供了政策保障;京都议定书的签订, 环保政策的出台和中国对国际的承诺, 给光伏发电带来机遇。原油价格的上涨及我国能源战略的调整, 使得政府加大对可再生能源发展的支持力度, 太阳能发电系统的应用也越来越广泛。

随着我国经济建设的持续发展以及全国对安全生产的重要性的日益重视, 安全监控也在全国范围内开始发展起来, 而且各地地方政府对此也越来越重视。同时其监控的对象也日益广泛, 其中有不少数据测量站点处于地形环境十分复杂、交通不便、传输距离远、无电网供电的地方, 此时太阳能发电系统提供了方便。同时, 太阳能发电系统不仅可以为国家节省能源提供清洁的再生能源, 而且也可作为安全监控系统的后备电源, 提高系统的供电可靠性。

到目前为止, 在安全监控领域使用太阳能发电系统的报道还未见报道。本文结合安全监控系统的工程实际需要, 既为缓解目前能源紧张的局面, 同时也为提高系统供电的安全可靠度作了一些有益探索, 并应用在江苏某油田监控的工程之中。

2 太阳能发电系统的结构图

在本文中太阳能发电系统由太阳能电池板、充放电及切换控制器、逆变器、蓄电池组等组成, 原理框图如图1所示。

太阳能电池板的作用是将太阳辐射能量直接转换成直流电, 供负载使用或存贮于蓄电池内备用, 它是太阳能发电系统中最重要的部件之一, 其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。太阳电池板可组成各种大小不同的太阳电池方阵, 亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板一般都包含了汇流盒。太阳能充放电机切换控制器能够为蓄电池提供最佳的充电电流和电压, 快速、平稳、高效的为蓄电池充电, 并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池, 避免过充电和过放电现象的发生。在连续阴雨天太阳能发电系统不能正常工作时负责把负载切换到市电继续供电。蓄电池组将太阳能电池方阵发出的直流电贮藏起来, 供负载使用。在太阳能发电系统中, 蓄电池处于浮充放电状态。白天太阳能电池方阵给负载供电, 同时电池方阵还给蓄电池充电, 晚上或阴雨天负载用电全部由蓄电池供给。

3 安全监控用太阳能发电系统的设计

3.1 系统介绍

本太阳能发电系统主要用来给安全监控参数传感器、现场监控用红外摄像机、数据采集模块、云台、无线网桥以及交换机等设备供电, 这些负载既有交流 (220V) 也有直流的 (12V) , 而且直流负载多为自带变压器电源 (12V) 的。为了降低系统的负载容量, 提高整个电源供电系统的转换效率, 本系统把所有12V的直流负载自带电源都该有蓄电池组直接供电。

设计一个完整的太阳能发电系统, 主要依据相关国际、国家标准和地理、气象等数据, 不仅需要充分了解各采集通信设备的功耗、电压等级、工作时间, 更需要知道建设地点的气象资料, 了解日照强度、环境温度、湿度等情况, 根据系统要求, 进行详细设计, 包括太阳能电池板容量设计、蓄电池容量设计、防雷设计、机械结构设计等, 同时也要考虑到负载的性质。其中主要是以太阳能电池板容量设计和蓄电池容量设计为重, 他们直接关系到系统的造价。太阳能发电系统的设计原则是在保证系统设备用电需求的前提下, 合理匹配太阳能电池板容量与蓄电池容量, 以达到系统长期可靠运行的目的, 同时考虑可靠性和经济性。

3.2 系统的设计

(1) 确定负载容量

确定太阳能发电功率及配置的前提是确定监控系统的功率及耗电量。列出各种用电负载的耗电功率、工作电压即每天使用时数, 在本文安全监控设备中, 除了云台是间断工作外, 其余的全部为24小时全天候工作。另外还要记入系统的辅助设备比如监测控制器、逆变器损耗等, 算出负载平均日耗电量Qd (Ah/d) 。

(2) 计算太阳能电池板上太阳辐照量

根据当地地理及气象资料, 计算不同倾斜面上的全年平均太阳辐照量可由 (1) 式计算, 式中各符号的意义请参阅文献[1,2]。

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(3) 计算太阳能电池板工作电流及最佳倾角

对于确定的倾角, 太阳能电池板输出的最小电流应为:

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式中:η1为从方阵到蓄电池回路的输入效率, 包括方阵面上的灰尘遮蔽损失、性能失配、防反充二极管及线路损耗、蓄电池充电效率等;η1为由蓄电池到负载的放电回路效率, 包括蓄电池放电效率、控制器和逆变器的效率及线路损耗等。

同样的道理, 可以由太阳能电池板上各月太阳辐照量中的最小值Ht·min计算出太阳能电池板所需输出的最大电流:

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太阳能电池板实际工作电流应在Imin和Imax之间, 可先选取一中间值, 则太阳能电池板的发电量为:

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具体太阳能电池板的最佳倾角β及其输出电流的值I可以参考文献[3]的方法来确定。

(4) 确定太阳能电池板的发电容量

根据安全监控设备日耗电计算太阳能电池板的数量, 拟采用单组电压为, 功率为的太阳能电池板。

在确定了太阳能电池板的最佳倾角以后, 单块电池板的日均发电量就基本确定:

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其中, TS—太阳能电池板充电时间, η—综合充电效率, λ—充电过程中损耗比率。

考虑逆变器、控制器及变压器等自身损耗, 其总效率设为α, 则实际需要发电量:

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若太阳能发电裕量比率为γ, 则需要太阳能电池板的数量为:

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(5) 蓄电池容量的确定

蓄电池的容量对保证连续供电是极其重要的。太阳能电池板每日所发电量除供设备消耗外, 还要多发出一部分电量 (裕量) 存储到蓄电池内以备夜间及阴雨天使用。

蓄电池容量QC计算方式为:

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式中, QC为所选蓄电池的容量;P为功率;T为放电时间;fV为温度折算系数, 温度对蓄电池容量影响比较大, 温度为-15～45℃时, fV取1.2;fC为容量补偿系数, 取1.2;fL为寿命折算系数 (老化系数) , 取1.2;fE为放电深度, 取0.8;fM为极板活化系数, 要求的设计环境温度为-27～45℃, fM取1.2。

(6) 太阳能控制器的功能设计

因为太阳能电池板的价格非常昂贵, 所以最大程度的利用太阳能电池板是控制器的关键技术之一。太阳能控制器是太阳能系统中的核心部件, 管理着整个供电系统的运行。质量优异、共能完善的太阳能控制器不仅能够高效率的转换太阳能, 而且能最大限度的保证蓄电池组正常运行, 延长试用期限。一般来说, 太阳能控制器应具有以下基本功能:

监视功能, 对系统太阳能电池板、蓄电池、系统电压、有关保险丝、电路断路器的状况进行监视;

报警功能, 一旦电源系统出现异常, 电池状态改变, 通过LED可在本地显示报警, 也可通过RS-232及有线、无线通信方式传输到远方报警;

测量功能, 对系统的电压、电流和蓄电池电压、电流进行测量;通过温度传感器测定环境和蓄电池温度, 并显示出数据;

蓄电池日常维护和管理功能, 对蓄电池的正常运行进行管理和维护;

对蓄电池接反、太阳能电池接反、负载过流及短路、欠压过压抑及蓄电池过充等保护功能;

4 实例设计

本文为苏北某油田的油井安全监控系统设计了一套太阳能发电系统, 安全监控节点的负载最大功耗为45W (平均功耗不超过40W, 在此以40W计算) , 工作电压有12V直流和220V交流两种。平均每天 (24小时全天候工作) 用电量为960Wh, 日耗电容量为80Ah (220V的负载也折算为12V的负载) , 平均日辐照量为17MJ/m2, 日照时间为8小时进行计算, 太阳能电池板综合充电效率η=0.8, 充电过程中损耗比率λ=0.1, 逆变器和变压器总的转换效率为0.85, 太阳能日发电裕量比率为0.3。

最后跟据实际情况及现实需要, 本文按连续4天24小时不间断工作设计, 太阳能电池方阵倾角取45°, 蓄电池容量用600Ah/12V, 太阳能电池方阵功率为500W, 用5块100W并联组成。

5 结论

本文根据苏北某油田的油井安全监控系统可靠性的要求, 介绍了监控系统的太阳能发电方案, 给出了市电与太阳能发电系统的组成及一般设计原则和方法。并对监控系统冗余供电的太阳能发电系统实例进行了设备参数计算和选择, 综合考虑其可靠性和经济性指标, 最终确定了最佳的太阳能电池方阵和蓄电池容量组合。由于太阳能供电系统受负载性质、当地的气候及地理条件既满足蓄电池维持天数等条件的不同而改变, 在实际工程设计中, 应结合实际情况, 依照本文给出的设计原则, 充分考虑上述因素影响进行设计。

参考文献

[1]高桥清, 浜川圭弘, 后川昭雄.太阳光发电.田小平译.北京:新时代出版社, 1987.342~356Gao Qiaoqing, Bang Chuanguihong, Hou Chuanzhaox-iong.Solar Photovoltaic.Tian Xiaoping translation.BeiJing:Xin Shi Dai Publishing House.1987.342~356.

[2]赵富鑫, 魏彦章.太阳电池及其应用.北京:国防工业出版社, 1985.246~253Zhao Fuxin, Wei Yanzhang.Solar Cell and its applica-tion.Bei Jing:Guo Fang Industration Publishing House.1985.246~253.

[3]杨金焕, 葛亮.太阳能发电系统的最佳化设计.新能源及工艺, 2003 (5) :25~28.Yang Jinhuan, Ge Liang.The Design Optimization of So-lar Photovoltaic System, New energy and technology.2003 (5) :25~28

纯太阳能供电笔记本电脑 篇2

为我们的手机和笔记本进行充电，现在对于大多数人来说是一件在平常不过的事，但你是否想过，在不久之后的未来，我们回想起将电子设备定期插在供电插座上的情景时，或许会觉得可笑，并感到困惑：我们当时竟然会那么做?!

在曾经被认为是未来能源希望的核动力被重新审视时，太阳能等真正的清洁能源就越来越被人们重视。虽然现在市场上已经有了各种各样为电子设备供电的太阳能产品，但完全依赖太阳能提供能源还没有先例。设计师安德里亚·庞帝设计了一款完全由太阳能提供电力的笔记本。之前还没有一款设备像这台名为“Luce”的笔记本一样，如此依赖阳光。这款设计通过两块太阳能电池板，在白天为笔记本提供持续不断的电力。第一块太阳能电池板放置在屏幕后，第二块放置在触摸式键盘下，可以保证笔记本在大多数时候都能接受到阳光的照射。由于使用了透明的聚碳酸酯材质，不仅让设计的外观变得光滑可鉴，同时也让整机的重量下降到不到4磅(1.8千克)。这款笔记本还会搭载一块夜间续航电池，目前还没有确定这块电池怎样嵌入如此轻薄小巧的机身。对于太阳能笔记本来说，更大的挑战还不是电力供应问题，而是在太阳直射下的屏幕反光问题，所以想要将这款概念产品变成现实，或许还要添加一个利用外部灯光照亮屏幕的装置。

电子设备的太阳能供电 篇3

阴极保护对地下金属管网的稳定运行非常重要, 无论是输水、输油还是输气, 均需要采用外加电流或者牺牲阳极进行保护, 确保保护电位在全寿命期均符合设计要求。长期以来, 在管道建设中, 特别是西部和比较偏远地区, 在长距离输管道建设中, 沿线设置的阀室、阴极保护站和通信中继站, 几乎都是建在环境恶劣、人烟稀少的地区, 站间距离远, 又不便利用交流市电。太阳能供电的阴极保护无线监测系统实时监测金属管线的保护电位 (阴极对地电位) , 蓄电池的输出电压、输出电流, 所有数据通过GPRS模式上传到控制中心, 控制中心的PC机以图形化方式显示各状态参量, 为用户提供准确金属管线保护状态。

1 系统组成及总体设计方案

太阳能供电的阴极保护无线监测系统是为了严密监测地下管道腐蚀保护情况, 主要包括GPRS无线终端、太阳能供电、GPRS适配器、监控中心 (PC机) 组成等构成, 如图1所示。

采用太阳能供电, 解决了偏远地区供电困难的问题, GPRS无线终端实时监测阴极保护电压、蓄电池输出电压电流等, 通过GPRS无线设备将数据发送给控制中心, 控制中心PC机存储数据并分析, 同时提供客户端基于浏览器前台应用程序, 以便于用户查询阴极保护电位、阴极保护电源电压、阴极保护电源电流、蓄电池的输出电压, 输出电流变化, 出现异常情况及时发出声光报警, 实现自动化管理;用户可以通过应用程序提供的列表和图形方式, 可以直观的观察到电位变化的情况, 极大的方便了用户对阴极保护设备运行状态的掌握, 也便于数据的积累和管理, 避免人员的更换导致工作的不延续。GPRS无线终端实时监测金属管道的阴极电压、蓄电池输出电压及输出电流, 根据GPRS无线终端的功能, 设计时采用如图2所示总体设计方案。

太阳能电池板将太阳能转化为电能;蓄电池用来存储太阳能电池板转换的电能, 保证夜间或阴天没有阳光时正常供电。

智能充电电路的作用是使太阳能电池板输出电压随着光线、环境的变化而变化, 电压低时进行自动升压, 电压过高时自动降压, 对蓄电池的充电电压维持在适宜的范围之内。

信号输入电路主要对阴极对地电压、阴极保护电源的电压电流、蓄电池输出电压电流等电参数匹配处理, 提供适合MSP430单片机内部A/D转换器的电信号。

MSP430F149单片机的作用是将信号处理电路输送的电信号进行A/D转换, 并进行数据分析、处理、保存。

GPRS模块作用就是将MSP430单片机处理后阴极对地电压、阴极保护电源的电流电压、蓄电池输出电流电压上传到控制中心。

2 阴极保护硬件设计

2.1 太阳能电池板的选择

由于在长输管道建设中, 沿线的一些阀室、阴极保护站和通信中继站大多建在环境恶劣、人烟稀少的地区, 不便利用交流市电, 监测设备的电源成为一大问题。本次研制的阴极保护监测系统的无线终端采用太阳能供电, 解决了荒漠丘陵等偏远地区电源少或没有电源的问题, 增大了无线监测系统的应用范围。根据系统功能, 无线终端总耗电量小于10W, 因此, 选择了一块30cm×25cm的太阳能电池板作为太阳能采集模块, 并对该太阳能电池板的开路电压和短路电流进行测量 (冬天测量) , 其测量数据如图表1所示。

2.2 蓄电池学则及其特性测量

因为太阳能电池板输出的电压电流等会随着阳光的强弱变化而变化, 具有不稳定性, 而且在夜间或阴天没有阳光后就不能产生电能, 不能用太阳能电池板直接给系统供电, 需要选择蓄电池将太阳能电池板转换的电能存储起来, 然后利用蓄电池给系统供电, 这样能够保证系统的稳定和连续工作。结合太阳能电池板供电量和整个系统的耗电量统计, 选择额定电压为12V, 容量为1.2AH的铅酸蓄电池, 循环充电电压 (快速充电电压) 为14.5~14.9V, 补充充电电压为13.5~13.8V, 充电电流小于0.36A。

通常情况下, 太阳能电池板提供的电压要超过蓄电池额定电压的130%, 蓄电池在被充满时电压达到其额定电压的120%。若进行放电, 在其电压下降到其额定电压的80%时就应停止放电。表2是对蓄电池充电实验数据, 表3是对蓄电池放电实验数据表。

在此次放电试验中, 使用的是输出电压为16V的充电电路为蓄电池充电, 由于随着时间的推移蓄电池电量不断增加, 实验中发现蓄电池电压在其额定电压附近充电时电压上升较慢, 当高于额定电压后电压上升地越来越慢, 当低于额定电压充电时时电压会上升较快。

在此次放电试验中, 使用的负载是两个串联、功率为20W的陶瓷电阻, 由于随着时间的推移负载不断消耗蓄电池的电能, 实验中发现蓄电池电压在其额定电压附近放电时, 电压下降地较慢, 当低于额定电压时电压会急剧下降。这2组数据是设计充、放电电路基础, 对设计充、放电电路起指导作用。

2.3 智能充电电路模块设计

一般情况下, 蓄电池的充放电时间, 按10小时充放电率为宜。用太阳能电池给蓄电池充电时, 太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压15%~20%, 才能保证给蓄电池正常充电[1]。本设计中采用的蓄电池的额定电压为12V, 设置的充电电压为16V。智能充电电路由恒压限流充电电路组成。

图3为恒压电路, 该电路可满足光照较弱条件下, 最大限度输出。恒压电路先由LM2576降压, 以适应太阳能电池较宽的波动范围, LM2577将稳定的电压提升到充电电压幅值, 稳定输出16V直流电压。

图4为限流充电电路, 由60N06及8050构成, 通过调节电位器Rp1, 改变充电电流的大小, 蓄电池充满后自动进入浮充状态, 以补充自损耗。

2.4 单片机选择及最小系统设计

在阴极保护无线监测终端的设计中, 单片机是其核心部件, 它接收来自调理电路的模拟量信号, 通过A/D转换器得到数字量, 供CPU对数据进行分析、处理, 实现实时监测阴极保护电压以及实现控制充电电路。

降低系统功耗也是开发系统的一项重要技术指标, 美国德州仪器公司最新低功耗技术MSP430F149单片机, 它是一种新型的混合信号处理器, 将大量的外围模块集成到片内, 内部集成了12位的A/D转换器, 综合考虑系统的实际需求, 采用了MSP430F149单片机.

2.5 信号输入 (检测) 电路设计

信号输入 (检测) 电路主要对阴极对地电压、阴极保护电源电流电压、蓄电池输出电流电压等等电参数进行检测处理。由TL084构成信号放大电路, 经过这样的信号检测电路, 均输出电压信号, 阴极保护电源和蓄电池充放电管理采用相同的测量电路。

2.6 GPR S模块选择

在选择GPRS数据通信时要注意是否需要内嵌TCP/IP协议, 一般是GPRS模块+SIM卡+电源变换+RS232接口及简单的控制电路组成, 甚至对于自带协议的型号, 采用数据信号“直通”模式, 综合考虑, 选择SIM900A模块。采用GPRS无线方式, 系统流量费用目前有包月制和按数据量两种收费方式, 按流量计算0.03元/K[2], 而包月制20元/月有1024k Bytes流量, 可满足采集系统的实际数据量, 具有产品生产成本低、运行费用低的优点。

3 装置的软件设计

3.1 主程序设计

无线终端主程序对串口初始化, 并循环检测数据, 监视蓄电池电压, 即循环启动AD转换, 监视串口, 随时接受来至GPRS模块的管理机命令。

3.2 数据采集子程序设计

数据采集子程序主要驱动MSP内部的A/D转换器的INCH0、INCH1、INCH2、INCH3、INCH4进行A/D转换, 通过中断服务程序读取转换得到数据, 将数据存入指定内存单元。

3.3 数据发送子程序设计

数据发送子程序, 当串口收到数据之后, 触发串口中断, 中断后首先判别命令是否全部接收完毕, 并判断是不是本机命令, 如果是本机命令, 将要发送的数据进行格式化处理, 并连续发出, 具体流程如图5所示。

4 结论

利用GPRS制作的无线监测系统相较于有线通信方式, 该方案不需要铺设昂贵的电缆、光缆、单此一项就可以省下一笔较大的投资, 而且不需要通信电缆的保护, 防盗问题。相对于巡逻车载计算机抄数据方式, 该方案无需巡逻车, 可以节省大量费用, 而该方案日常运行时, 不需要每天驾车到各监测点进行巡逻, 只需每天通过几条短信息传输数据, 因此可省下昂贵的汽车燃油、维护费用、人力和时间, 具有广阔的市场应用前景, 带来较大的经济效益和经济效益。

参考文献

[1]刘冬, 吕俊良.HFC网系统中一种新的供电方式[J].科技资讯, 2006.

电子设备的太阳能供电 篇4

目前国内外对智能花盆的设计与实现, 大多数只设计了应用湿度传感器进行检测, 对花盆的浇灌系统利用的是虹吸原理, 即利用渗透的方式浇花, 虽然具有自动浇水的功能, 但是不能根据植物的特征以及植物当前的生长环境进行实时浇水。本设计创新之处是利用太阳能光电池收集储存的光能转化为电能作为该智能花盆的能量来源, 并与单片机技术结合起来, 设计了一个不但能够动态监测花盆土壤温湿度, 并根据土壤温湿度情况进行自动浇水的功能, 而且可以实现太阳能自动供电并提醒种植者进行日常管理。

1 系统设计

本设计以AT89C51单片机作为控制的核心, 考虑到其I/O口输出电流较小, 一般不能直接驱动电机工作, 必须配有驱动电路, 这里采用ULN2003驱动芯片控制自动浇水的功能, 通过DS18B20温度传感器模块和湿度传感器模块采集花盆的温湿度, 利用AT89C51单片机内部集成的AD转换模块对湿度感测器采集到的模拟信号进行数字转换和数据处理。控制器通过温湿度传感器实时监测花盆温湿度的变化, 并在LCD1602液晶显示屏上同步显示土壤的温湿度值, 并与设定的智能花盆的温湿度初始值进行比较, 当测量值与初始值有较大偏差时, 则相应的指示灯闪亮并发出响声提醒种植者。同时系统采用太阳能供电, 利用蓄电池将太阳能电池极转换的电能储存起来, 保证系统在没有太阳能时的供电运行。

2 硬件电路设计

硬件电路设计主要包括土壤湿度检测电路设计, 温度检测电路设计, 报警电路设计, 电机驱动电路设计, 太阳能充电电路设计和蓄电池放电电路设计等组成。

2.1 土壤湿度检测电路设计

土壤湿度检测电路采用土壤湿度传感器SLHT5-1。该传感器采用全量程标定, 两线数字输出, 可直接与单片机连接使用, 具有非常高的一致性, 湿度测量范围可达0~100%RH。可将探头直接埋入土壤中。

2.2 温度检测电路设计

测温检测电路 (图1) 利用单片机AT89C51控制DS18B20温度传感器, 执行程序时, 分别调节十位设置按键和个位设置按键来预设初始时刻温度值, 当DS18B20的温度低于预设值时, 红色二极管点亮, 调节DS18B20元件上的按钮可以人为模拟实际温度的升高和下降。检测电路如图1所示。

2.3 报警电路设计

报警电路设计采用AT89C51的P2.5脚输出矩形波驱动晶体管Q1做开关用, 使蜂鸣器输出矩形波, 发出声音。为了实现缺水和低电压两种报警, 可以通过编程实现输入两种不同频率的矩形波, 发出两种不同的声音。

2.4 太阳能充电电路设计

为了提高控制器的可靠性能, 延长蓄电池的工作寿命以及提高充电速度, 本设计采用UC3906芯片进行充电控制, UC3906内部的逻辑电路提供了三种充电状态, 并对温度进行了精确的跟充补偿, 该芯片内部含有限流放大器和电压控制电路, 可以控制UC3906内部的驱动电器并直接驱动串联在外部的三极管, 进而调整电路的输出电压及电流, 芯片内部的电压检测比较器和电流检测比较器可以实时监测蓄电池的充电状态。太阳能充电电路如图2所示。

2.5 蓄电池放电电路设计

为了保证系统的稳定性和可靠性, 本设计采用双电源为系统供电, K1、K2分别连接单片机两个IO口, 分别控制两种电源开关。初始状态, 系统是由蓄电池供电, 当连续的阴天超过两天或者蓄电池电压低时, 单片机通过改变K1端电平来改变系统供电电源。当检测蓄电池电充满时, K1电平改变, 系统由蓄电池供电, 当单片机检测到电量低于某值时, 单片机改变K2电平电源来供电。

2.6 电机驱动电路设计

控制芯片采用AT89C51单片机, 考虑到其I/O口输出电流较小, 一般不能直接驱动电机工作, 必须配有驱动电路, 这里采用ULN2003驱动芯片。单片机直接控制电机的电路原理图, 如图3所示。

3 软件设计

软件设计部分以AT89C51为核心, 采用keil CS2[2]软件编写C语言程序, 在proteus内搭建仿真环境, 软件系统主要包括系统初始化, 时钟时序, 端口控制等, 从而实现利用单片机对外围电路的自动控制。程序流程图如图4所示。

4 结束语

实验证明, 以环境温度, 土壤湿度等外界环境为控制器的输入参数比单纯依靠主人观察更合理, 具有实用、省心、省时等优点, 还可以实现短期无人看管花盆而自动灌溉, 实现太阳能的供电, 使种植灵活性更大。通过数字化智能花盆的设计, 将自然与科技融为一体, 为忙碌生活的人们提供方便、快捷的了解植物的生长情况, 轻松的拥有一个便捷的、舒适的绿色环境。

摘要：本系统是基于太阳能供电, 综合运用了AT89C51系列单片机, 土壤温度检测模块, DS18B20湿度检测模块和LCD1602液晶显示模块等实现花盆智能化管理的一套装置。系统可以对花卉生长环境实时检测和显示, 并能实现对花盆的智能浇水功能。

关键词：太阳能,自动浇花,AT89C51单片机,温度检测,湿度检测

参考文献

[1]方泽鹏, 黄双萍, 陈仲涛.基于单片机的花盆土壤湿度控制系统设计[J].现代农业装备, 2013 (4) :41-45.

[2]赵丽, 张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长春大学报, 2012, 22 (6) :650-651.

[3]徐文媛, 庞永河.基于太阳能供电的智能雨水利用浇花装置[J].探索带, 2015.

[4]贺莹, 武淑娟.基于单片机的步进电机驱动[J].机械管理开发, 2011 (4) :197-198.

电子设备的太阳能供电 篇5

森林环境是人类自然环境中生物环境的重要组成部分, 是地球生物圈中的重要成分, 也是地球陆地生态系统的主体。森林环境具有的生态效能包括涵养水源、保持水土、防止土地沙化、防止土壤退化等。此外,森林不仅是人类的重要环境条件, 也是人类可利用的再生资源, 它对人类有着重要的经济价值。同时森林对CO2的影响, 可使温室效应减缓, 对防止地球气候变暖能起一定的遏制作用。因此, 做好森林环境监测工作对于人类社会与环境的协调发展和课持续发展有着极为重要的意义。

森林监测节点具有大空间范围分布的特点, 无法用物理连线为传感器节点提供电源。因此, 持续、稳定可靠的电源来源是大范围分布无线传感网络面临的一大技术挑战。基于森林环境太阳能丰富的事实, 本文提出基于反激变换电路拓扑将太阳能能量转化为电能为无线传感器节点提供能量。

同时, 基于太阳能供电情况, 设计了基于CC2430+STM32+GPRS的森林环境无线监测系统。通过安装在森林中的无线传感器节点, 实时采集温湿度及二氧化碳浓度等关键参数, 以多跳方式将数据包及时发送至网关控制中心。然后, 通过GPRS网络将数据发送到工作人员手机和监控中心, 对森林环境进行实时有效监测。

2 基于反激变换电路拓扑的太阳能量管理系统

本文利用非连续电流模式(DCM) 下的定导通时间反激变换器(flyback) 实现电源与负载动态阻抗匹配,既能完成太阳能最大功率点追踪(MPPT), 又能在没有备份电池的前提下有效解决冷启动问题。

本文所设计的太阳能量管理系统如图1 所示, 该系统采用反激变换电路拓扑, 实现输入电压的升降变化。线性稳压器1 和振荡器用来实现系统的启动。无线传感网络中充当节点的低功耗的无线单片机CC2430 作为整个系统的控制器, 可以实现太阳能的MPPT算法。

反激变换器的电路结构如图2 所示, 升降压变换器可以应对大范围的输入电压, 非连续电流模式下的反激变换器充当一个无损耗的电阻, 可以有效地降低系统功耗, 提高能量转换效率。为了实现MPPT算法, 控制器可以通过感知Rsense的电流计算出流向反激变换器的平均能量, 这种方式既降低了电路的复杂性又简化了MPPT算法, 达到了降低功耗的目的。控制器的动态功耗与自身的时钟频率成正比, 这是该系统的主要功耗来源。相比于定频率工作模式, 定导通时间工作模式要求更小的时钟频率, 所以为了降低系统功耗, 反激变换器采用定导通时间的工作模式。

在定导通时间工作模式下, 控制器按照如下步骤实现MPPT算法: 控制器在反激变换器导通时间的中间点电感电流, 并计算出平均利用的能量。如果输入的平均能量增加, 反激变换器的切换周期会按照预定的阶段减小, 反之, 切换周期会增加。爬山法会在最佳切换时间周围继续进行。因为环境条件比如温度、光照强度等变化的速度比处理器的速度要慢, 为降低功耗,MPPT算法会周期性的执行。本系统实验条件下, 控制器以8 兆赫兹的频率执行20 毫秒的MPPT算法, 然后以1 兆赫兹的频率进行2 秒的休眠。数据显示, 在执行MPPT算法期间消耗了780 毫瓦的能量, 休眠期间消耗了330 微瓦的能量, 控制器消耗的平均能量为408 微瓦。

系统的启动: 为了降低阻抗匹配机制并且不改变反激变换器的输入阻抗, 控制器由反激变换器的输出电压经稳压器后直接供电, 这就引起了起始阶段由于储存在DC总线中的能量几乎为零而导致的冷启动问题。为解决冷启动问题, 本系统采用直接由太阳能供电的低功耗振荡器, 产生起始阶段驱动反激变换器的脉冲信号,使反激变换器正常工作。本系统采用两个电压比较器和二选一多路复用器, 动态比较两组电压大小, 当太阳能电池板输出电压和反激变换器输出电压都大于阈值电压时, 系统选择控制器取或者代振荡器产生脉冲信号并进行动态的阻抗匹配, 实现MPPT算法。控制器与振荡器工作条件下不同输入电压所对应的系统功率输出如图3所示(MCU表示控制器,OSC表示振荡器)。

3 基于锂离子电池和超级电容器的混合储能系统

锂离子电池与超级电容器这两种储能器件各具优势。对比超级电容器, 锂离子电池的充放电倍率较低,为0.2C~1C。锂离子电池在充/ 放电倍率和循环寿命上与超级电容器无法比拟, 但是锂离子电池的能量密度却远远大于超级电容器的能量密度。如果将锂离子电池与超级电容器混合使用, 可以减小锂离子电池的输出电流, 降低内部损耗, 延长放电时间。由于减少了锂离子电池的输出电流和充放电次数, 因此可以延缓失效进程。混合储能系统具有很好的负载适应能力, 能够提高供电的可靠性, 缩小储能系统的体积, 减小重量。总之, 超级电容器和锂离子电池混合使用, 可以扬长避短, 优势互补, 形成高容量、高功率、长寿命的混合储能系统,将扩展锂离子电池和超级电容器的应用空间。

太阳能存储系统结构框图如图4 所示, 本系统采用两个双向的升降压DC-DC变换器将DC-BUS分别同锂离子电池和超级电容器并行连接, 实现能量的双向流动控制。由于DC总线的电压为3.3V, 典型超级电容器的最大电压为2.5V, 锂离子电池的标称电压为4.2V,所以DC总线可直接与传感器节点为其供电。当电流由DC总线流向超级电容器时, 变换器工作在降压模式,反之变换器工作在升压模式。当太阳光照较强时, 多余的能量存储在超级电容器内, 当超级电容器的电压达到1.9V时, 太阳能提供恒定电流为锂离子电池充电, 直到超级电容器和锂电池充满电为止。当太阳能不足时,首先超级电容器放电至DC总线。当超级电容器电压下降到0.8V时, 锂离子电池开始放电至DC总线。实验证明, 该能量存储系统可以稳定高效地完成能量流向和流量控制, 可以保证传感器节点在森林环境下连续工作。

4 系统的组成与原理

Zigbee网络主要有星形网和网状网2 种拓扑。在各种无线传感网络中, 基本的星状网络是一个单挑(single-hop) 系统, 星状拓扑结构简单, 整体功耗最低,但是节点与几站间传输距离有限, 通常ISM频段的传输距离为10-30 米。与星状拓扑相比, 网状拓扑系统是多跳( 即多次中继) 系统, 传输距离比星状网远得多, 但是功耗较大。一般情况下, 森林地区环境恶劣, 植被茂密, 天气多变, 这些不利因素会缩短传感器节点的有效通信距离, 导致数据丢失。为了提高无线传感网络的鲁棒性, 避免数据丢失, 系统采用星状—簇首—路由拓扑结构。该拓扑结构综合了星形网和网状网的优点, 能够有效提高网络的可靠性与稳定性。

在无线传感网络中, 传感器终端节点随机部署在森林内, 配置有低成本、低功耗的微处理器, 可采集森林温湿度和二氧化碳等环境监测参数。若干个相邻的终端节点构成一个称为簇的自组织网络, 簇中的传感器节点又分为簇首和普通节点。簇首主要用于数据的转发及融合。普通节点只能与簇首通信, 即把采集到的数据跳转至本簇的簇首。汇聚节点( 协调器) 主要负责网络的建立, 以及网络的相关配置。最终汇聚节点将监测到的数据转发到网关控制中心, 经过数据打包, 再由网关通过GPRS网络将数据发送到工作人员手机和监控中心。一般情况下, 监控中心对接收到的数据进行处理分析, 并提供数据查询和管理等功能。紧急情况下, 工作人员收到短信提醒后会立即启动响应, 能有效避免火灾等各类自然灾害的发生。无线监测系统整体示意图如图5 所示。

5 系统硬件设计

5.1 终端节点硬件设计

监测终端节点主要由传感器模块、无线通信模块和电源模块组成, 如下图6 所示。

数据采集模块主要由温湿度传感器和二氧化碳浓度浓度传感器以及A/D转换器组成, 负责采集森林环境温湿度及二氧化碳浓度等参数, 并且完成数据的A/D转换。数据处理模块负责处理、存储采集的数据。无线通信模块与簇内其他节点和簇首节点交换信息, 保存和转发相关数据。

传感器节点选用TI公司生产的CC2430 作为核心器件。CC2430 整合了业界领先的2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee RF收发机CC2420 以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能, 还包括了8KB的SRAM、大容量闪存以及许多其他的强大特性。CC2430采用低电压(2.0V - 3.6 V) 供电, 在接收机传输模式下的电流损耗分别为27m A及25m A。CC2430 的睡眠模式及其工作模式间的激活转换时间极短, 约为15ms。这些特性使得CC2430 适合于能量有限但又要求长期连续工作的森林环境监测。而电源模块采用前面介绍的的反激变换器进行太阳能量管理, 并通过太阳能量存储系统对节点进行供电。

温度传感器(AD590) 是美国ANALOG DEVICES公司生产的。它采用I2C总线的数字输出接口, 适用于150° C以下、传统电气温度传感器的任何温度检测应用。湿度传感器采用HS1101, 二氧化碳浓度传感器采用MG811, 光照传感器采用PGM5526。

5.2 网关控制中心硬件设计

网关控制中心如图7 所示, 由汇聚节点、STM32 控制器和GPRS通信模块组成。汇聚节点与STM32 芯片通过串口RS232 通信。

汇聚节点与终端节点硬件结构相同, 在此就不再做介绍。控制中心我们采用ARM公司推出的STM32F103系列增强型MCU。该MCU使用了ARM最新的、先进架构的Cortex-M3 内核, 该内核具有3 段流水线,可在单周期内完成32 位乘法等优点。STM32 采用低电压(2.0V—3.6V), 同时具有带唤醒功能的低功耗模式。在以72MHz的全速运行时, 处理器仅消耗27m A的电流; 待机状态时, 典型的耗电值下降到2µA。

GPRS通信模块我们采用的是SIMCOM公司的SIM900A模块。比起传统的SIM300CZ模块具有更加低功耗设计, 睡眠模式下的电流消耗仅为1.0m A。且内部集成了TCP/IP协议栈, 包含了功能强大的AT指令集, 便于用户开发使用。

6 系统软件设计

由于森林这一特定环境, 致使本监测系统各节点的能量消耗严重不均匀。越接近监测中心的节点数据传输量大, 导致其寿命短, 最终导致整个网络不能正常工作。为了降低功耗, 系统采用休眠—唤醒—休眠的工作方式。无线传感器网络中的节点并不是一直处于工作状态, 传感器节点通过时钟芯片PCF8563 间隔固定时间定时唤醒进行各个参数的采集并存储, 采集设定次数之后, 汇聚节点进行节点点名, 接收各个传感器节点的数据并通过其串口上传至网关控制器STM32,STM32 将接收的数据打包后利用AT指令控制GPRS模块将数据发动到工作人员手机和监控中心。

6.1 网关控制中心软件设计

网关控制中心由汇聚节点和GPRS通信模块组成。汇聚节点实现两方面功能: 一方面建立网络, 接收各个节点数据; 另一方面将数据存储后等待中断, 通过串口将其传输到STM32 中, 通过GPRS通信模块将数据发送到监测中心和工作人员手机。

汇聚节点工作流程如图8 所示。汇聚节点上电后,首先网络层通知物理层进行信道扫描, 寻找空闲信道建立新网络, 同时为新网络选择一个唯一的PAN标识符, 并为自己选择一个16bit的MAC短地址( 一般为0x0000), 当有终端节点加入网络时, 汇聚节点给它分配一个唯一的网络地址, 如此完成建立网络的过程。启动网络后启动任务循环, 以中断的形式接收来自串口的控制命令和无线传感器节点的数据并进行相关处理。其处理的工作主要包括在接收时去掉冗余和丢弃多余数据帧。然后调用函数Uart TX_Send_String() 将处理好的数据通过UART0 发送到网关控制器STM32。STM32处理器将数据打包并通过向GPRS模块写入AT指令将数据发送出去。

6.2 终端节点软件设计

终端节点主要负责采集并向汇聚节点传输温湿度和二氧化碳浓度等数据。为了达到高效节能的目的, 传感器节点平时处于最低功耗的运行模式PM3, 此时稳压器供电的所有内部电路都关闭, 只有通过上电复位和外部中断才能唤醒设备, 使它返回活动模式。本文利用时钟芯片PCF8563 的RTC定时器为传感器节点提供外部中断信号。终端节点工作流程图如图9 所示。

节点上电后, 首先进行初始化并加载PCF8563,然后寻找路由加入网络。加入网络成功后设备NWK层将其父节点相关信息保存在关联表中。加入网络成功后, 判断计数器n的值。若n小于30, 则调用函数send Data() 将采集到的参数结合时间打包发送, 若发送未成功, 在下次启动时重新加入网络; 若发送成功后执行n+1 操作, 进入PM3 休眠模式。若计数器n=30, 则重新初始化, 重新加入网络。工作正常恢复后调用函数send Data(), 采集相关参数并发送, 然后加载PCF8563并清除中断标志等, 最后使传感器节点重新进入PM3休眠模式等待下一次唤醒。

7 实验测试及分析

由于森林环境比较复杂, 野外森林条件恶劣。无线信号传输距离收到一定限制。针对该情况, 在南京钟山景区某森林做了小规模测试。

实验使用了10 个终端节点与2 个汇聚节点共12 个节点做测试。数据采集周期为每10 秒采1 次; 唤醒通信周期为1 分钟中的前15 秒, 其余时间节点处于PM3休眠模式。

该部分对系统的可行性进行整体测试。首先分别将汇聚节点无线通信模块和传感器模块的.hex文件烧入,打开监控中心上位机端的GPRS远程监测管理软件, 并设置好本地IP地址、端口号等, 将汇聚节点和STM32控制的GPRS模块用RS232 连接起来, 并打开GPRS模块和无线通信模块, 然后将12 个传感器节点打开,进行测试。测试结果如下图10 所示。

经过系统整体测试, 虽然节点都采用了功率放大芯片来增加无线射频的通信距离, 但由于森林环境的各种干扰, 节点的现场最大单跳稳定通信距离只有大约60m, 数据传输成功率则可达到95% 以上, 满足森林环境监测指标; 同时, 经过连续一周实验后, 通过10 个终端节点的锂离子电池电量剩余量显示, 该太阳能供电方案能够有效增加Zigbee无线传感网络的寿命。

8 结束语

本文介绍的基于太阳能供电的森林环境监测系统,是通过无线传感网络数据采集节点获取所需的温湿度及二氧化碳浓度等参数, 利用汇聚节点把这些参数整合后, 通过GPRS无线通信的方式将数据经由移动基站和Internet网络送至工作人员手机和远程监控中心。经测试, 天气晴好状况下, 该系统的前端太阳能供电部分能够持续为传感器节点供电。整个监测系统能够实时监测森林环境温湿度等参数, 并能通过检测二氧化碳浓度实现火灾预警, 具有很好的实用性。

参考文献

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电子设备的太阳能供电 篇6

一、方案的设计

目前, 对于桥梁攀爬大部分采用一些常规的方式有两种: (1) 在桥钢梁2.5m高的位置外套钢套, 钢套高80~100 cm, 钢套外涂滑水油漆, 还会打上装饰图案; (2) 在桥梁2.5 m高的位置外套相同厚度的钢套, 外层布满钢锥或者是钢半球。这些常规方案都不能完全避免攀爬者攀爬桥梁, 特别是第二种方案更是一种会影响桥梁桥架外观的方案。本文提出的桥梁防攀爬方案是利用海珠桥等现代桥梁主要是由钢结构梁架组成, 而金属具备良好的导电性。在桥梁设置静电金属防爬板和防爬条, 相应的导电防爬条安装高度大约在2.2 m, 副支撑钢杆则安装十字型的静电金属防爬条, 设计做到尽量和大桥原来结构融为一体。当攀爬人员爬到一定高度时会触发红外对射报警器, 警报装置会自动发出相应声光警告或是语音警报, 提醒攀爬人员离开, 否则将产生高压电击。如攀爬人员不听劝告继续前行, 触摸到静电板时将被电击。

二、静电防攀爬装置原理

1. 静电现象是一种常见的客观自然现象, 其产生的方式多种多样。在日常生活中我们可以通过摩擦、接触、相互冲流等等使物体本身的电荷转移到接触面, 现成偶电层, 最后电荷分离。就人体来讲, 通过与其他物体的摩擦或是自身的动作摩擦等因素都可以带上几千伏甚至数万伏的静电。静电是正、负电荷在局部范围内失去平衡的结果, 它是一种剩余电荷。同种电荷间的相互斥力使电荷相互间远离到最远, 因此静电只留存在物体外表面。静电由于其自身的形成特点, 具备有高电位、低电量、作用时间短的特点。

2. 当人体两个接触点接触到不同电位的物体或者平面时, 电流流过人体会产生触电现象, 严重地触电会导致人身伤亡。触电伤害人体的因素是由触电的电流大小决定, 而非加在人身上的电压高低。电流的大小对人身体会造成不同程度的损伤, 分为电击和电伤两种。电击是指电流通过人体时, 使内部组织受到较为严重的损伤。电击伤会使人觉得全身发热、发麻, 肌肉发生不由自主的抽搐, 逐渐失去知觉, 如果电流继续通过人体, 将使触电者的心脏、呼吸机能和神经系统受伤, 导致呼吸停止, 心脏活动停顿。电伤是指流过人体的电流做功, 发生热功耗, 热功耗的存在可对人体造成的局部损伤, 电伤从外观看一般有电弧烧伤、电的烙印和熔化的金属渗入皮肤等伤害。

3. 静电发生装置可以对桥梁攀爬者产生静电触电的感觉, 电击的原理是由于人体接触了聚集了电荷的物体表面。在冬季穿羊毛衫和羊毛裤等化纤织物衣服, 在脱衣服时会产生静电放电过程, 人此时有被电击的感觉, 而这个现象正是静电放电的过程。

静电由于是多余的游离电荷, 只附着于载体表面。因此当人体接触静电网时, 只是电荷从电网向人体转移的过程, 使触摸的部位有被电击的感觉。在此过程中没有形成电流回路, 没有电流流过人体, 对身体的其他非接触部位不形成电击, 不产生热功耗, 所以不会造成电击和电伤伤害。由于静电本身的特性决定了其不会对人体产生伤害, 只会使被电击者产生一种难言的不适感, 或会感到酸麻、刺痛等感觉。这种性能正是我们可以利用的优势。通过在桥梁相应高度的位置覆盖导电条, 就可以利用静电放电系统对攀爬者起到制止的作用。静电网, 离地设置在2.5 m以上高度, 只有攀爬才会接触到电网。即使接触到电网被脉冲静电电击, 攀爬者也不会出现任何电击受伤和生命危险。

三、电路模型的探讨

高压静电发生器的电路设计主要由高频振荡电路、倍压整流电路和高压电击金属带三部分组成。如图1模拟电路中, 接通开关SB, 由三极管Q和变压器B构成的高频振荡器得电工作, 把12V直流电变成18 k Hz左右的交流电。经B升压到约500 v, 再经二极管VD2~VD4、电容c1~c4三倍压整流升高到1 500 V左右, 该电压在电路的输出端连接到桥梁的导电油漆做成的电极上。当人体触及金属导电油漆时造成短路, 即会被电击。电路的运行完全可以由12 V蓄电池通过调压后进行供电, 触网打击的电量考虑人体安全因素应该控制在10毫库伦以下。

四、太阳能绿色供电系统设计的可行性

桥梁防攀爬静电发生装置的工作原理是通过产生一个瞬间变化的静电电压电场来达到遏制攀爬人员的动作, 平常无报警的情况下防护网没有静电高压存在, 一旦发生报警才产生脉冲静电释放。按照网状金属防护体1 000 m计算, 设备的正常功率也只有10~30 W左右, 参数参考南方电网基站安全防范项目的系统相关技术参数, 因为桥梁防攀爬静电发生装置选用太阳能光伏发电供电具有可行性。桥梁安装太阳能光伏板的条件非常优越, 周边空旷无遮挡。根据广州2010~2011年气候年报显示, 广州的年平均日照时间达年日照时间1 770~1 940小时, 属于太阳能IV类可利用地区。因此, 在广州地区在实施太阳能发电系统有很好的资源条件。

1. 太阳能供电系统原理

太阳能电池发电系统通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统, 太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池、逆变器组成。

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分, 也是太阳能发电系统中最重要的前端部件。太阳能电池板是将太阳的辐射能力转换为电能, 或送往蓄电池中存储起来, 或推动负载工作。太阳能电池板将太阳光能转换称电能后, 通过控制器对铅酸电池组进行充电。铅酸电池具有免维护的优点, 因此系统一旦投入应用其维护工程量很小。

2. 太阳能光伏发电系统应用

在本文提出的桥梁防攀爬静电发生系统上可以免去线缆增设工程, 也不需要依赖电网, 节能环保。铅酸电池在核算时按照最大阴天时6天核算储电量, 完全可以满足系统的供电可靠性要求。

五、装置控制方案

在桥梁主架安装静电金属防爬板, 安装高度大约在2.5 m, 副支撑钢杆则安装十字型的静电金属防爬条, 静电防护装置装设在桥的钢结构上。为了避免长时间触发或是出现不必要的放电, 可以采取检测响应的方案。采用红外对射假装在2 m标高的位置, 对射红外线一旦被攀爬者遮挡即发出一个开关量信号, 由红外对射输出开关量信号至微机。2 m高的红外线对射轨迹被遮挡后驱动声光报警器报警并做出语音警告, 警示向上爬将受到电击。

六、结语

本文提出的桥梁防攀爬方案是利用太阳能供电, 在桥梁的相应位置设置金属带。由静电发生器发出脉冲静电产生电击效应, 从而有效的阻止闹事者攀爬桥梁, 避免更进一步的交通安全事故。该方案体现了节能环保的优点, 不需额外的电网布线施工, 也不依赖于附近变电站的供电, 大大降低了工程施工和用电的费用。方案选择的静电放电方式安全有效。在对阻止攀爬人员攀爬的同时, 也能对其他人员起到警示的作用。

摘要：本文提出了一种利用光伏发电供电的桥梁防攀爬装置的设计方案。方案采用太阳能发电供电, 电池组蓄电供电。通过在桥体金属加装节能的静电发生装置, 构成一个环保、节能的静电发生器, 以有效的防止认为攀爬事件的发生。

关键词：静电,太阳能,控制

参考文献

[1]朱武, 许立衡.高压静电放电发生器的研制[J].上海电力学院学报, 2009.

[2]范瑜.电气工程概论[M].北京:高等教育出版社, 2010.

电子设备的太阳能供电 篇7

1 系统总体设计方案

综合考虑温室大棚智能管理系统的要求、功能以及获取电源困难等问题, 采用太阳能供电方案, 单片机为系统控制核心, 对大棚的温湿度实时监测, 根据数据采集、处理结果, 启动滴灌系统或排风设备, 图1为系统总体方案框图。

2 温湿度传感器选择

温室大棚的智能管理系统的性能源于温室大棚温湿度的精确检测, 为此本次设计根据实际情况, 选择了数字式温湿度传感器DHT11。DHT11数字温湿度传感器是单总线数据格式, 硬件连接时只需将其数据引脚与CPU的I/O引脚直接相连即可。

3 温湿度调节控制设计思想

温湿度调节的执行设备主要是滴灌设备和排风设备, 本次设计中采用太阳能直流方式供电, 所以此次设计采用直流风机及直流电磁阀作为执行设备。电业安全工作规程中将电压等级分为12V、24V、36V等, 考虑到设计的适用性, 采用12V的电磁阀实现滴灌控制功能, 采用12V的风机实现排风功能。继电器或场效应管都可以实现开关量控制, 但继电器式多应用于交流控制, 场效应管多用于直流控制, 因此采用了晶闸管60N06实现对风机与电磁阀控制。

4 CPU控制系统设计思想

温室大棚智能管理系统主要是实时监测温度与湿度, 根据温湿度情况控制滴灌开关或风机开关动作, 系统对速度以及精度不是很高, 为降低成本, 提高系统的性价比, 设计中采用ATMEL公司的89系列的AT89C52单片机作为系统的主控制CPU;为了实现对温室大棚温湿度阈值设定以及显示, 设计了相应的显示电路及键盘电路, 其中显示部分采用液晶显示器LCD1602, 按键部分采用了4个独立式按键结构。

5 太阳能发电电路设计思想

考虑到夜间以及阴天等因素, 太阳能电池板给蓄电池充电, 然后由蓄电池给系统供电, 保证了供电的连续性。综合考虑风机和电磁阀的工作电压为12V, 所以选择了12V的铅酸蓄电池;蓄电池的充电电压要高于其工作电压的20%~30%, 系统总功率约为60W, 所以采用100W的24V太阳能电池板。

考虑到24V的电压等级, 太阳能电池板电压的高低电压波动, 所以在稳压部分采取先将太阳能取得电压降至23V, 再将23V电压升至30V作为充电电压, 降压芯片及升压芯片分别选择lm2576和lm2577。

6 系统软件思想

在软件设计部分, 首先初始化LCD1602显示模块, 初始化界面显示, 然后对湿度进行处理判断, 如果湿度值小于设定值, 则CPU发出控制命令, 启动滴灌系统中的电磁阀进行滴灌, 否则跳过滴灌控制程序对温度进行处理, 如果温度值大于设定值则CPU发出控制命令风机启动进行通风降低温度, 否则跳过风机控制程序, 采用脉宽调制 (PWM) 模式对电磁阀进行控制, 从而实现滴灌节约水资源。

7 结论

针对温室大棚智能管理系统, 完成了太阳能供电电路、温湿度检测电路、温湿度调节控制电路、CPU最小系统等部分设计与制作, 并对系统进行了联机调试, 实践运行结果证明了设计方案的正确性。

参考文献

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[2]梅丽凤等.单片机原理及接口技术.第3版.清华大学出版社, 2009-4.

电子设备的太阳能供电 篇8

关键词：太阳能,供电系统,LED交通灯

太阳能供电的LED交通灯控制器整个框架结构包括:一块太阳能电池板、一组蓄电池以及充电、供电管理模块等。简单分为硬件系统与软件系统, 其基本的工作原理:凭借太阳能电池板, 把获得的太阳辐射能直接转化成一定量的电能, 再由二极管为蓄电池充满电供交通灯使用, 这里的二极管主要作用就是避免发生蓄电池反向充电太阳能电池板的情况。并在为蓄电池充电的过程中加入由单片机核心组成的充电管理系统。单片机的存在在一定程度上可实时监测充电情况, 及时发现问题、解决问题, 选择最优化的一种充电方法。目前, 需要积极研究太阳能供电的交通灯节能系统应用模式, 提高交通道路的安全、可靠性。

一、简介太阳能供电交通灯的优势

一般情况下, 交通灯用电都是由市级政府直接提供, 需要耗用大量的电线和电缆来发电, 在安装交通灯时, 必须要安全敷设电缆, 在一定程度上加大了安装交通灯的成本费用, 这一供电系统不单单繁琐、耗时, 而且对资源造成较大程度的浪费。另一方面, 普通的交通灯使用周期短、耗电量大、维护费用成本高, 存在一定的安全隐患, 光效差, 容易诱发交通事故。

就传统交通灯自身缺陷来说, 太阳能供电的交通灯具有如下优势:第一, 太阳能这一资源是取之不尽、用之不竭的, 并且有天然清洁的功效, 再者, 太阳能供电系统根本不用铺设任何电线、电缆, 仅仅只要确保阳光充足即可就地随时安装;第二, 太阳能供电的LED灯发光率较普通灯更高、更好, 且成本价格偏低;第三, 控制太阳能交通灯通常采用单片机, 在一定程度上加强了整个节能控制系统的可靠安全性能;第四、太阳能交通灯通常使用LED技术发光, 使用周期长、安全性能高、耗电量低, 在一定程度上可确保交通的安全、可靠性。

二、具体分析太阳能交通灯供电节能系统

(一) 控制器硬件系统设计

1.充电管理

通常白天的时候, 太阳能交通灯控制器就会关闭整个供电系统, 进行充电, 并且在最开始充电的时候, 检测整个蓄电池的电压、电量, 来决定充电模式中是应用高电压或低电压, 是选择快速充电或恒压充电。

太阳能供电系统中的控制器通常采用低压定周期脉冲这类型的充放电模式, 一旦蓄电池内部电压水平过低的时候, 就选用大电流快速充电方法, 让蓄电池的电量快速大幅度提高。同时, 只要电池产生较严重的极化现象时, 控制器就必须发出有效的指令, 切断整个电池充电的回路, 暂停充电, 让电池逐渐大电流、高电量地放电。这样的话, 就会使得蓄电池衰弱情况得到缓解, 消除不必要的电能耗损, 反复运行直到整个蓄电池都充满电为止, 这就是被称为Reflex充电法的管理模式。

充电过程逐渐推进, 产生两种可选模式:一是恒压充电, 换句话说就是充电电流会因蓄电池电压的增强而削弱;二是间歇式限压变电流充电, 应用这种充电模式的初期就等同于恒压充电模式一样, 采用最优的电压、电流使充电状态达到最佳, 在充电后期, 则使用固定的电压电量实施充电, 直到为蓄电池完全充满电为止。

2.供电管理

通常夜间的时候, 太阳能LED交通灯控制器就直接进入自动供电状态, 为交通灯提供不间断的电量, 同时切实检测蓄电池内含的剩余电量, 避免造成过度放电, 损害蓄电池的情况。监测蓄电池时通常应用恒流放电模式, 就是为给定的负载实施供电时, 要确保固定的电流量, 一旦负载发生改变, 电流量也要随之发生改变, 必须调整到最优值。

在供给负载电流时, 必须要检测蓄电池实际的剩余电容量, 一旦发现电力过低时就需要及时充电, 而电力较高时, 就需要避免发生过度充电的情况, 那么如何准确检测蓄电池内部电容量, 就需要采用电池内阻值跟容量值对应的公式, 简称“内阻法”。基本的工作原理就是依赖精准的监测仪器真实地将蓄电池的内阻、容量相关关联反映出来, 存入ROM档案资料数据中, 这样的话, 只要知道电池容量, 就能得到蓄电池相应的内阻值, 然后通过固定公式, 由内阻和容量间的对应关系获取正确的电容量值。可惜的是, 这种系统模式还是存在一定的拘束性, 比如蓄电池的内阻值过大或者是过小的时候, 就会影响监测的电流值, 在一定程度上就保证不了容量值的准确度。那么可应用恒流放电模式, 利用蓄电池电压、容量间的公式关联估算出正确的数值, 此模式就是恒流放电, 该方法通过检测获得实际的电压值, 从而获取电池容量, 准确性能好、有效性强, 主要的困难就是如何保证蓄电池始终处于恒流放电的状态。

(二) 软件系统设计

总而言之, 太阳能LED交通灯控制器的软件系统也是由两部分构成:充电管理、放电管理。简单来说, 充电就是控制脉冲持续的时间, 有效地对DC-AC变换时间及放电时间进行调整, 在此环节中, 也要实时监测充电电流、电压在一定程度上给脉冲调整情况提供可靠的依据;而另一方面, 放电管理其实就是调整三极管的阻值, 一般按照给定的电量数值来调整, 进一步确保蓄电池的恒压充电。

结论

综上所述, 经济不断发展、社会要求越来越高, 使得对电力能源的需求量越来越大。供电系统如果在交通正常运作的时候突然停止对交通灯供电, 则可能会引起严重的交通事故, 存在一定的安全隐患。因此, 太阳能供电的交通灯应用是必然趋势的, 其具有不可或缺的存在价值, 太阳能供电节能系统结合LED灯应用, 就能提高电力资源的利用率, 延长交通灯使用周期。

参考文献

[1]于静, 车俊铁, 张吉月.太阳能发电技术综述[J].世界科技研究与发展, 2008.