葉 沙，李媛媛

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

太陽能供熱地板模塊的設計與研究

葉 沙，李媛媛

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

以設計研發(fā)一款太陽能供熱地板模塊為研究對象，此模塊以單片機STC12C5A60S2作為核心，太陽能電池板、蓄電池、電加熱板、強化復合地板和散熱材料為構件搭建一個太陽能集熱控制系統(tǒng)，安裝有顯示屏、按鍵控制器，通過程序設計實現系統(tǒng)正常工作及溫度控制。地板具有快速安裝、拆卸，運輸便捷的特點，由太陽能獨立供電，后期可根據具體使用場景進行外形和控制關系等方面的改造、升級、具有一定創(chuàng)新價值和應用前景。

太陽能供熱；供熱地板；集熱；單片機；溫度控制?

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

傳統(tǒng)獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)通常將太陽能電池組集中安裝在室外，白天陽光充足時發(fā)電系統(tǒng)向蓄電池充電；夜晚或陽光不充足時發(fā)電系統(tǒng)將蓄電池存儲的電能逆變放電，實現為負載供電。系統(tǒng)控制器連接不同器件，實現控制各器件之間儲電，供電等工作關系。通常獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在偏遠地區(qū)場所，系統(tǒng)內的各組件相互分離，在安置初期需要繁瑣的搭建、安裝、線路鋪設等過程，若此住所需要時常遷移，則傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就顯現出一定的弊端。本設計太陽能供熱地板模塊針對的使用環(huán)境主要為需要不定期移動，要求能快速拆卸、搭建，以及在特定環(huán)境下需要供暖。此地板模塊獨立工作的整合方式，符合相關需求。

1 基本原理及設計思路

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。整體構想是地板一面是太陽能電池板，在白天或光照充足時，此面向上，地板置于室外，吸收光能轉換為電能儲存于內部蓄電池中。夜晚或光照不充足時地板置于室內，另一面是木地板，其內部面接觸電加熱板，此面向上，由控制開關開啟，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構成，具體功能，具體內容如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

太陽能電池板把太陽能轉換為電能，儲存于蓄電池中并可向電加熱板供電，蓄電池會持續(xù)輸出大小合適的直流電讓電加熱板不斷升溫，熱量會通過接觸在電加熱板上的散熱層及木地板輻射至室內空氣達到供暖目的?？刂破饔袦囟瓤刂乒δ?，手動輸入預設溫度，溫度值顯示在控制器的顯示屏上，單片機依據溫度傳感器讀取的加熱板溫度和預設溫度比較，繼而控制加熱電路的導通與關斷來實現加熱溫度穩(wěn)定在預設溫度的目的，體現了整個設計自動化、智能化的特點。本供熱系統(tǒng)具有簡便、可控、直觀等特點，實現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。控制器需要實現溫度檢測與控制，電路關斷與導通，使用單片機STC12C5A60S2的電路能達到這些功能。單片機根據溫度傳感器實時采集的溫度和預設溫度比較，控制電路使負載溫度保持在預設溫度，達到控制加熱板溫度的目的。

（2）太陽能電池板。太陽能電池組成結構是P型與N型半導體，具有將太陽能轉換為電能儲存于蓄電池或是直接為直流負載提供電流的特性。本設計選用12V、60W單晶太陽能電池板，滿足本系統(tǒng)需要。

（3）蓄電池。蓄電池能以化學能的形式儲存電能，也能向負載提供合適的電能，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維護成本低；②充電效率高；③工作溫度范圍廣。本設計選取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。本設計選用12V，30W硅橡膠加熱板，可控溫度為0～50℃內，滿足本系統(tǒng)需要。

（5）地板。強化復合地板的穩(wěn)定性高，結構牢固，適用于安裝地暖的室內環(huán)境。本設計選用耐高溫強化復合地板,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生的一類粘接材料，有極好的自熄性和阻燃性。本設計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部其他部件損壞。

2.2 硬件電路設計

控制器硬件電路由單片機、按鍵控制模塊、溫度檢測模塊、顯示屏模塊、指示燈模塊、恒流恒壓模塊、過充過放保護模塊、防反充模塊構成。

（1）按鍵控制模塊。按鍵控制模塊由四個按鍵構成，為系統(tǒng)輸入設備，根據觸發(fā)命令令系統(tǒng)電路導通或關閉或達到相應加熱溫度。本系統(tǒng)四個按鍵均為單按鍵電路，即按鍵電路和單片機I/O口線連接構成閉合電路。按鍵設計模式：①選擇模式A，控制充電電路導通或截止，按S2，STC12C5A60S2的 P2.4置成低電平，充電電路導通，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，控制加熱電路導通或截止，按S3，STC12C5A60S2的P2.5置成低電平，加熱電路導通，蓄電池為直流負載提供穩(wěn)定電源。再按S3，P2.5置成高電平，放電電路截止，蓄電池停止向負載供電。③溫度調節(jié)，按下S4，STC12C5A60S2的P2.6置成低電平，設定溫度值加1；按下S5，STC12C5A60S2的P2.7置成低電平，設定溫度值減1。

（2）溫度檢測模塊。溫度檢測模塊采用了溫度傳感器DS18B20，其特殊的單線接口方式，使其有測溫精確、低功耗優(yōu)勢，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，預設溫度、溫度傳感器、電量檢測模塊由單片機處理送至液晶顯示電路，在屏上顯示預設溫度，當前溫度，電池電壓信息。

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

（5）過充過放保護模塊。鉛酸蓄電池充、放電過度，對蓄電池的存儲量和使用壽命影響極大。增加過充、過放保護模塊是必需步驟。在過充保護電路中，用運放電路構成的電壓比較器，調節(jié)電阻R27，負載電流小于一定值時，運放電路即輸出低電平，單片機檢測到輸出信號，判斷蓄電池處于過充狀態(tài)，控制充電電路斷開，停止供電，實現過充保護的目的在過放保護模塊的電路中，涉及到與單片機STC12C5A60S2的ADC模塊的連接。蓄電池的正負極接線與單片機CLKOUT2/ADC0/P1.0和ADC/P1.1連接，實時檢測蓄電池電壓值，低于預設電壓值（實測8.7V）時，切斷加熱電路，實現過放保護的目的。

（6）防反充模塊。防反充二極管被安置在串聯電路中起單向導通作用，同避免因太陽能電池板在沒有光照不發(fā)電或出現短路故障時蓄電池會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，有著正向導通反向截止的功能。一般需要其能接受相當大的電流，同時正向電壓降、反向飽和電流很小，通常可選用合適的整流二極管。

（7）復位電路。復位電路的功能是使單片機程序計數器清零。在本設計中按下按鈕S1，復位電路導通，則單片機開始復位操作。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計思路為將要完成的功能分成獨立模塊，相互之間的關系、單獨使用由單片機和監(jiān)控程序完成總調控及處理，有效實現集熱控制，電量檢測等功能。軟件部分包括主要程序，電池電量檢測子程序，按鍵控制子程序，指示燈顯示子程序，過充過放保護電路子程序，溫度控制電路子程序等。

主程序為系統(tǒng)先對溫度傳感器、顯示屏模塊及系統(tǒng)進行初始化操作，接著由按鍵輸入模塊的C/D鍵檢測預設溫度信息并存儲，然后系統(tǒng)由按鍵輸入的A/B鍵確定模式選擇對象。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通與截止，單次則充電電路導通，雙次則充電電路斷開，并通過電量檢測的信息進行過充保護模塊后續(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)控制加熱電路導通，若雙次，則加熱電路斷開，同時進行電池過放的檢測，當檢測到電量低于20%則自動斷開加熱電路，否則進行PID控制，即溫度傳感器讀取到的實時溫度和使用者預設溫度比較從而控制電加熱板加熱電路的通斷，確保實時溫度與預設溫度一致，實現集熱控制的功能。

4 結語

實現了單片機STC12C5A60S2的硬件電路設計和軟件程序的編寫；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，實現了用戶在一定溫度范圍內自由控制的目的。利用太陽能電池板光生伏打效應將太陽輻射能轉換為電能的原理和基本構件，設計并研發(fā)了一款由太陽能獨立供電的便于安裝和拆卸的獨立太陽能供熱地板模塊。

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上海市大學生創(chuàng)新訓練項目“太陽能地板模塊的設計與研究”，項目編號：cs1602007。

葉沙（1995-），男，大學本科，主要研究方向：自動控制。