楊喆

（山西大同大學(xué)，山西 大同037009）

1 概述

1.1 課題研究背景

在人類生產(chǎn)生活中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)樾∥孟x咬傷而感到困擾，特別是夏天蚊蟲繁多，被蚊蟲咬后不僅會(huì)使皮膚感到瘙癢紅腫而且還可以傳播各種疾病，針對由于蚊子而傳播的蚊媒疾病，我們除了可以利用疫苗來進(jìn)行防治之外，還能通過大規(guī)模殺蚊來消除病毒的傳播載體。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的滅蚊產(chǎn)品有：紫外光誘導(dǎo)滅蚊器、電蚊拍等，這些滅蚊產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)。電蚊拍，雖然實(shí)用、方便，可是卻需要人自己尋找目標(biāo)，只能殺死人能看到的觸碰到的地方的蚊子。雖然滅蚊殺蚊產(chǎn)品有很多，但沒有一種殺蚊物品既可以做到滅蚊量大又使冬季閑置滅蚊燈利用起來。目前國內(nèi)的滅蚊燈已經(jīng)被商戶廣泛的使用，而且太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展越來越好。我國國土面積廣闊，幅員遼闊，擁有著充足的光照條件，滅蚊燈的使用不受限制。因此綜合各方面因素來看，以太陽能來為滅蚊燈供電的未來發(fā)展前景十分可觀。

2 太陽能滅蚊燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 太陽能滅蚊燈系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足太陽能滅蚊燈系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)方案以51 單片機(jī)為核心，蓄電池為儲(chǔ)能裝置，相應(yīng)的光控模塊為控制器件，LED 燈以及滅蚊燈為執(zhí)行部件。當(dāng)陽光照射到太陽能電池板上時(shí)，光伏發(fā)電板把太陽能轉(zhuǎn)為電能產(chǎn)生電流。利用蓄電池將太陽能電池板產(chǎn)生的電儲(chǔ)能存起來然后再供給負(fù)載使用。蓄電池可以連接滅蚊燈和光控LED 照明燈，并為其供電。

2.2 元器件的選擇

2.2.1 誘導(dǎo)器件的選型

滅蚊燈是利用蚊子的趨光性來引誘蚊子的，本文設(shè)計(jì)的太陽能滅蚊燈系統(tǒng)是選擇使用光觸媒燈作為光誘導(dǎo)的方式。光觸媒燈，在這種類型的誘蚊燈中最重要的部分是光觸媒催化劑，二氧化鈦是這種催化劑的重要組成部分。燈管使用時(shí)不會(huì)消費(fèi)本身。在有光照時(shí)，這種媒就會(huì)和空氣中的水和氧氣緊緊抱在一起，形成一種具有強(qiáng)氧化性的氫氧自由基，這種強(qiáng)氧化性的物質(zhì)具備分解空氣中的氣體和有害細(xì)菌的能力，同時(shí)還能釋放CO2與H2O。不僅可以引誘蚊子還可以除臭、殺菌、凈化空氣。

蚊子喜愛下面5 種環(huán)境，當(dāng)光觸媒燈管使用時(shí)恰恰能為蚊子提供這些環(huán)境。二氧化碳：蚊子的感覺器官十分敏銳，它們可以感覺到空氣中少量的CO2氣體，最遠(yuǎn)可達(dá)15 米。因?yàn)檫@種特殊的能力，蚊子可以準(zhǔn)確的判斷出人的位置來找尋食物。所以使用二氧化碳來引誘蚊子也是一種值得推薦的方式。光觸媒燈光中存在特殊的催化劑，它能緩和空氣中對人體有害的物質(zhì)還能釋放出二氧化碳。熱量：蚊蟲喜溫，夜晚的蚊子愛朝著溫暖的方向飛去，人體的溫度剛好可以吸引蚊子，所以導(dǎo)致了晚上蚊子能迅速分辨出人的方位。當(dāng)光觸媒燈被點(diǎn)亮后，燈管會(huì)慢慢升溫，這一優(yōu)勢正好可以用來仿照人活動(dòng)產(chǎn)生的溫度。濕氣：蚊蟲喜濕，能夠感覺到人的體液所蒸發(fā)而產(chǎn)生的濕氣又或者是活動(dòng)時(shí)從身體中散發(fā)產(chǎn)生的濕氣。光觸媒燈使用時(shí)會(huì)在改善空氣質(zhì)量的同時(shí)產(chǎn)生一部分濕氣。因此光觸媒燈管可仿照人生活中產(chǎn)生的的濕氣來引誘蚊子。光譜與紫外線：蚊蟲對紫外線有較強(qiáng)的趨向性，而人對紫外線感知度不高，可對于蚊蟲來說是很強(qiáng)的光，蚊子十分喜愛這種頻率的光線。光觸媒燈使用時(shí)會(huì)發(fā)出這種頻率的光線引誘蚊子靠近滅蚊燈。顏色：蚊蟲一般會(huì)被光所吸引尤其是深色光。點(diǎn)亮光觸媒燈時(shí)，它會(huì)發(fā)出顏色較深的藍(lán)紫色光，可以吸引大量蚊蟲。光觸媒燈管是唯一一種使用色、熱、濕汽、二氧化碳、光這些綜合因素的誘蚊工具。它的使用壽命長，能引誘100m2空間范圍的蚊子。誘蚊耗價(jià)低且效率高。綜上所述，本設(shè)計(jì)選用光觸媒燈管作為誘蚊器件時(shí)是十分合理的。

2.2.2 太陽能電池的選擇

光電轉(zhuǎn)換是一種能夠把光能的輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電效應(yīng)。當(dāng)太陽光照射半導(dǎo)體上的PN 結(jié)時(shí)，陽光中的一部分光被反射出去，一部分光轉(zhuǎn)化為熱能，還有一部分光子與半導(dǎo)體中的原子價(jià)電子發(fā)生碰撞從而形成電子空穴對。因?yàn)镻N 結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，P 區(qū)帶正電，N 區(qū)帶負(fù)電，PN 結(jié)兩端就會(huì)產(chǎn)生電勢差，如果把很多電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起，在接上外加電路后就會(huì)形成電壓和電流，太陽能被轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電技術(shù)最重要的組件就是太陽能電池，以下就三種常用的太陽能電池進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 常見太陽能電池性能對比

由上表可以看出，多晶硅太陽能電池結(jié)合了單晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率較高，而且沒有嚴(yán)重的衰減問題，它的制備可以利用價(jià)格很低的襯底材料。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)使多晶硅太陽能電池的制造成本低于單晶硅太陽能電池，但是它的效率卻比非晶硅太陽能電池高很多。多晶硅片在生產(chǎn)過程當(dāng)中沒有污染，而單晶硅電池生產(chǎn)時(shí)對環(huán)境的危害較大。

2.2.3 光控模塊

設(shè)計(jì)光控LED 照明系統(tǒng)一方面是為了使滅蚊燈的誘蚊效果大大加強(qiáng)，另一方面是為了使滅蚊燈在冬季不會(huì)被閑置，可以起到照明功能。

這一光控模塊設(shè)計(jì)有兩種選擇方案：

方案一：利用普通的光敏元件：光敏電阻和三極管。讓光敏電阻給單片機(jī)輸送信號(hào)。再讓單片機(jī)控制繼電器的開關(guān)。

方案二：光敏電阻把信號(hào)直接傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的程序執(zhí)行命令。

由于滅蚊燈本身體積較小，電路設(shè)計(jì)簡單，并且方案二對環(huán)境要求較高，很難實(shí)現(xiàn)。所以選擇方案一。

最常用來測量光的亮暗程度，對光線進(jìn)行控制的元件就是光敏電阻。一般的光敏電阻使用的材料是半導(dǎo)體材料。光敏電阻對光線強(qiáng)弱的變化十分敏銳，這一特點(diǎn)也被稱為光譜特性，這與人的眼睛對可見光（0.4～0.76）μm 的響應(yīng)十分的接近，只要是人眼可以感覺到的的光線，都會(huì)使它的阻值發(fā)生變化。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 滅蚊部分設(shè)計(jì)

在所設(shè)計(jì)的各類模塊中，滅蚊燈無疑是最重要的部分，因此我們在選取滅蚊燈時(shí)必須要進(jìn)行全面綜合的考慮，對于滅蚊燈的選用進(jìn)行以下考慮：

本設(shè)計(jì)選用的誘蚊器件是光觸媒燈管，是一種常見的熒光燈管，比一般的LED 燈的體積大一些，外面涂著光觸媒材料。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的滅蚊燈系統(tǒng)供于家庭使用，體型應(yīng)該稍小一些，并且要考慮耗能問題，所以本設(shè)計(jì)選用的光觸媒燈管較小，長5 厘米，功率5w。光觸媒燈管的形狀是U 形，燈管的內(nèi)層抹著一層薄薄的熒光粉，還添加了催化劑納米二氧化鈦(TiO2)，燈絲由金屬鎢制成安放在光觸媒燈管的兩側(cè)，這種燈絲上也有一種很特別的氧化物，這種氧化物可以讓燈絲在溫度變高后容易向外發(fā)射電子。光觸媒燈管點(diǎn)亮后就會(huì)發(fā)出蚊蟲所喜愛的藍(lán)紫色光線，并且產(chǎn)生濕氣和二氧化碳，可以達(dá)到高效誘蚊的目的。

3.2 光控模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的光控電路采用的光控元件是光敏電阻，基于NE555 的光控繼電器還有51 單片機(jī)。光敏電阻以其對光線的敏感程度可以感受到外界亮暗的變化并將信號(hào)傳遞給單片機(jī)。51 單片機(jī)在電路中感受到光敏電阻所傳遞的信號(hào)后，控制著繼電器的開斷。利用光敏電阻來感受光線強(qiáng)弱以給予單片機(jī)信號(hào)，在單片機(jī)接收到光敏電阻傳遞到的信號(hào)后，控制繼電器是否需要接通。若繼電器接通則LED 燈亮，若繼電器不接通則LED 照明燈不亮。

在設(shè)計(jì)當(dāng)中，光傳感器件對外界光線進(jìn)行檢測時(shí)使用的是光敏電阻，光敏電阻對光線的強(qiáng)弱有較強(qiáng)的敏感性。這一特點(diǎn)即所謂的光導(dǎo)效應(yīng)，本設(shè)計(jì)也正是利用這一特點(diǎn)來感受光線的明暗程度。

對于光控模塊，單片機(jī)無疑是控制核心，它對光電檢測電路收集到的信號(hào)進(jìn)行加工處理。單片機(jī)可以隨著編寫好的命令來執(zhí)行和運(yùn)算，最后可以把運(yùn)算結(jié)果傳遞給對應(yīng)的執(zhí)行電路。

繼電器執(zhí)行電路是由單片機(jī)控制電路來控制的，意味著繼電器的開關(guān)是由單片機(jī)發(fā)出的指令來操控的，當(dāng)繼電器接受到單片機(jī)的指令后將執(zhí)行相應(yīng)的操作。

光控部分的設(shè)計(jì)基本如此：由光電檢測電路檢測光信號(hào)并將其傳送給單片機(jī)控制電路。單片機(jī)控制電路接受到光敏電阻傳遞過來的信號(hào)后，發(fā)出開斷的指令傳遞給繼電器的執(zhí)行電路，繼電器執(zhí)行電路接收到指令后進(jìn)行相應(yīng)的操作。