太陽能鋰電池供電的智能家居系統

韓麗君

（渭南師范學院數理學院 渭南 714099）

1 引言

環境污染及能源問題日益成為制約國家社會經濟發展的瓶頸，太陽能作為一種無公害、取之不盡的可再生能源，是解決能源枯竭及其一系列問題的最佳途徑。基于轉換效率、制造成本、使用壽命和材料來源等方面考慮，硅光太陽能電池是最理想的太陽能電池，其中單晶硅光電轉化效率高，應用更為廣泛。但是硅光太陽能電池板受光照條件限制較大，需要儲能設備，因此本系統選用了性價比高使用廣泛的可充電鋰電池作為儲電裝置；目前市場上智能家居定位偏高，本設計以智能家居為應用對象，基于單片機設計了性價比高的智能家居環境狀況監控系統。其中聲光控LED燈更為節能環保，溫度濕度測控使家居環境更為舒適安全，紅外報警檢測非法入侵保證生命財產安全。蓄能鋰電池的引入兼顧了新能源的使用及系統的優化，大大提高了系統的實用性，將會帶來不錯的前景。

2 系統整體設計方案

系統整體框架包括兩大部分，太陽能鋰電池充電管理系統［1］和基于STC89C52單片機的智能家居系統［2］，如圖1所示。

系統通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能，經過穩壓電路處理后，通過TP4056鋰電池充電管理電路對鋰電池蓄電。再由鋰電池作為智能家居系統的電源，為單片機及各個智能模塊供電。智能家居系統是以STC89C52單片機主控多個功能模塊，來實現各個預實現功能：包括聲光雙控延時LED燈模塊，溫濕度測控模塊及紅外防盜報警模塊。

圖1 系統整體框架圖

3 太陽能鋰電池充電管理系統的設計

首先利用硅光太陽能電池板實現光電轉換，輸出的電壓通過穩壓模塊，高效地將其穩定在5V上，接著將此電壓提供給充電管理電路，以控制鋰電池充電。本系統采用了雙鋰電池交替充放電，彌補了鋰電池充放電不能同時進行的不足。

3.1 太陽能電池板的選用

本設計采用單晶硅太陽能電池組件，它相對于其它太陽能電池換效率最高，技術也最為成熟［3～5］。

3.2 穩壓模塊

以LM7805三端集成穩壓芯片為核心的穩壓電路，該穩壓電路輸入電壓為6V～32V，最大工作電流為1.5A，穩定輸出電壓5V。

該穩壓電路具有輸出精度高、外圍電路簡單、工作穩定等特點，可在太陽能電池輸出電壓有波動時也能穩定輸出［6～7］。當然，如果還想變換輸出電壓的范圍，也可采用可調電源降壓集成模塊DC-DC來替換此穩壓電路。

3.3 鋰電池充電管理電路

TP4056是一款完整的單節離子電池充電管理芯片，它采用恒定電流/恒定電壓線性充電，其具有防倒充電路，并且充電電流可通過熱反饋進行調節，使得芯片溫度得以限制［8～9］。當輸入電壓不足時，TP4056將漏電降至2μA內，進入低耗能狀態。TP4056其他重要的特點還有溫度檢測、自動再充、欠壓閉鎖、充電狀態指示LED。基于TP4056芯片的鋰電池充電管理電路原理圖如圖2。充電狀態指示如表1所示。

圖2 鋰電池充電管理電路原理圖

6、7引腳為電池充電指示端。8引腳為使能端，高電平為正常工作狀態，低輸入為禁止充電狀態。

表1 充電狀態指示［4］

本系統的鋰電池的線性充電電路，是利用TP4056芯片內部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。充電電流可通過RPROG確定。當RPROG為10K時，充電電流典型值為130mA，4K時充電電流為300mA，最大充電電流可達1A。當檢測到鋰電池電壓低于2.5V，充電系統先對鋰電池進行預充電；當電壓超過3V時，采取恒流充電；當電池電壓與4.2V相近時，充電電流降低，進入恒壓充電；當充電電流降低到結束值時充電完成。

TEMP為電池溫度檢測端，當其接地時，溫度檢測功能取消，其他充電功能正常。PROG為恒流充電電流設置檢測端。在充電狀態下，測量該管腳的電壓都可以用式（1）來估算充電電流。

3.4 鋰電池蓄電

鋰電池充電先以恒流方式充電，當電池電壓接近4.2V時，充電電流逐漸減小進入恒壓充電，當電流小到一定值時，充電截止。如果電池電壓低于2.5V，先采取涓流進行預充電。

3.5 鋰電池檢測

在系統中，鋰電池不僅要蓄積太陽能，而且要驅動整個智能家居系統，可見作用舉足輕重，因此為保證整個系統正常、穩定地工作，在系統的裝配過程中對鋰電池硬件部分要進行嚴格的檢測和篩選。攸關鋰離子電池安全性能的參數有很多，而正負電極極差和對齊度是其最重要的性能參數之一［10～11］，本項目在此主要對以上參數利用計算機圖像處理方法進行檢測分析其內部的X_Ray圖像，如圖3所示。

圖3 鋰離子疊片電池X_Ray圖像

疊片電池一般情況下由于其體積較大而造成電極部分圖像和和背景灰度差值較小，所以采用閾值化后投影的方式偏差較大。考慮到負極部分的圖像灰度分布較其它部分圖像在水平方向起伏較大這一特點，本項目通過統計圖像每一行在水平方向的方差，對統計結果進行域值處理來確定負極所在位置來確定測算的特征區域，角點位置標記和正負極切線圖圖像如圖4、5所示［12～16］。經過計算機圖像處理，就能夠快捷準確地篩選所要使用的鋰電池。

圖4 疊片電池角點位置標記

圖5 疊片電池正負極切線圖

4 智能家居系統三大模塊功能設計

在智能家居系統中，聲光雙控延時LED燈模塊的功能是：當光線良好時，聲控電路控制信號不起作用，當光線暗到一定程度時，聲控電路控制起作用，其延時時間在30s～120s間可調整；其中溫濕度測控模塊，由DHT11傳感器采集溫濕度信息然后傳送給單片機處理，并由LCD液晶顯示當前的溫度和濕度，如果溫度過高達到或超過設定值，單片機啟動報警電路并控制繼電器切斷電源，以保障家居環境安全；其中紅外防盜報警模塊分為兩部分，紅外對光檢測及蜂鳴器報警電路，當紅外對光檢測到非法入侵時，單片機驅動報警電路。

4.1 聲光雙控延時LED燈模塊

該模塊聲控部分電路采用駐級電容話筒MIC、電容C1、三極管9014；光控部分采用光敏電二極管，電阻R4；IC為數字集成芯片74LS00四2輸入與非門；延時由R5、C2控制。三極管9014是常見的NPN型小功率三極管，常用于低頻、低噪聲前置放大；聲控核心部分是電容C1、三極管9014及偏置電阻，調節RP3，可調節靈敏度。電源由鋰電池提供［17～18］。

光照強時，光敏二極管RG呈低阻狀態，IC2引腳為低電位，3腳為高電位。也就是說光照足時不論有沒有聲音，即不論1腳電位如何，8腳始終鉗位于高電位，LED燈不亮。夜晚無光照時，RG呈高阻狀態，2腳為高電位，這時若有觸發聲音，駐極體話筒拾取信號，經C1耦合，三極管放大，由1腳輸入。當1腳為高平時，6腳為高平，C2充電，同時高平信號傳遞給9、10腳，8腳拉低LED燈點亮。聲音過后，1腳恢復低電位，6腳拉低，但由于C2通過R5放電，所以9、10腳繼續保持高電位，燈繼續點亮。幾十秒鐘后，放電結束，9、10腳為低電位，8腳為高電位LED燈滅。

4.2 溫濕度測控模塊

溫濕度檢測控制模塊，主要以應用廣泛的DHT11溫濕度傳感器作為檢測裝置，通過LCD1602顯示。溫濕度信號通過傳感器采集并轉化成數字信號，傳送到單片機進行分析處理，并在LCD1602上顯示［19］。當溫度達到設置的報警值時，單片機驅動蜂鳴器報警模塊，同時控制繼電器切斷電源［20］。

4.3 紅外對光防盜報警

紅外對光電路采用紅外對管為觸發裝置，紅外對管包括紅外線發射管和紅外線接收管。紅外發射管是由紅外發光二極管和PN結組成，注入電流可激發紅外光。紅外線接收管屬于光敏二極管，一般只對紅外線有反應，不受可見光的干擾。當有人進入時，紅外光線被遮擋，接收端光敏二極管處于高阻態，信號經放大電路輸出高平信號給C52單片機P2.0端口，經單片機處理給蜂鳴器報警模塊IO口驅動信號，蜂鳴器報警［21］。

4.4 STC89C52單片機最小系統設計

如圖6所示為單片機最小系統。其中P0口接LCD液晶顯示8位雙向數據端，P2.4、P2.5、P2.6接LCD控制端；P2.7為溫濕度采集輸入端；P2.1為紅外接收端，P1.1為光耦開關控制端；P2.3接繼電器控制IO；P2.2接繼電器復位鍵。

圖6 單片機最小系統

首先溫濕度傳感器采集信息由P2.7傳給單片機處理，通過LCD液晶顯示即時溫濕度，同時檢測溫度是否達到或超過設置上限，若是則執行蜂鳴器報警1子程序，并切斷繼電器即斷開家電電源以保障生命財產安全；紅外防盜報警，當P2.1紅外接收端，檢測到低平觸發信號時，單片機調用蜂鳴器報警2子程序，控制光耦開關，蜂鳴器報警提示10s。

5 主程序流程圖

運用keil μVision 4軟件編程，用程序調試模塊即debug調試環境，進行程序調試、編譯、鏈接，然后通過燒錄軟件STC燒錄到STC89C52芯片中。將燒錄好的芯片移植到單片機最小系統。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

6 結語

經試驗測試，本文設計的智能家居系統可依靠太陽能供電實現預期功能，其中聲光雙控延時LED燈節能環保，溫度濕度測控讓人對環境溫濕度信息一目了然并能對火災等隱患有一定的防患作用，紅外報警可檢測非法入侵保證了生命財產安全。設計將新能源太陽能與智能家居兩大科技有效地融合，功能實用、成本低，一般家庭都能接受。