太陽能滅蚊燈系統的設計

楊喆

（山西大同大學，山西 大同037009）

1 概述

1.1 課題研究背景

在人類生產生活中，經常會因為小蚊蟲咬傷而感到困擾，特別是夏天蚊蟲繁多，被蚊蟲咬后不僅會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行防治之外，還能通過大規模殺蚊來消除病毒的傳播載體。

1.2 國內外發展研究現狀

傳統的滅蚊產品有：紫外光誘導滅蚊器、電蚊拍等，這些滅蚊產品各有優缺點。電蚊拍，雖然實用、方便，可是卻需要人自己尋找目標，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。目前國內的滅蚊燈已經被商戶廣泛的使用，而且太陽能光伏發電技術的發展越來越好。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展前景十分可觀。

2 太陽能滅蚊燈的結構設計

2.1 太陽能滅蚊燈系統整體結構設計

為了滿足太陽能滅蚊燈系統的功能，設計的整體結構方案以51 單片機為核心，蓄電池為儲能裝置，相應的光控模塊為控制器件，LED 燈以及滅蚊燈為執行部件。當陽光照射到太陽能電池板上時，光伏發電板把太陽能轉為電能產生電流。利用蓄電池將太陽能電池板產生的電儲能存起來然后再供給負載使用。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，本文設計的太陽能滅蚊燈系統是選擇使用光觸媒燈作為光誘導的方式。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。燈管使用時不會消費本身。在有光照時，這種媒就會和空氣中的水和氧氣緊緊抱在一起，形成一種具有強氧化性的氫氧自由基，這種強氧化性的物質具備分解空氣中的氣體和有害細菌的能力，同時還能釋放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 種環境，當光觸媒燈管使用時恰恰能為蚊子提供這些環境。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，最遠可達15 米。因為這種特殊的能力，蚊子可以準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，所以導致了晚上蚊子能迅速分辨出人的方位。當光觸媒燈被點亮后，燈管會慢慢升溫，這一優勢正好可以用來仿照人活動產生的溫度。濕氣：蚊蟲喜濕，能夠感覺到人的體液所蒸發而產生的濕氣又或者是活動時從身體中散發產生的濕氣。光觸媒燈使用時會在改善空氣質量的同時產生一部分濕氣。因此光觸媒燈管可仿照人生活中產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的光，蚊子十分喜愛這種頻率的光線。光觸媒燈使用時會發出這種頻率的光線引誘蚊子靠近滅蚊燈。顏色：蚊蟲一般會被光所吸引尤其是深色光。點亮光觸媒燈時，它會發出顏色較深的藍紫色光，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。誘蚊耗價低且效率高。綜上所述，本設計選用光觸媒燈管作為誘蚊器件時是十分合理的。

2.2.2 太陽能電池的選擇

光電轉換是一種能夠把光能的輻射轉變為電能的發電效應。當太陽光照射半導體上的PN 結時，陽光中的一部分光被反射出去，一部分光轉化為熱能，還有一部分光子與半導體中的原子價電子發生碰撞從而形成電子空穴對。因為PN 結內部產生了擴散運動，P 區帶正電，N 區帶負電，PN 結兩端就會產生電勢差，如果把很多電池串聯或并聯在一起，在接上外加電路后就會形成電壓和電流，太陽能被轉化為電能。光伏發電技術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行分析，分析結果如表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合了單晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池的優點，轉換效率較高，而且沒有嚴重的衰減問題，它的制備可以利用價格很低的襯底材料。因為這些優點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。多晶硅片在生產過程當中沒有污染，而單晶硅電池生產時對環境的危害較大。

2.2.3 光控模塊

設計光控LED 照明系統一方面是為了使滅蚊燈的誘蚊效果大大加強，另一方面是為了使滅蚊燈在冬季不會被閑置，可以起到照明功能。

這一光控模塊設計有兩種選擇方案：

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輸送信號。再讓單片機控制繼電器的開關。

方案二：光敏電阻把信號直接傳給單片機，單片機根據輸入的程序執行命令。

由于滅蚊燈本身體積較小，電路設計簡單，并且方案二對環境要求較高，很難實現。所以選擇方案一。

最常用來測量光的亮暗程度，對光線進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體材料。光敏電阻對光線強弱的變化十分敏銳，這一特點也被稱為光譜特性，這與人的眼睛對可見光（0.4～0.76）μm 的響應十分的接近，只要是人眼可以感覺到的的光線，都會使它的阻值發生變化。

3 系統設計

3.1 滅蚊部分設計

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

本設計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。因為設計的滅蚊燈系統供于家庭使用，體型應該稍小一些，并且要考慮耗能問題，所以本設計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，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射電子。光觸媒燈管點亮后就會發出蚊蟲所喜愛的藍紫色光線，并且產生濕氣和二氧化碳，可以達到高效誘蚊的目的。

3.2 光控模塊設計

本系統所設計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。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傳遞給單片機。51 單片機在電路中感受到光敏電阻所傳遞的信號后，控制著繼電器的開斷。利用光敏電阻來感受光線強弱以給予單片機信號，在單片機接收到光敏電阻傳遞到的信號后，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。

在設計當中，光傳感器件對外界光線進行檢測時使用的是光敏電阻，光敏電阻對光線的強弱有較強的敏感性。這一特點即所謂的光導效應，本設計也正是利用這一特點來感受光線的明暗程度。

對于光控模塊，單片機無疑是控制核心，它對光電檢測電路收集到的信號進行加工處理。單片機可以隨著編寫好的命令來執行和運算，最后可以把運算結果傳遞給對應的執行電路。

繼電器執行電路是由單片機控制電路來控制的，意味著繼電器的開關是由單片機發出的指令來操控的，當繼電器接受到單片機的指令后將執行相應的操作。

光控部分的設計基本如此：由光電檢測電路檢測光信號并將其傳送給單片機控制電路。單片機控制電路接受到光敏電阻傳遞過來的信號后，發出開斷的指令傳遞給繼電器的執行電路，繼電器執行電路接收到指令后進行相應的操作。