光電互補供熱控制系統(tǒng)的研究

摘 要：近年來，建筑供熱能耗不斷下降，太陽能熱利用產(chǎn)品性能日益提高，太陽能供熱逐漸受到人們的重視。本設計中使用太陽能供熱系統(tǒng)由現(xiàn)場設備的檢測，傳感器采集信號、單片機控制系統(tǒng)構成。使用傳統(tǒng)的STC89C52來實現(xiàn)溫度信號的采集，處理控制繼電器以及加熱設備的開斷，并且在蓄電池能源不夠的時候通過切換市電來保持室內(nèi)溫度從而達到節(jié)能。

關鍵詞：節(jié)能；太陽能；能源切換

中圖分類號：TM923.4

在和平與發(fā)展成為兩大主題的當今世界，發(fā)展面臨著前所未有的良好機遇和嚴重挑戰(zhàn)，能源短缺、資源枯竭、環(huán)境污染等問題已嚴重影響人們的生活和制約社會的發(fā)展。面臨著環(huán)境保護與能源短缺的雙重壓力。要利用當前天下較為太平的大好形勢加速發(fā)展，就必須在保護環(huán)境的前提下加快能源建設。

1 光電互補供熱系統(tǒng)各工作模塊簡介與選擇

1.1 主控芯片模塊

AT89S52作為普通51單片機已與廣泛應用于各種產(chǎn)品中，其接口簡單，方便使用，且功能強大，因此本系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為主控制芯片。與MCU-51單片機產(chǎn)品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次可擦寫周期、全靜態(tài)操作：0HZ-33HZ、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口、三個16為定時器/計數(shù)器八個終端源、清爽工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電以后中斷可喚醒看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標示符。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。

1.2 溫度傳感器的選擇

DSl8820是由美國DALLAS（達拉斯）公司生產(chǎn)的高性能單線數(shù)字式溫度傳感器。該傳感器提供9到12位溫度讀數(shù)；可實現(xiàn)-55°C到+125°C范圍內(nèi)的溫度測量，增量值為0.5°C。現(xiàn)場測量的溫度值通過單總線接口傳給微處理器，多個DSl8820可以存在于同一條單線總線上。因此，在實際應用中可以在多個不同的地方放置DSl8820，并將這些傳感器接在同一條單線總線上，由一個單片機進行控制。對DSl8820數(shù)字傳感器供電有兩種方式：一是寄生電源供電；二是外部電源供電。每個DSl8820在出廠時都有一個唯一的64位編號，存放在內(nèi)部ROM中。

1.3 液晶顯示模塊的選擇

1602液晶模塊作為單片機系統(tǒng)中比較常用的模塊。有著方便操作、時序功能簡單的特點，雖然沒有內(nèi)置中文字符庫，以及過大的顯示屏幕。但是對于本設計中顯示溫度以及報警狀態(tài)的需求已經(jīng)綽綽有余。

不同生產(chǎn)1602液晶的廠家，由于使用不同的液晶驅動器。其讀寫時序有細微差別，單片機的高速運行。這種差差別很小，只需處理好這種快速器件與慢速器件的時序。這種差別可以忽略，寫時序操作時：從寫操作時序操作以看出，只要寫操作之前。相應的RS，R/W信號線準備好.同時在DBO-DB7有效時。讓EN腳的電平由低空高后。再高變低，就以向1602型液晶寫數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)時與寫數(shù)據(jù)差不多。只是RW信號不一樣。再利用單片機的高速性，讀或寫命令后，立即拉低En電平，但此時數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)沒有消失，因為兩條指令時間相隔納秒級。這樣總線上的數(shù)據(jù)或者指令就可以被準確寫入或讀出。利用單片機的高速型和液晶的低速控制方式這兩點相結臺。成功用單片機對1602液晶進行了控制顯示。

1.4 太陽能電板的選擇

市面上現(xiàn)有的太陽能板大都數(shù)分為單晶硅與多晶硅兩種。硅電池進展的重要原因之一是表面鈍化技術的提高，此外，倒金字塔技術、雙層減反射膜技術以及陷光理論的完善也是主要原因。該電池集中了非晶硅和單晶硅電池的優(yōu)點，在大面積上獲得了接近21%（的高效率）最值得注意的是，這種電池近年來商業(yè)化生產(chǎn)速度發(fā)展很快，僅僅兩三年時間，產(chǎn)品已占整個光伏市場的5%。

價由于多晶硅材料制造成本低于單晶硅材料，同時能直接制備出適于規(guī)?；a(chǎn)的大尺寸方型硅錠，設備簡單，制造過程簡單省電、節(jié)約硅材料，因此比單晶硅電池具有更大降低成本的潛力。

1.5 變壓器的選擇

選定12V 165W的低壓加熱器，既保證了用戶的安全又保證了模型的正常運行。光電互補設備中除了太陽能轉蓄電池電能以外，在蓄電池電壓不足時將使用市電作為能源。

線性電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路等。線性電源是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過電壓反饋調(diào)整輸出電壓，這種電源技術很成熟，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋非常的小，而且沒有干擾與噪音。而且變壓部分采用傳統(tǒng)的繞線式變壓需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當大，電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，MOS管工作在放大區(qū)，通過輸出的負反饋來微調(diào)MOS管的放大狀態(tài)，則可以得到輸入與輸出非常好的線性關系但是也因為MOS管工作在放大區(qū)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調(diào)整管的功耗太大，轉換效率低，還要安裝很大的散熱片。

2 硬件電路的設計與原理

2.1 比較電路的設計

因為系統(tǒng)需要進行能源的轉換，當電池電壓不足12V的時候則需要自動切換成市電來保證加熱器的正常工作。設計中的方案是通過一個電壓比較器來完成。使用12V的市電加上電阻分壓作為參考電壓。分壓后電壓為11V。當電池電壓大于11V時比較器輸出高電平驅動三極管使得繼電器觸電吸合，當小于11V時輸出低電平三極管無法導通線圈斷開，使用市電功能。從而達到能源的切換。

2.2 穩(wěn)壓電路的設計

一般的直流信號里面都有一定的雜波以及紋波，其大小影響著直流信號的好壞。設計中電壓比較器比較的電壓范圍在12V-11V，區(qū)間較小。若有較大的紋波則會影響比較器的判斷，在220V轉12V的市電中，開關電源的輸出自帶穩(wěn)壓電路，可以保證輸出的12V電壓中紋波系數(shù)較少。但是對于蓄電池輸出的電壓中紋波的成分相對很大。所以在蓄電池輸出電路的檢測中需要加上穩(wěn)壓電路。

穩(wěn)壓電路如圖1所示，電路選用傳統(tǒng)的LM7812穩(wěn)壓芯片。此芯片內(nèi)含過熱、過載、過熱保護當帶散熱片時輸出電流可達1A。輸出電壓可調(diào)范圍1.23V-37V（HV型號的可達57V），負載電壓的輸出容差最大為±4%，可作Buck-Boost式 正-負電壓轉換器。

VIN為輸入電壓端，為減小輸入瞬間電壓和給調(diào)節(jié)器提供開關電流。

OUTPUT為穩(wěn)壓輸出端，輸出高電壓為VIN-VSAT，輸出低電壓為0.5-3V。

GND為電路地。

2.3 加熱器開關電路

加熱器開關電如圖2所示。三極管9013以及9012有：集電極-基電壓50V、射極-基極電壓5V、集電極電流0.03A、耗散功率小（0.4W）的優(yōu)點，而且單片機輸出管教能夠直接驅動基級，所以選用此類管子能夠很好地滿足需求。

當單片機收到傳感器溫度過低的信號時某一管腳向外發(fā)出高電平。通過保護電阻R1驅動三極管9013導通使得Q2基級電壓為0三極管9012（Q2）導通。12V電壓得以加給繼電器正負兩端，線圈閉合，加熱器R8工作。

2.4 整體硬件電路

整體硬件電路總圖如圖3所示。當室外溫度低于設定溫度時，單片機收到信號。P3.0管腳發(fā)出高電平使得三極管Q1導通這樣Q2上的B級就呈現(xiàn)輸一個低電平則Q2也導通，繼電器觸點通電開關被吸合，加熱電路導通。當電池電壓處于11.5V以下時電壓比較器開始工作，輸出高電平三極管Q3導通繼電器2線圈通電，開關被吸合加熱器功能由電池供電切換為市電供電，達到功能的切換。

3 結束語

太陽是自然界中分布最廣的一種清潔可再生能源，我國西北地區(qū)目前的供暖還是使用煤炭采暖，嚴重的污染了環(huán)境，而這些地區(qū)有著十分豐富的太陽能資源。

市面上大多數(shù)太陽能產(chǎn)品都是直接供能，或者是整個太陽能系統(tǒng)給單一設備供能，不具有系統(tǒng)性。本設計所提出的光電互補供熱系統(tǒng)在能源充足的情況下可以很好地支持所有家用電器，使其給房間加熱只是其中一個比較有代表性的作用，達到真正的太陽能供電。因此大力推廣太陽能采暖系統(tǒng)，對節(jié)約常規(guī)能源不僅具有巨大的經(jīng)濟效益，而且具有明顯的社會效益和環(huán)境效益。

參考文獻：

[1]李世一，楊曼輝.集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能措施[J].赤峰學院學報（自然科學版），2008（12）.

作者簡介：白彥霞（1979-），女，河北晉州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：信息檢索、檢測及儀表；張秋菊（1982-），女，山東人，碩士研究生，講師，主要研究方向：信息處理；鄧立晨（1992-），男，江西南昌人，學士學位，本科在讀。

作者單位：燕京理工學院 信息科學與技術學院，河北廊坊 065201

基金項目：廊坊市科技支撐計劃項目（項目編號：2013011027）。