太陽能供電系統(tǒng)在茶園智能噴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅文彬，林長富

（三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004）

太陽能供電系統(tǒng)在茶園智能噴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅文彬，林長富

（三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004）

介紹了智能噴灌系統(tǒng)的太陽能供電方案，以ARM系列STM32單片機(jī)為控制芯片，具有節(jié)能及實(shí)用性，采用太陽能電池板作為系統(tǒng)的供電電源，并可實(shí)時(shí)檢測蓄電池的電壓，從而保護(hù)蓄電池，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。LCD12864液晶屏用來顯示采集到的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更具性價(jià)比。

STM32單片機(jī)；太陽能；充放電檢測

茶葉種植區(qū)域主要在我國南方多雨山區(qū)地帶，適合在暖和濕潤的環(huán)境下種植，無法承受低溫，根部生長環(huán)境適合在多氧潮濕，對(duì)土壤要求相對(duì)較高，需含大量有機(jī)物質(zhì)。溫度和濕度會(huì)對(duì)茶葉的產(chǎn)量和質(zhì)量造成主要的影響，然而這也直接左右了茶葉種植區(qū)域的分布。 正常情況下茶葉生長需求的日平均氣溫15～20℃，濕度在65%～95%時(shí)，生長較旺，茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)較好；日平均氣溫超過20℃生長雖旺盛，但茶葉粗老質(zhì)量差，不喜超過30℃的高溫環(huán)境，當(dāng)日平均氣溫低于10℃時(shí)，茶芽生長停滯進(jìn)入休眠?？紤]到茶樹的生長特性，在茶葉生長季節(jié)，若雨量充沛，則可不必循環(huán)灌溉，可以減少成本成本；若天氣炎熱、降水量偏少、土壤偏干的時(shí)候可以開啟噴灌系統(tǒng)，這需要溫濕度傳感器精確的測出溫濕度信號(hào)，并作出正確的控制。福建多地種植茶葉，茶葉多半都種植在山坡上，然而由于地形崎嶇，很多地方電力鋪設(shè)不到位，架設(shè)電力線路費(fèi)用較高且不安全。太陽能發(fā)電系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用，卻可以很好的解決地形崎嶇的山區(qū)茶園噴灌的供電困難的問題。因此通過對(duì)太陽能在智能噴灌技術(shù)上的研究就非常有重要的意義。太陽能作為新型能源具有環(huán)保、效率高、用之不盡的優(yōu)點(diǎn)。太陽能板利用光伏發(fā)電原應(yīng)原理能把太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能，利用新能源太陽能發(fā)電，不用燃燒，不會(huì)產(chǎn)生廢棄物，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，非常清潔[1]。

1 充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制模塊的主控芯片采用了STM32單片機(jī)，用來處理數(shù)據(jù)和控制各功能電路。電源供電方面系統(tǒng)控制模塊主要是由太陽能充電模塊提供，電源方面設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓及保護(hù)電路，保證蓄電池安全存儲(chǔ)蓄電及系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，蓄電池通過信號(hào)檢測模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)送入STM32單片機(jī)進(jìn)行判斷，若蓄電池當(dāng)前電壓高于15 V，則切斷太陽能電池板充電回路，若蓄電池當(dāng)前電壓低于12 V，則切斷蓄電池放電回路，改由太陽能電池直接給系統(tǒng)供電。顯示模塊是用LCD12864液晶屏，用于顯示氣溫、土壤濕度、蓄電池的當(dāng)前電壓值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 太陽能電池板

2 太陽能供電電路模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽能電池板

太陽能板是由大量硅材料制成的電池片構(gòu)成的。太陽能板的工作原理主要是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng),由太陽光的光量子與材料相互反應(yīng)而產(chǎn)生電荷，從而把光能轉(zhuǎn)換成電能[2]。

目前市場上的太陽能板基本上比較多的有單晶硅太陽能板和多晶太陽能板硅兩種。單晶硅板的轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高，技術(shù)也相對(duì)的成熟穩(wěn)定，從光能轉(zhuǎn)化成電能的效率約25%左右，但生產(chǎn)過程中要用到比較大量純度較高的硅材料，而制作這些材料的生產(chǎn)過程難度較大，損耗較大，所占用的成本比例較大；多晶硅板使用的是多晶硅材料，大多數(shù)是含有許多單晶顆粒的集合體，或用廢棄單晶硅材料和冶金級(jí)硅材料熔鑄而成。生產(chǎn)工藝過程與單晶硅板差不多，其光能轉(zhuǎn)化成電能是的效率約為12%，雖然比單晶硅效率低，但是生產(chǎn)工藝過程簡單，降低損耗，并且生產(chǎn)成本相對(duì)較低，因此得到大量的制作與應(yīng)用。

如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用的是20 W多晶硅太陽能板，既能滿足設(shè)計(jì)需要又能降低成本。具體特性參數(shù)：輸出功率20 W、輸出最大電流1 A、輸出最大電壓20 V、轉(zhuǎn)換效率15%。

從圖3中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，光電流越大，且線性范圍越寬。由于可見光的波長范圍為390～780 nm。從圖4可以看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540 nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400～1100nm，峰值波長在850 nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。

圖3 光電池的光照特性

圖4 光電池的光譜特性

2.2 電能存儲(chǔ)

系統(tǒng)中，如果沒有將太陽能轉(zhuǎn)換的電能及時(shí)的儲(chǔ)存，趕上雨季時(shí)節(jié)，就不能為控制系統(tǒng)提供工作電源，這樣就無法使整個(gè)設(shè)計(jì)工作，所以在供電電路模塊加入了蓄電池，能將太陽能轉(zhuǎn)換的電能及時(shí)的保存下來。

在太陽能發(fā)電應(yīng)用中，蓄電池經(jīng)常被用到，是因?yàn)樗軌蚱鹬鴥?chǔ)能和調(diào)節(jié)的作用。由光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率是不斷變化的，在陽光不足或太陽能板需要維修更換板時(shí)，蓄電池可以提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電源。

本設(shè)計(jì)采用12 V1.3AH鉛酸蓄電池，免維護(hù)，即使電解液泄漏，也不會(huì)向空中排放氫氣和酸水，能更好的保護(hù)環(huán)境和更具安全性。蓄電池的主要缺點(diǎn)就是對(duì)過充現(xiàn)象表現(xiàn)的非常敏感，于是對(duì)過充的防護(hù)措施要求較高；當(dāng)多次過充之后，蓄電池容易發(fā)生形變。

所用蓄電池特性參數(shù)為：輸出電壓12 V、輸出電流1.2 A、額定電容1.3 AH

2.3 太陽能板充電電路

本次設(shè)計(jì)中采用的太陽能板，輸出為15 V，經(jīng)過一定的壓降之后在經(jīng)過7805進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換輸出5 V，在輸入端接一個(gè)整流二極管，起到防反接的作用，并具有充電指示燈提示，其電路如圖5所示。

圖5 太陽能供電電路圖

2.4 穩(wěn)壓電路

采用LM1117來實(shí)現(xiàn)3.3V穩(wěn)壓，LM1117是一款常用的穩(wěn)壓芯片，擁有低壓差電壓調(diào)節(jié)的能力并且還能對(duì)電流起到限制作用和溫度保護(hù)的作用。LM1117具有電壓調(diào)節(jié)的功能，通過改變輸出端2個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn)1.25～13.8V的輸出電壓范圍。此外還可通過設(shè)計(jì)外部電路實(shí)現(xiàn)固定電壓輸出，本穩(wěn)壓電路采用3.3 V固定電壓穩(wěn)定輸出，其特性參數(shù)如表1所示。

本設(shè)計(jì)中3.3 V穩(wěn)壓電路如圖6所示,采用的穩(wěn)壓電路為固定3.3 V輸出，在外部電路外接兩個(gè)10 μF的電容，可保持對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定性。并且在輸入端接一個(gè)整流二極管可以起到防反接保護(hù)電路的作用。

表1 LM1117特性參數(shù)

圖6 LM1117穩(wěn)壓電路

2.5 電壓檢測電路

由于蓄電池對(duì)過充及過放的情況比較敏感，過充會(huì)讓蓄電池超負(fù)荷工作會(huì)使蓄電池變形爆裂，導(dǎo)致報(bào)廢，所以本設(shè)計(jì)中添加了一個(gè)電壓檢測電路，來實(shí)時(shí)檢測蓄電池電壓并及時(shí)反饋。當(dāng)太陽能電池板對(duì)蓄電池充電，蓄電池大于15 V時(shí),太陽能電池板停止對(duì)蓄電池充電；蓄電池放電時(shí)，電壓低于12 V時(shí)，則立即斷開蓄電池放電回路，由太陽能板直接給系統(tǒng)供電。蓄電池電壓檢測通斷控制電路[3]如圖 7所示，T1、T2觸點(diǎn)開關(guān)可由繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)代替控制。當(dāng)檢測控制電路檢測到蓄電池電壓在12～15 V之間，T1、T2閉合時(shí)，太陽能電池組對(duì)蓄電池充電，并對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)蓄電池電壓大于15 V，則T1斷開，T2閉合，蓄電池對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)蓄電池電壓小于12 V，則T1閉合，T2斷開，蓄電池停止對(duì)負(fù)載放電，改由太陽能電池組供電。

電壓檢測電路如圖8所示，JC1接蓄電池的輸入端，串聯(lián)兩個(gè)電阻分壓，JC2接STM32的內(nèi)部AD，PA7口用來測量電壓，通過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，顯示在LCD12864上。換言之，VC2的電勢可由式（1）表示。

圖7 蓄電池電壓檢測通斷控制電路

若VC2=15 V，則VC2=5 V，若VC2=12 V，則VC2=4 V，即蓄電池處于充放電階段，VC2的電壓應(yīng)滿足4 V＜VC2＜5 V，此時(shí)，太陽能電池組既可對(duì)蓄電池充電，又可對(duì)負(fù)載供電；若VC2＞15 V，則停止對(duì)蓄電池充電，VC2＜12 V，則蓄電池停止對(duì)外放電，從而保護(hù)蓄電池，延長其使用壽命。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與測試

3.1 電池電壓檢測程序

程序設(shè)計(jì)要求：當(dāng)太陽能電池板對(duì)蓄電池充電，蓄電池大于15 V時(shí),太陽能電池板停止對(duì)蓄電池充電；蓄電池放電時(shí)，電壓低于12 V時(shí)，則立即斷開蓄電池放電回路，由太陽能板直接給系統(tǒng)供電，其流程圖如圖9所示。

圖8 電壓檢測電路圖

圖9 電池電壓檢測流程圖

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試

測試的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 太陽能供電系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)表示，太陽能供電系統(tǒng)能給茶園智能噴灌系統(tǒng)提供電力，蓄電池處于緩慢充電狀態(tài)。

3.3 硬件測試效果

測試效果圖如圖10所示，包括蓄電池、電源模塊、GSM手機(jī)模塊、STM32最小系統(tǒng)板、紅外熱釋電模塊、繼電器控制模塊、溫濕度傳感模塊、液晶顯示模塊，其中，液晶顯示土壤的溫度、濕度，蓄電池的電壓當(dāng)前值，此系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)參數(shù)。

圖10 硬件測試效果圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案秉著低功耗、實(shí)用性、可行性、創(chuàng)新、性價(jià)比為原則，電池壽命長，適合戶外各種小型鋰電池設(shè)備充電使用，采用太陽能板和蓄電池作為電源系統(tǒng)，具有一定的節(jié)能環(huán)保的效果，太陽能作為環(huán)保、可再生能源，其應(yīng)用前景將日益廣闊[4]。

［1］ 張秀清，李艷紅，張超．太陽能電池研究進(jìn)展［J］．中國材料進(jìn)展，2014(7)：56－61.

［2］ 張亮．太陽能電池的研發(fā)進(jìn)展［J］．科技創(chuàng)業(yè)月刊，2011，6（6）：157－158．

［3］ 余情，楊金明．光伏發(fā)電技術(shù)在溫室中的應(yīng)用［J］．新能源進(jìn)展，2015(4)：9－13.

［4］ 霍廣文．多功能太陽能充電器的設(shè)計(jì)研究［J］．電子科學(xué)技術(shù)，2016(5)：124－127.

(責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

The Applications of Solar Power System to the Intelligent Irrigation System in Tea Garden

LUO Wen-bin,LIN Chang-fu
（School of Technical&Electrical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China）

The plan of solar power supply of the intelligent irrigation system is introduced in this paper.It have the virtue of energy saving and practicality based on STM32 single-chip microcomputer.Meantime,solar panels as the power supply will improve the security and stability of the system for the timely detection of battery voltage,which helps to protect the use of battery and improve the security and stability of the system.LCD12864 as the display of collected data will make the system have high performance price ratio.

STM32 MCU;sloar energe;charging and discharging detection

TM615

A

1673-4343（2017）04-0046-06

10.14098 ／j.cn35-1288 ／z.2017.04.008

2017-04-16

三明學(xué)院科研基金項(xiàng)目(B201208/Q)

羅文彬，男，福建永安人，講師。主要研究方向：控制理論與控制工程教學(xué)。