太陽能智能保溫箱研究

曹瑩 王沖

摘要：本文針對目前外賣保溫箱保溫效率低，且溫度不可調節(jié)的現(xiàn)狀，設計一款能讓消費者品嘗到熱騰騰食物的外賣溫控箱。該溫控箱選用太陽能薄膜電池為電源，發(fā)熱半導體作為熱源，進而在保溫箱里產(chǎn)生熱能，減少食物熱量的流失，提高了保溫箱的保溫效果。另外還可根據(jù)不同的食物改變加熱元件的溫控狀態(tài)。該保溫箱不僅環(huán)保、節(jié)能、還具有體積小、智能化特點，便于推廣，有一定的市場價值。

關鍵詞：太陽能薄膜電池;單片機;溫度控制

在信息飛速發(fā)展的當今時代，全國掀起了一場外賣風潮。當你滿懷希望吃到熱騰騰的食物時，卻因為等待時間太久，送到手中的食物由于溫度降低，口感會大打折扣。因此我們對這個現(xiàn)象作了調查研究，將綠色的太陽能與傳統(tǒng)的外賣配送箱相結合。利用太陽能發(fā)電為保溫箱內(nèi)的發(fā)熱片提供電能，發(fā)熱片為保溫箱內(nèi)提供熱能，保溫箱內(nèi)的溫度檢測元件會給箱外顯示器提供檢測信號，對箱內(nèi)溫度實時監(jiān)測，然后調節(jié)溫控開關，使得外賣箱內(nèi)保持在一個合適溫度狀態(tài)。

1 太陽能智能保溫箱結構

太陽能智能恒溫箱把光伏發(fā)電、儲能裝置、控制裝置、傳感器裝置、顯示裝置和加熱單元進行整合，形成一個單一的、可控的電力加熱裝置。其運行時，薄膜電池片利用太陽能發(fā)電，將所發(fā)電能通過控制器存儲到鋰電池中，鋰電池為保溫箱中加熱元件和控制單元提供電能;傳感裝置檢測保溫箱內(nèi)溫度信號，送入控制單元中轉變?yōu)殡娦盘?，在顯示裝置上直接讀出當前保溫箱內(nèi)溫度，再通過控制按鈕對加熱負載進行調節(jié)，達到控制箱內(nèi)溫度效果。儲能裝置是該系統(tǒng)穩(wěn)定運行、電能質量保證的關鍵部件，電池的性能將直接決定恒溫箱運行的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性。保溫箱的原理圖如圖1所示。

將太陽能薄膜電池通過串并聯(lián)方式安放在保溫箱頂部，左右兩側和正前方這四個部分。溫度控制模塊，安放在保溫箱外部側面，便于操作者能夠及時的對箱內(nèi)溫度做出調整。蓄電池通過串并聯(lián)方式平鋪在保溫箱內(nèi)壁底部并與太陽能薄膜電池、溫度控制模塊相連接;加熱片安裝在保溫箱內(nèi)壁，并與溫度控制模塊相連接。

2 薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池是太陽能電池發(fā)展的第二代產(chǎn)品，是通過輝光放電（GD）、離子體增強化學氣相沉積（PECVD）等方法使硅或者其它光伏材料在電池的基板上沉積，形成一層非常薄的薄膜。目前可以把厚度控制在幾納米到幾十微米的范圍內(nèi)，其優(yōu)點是在弱光程度下其發(fā)電性能非常好，同等光照強度情況下比其他電池的功率損失少，而且延展性好能好、成本低。本系統(tǒng)共選用20塊單體額定功率0.5W、額定電壓2V、額定電流025A薄膜電池串并聯(lián)連接，其輸出功率為10W，輸出電壓為20V，輸出電流為0.5A，為蓄電池供電。

3 半導體發(fā)熱材料

在這個項目中，選用PTC熱敏電阻作為發(fā)熱材料。PTC熱敏電阻具有熱阻小、換熱效率高，可自動恒溫的特點，在任何情況下都不會出現(xiàn)“發(fā)紅現(xiàn)象”，不會導致燙傷和火災現(xiàn)象，安全性能可以得到保障。由于運用了U型波紋狀散熱片，使得散熱效率得到很大的提高，并且綜合應用了膠粘和機械式的各自優(yōu)勢，且PTC具有良好的導熱和散熱功能，快速加熱，安全性高，其型號為12V/60C。

4 溫控箱系統(tǒng)設計

4.1 溫度控制電路設計

溫度控制電路以AT89C51單片機作為核心，包含了溫度傳感電路，按鍵電路，顯示電路以及加熱電路，如圖2所示。

利用AT89C51單片機作為控制單元，溫度傳感器DS18B20用于采集箱內(nèi)實際溫度數(shù)據(jù)，利用顯示模塊顯示保溫箱內(nèi)實時溫度的數(shù)據(jù)，利用按鍵設置箱內(nèi)溫度范圍，并且可以實時更改箱內(nèi)加熱溫度。該系統(tǒng)能實時監(jiān)控溫度，提醒使用者對箱內(nèi)溫度做出及時調整。

（1）溫度檢測電路。恒溫箱系統(tǒng)所選用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器用于采集箱內(nèi)實時溫度數(shù)據(jù)，該傳感器利用外接電源為其供電，工作性能穩(wěn)定可靠，有良好的抗干擾能力，并且電路結構相對簡單，采集到的溫度數(shù)據(jù)送到單片機P2.2處理。

（2）溫度控制電路。工作的控制器總共分別為5個按鍵，分別是開、關機鍵、加溫鍵、降溫鍵、設置鍵。

保溫箱通電前，首先對系統(tǒng)初始的溫度值進行判斷，利用加溫、降溫鍵對溫度進行調節(jié)，若收集到的溫度數(shù)值比設定溫度數(shù)值高時，控制系統(tǒng)會停止加熱;相反，若采集到箱內(nèi)溫度高比設定溫度低，控制系統(tǒng)將會給加熱片供電持續(xù)加熱直到達到設定溫度，此時半導體處于發(fā)熱增溫模式;并且，保溫箱內(nèi)數(shù)碼管也會是及時顯示箱內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。

（3）溫度顯示電路。采用八位數(shù)碼管顯示，顯示形式如XXXXXX，前面兩位數(shù)字為設定溫度，中間一位為加熱功率參數(shù)，最后三位為實際測量溫度值精確到小數(shù)點后一位，P0口經(jīng)74LS245驅動送出段碼，P1口經(jīng)74LS245驅動送出位碼，如圖3所示。

4.2 電源電路設計

電源電路是為了給予控制器的工作提供5V的直流電，本系統(tǒng)中電源存儲采用的是鋰電池，選用12塊單體額定容量25Ah、額定電壓3.7V電池串并聯(lián)連接，其輸出功率為70W，輸出電壓為15V。鋰電池輸出的電壓通過三端穩(wěn)壓器LM317，得到穩(wěn)定的5V電壓。三端可調穩(wěn)壓器的輸出電壓可調，穩(wěn)壓精度高，輸出波紋小，一般的輸出電壓為1.2535V或1.2535V調節(jié)，負載最大輸出電流為1.5A。使用時非常簡單，僅需倆個外接電阻控制輸出電壓，并且內(nèi)置過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。

4.3 系統(tǒng)軟件設計

4.3.1主程序流程圖

系統(tǒng)運行后初始化系統(tǒng)變量，I/O端口以及中斷等，然后循環(huán)調用DS18B20溫度比較子程序、按鍵子程序以及顯示子程序。主流程圖如圖4所示。

4.3.2溫度比較子程序流程圖

如圖5所示，首先求得測量溫度與設定溫度之差，然后與設定溫度比較，并設置相應標志位，若大于設置溫度則標志位清零，若小于設定溫度則標志位置1。

5 總結

本項目設計在于克服外賣保溫箱保溫效率低，且溫度不可調節(jié)的現(xiàn)狀，設計一款能讓消費者品嘗到熱騰騰食物的太陽能智能恒溫箱。

（1）在保溫箱中加入了新型的發(fā)熱片加熱裝置，加快了溫度的提升，有效解決溫度分布不均的問題。該發(fā)熱片使用的12V的安全電壓，有效保證使用者安全。另外經(jīng)測試該發(fā)熱片還能有效的防水，可在雨天放心使用。

（2）在溫度調節(jié)的問題上，使用智能芯片實時監(jiān)測保溫箱內(nèi)的溫度，并可以按照自己的需求調節(jié)溫度，從而保持保溫箱內(nèi)合適狀態(tài)。

（3）電能供給來源于蓄電池，我們選用的是可以充電的鋰電池。相比較其他鉛酸蓄電池、鎳鉻蓄電池的優(yōu)點有：電壓穩(wěn)定、污染小、體積輕便、使用壽命長。

（4）根據(jù)我國外賣行業(yè)的發(fā)展，并通過研究國內(nèi)外成熟的太陽能發(fā)電技術和經(jīng)驗，開發(fā)具有創(chuàng)新實用的溫控箱，將太陽能技術運用到生活之中。

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課題：該課題是江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201710958006Y）

作者簡介：第一作者曹瑩（1972），女，江蘇南通人，工學碩士學位，副教授，研究方向：新能源應用技術。第二作者王沖，職務職稱：學生。