太陽(yáng)能鋰電池供電的智能家居系統(tǒng)

韓麗君

（渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院 渭南 714099）

1 引言

環(huán)境污染及能源問(wèn)題日益成為制約國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，太陽(yáng)能作為一種無(wú)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(wèn)題的最佳途徑?；谵D(zhuǎn)換效率、制造成本、使用壽命和材料來(lái)源等方面考慮，硅光太陽(yáng)能電池是最理想的太陽(yáng)能電池，其中單晶硅光電轉(zhuǎn)化效率高，應(yīng)用更為廣泛。但是硅光太陽(yáng)能電池板受光照條件限制較大，需要儲(chǔ)能設(shè)備，因此本系統(tǒng)選用了性價(jià)比高使用廣泛的可充電鋰電池作為儲(chǔ)電裝置；目前市場(chǎng)上智能家居定位偏高，本設(shè)計(jì)以智能家居為應(yīng)用對(duì)象，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了性價(jià)比高的智能家居環(huán)境狀況監(jiān)控系統(tǒng)。其中聲光控LED燈更為節(jié)能環(huán)保，溫度濕度測(cè)控使家居環(huán)境更為舒適安全，紅外報(bào)警檢測(cè)非法入侵保證生命財(cái)產(chǎn)安全。蓄能鋰電池的引入兼顧了新能源的使用及系統(tǒng)的優(yōu)化，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性，將會(huì)帶來(lái)不錯(cuò)的前景。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

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

系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路處理后，通過(guò)TP4056鋰電池充電管理電路對(duì)鋰電池蓄電。再由鋰電池作為智能家居系統(tǒng)的電源，為單片機(jī)及各個(gè)智能模塊供電。智能家居系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)主控多個(gè)功能模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)預(yù)實(shí)現(xiàn)功能：包括聲光雙控延時(shí)LED燈模塊，溫濕度測(cè)控模塊及紅外防盜報(bào)警模塊。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

3 太陽(yáng)能鋰電池充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

首先利用硅光太陽(yáng)能電池板實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，輸出的電壓通過(guò)穩(wěn)壓模塊，高效地將其穩(wěn)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(tǒng)采用了雙鋰電池交替充放電，彌補(bǔ)了鋰電池充放電不能同時(shí)進(jìn)行的不足。

3.1 太陽(yáng)能電池板的選用

本設(shè)計(jì)采用單晶硅太陽(yáng)能電池組件，它相對(duì)于其它太陽(yáng)能電池?fù)Q效率最高，技術(shù)也最為成熟［3～5］。

3.2 穩(wěn)壓模塊

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

該穩(wěn)壓電路具有輸出精度高、外圍電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，可在太陽(yáng)能電池輸出電壓有波動(dòng)時(shí)也能穩(wěn)定輸出［6～7］。當(dāng)然，如果還想變換輸出電壓的范圍，也可采用可調(diào)電源降壓集成模塊DC-DC來(lái)替換此穩(wěn)壓電路。

3.3 鋰電池充電管理電路

TP4056是一款完整的單節(jié)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(guò)熱反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得芯片溫度得以限制［8～9］。當(dāng)輸入電壓不足時(shí)，TP4056將漏電降至2μA內(nèi)，進(jìn)入低耗能狀態(tài)。TP4056其他重要的特點(diǎn)還有溫度檢測(cè)、自動(dòng)再充、欠壓閉鎖、充電狀態(tài)指示LED?；赥P4056芯片的鋰電池充電管理電路原理圖如圖2。充電狀態(tài)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(tài)，低輸入為禁止充電狀態(tài)。

表1 充電狀態(tài)指示［4］

本系統(tǒng)的鋰電池的線性充電電路，是利用TP4056芯片內(nèi)部的功率晶體管對(duì)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流可通過(guò)RPROG確定。當(dāng)RPROG為10K時(shí)，充電電流典型值為130mA，4K時(shí)充電電流為300mA，最大充電電流可達(dá)1A。當(dāng)檢測(cè)到鋰電池電壓低于2.5V，充電系統(tǒng)先對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)充電；當(dāng)電壓超過(guò)3V時(shí)，采取恒流充電；當(dāng)電池電壓與4.2V相近時(shí)，充電電流降低，進(jìn)入恒壓充電；當(dāng)充電電流降低到結(jié)束值時(shí)充電完成。

TEMP為電池溫度檢測(cè)端，當(dāng)其接地時(shí)，溫度檢測(cè)功能取消，其他充電功能正常。PROG為恒流充電電流設(shè)置檢測(cè)端。在充電狀態(tài)下，測(cè)量該管腳的電壓都可以用式（1）來(lái)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(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí)，充電電流逐漸減小進(jìn)入恒壓充電，當(dāng)電流小到一定值時(shí)，充電截止。如果電池電壓低于2.5V，先采取涓流進(jìn)行預(yù)充電。

3.5 鋰電池檢測(cè)

在系統(tǒng)中，鋰電池不僅要蓄積太陽(yáng)能，而且要驅(qū)動(dòng)整個(gè)智能家居系統(tǒng)，可見(jiàn)作用舉足輕重，因此為保證整個(gè)系統(tǒng)正常、穩(wěn)定地工作，在系統(tǒng)的裝配過(guò)程中對(duì)鋰電池硬件部分要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和篩選。攸關(guān)鋰離子電池安全性能的參數(shù)有很多，而正負(fù)電極極差和對(duì)齊度是其最重要的性能參數(shù)之一［10～11］，本項(xiàng)目在此主要對(duì)以上參數(shù)利用計(jì)算機(jī)圖像處理方法進(jìn)行檢測(cè)分析其內(nèi)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?？紤]到負(fù)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(diǎn)，本項(xiàng)目通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖像每一行在水平方向的方差，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行域值處理來(lái)確定負(fù)極所在位置來(lái)確定測(cè)算的特征區(qū)域，角點(diǎn)位置標(biāo)記和正負(fù)極切線圖圖像如圖4、5所示［12～16］。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理，就能夠快捷準(zhǔn)確地篩選所要使用的鋰電池。

圖4 疊片電池角點(diǎn)位置標(biāo)記

圖5 疊片電池正負(fù)極切線圖

4 智能家居系統(tǒng)三大模塊功能設(shè)計(jì)

在智能家居系統(tǒng)中，聲光雙控延時(shí)LED燈模塊的功能是：當(dāng)光線良好時(shí)，聲控電路控制信號(hào)不起作用，當(dāng)光線暗到一定程度時(shí)，聲控電路控制起作用，其延時(shí)時(shí)間在30s～120s間可調(diào)整；其中溫濕度測(cè)控模塊，由DHT11傳感器采集溫濕度信息然后傳送給單片機(jī)處理，并由LCD液晶顯示當(dāng)前的溫度和濕度，如果溫度過(guò)高達(dá)到或超過(guò)設(shè)定值，單片機(jī)啟動(dòng)報(bào)警電路并控制繼電器切斷電源，以保障家居環(huán)境安全；其中紅外防盜報(bào)警模塊分為兩部分，紅外對(duì)光檢測(cè)及蜂鳴器報(bào)警電路，當(dāng)紅外對(duì)光檢測(cè)到非法入侵時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路。

4.1 聲光雙控延時(shí)LED燈模塊

該模塊聲控部分電路采用駐級(jí)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(shù)字集成芯片74LS00四2輸入與非門(mén)；延時(shí)由R5、C2控制。三極管9014是常見(jiàn)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(diào)節(jié)RP3，可調(diào)節(jié)靈敏度。電源由鋰電池提供［17～18］。

光照強(qiáng)時(shí)，光敏二極管RG呈低阻狀態(tài)，IC2引腳為低電位，3腳為高電位。也就是說(shuō)光照足時(shí)不論有沒(méi)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(wú)光照時(shí)，RG呈高阻狀態(tài)，2腳為高電位，這時(shí)若有觸發(fā)聲音，駐極體話筒拾取信號(hào)，經(jīng)C1耦合，三極管放大，由1腳輸入。當(dāng)1腳為高平時(shí)，6腳為高平，C2充電，同時(shí)高平信號(hào)傳遞給9、10腳，8腳拉低LED燈點(diǎn)亮。聲音過(guò)后，1腳恢復(fù)低電位，6腳拉低，但由于C2通過(guò)R5放電，所以9、10腳繼續(xù)保持高電位，燈繼續(xù)點(diǎn)亮。幾十秒鐘后，放電結(jié)束，9、10腳為低電位，8腳為高電位LED燈滅。

4.2 溫濕度測(cè)控模塊

溫濕度檢測(cè)控制模塊，主要以應(yīng)用廣泛的DHT11溫濕度傳感器作為檢測(cè)裝置，通過(guò)LCD1602顯示。溫濕度信號(hào)通過(guò)傳感器采集并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，傳送到單片機(jī)進(jìn)行分析處理，并在LCD1602上顯示［19］。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警模塊，同時(shí)控制繼電器切斷電源［20］。

4.3 紅外對(duì)光防盜報(bào)警

紅外對(duì)光電路采用紅外對(duì)管為觸發(fā)裝置，紅外對(duì)管包括紅外線發(fā)射管和紅外線接收管。紅外發(fā)射管是由紅外發(fā)光二極管和PN結(jié)組成，注入電流可激發(fā)紅外光。紅外線接收管屬于光敏二極管，一般只對(duì)紅外線有反應(yīng)，不受可見(jiàn)光的干擾。當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)，紅外光線被遮擋，接收端光敏二極管處于高阻態(tài)，信號(hào)經(jīng)放大電路輸出高平信號(hào)給C52單片機(jī)P2.0端口，經(jīng)單片機(jī)處理給蜂鳴器報(bào)警模塊IO口驅(qū)動(dòng)信號(hào)，蜂鳴器報(bào)警［21］。

4.4 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖6所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)。其中P0口接LCD液晶顯示8位雙向數(shù)據(jù)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(kāi)關(guān)控制端；P2.3接繼電器控制IO；P2.2接繼電器復(fù)位鍵。

圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)

首先溫濕度傳感器采集信息由P2.7傳給單片機(jī)處理，通過(guò)LCD液晶顯示即時(shí)溫濕度，同時(shí)檢測(cè)溫度是否達(dá)到或超過(guò)設(shè)置上限，若是則執(zhí)行蜂鳴器報(bào)警1子程序，并切斷繼電器即斷開(kāi)家電電源以保障生命財(cái)產(chǎn)安全；紅外防盜報(bào)警，當(dāng)P2.1紅外接收端，檢測(cè)到低平觸發(fā)信號(hào)時(shí)，單片機(jī)調(diào)用蜂鳴器報(bào)警2子程序，控制光耦開(kāi)關(guān)，蜂鳴器報(bào)警提示10s。

5 主程序流程圖

運(yùn)用keil μVision 4軟件編程，用程序調(diào)試模塊即debug調(diào)試環(huán)境，進(jìn)行程序調(diào)試、編譯、鏈接，然后通過(guò)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(jī)最小系統(tǒng)。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)可依靠太陽(yáng)能供電實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，其中聲光雙控延時(shí)LED燈節(jié)能環(huán)保，溫度濕度測(cè)控讓人對(duì)環(huán)境溫濕度信息一目了然并能對(duì)火災(zāi)等隱患有一定的防患作用，紅外報(bào)警可檢測(cè)非法入侵保證了生命財(cái)產(chǎn)安全。設(shè)計(jì)將新能源太陽(yáng)能與智能家居兩大科技有效地融合，功能實(shí)用、成本低，一般家庭都能接受。