太阳能智能保温箱研究

曹莹 王冲

摘要：本文针对目前外卖保温箱保温效率低，且温度不可调节的现状，设计一款能让消费者品尝到热腾腾食物的外卖温控箱。该温控箱选用太阳能薄膜电池为电源，发热半导体作为热源，进而在保温箱里产生热能，减少食物热量的流失，提高了保温箱的保温效果。另外还可根据不同的食物改变加热元件的温控状态。该保温箱不仅环保、节能、还具有体积小、智能化特点，便于推广，有一定的市场价值。

关键词：太阳能薄膜电池;单片机;温度控制

在信息飞速发展的当今时代，全国掀起了一场外卖风潮。当你满怀希望吃到热腾腾的食物时，却因为等待时间太久，送到手中的食物由于温度降低，口感会大打折扣。因此我们对这个现象作了调查研究，将绿色的太阳能与传统的外卖配送箱相结合。利用太阳能发电为保温箱内的发热片提供电能，发热片为保温箱内提供热能，保温箱内的温度检测元件会给箱外显示器提供检测信号，对箱内温度实时监测，然后调节温控开关，使得外卖箱内保持在一个合适温度状态。

1 太阳能智能保温箱结构

太阳能智能恒温箱把光伏发电、储能装置、控制装置、传感器装置、显示装置和加热单元进行整合，形成一个单一的、可控的电力加热装置。其运行时，薄膜电池片利用太阳能发电，将所发电能通过控制器存储到锂电池中，锂电池为保温箱中加热元件和控制单元提供电能;传感装置检测保温箱内温度信号，送入控制单元中转变为电信号，在显示装置上直接读出当前保温箱内温度，再通过控制按钮对加热负载进行调节，达到控制箱内温度效果。储能装置是该系统稳定运行、电能质量保证的关键部件，电池的性能将直接决定恒温箱运行的稳定性、可靠性和灵活性。保温箱的原理图如图1所示。

将太阳能薄膜电池通过串并联方式安放在保温箱顶部，左右两侧和正前方这四个部分。温度控制模块，安放在保温箱外部侧面，便于操作者能够及时的对箱内温度做出调整。蓄电池通过串并联方式平铺在保温箱内壁底部并与太阳能薄膜电池、温度控制模块相连接;加热片安装在保温箱内壁，并与温度控制模块相连接。

2 薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池是太阳能电池发展的第二代产品，是通过辉光放电（GD）、离子体增强化学气相沉积（PECVD）等方法使硅或者其它光伏材料在电池的基板上沉积，形成一层非常薄的薄膜。目前可以把厚度控制在几纳米到几十微米的范围内，其优点是在弱光程度下其发电性能非常好，同等光照强度情况下比其他电池的功率损失少，而且延展性好能好、成本低。本系统共选用20块单体额定功率0.5W、额定电压2V、额定电流025A薄膜电池串并联连接，其输出功率为10W，输出电压为20V，输出电流为0.5A，为蓄电池供电。

3 半导体发热材料

在这个项目中，选用PTC热敏电阻作为发热材料。PTC热敏电阻具有热阻小、换热效率高，可自动恒温的特点，在任何情况下都不会出现“发红现象”，不会导致烫伤和火灾现象，安全性能可以得到保障。由于运用了U型波纹状散热片，使得散热效率得到很大的提高，并且综合应用了胶粘和机械式的各自优势，且PTC具有良好的导热和散热功能，快速加热，安全性高，其型号为12V/60C。

4 温控箱系统设计

4.1 温度控制电路设计

温度控制电路以AT89C51单片机作为核心，包含了温度传感电路，按键电路，显示电路以及加热电路，如图2所示。

利用AT89C51单片机作为控制单元，温度传感器DS18B20用于采集箱内实际温度数据，利用显示模块显示保温箱内实时温度的数据，利用按键设置箱内温度范围，并且可以实时更改箱内加热温度。该系统能实时监控温度，提醒使用者对箱内温度做出及时调整。

（1）温度检测电路。恒温箱系统所选用的是DS18B20数字温度传感器用于采集箱内实时温度数据，该传感器利用外接电源为其供电，工作性能稳定可靠，有良好的抗干扰能力，并且电路结构相对简单，采集到的温度数据送到单片机P2.2处理。

（2）温度控制电路。工作的控制器总共分别为5个按键，分别是开、关机键、加温键、降温键、设置键。

保温箱通电前，首先对系统初始的温度值进行判断，利用加温、降温键对温度进行调节，若收集到的温度数值比设定温度数值高时，控制系统会停止加热;相反，若采集到箱内温度高比设定温度低，控制系统将会给加热片供电持续加热直到达到设定温度，此时半导体处于发热增温模式;并且，保温箱内数码管也会是及时显示箱内温度数据。

（3）温度显示电路。采用八位数码管显示，显示形式如XXXXXX，前面两位数字为设定温度，中间一位为加热功率参数，最后三位为实际测量温度值精确到小数点后一位，P0口经74LS245驱动送出段码，P1口经74LS245驱动送出位码，如图3所示。

4.2 電源电路设计

电源电路是为了给予控制器的工作提供5V的直流电，本系统中电源存储采用的是锂电池，选用12块单体额定容量25Ah、额定电压3.7V电池串并联连接，其输出功率为70W，输出电压为15V。锂电池输出的电压通过三端稳压器LM317，得到稳定的5V电压。三端可调稳压器的输出电压可调，稳压精度高，输出波纹小，一般的输出电压为1.2535V或1.2535V调节，负载最大输出电流为1.5A。使用时非常简单，仅需俩个外接电阻控制输出电压，并且内置过载保护、安全区保护等多种保护电路。

4.3 系统软件设计

4.3.1主程序流程图

系统运行后初始化系统变量，I/O端口以及中断等，然后循环调用DS18B20温度比较子程序、按键子程序以及显示子程序。主流程图如图4所示。

4.3.2温度比较子程序流程图

如图5所示，首先求得测量温度与设定温度之差，然后与设定温度比较，并设置相应标志位，若大于设置温度则标志位清零，若小于设定温度则标志位置1。

5 总结

本项目设计在于克服外卖保温箱保温效率低，且温度不可调节的现状，设计一款能让消费者品尝到热腾腾食物的太阳能智能恒温箱。

（1）在保温箱中加入了新型的发热片加热装置，加快了温度的提升，有效解决温度分布不均的问题。该发热片使用的12V的安全电压，有效保证使用者安全。另外经测试该发热片还能有效的防水，可在雨天放心使用。

（2）在温度调节的问题上，使用智能芯片实时监测保温箱内的温度，并可以按照自己的需求调节温度，从而保持保温箱内合适状态。

（3）电能供给来源于蓄电池，我们选用的是可以充电的锂电池。相比较其他铅酸蓄电池、镍铬蓄电池的优点有：电压稳定、污染小、体积轻便、使用寿命长。

（4）根据我国外卖行业的发展，并通过研究国内外成熟的太阳能发电技术和经验，开发具有创新实用的温控箱，将太阳能技术运用到生活之中。

参考文献：

[1]陆冬明，李金喜.单片机应用技术项目化教程[M].北京：中国铁道出版社，2016.

[2]张志英.新能源与节能技术[J].北京：清华大学出版社，2013.

[3]胡寿松.自动控制原理简明教程[M].北京：科学出版社，2007.

[4]贲里进.太阳能光伏发电技术及应用[M].北京：中国铁道出版社，2013.

课题：该课题是江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201710958006Y）

作者简介：第一作者曹莹（1972），女，江苏南通人，工学硕士学位，副教授，研究方向：新能源应用技术。第二作者王冲，职务职称：学生。