太阳能锂电池供电的智能家居系统

韩丽君

（渭南师范学院数理学院 渭南 714099）

1 引言

环境污染及能源问题日益成为制约国家社会经济发展的瓶颈，太阳能作为一种无公害、取之不尽的可再生能源，是解决能源枯竭及其一系列问题的最佳途径。基于转换效率、制造成本、使用寿命和材料来源等方面考虑，硅光太阳能电池是最理想的太阳能电池，其中单晶硅光电转化效率高，应用更为广泛。但是硅光太阳能电池板受光照条件限制较大，需要储能设备，因此本系统选用了性价比高使用广泛的可充电锂电池作为储电装置；目前市场上智能家居定位偏高，本设计以智能家居为应用对象，基于单片机设计了性价比高的智能家居环境状况监控系统。其中声光控LED灯更为节能环保，温度湿度测控使家居环境更为舒适安全，红外报警检测非法入侵保证生命财产安全。蓄能锂电池的引入兼顾了新能源的使用及系统的优化，大大提高了系统的实用性，将会带来不错的前景。

2 系统整体设计方案

系统整体框架包括两大部分，太阳能锂电池充电管理系统［1］和基于STC89C52单片机的智能家居系统［2］，如图1所示。

系统通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过稳压电路处理后，通过TP4056锂电池充电管理电路对锂电池蓄电。再由锂电池作为智能家居系统的电源，为单片机及各个智能模块供电。智能家居系统是以STC89C52单片机主控多个功能模块，来实现各个预实现功能：包括声光双控延时LED灯模块，温湿度测控模块及红外防盗报警模块。

图1 系统整体框架图

3 太阳能锂电池充电管理系统的设计

首先利用硅光太阳能电池板实现光电转换，输出的电压通过稳压模块，高效地将其稳定在5V上，接着将此电压提供给充电管理电路，以控制锂电池充电。本系统采用了双锂电池交替充放电，弥补了锂电池充放电不能同时进行的不足。

3.1 太阳能电池板的选用

本设计采用单晶硅太阳能电池组件，它相对于其它太阳能电池换效率最高，技术也最为成熟［3～5］。

3.2 稳压模块

以LM7805三端集成稳压芯片为核心的稳压电路，该稳压电路输入电压为6V～32V，最大工作电流为1.5A，稳定输出电压5V。

该稳压电路具有输出精度高、外围电路简单、工作稳定等特点，可在太阳能电池输出电压有波动时也能稳定输出［6～7］。当然，如果还想变换输出电压的范围，也可采用可调电源降压集成模块DC-DC来替换此稳压电路。

3.3 锂电池充电管理电路

TP4056是一款完整的单节离子电池充电管理芯片，它采用恒定电流/恒定电压线性充电，其具有防倒充电路，并且充电电流可通过热反馈进行调节，使得芯片温度得以限制［8～9］。当输入电压不足时，TP4056将漏电降至2μA内，进入低耗能状态。TP4056其他重要的特点还有温度检测、自动再充、欠压闭锁、充电状态指示LED。基于TP4056芯片的锂电池充电管理电路原理图如图2。充电状态指示如表1所示。

图2 锂电池充电管理电路原理图

6、7引脚为电池充电指示端。8引脚为使能端，高电平为正常工作状态，低输入为禁止充电状态。

表1 充电状态指示［4］

本系统的锂电池的线性充电电路，是利用TP4056芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可通过RPROG确定。当RPROG为10K时，充电电流典型值为130mA，4K时充电电流为300mA，最大充电电流可达1A。当检测到锂电池电压低于2.5V，充电系统先对锂电池进行预充电；当电压超过3V时，采取恒流充电；当电池电压与4.2V相近时，充电电流降低，进入恒压充电；当充电电流降低到结束值时充电完成。

TEMP为电池温度检测端，当其接地时，温度检测功能取消，其他充电功能正常。PROG为恒流充电电流设置检测端。在充电状态下，测量该管脚的电压都可以用式（1）来估算充电电流。

3.4 锂电池蓄电

锂电池充电先以恒流方式充电，当电池电压接近4.2V时，充电电流逐渐减小进入恒压充电，当电流小到一定值时，充电截止。如果电池电压低于2.5V，先采取涓流进行预充电。

3.5 锂电池检测

在系统中，锂电池不仅要蓄积太阳能，而且要驱动整个智能家居系统，可见作用举足轻重，因此为保证整个系统正常、稳定地工作，在系统的装配过程中对锂电池硬件部分要进行严格的检测和筛选。攸关锂离子电池安全性能的参数有很多，而正负电极极差和对齐度是其最重要的性能参数之一［10～11］，本项目在此主要对以上参数利用计算机图像处理方法进行检测分析其内部的X_Ray图像，如图3所示。

图3 锂离子叠片电池X_Ray图像

叠片电池一般情况下由于其体积较大而造成电极部分图像和和背景灰度差值较小，所以采用阈值化后投影的方式偏差较大。考虑到负极部分的图像灰度分布较其它部分图像在水平方向起伏较大这一特点，本项目通过统计图像每一行在水平方向的方差，对统计结果进行域值处理来确定负极所在位置来确定测算的特征区域，角点位置标记和正负极切线图图像如图4、5所示［12～16］。经过计算机图像处理，就能够快捷准确地筛选所要使用的锂电池。

图4 叠片电池角点位置标记

图5 叠片电池正负极切线图

4 智能家居系统三大模块功能设计

在智能家居系统中，声光双控延时LED灯模块的功能是：当光线良好时，声控电路控制信号不起作用，当光线暗到一定程度时，声控电路控制起作用，其延时时间在30s～120s间可调整；其中温湿度测控模块，由DHT11传感器采集温湿度信息然后传送给单片机处理，并由LCD液晶显示当前的温度和湿度，如果温度过高达到或超过设定值，单片机启动报警电路并控制继电器切断电源，以保障家居环境安全；其中红外防盗报警模块分为两部分，红外对光检测及蜂鸣器报警电路，当红外对光检测到非法入侵时，单片机驱动报警电路。

4.1 声光双控延时LED灯模块

该模块声控部分电路采用驻级电容话筒MIC、电容C1、三极管9014；光控部分采用光敏电二极管，电阻R4；IC为数字集成芯片74LS00四2输入与非门；延时由R5、C2控制。三极管9014是常见的NPN型小功率三极管，常用于低频、低噪声前置放大；声控核心部分是电容C1、三极管9014及偏置电阻，调节RP3，可调节灵敏度。电源由锂电池提供［17～18］。

光照强时，光敏二极管RG呈低阻状态，IC2引脚为低电位，3脚为高电位。也就是说光照足时不论有没有声音，即不论1脚电位如何，8脚始终钳位于高电位，LED灯不亮。夜晚无光照时，RG呈高阻状态，2脚为高电位，这时若有触发声音，驻极体话筒拾取信号，经C1耦合，三极管放大，由1脚输入。当1脚为高平时，6脚为高平，C2充电，同时高平信号传递给9、10脚，8脚拉低LED灯点亮。声音过后，1脚恢复低电位，6脚拉低，但由于C2通过R5放电，所以9、10脚继续保持高电位，灯继续点亮。几十秒钟后，放电结束，9、10脚为低电位，8脚为高电位LED灯灭。

4.2 温湿度测控模块

温湿度检测控制模块，主要以应用广泛的DHT11温湿度传感器作为检测装置，通过LCD1602显示。温湿度信号通过传感器采集并转化成数字信号，传送到单片机进行分析处理，并在LCD1602上显示［19］。当温度达到设置的报警值时，单片机驱动蜂鸣器报警模块，同时控制继电器切断电源［20］。

4.3 红外对光防盗报警

红外对光电路采用红外对管为触发装置，红外对管包括红外线发射管和红外线接收管。红外发射管是由红外发光二极管和PN结组成，注入电流可激发红外光。红外线接收管属于光敏二极管，一般只对红外线有反应，不受可见光的干扰。当有人进入时，红外光线被遮挡，接收端光敏二极管处于高阻态，信号经放大电路输出高平信号给C52单片机P2.0端口，经单片机处理给蜂鸣器报警模块IO口驱动信号，蜂鸣器报警［21］。

4.4 STC89C52单片机最小系统设计

如图6所示为单片机最小系统。其中P0口接LCD液晶显示8位双向数据端，P2.4、P2.5、P2.6接LCD控制端；P2.7为温湿度采集输入端；P2.1为红外接收端，P1.1为光耦开关控制端；P2.3接继电器控制IO；P2.2接继电器复位键。

图6 单片机最小系统

首先温湿度传感器采集信息由P2.7传给单片机处理，通过LCD液晶显示即时温湿度，同时检测温度是否达到或超过设置上限，若是则执行蜂鸣器报警1子程序，并切断继电器即断开家电电源以保障生命财产安全；红外防盗报警，当P2.1红外接收端，检测到低平触发信号时，单片机调用蜂鸣器报警2子程序，控制光耦开关，蜂鸣器报警提示10s。

5 主程序流程图

运用keil μVision 4软件编程，用程序调试模块即debug调试环境，进行程序调试、编译、链接，然后通过烧录软件STC烧录到STC89C52芯片中。将烧录好的芯片移植到单片机最小系统。主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

6 结语

经试验测试，本文设计的智能家居系统可依靠太阳能供电实现预期功能，其中声光双控延时LED灯节能环保，温度湿度测控让人对环境温湿度信息一目了然并能对火灾等隐患有一定的防患作用，红外报警可检测非法入侵保证了生命财产安全。设计将新能源太阳能与智能家居两大科技有效地融合，功能实用、成本低，一般家庭都能接受。