基于单片机的太阳能暖袖设计*

田 程，赵 岩，伊敏波，朱梦帆，王文康

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

基于单片机的太阳能暖袖设计*

田 程，赵 岩，伊敏波，朱梦帆，王文康

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

传统的暖袖在冬季虽然能抵御一部分凛冽的寒风，但并不能让手维持舒适的温度，而生产厂家主要是通过改进材料的种类和厚度来提高暖袖的保暖性和抗风性的，这样的改进并不能有效地从源头上提高暖手的舒适度。基于单片机的太阳能暖袖设计能够有效地解决这一问题。本设计利用太阳能充电，并通过51单片机进行控制，具有智能开启，自动监控温度，并自动保持暖袖恒温等特点，实现了直接对暖袖内小环境进行加温，可以从源头上杜绝双手被冻伤，为冬日的出行提供了温暖的保障。

节能环保；交通出行；单片机

1 太阳能智能暖袖的设计

基于单片机控制的智能暖袖是在传统皮革暖袖的基础上加上USB加热片、暖袖背部太阳能薄膜、太阳能充放电控制器、蓄电池构成电量供应系统。袖口外装有一个对管式光电开关来实现自动开关。内部装有温度传感器，与5110液晶显示模块共同构成温度监测模块。各传感器通过单片机将数字信号转化为发热片开启或关闭的依据，使暖袖内部能时时维持在一个舒适的温度。

2 基于单片机的智能系统设计

对于内部条件的改变，需要通过温度、光电等传感器进行实时检测，而检测后就要通过单片机来进行处理，本暖袖采用了51单片机作为控制部分主要是因为其两个特点：其一，51单片机价格较其他单片机低廉，适用于暖袖这种主打走低端路线的产品，便于降低成本并进行推广；其二，单片机技术操作过程简单，只要通过基本编程便可用其控制一些传感器来实现一定的功能。

3 智能暖袖具体工作方式

3.1 太阳能薄膜片

该太阳能薄膜片采用薄膜的非晶硅技术[1]，即把非晶硅点缀在薄膜上，较普通的太阳能电池板更加的轻便，可弯曲，不会像普通太阳能电池板那样易碎裂，弱光性较好，在阴天环境下也能较稳定地输出功率。利用太阳能薄膜片可以减少对暖袖开合的限制，也一定程度上阻挡了寒风侵入暖袖，造成手部冻伤。

图1 非晶硅太阳能薄膜片

3.2 太阳能充放电控制模块

此种控制模块主要应用于简单太阳能发电系统[2]中，本控制模块主要由充电电路和稳压电路组成。充电电路是为了确保太阳能薄膜片在受到光照时产生的电流由薄膜片流向蓄电池，防止蓄电池产生的电流流向太阳能薄膜片，进而烧毁太阳能薄膜片。稳压线路主要是对12 V蓄电池电压变压产生两个直流5 V和一个直流12 V的输出电压，而暖袖内部的USB发热片和51单片机的运行和工作就需要用到5 V的电压。为了能产生足够的电流而不影响单片机和各传感器的工作，发热片直接由蓄电池USB插口供电，不经过单片机，大大降低了单片机电流过大而烧坏的可能性。

3.3 对管式光电开关模块

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现开关控制的，一般情况下，光电开关是由发送器、接收器和接收电路组成的。该光电开关有效感应距离可达25 cm，恰好适合袖口直径，可以对在发射端与接收端之间的一切非透明物体进行有效地检测。而且由于发射光线是红外线，所以本产品即使在黑暗的环境下也能正常工作，保证了暖袖在黑暗中也能正常使用；输出电流为100 mA，电流可以直接驱动与发热片连接的继电器，通过简单程序的控制，极大地方便了暖袖的使用，可以使暖袖实现手入即开、手出即关的功能。

3.4 温度传感器模块

温度传感器采用NTC热敏电阻传感器，该传感器灵敏度高，温度检测范围广，检测范围为20 ℃～80 ℃，本传感器主要用来对环境温度的检测，通过比较器输出信号，信号干净、稳定、波形好；本传感器驱动能力较强，输出电流达15 mA，完全可以直接来驱动继电器，从而对电加热片开关进行控制；本温度传感器模块带有电位器，通过对电位器的调节，可以改变温度检测的阀值，即控制温度值。传感器还具备自动开关，当温度高于二十几度时加热片会自动关闭，当低于二十几度时会自动开启。DO输出端可以直接与单片机相连接，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的温度改变。

图2 温度传感器

3.5 5110液晶显示模块

5110液晶显示模块是一种性价比很高的显示模块，LCD1602能显示32个字符，而Nokia5110液晶能够显示15个汉字，30个字符，价格单个不到十块钱，应用于暖袖这种低端亲民产品再合适不过了；本模块接口十分简单，四根线就可以对其驱动，对于户外的工具，为了保证其便捷性，减少导线的数量是很有必要的。本显示模块工作电压为3.3 V，正常显示时工作电流在200 mA以下，且有掉电模式可以大大减少对蓄电池电能的损耗，保证了暖袖的续航能力。

图3 5110液晶显示模块

3.6 控制系统

本产品采用STC89C51[3]单片机，通过编写程序配合温度传感器模块和光电开关模块控制温度高低和开关，进而对暖袖内温度进行实时的检测，并通过5110液晶显示模块显示出来。本款单片机具有系统可编程(ISP)的特性，经过PC端的控制程序即可将用户的C语言程序代码载入单片机内部，从而省去了购买编程器费用，而且载入速度较快。

4 工作流程

本产品通过自动控制，暖袖背部有太阳能薄膜，内部装有温度传感器，红外线传感器，发热片。太阳能产生的电能通过逆变器供给发热片。袖口安装有一个对管式光电开关，当检测到手伸入时会自动开启，手抽出时会自动关闭；温度传感器采集到的信号传给单片机，通过单片机自动做出处理，使暖袖内部能时时维持在一个舒适的温度，5110液晶显示模块也能对温度进行显示。

5 技术关键

1) 太阳能薄膜的覆盖面积与发热片工作的关系，在上面尽量大地覆盖薄膜使本产品工作时间持久。

2) 红外线的识别和温控识别的准确性。

3) 尽可能减少热量的散失，保持能量的充分利用。

4) 雨雪天气时对电路的保护。

6 作品分析

发热片在太阳能薄膜产生的电能下以及单片机和温度传感器的控制下自动工作，不用人为控制，并实时保持在一个合适的温度。开口处的红外线传感器可以智能控制发热板的开关，不用担心忘记关闭或开启热板，方便快捷。

1) 应用领域和技术原理、用途：主要应用于在冬季人们采用电动车、摩托车的交通工具出行时，尤其适用于雨雪天气，可以提高人们出行的舒适度和安全。

2) 作品的创新点、先进性、可行性、实用性：a) 采用太阳能发电供热，较少电池污染，更环保节能。b) 用红外线传感器智能控制发热板的开启，能够有效地防止人为的失误而导致发热板的长时间运行，同时又能使产品更智能方便。c) 使用温控装置，让温度能保持在人体舒适的温度上，并且可以通过液晶屏直观地实时了解暖袖内温度。

7 结论

该智能暖袖是针对冬季严寒天气骑车出行时，无法依靠传统手套等保暖工具阻挡寒风对手部及腕部进行损伤而设计的作品。本暖袖智能化程度高，各种传感器相互作用，保证了各种极端情况下人们对手部舒适的要求。并且，它具有环境友好的特点，在使用过程中不会造成化石污染，太阳能电池板对本产品供电很好地迎合了节能环保的时代潮流。本产品不但保证了电动车驾驶者的出行舒适性，而且相较于传统手套大大提高了手部的舒适度与安全性。

[1] 尹炳坤，蒋芳.非晶硅薄膜太阳能电池研究进展[J].广州化工，2012，40(8)：31-33.

[2] 张晓霞，侯竞伟，殷攀攀，等.太阳能发电系统现状及发展趋势[J].机电产品开发与创新，2007,20(5)：14-16.

[3] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009：1-40.

Solar Warm Sleeves Design Based on SCM

Tian Cheng, Zhao Yan, Yi Minbo, Zhu Mengfan, Wang Wenkang

(MechanicalandElectricalEngineeringCollege,DezhouUniversity,DezhouShandong, 253023,China)

The traditional warm sleeve in winter although can resist a cold wind, but not sustain a let hand comfortable temperature, the manufacturers mainly improve the type and thickness of the material to improve the thermal comfort and wind resistance of the sleeve. This improvement cannot effectively improve hand comfort from the source. In view of the shortcoming, this design can solve it effectively. The work is charged by solar energy, controlled by 51 MCU, with the features of intelligent opening, automatic monitoring for the temperature and automatic keeping warm sleeve temperature. It achieves a direct heating of small environment in the warm sleeve, from the source to eliminate the frostbite hands and provide the protection of warm for the winter travel.

energy conservation; traffic; SCM

2016-11-25

国家级大学生创新创业训练计划项目(201510448039)

田 程(1995- )，男，山东临沂人，大学本科在读，研究方向：能源与动力工程，太阳能技术方向。

赵 岩(1980- )，男，山东德州人，副教授，工学博士，研究方向为机械设计及其自动化，工程材料。

1674- 4578(2017)01- 0038- 03

TK519

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