太阳能供电系统在茶园智能喷灌系统中的应用

罗文彬，林长富

（三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004）

太阳能供电系统在茶园智能喷灌系统中的应用

罗文彬，林长富

（三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004）

介绍了智能喷灌系统的太阳能供电方案，以ARM系列STM32单片机为控制芯片，具有节能及实用性，采用太阳能电池板作为系统的供电电源，并可实时检测蓄电池的电压，从而保护蓄电池，提高系统的安全性和稳定性。LCD12864液晶屏用来显示采集到的数据，使系统更具性价比。

STM32单片机；太阳能；充放电检测

茶叶种植区域主要在我国南方多雨山区地带，适合在暖和湿润的环境下种植，无法承受低温，根部生长环境适合在多氧潮湿，对土壤要求相对较高，需含大量有机物质。温度和湿度会对茶叶的产量和质量造成主要的影响，然而这也直接左右了茶叶种植区域的分布。 正常情况下茶叶生长需求的日平均气温15～20℃，湿度在65%～95%时，生长较旺，茶叶产量和品质较好；日平均气温超过20℃生长虽旺盛，但茶叶粗老质量差，不喜超过30℃的高温环境，当日平均气温低于10℃时，茶芽生长停滞进入休眠。考虑到茶树的生长特性，在茶叶生长季节，若雨量充沛，则可不必循环灌溉，可以减少成本成本；若天气炎热、降水量偏少、土壤偏干的时候可以开启喷灌系统，这需要温湿度传感器精确的测出温湿度信号，并作出正确的控制。福建多地种植茶叶，茶叶多半都种植在山坡上，然而由于地形崎岖，很多地方电力铺设不到位，架设电力线路费用较高且不安全。太阳能发电系统在生活中的应用，却可以很好的解决地形崎岖的山区茶园喷灌的供电困难的问题。因此通过对太阳能在智能喷灌技术上的研究就非常有重要的意义。太阳能作为新型能源具有环保、效率高、用之不尽的优点。太阳能板利用光伏发电原应原理能把太阳的光能转换成电能，利用新能源太阳能发电，不用燃烧，不会产生废弃物，不会对环境造成影响，非常清洁[1]。

1 充电系统的设计方案

结构框图如图1所示，控制模块的主控芯片采用了STM32单片机，用来处理数据和控制各功能电路。电源供电方面系统控制模块主要是由太阳能充电模块提供，电源方面设计一个稳压及保护电路，保证蓄电池安全存储蓄电及系统供电的稳定性，蓄电池通过信号检测模块，经A/D转换后，将模拟电压值转换为数字量信号送入STM32单片机进行判断，若蓄电池当前电压高于15 V，则切断太阳能电池板充电回路，若蓄电池当前电压低于12 V，则切断蓄电池放电回路，改由太阳能电池直接给系统供电。显示模块是用LCD12864液晶屏，用于显示气温、土壤湿度、蓄电池的当前电压值。

图1 系统结构框图

图2 太阳能电池板

2 太阳能供电电路模块的硬件设计

2.1 太阳能电池板

太阳能板是由大量硅材料制成的电池片构成的。太阳能板的工作原理主要是利用半导体的光电效应,由太阳光的光量子与材料相互反应而产生电荷，从而把光能转换成电能[2]。

目前市场上的太阳能板基本上比较多的有单晶硅太阳能板和多晶太阳能板硅两种。单晶硅板的转化效率相对较高，技术也相对的成熟稳定，从光能转化成电能的效率约25%左右，但生产过程中要用到比较大量纯度较高的硅材料，而制作这些材料的生产过程难度较大，损耗较大，所占用的成本比例较大；多晶硅板使用的是多晶硅材料，大多数是含有许多单晶颗粒的集合体，或用废弃单晶硅材料和冶金级硅材料熔铸而成。生产工艺过程与单晶硅板差不多，其光能转化成电能是的效率约为12%，虽然比单晶硅效率低，但是生产工艺过程简单，降低损耗，并且生产成本相对较低，因此得到大量的制作与应用。

如图2所示，本设计采用的是20 W多晶硅太阳能板，既能满足设计需要又能降低成本。具体特性参数：输出功率20 W、输出最大电流1 A、输出最大电压20 V、转换效率15%。

从图3中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，光电流越大，且线性范围越宽。由于可见光的波长范围为390～780 nm。从图4可以看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540 nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400～1100nm，峰值波长在850 nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。

图3 光电池的光照特性

图4 光电池的光谱特性

2.2 电能存储

系统中，如果没有将太阳能转换的电能及时的储存，赶上雨季时节，就不能为控制系统提供工作电源，这样就无法使整个设计工作，所以在供电电路模块加入了蓄电池，能将太阳能转换的电能及时的保存下来。

在太阳能发电应用中，蓄电池经常被用到，是因为它能够起着储能和调节的作用。由光伏发电系统输出功率是不断变化的，在阳光不足或太阳能板需要维修更换板时，蓄电池可以提供一个相对稳定的电源。

本设计采用12 V1.3AH铅酸蓄电池，免维护，即使电解液泄漏，也不会向空中排放氢气和酸水，能更好的保护环境和更具安全性。蓄电池的主要缺点就是对过充现象表现的非常敏感，于是对过充的防护措施要求较高；当多次过充之后，蓄电池容易发生形变。

所用蓄电池特性参数为：输出电压12 V、输出电流1.2 A、额定电容1.3 AH

2.3 太阳能板充电电路

本次设计中采用的太阳能板，输出为15 V，经过一定的压降之后在经过7805进行电压转换输出5 V，在输入端接一个整流二极管，起到防反接的作用，并具有充电指示灯提示，其电路如图5所示。

图5 太阳能供电电路图

2.4 稳压电路

采用LM1117来实现3.3V稳压，LM1117是一款常用的稳压芯片，拥有低压差电压调节的能力并且还能对电流起到限制作用和温度保护的作用。LM1117具有电压调节的功能，通过改变输出端2个电阻即可实现1.25～13.8V的输出电压范围。此外还可通过设计外部电路实现固定电压输出，本稳压电路采用3.3 V固定电压稳定输出，其特性参数如表1所示。

本设计中3.3 V稳压电路如图6所示,采用的稳压电路为固定3.3 V输出，在外部电路外接两个10 μF的电容，可保持对输出电压的稳定性。并且在输入端接一个整流二极管可以起到防反接保护电路的作用。

表1 LM1117特性参数

图6 LM1117稳压电路

2.5 电压检测电路

由于蓄电池对过充及过放的情况比较敏感，过充会让蓄电池超负荷工作会使蓄电池变形爆裂，导致报废，所以本设计中添加了一个电压检测电路，来实时检测蓄电池电压并及时反馈。当太阳能电池板对蓄电池充电，蓄电池大于15 V时,太阳能电池板停止对蓄电池充电；蓄电池放电时，电压低于12 V时，则立即断开蓄电池放电回路，由太阳能板直接给系统供电。蓄电池电压检测通断控制电路[3]如图 7所示，T1、T2触点开关可由继电器的触点开关代替控制。当检测控制电路检测到蓄电池电压在12～15 V之间，T1、T2闭合时，太阳能电池组对蓄电池充电，并对负载供电；当蓄电池电压大于15 V，则T1断开，T2闭合，蓄电池对负载供电；当蓄电池电压小于12 V，则T1闭合，T2断开，蓄电池停止对负载放电，改由太阳能电池组供电。

电压检测电路如图8所示，JC1接蓄电池的输入端，串联两个电阻分压，JC2接STM32的内部AD，PA7口用来测量电压，通过内部AD转换成数字量，显示在LCD12864上。换言之，VC2的电势可由式（1）表示。

图7 蓄电池电压检测通断控制电路

若VC2=15 V，则VC2=5 V，若VC2=12 V，则VC2=4 V，即蓄电池处于充放电阶段，VC2的电压应满足4 V＜VC2＜5 V，此时，太阳能电池组既可对蓄电池充电，又可对负载供电；若VC2＞15 V，则停止对蓄电池充电，VC2＜12 V，则蓄电池停止对外放电，从而保护蓄电池，延长其使用寿命。

3 系统的软件设计与测试

3.1 电池电压检测程序

程序设计要求：当太阳能电池板对蓄电池充电，蓄电池大于15 V时,太阳能电池板停止对蓄电池充电；蓄电池放电时，电压低于12 V时，则立即断开蓄电池放电回路，由太阳能板直接给系统供电，其流程图如图9所示。

图8 电压检测电路图

图9 电池电压检测流程图

3.2 系统数据测试

测试的数据如表2所示。

表2 太阳能供电系统测试数据

以上数据表示，太阳能供电系统能给茶园智能喷灌系统提供电力，蓄电池处于缓慢充电状态。

3.3 硬件测试效果

测试效果图如图10所示，包括蓄电池、电源模块、GSM手机模块、STM32最小系统板、红外热释电模块、继电器控制模块、温湿度传感模块、液晶显示模块，其中，液晶显示土壤的温度、湿度，蓄电池的电压当前值，此系统实时性强，可实时显示相应参数。

图10 硬件测试效果图

4 结论

本系统的设计方案秉着低功耗、实用性、可行性、创新、性价比为原则，电池寿命长，适合户外各种小型锂电池设备充电使用，采用太阳能板和蓄电池作为电源系统，具有一定的节能环保的效果，太阳能作为环保、可再生能源，其应用前景将日益广阔[4]。

［1］ 张秀清，李艳红，张超．太阳能电池研究进展［J］．中国材料进展，2014(7)：56－61.

［2］ 张亮．太阳能电池的研发进展［J］．科技创业月刊，2011，6（6）：157－158．

［3］ 余情，杨金明．光伏发电技术在温室中的应用［J］．新能源进展，2015(4)：9－13.

［4］ 霍广文．多功能太阳能充电器的设计研究［J］．电子科学技术，2016(5)：124－127.

(责任编辑：朱联九）

The Applications of Solar Power System to the Intelligent Irrigation System in Tea Garden

LUO Wen-bin,LIN Chang-fu
（School of Technical&Electrical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China）

The plan of solar power supply of the intelligent irrigation system is introduced in this paper.It have the virtue of energy saving and practicality based on STM32 single-chip microcomputer.Meantime,solar panels as the power supply will improve the security and stability of the system for the timely detection of battery voltage,which helps to protect the use of battery and improve the security and stability of the system.LCD12864 as the display of collected data will make the system have high performance price ratio.

STM32 MCU;sloar energe;charging and discharging detection

TM615

A

1673-4343（2017）04-0046-06

10.14098 ／j.cn35-1288 ／z.2017.04.008

2017-04-16

三明学院科研基金项目(B201208/Q)

罗文彬，男，福建永安人，讲师。主要研究方向：控制理论与控制工程教学。