叶 沙，李媛媛

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620）

太阳能供热地板模块的设计与研究

叶 沙，李媛媛

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620）

以设计研发一款太阳能供热地板模块为研究对象，此模块以单片机STC12C5A60S2作为核心，太阳能电池板、蓄电池、电加热板、强化复合地板和散热材料为构件搭建一个太阳能集热控制系统，安装有显示屏、按键控制器，通过程序设计实现系统正常工作及温度控制。地板具有快速安装、拆卸，运输便捷的特点，由太阳能独立供电，后期可根据具体使用场景进行外形和控制关系等方面的改造、升级、具有一定创新价值和应用前景。

太阳能供热；供热地板；集热；单片机；温度控制?

太阳能作为可再生新型能源是应对能源短缺的选择之一，大规模利用能减少对化石能源的依赖。太阳能发电利用太阳能电池光生伏打效应，直接将太阳辐射转化为电能。电加热技术是将电能转换为热能的能量转换方式，有助于实现温度的自动和远程控制，且热效率高，不产生残余物。

传统独立运行光伏发电系统通常将太阳能电池组集中安装在室外，白天阳光充足时发电系统向蓄电池充电；夜晚或阳光不充足时发电系统将蓄电池存储的电能逆变放电，实现为负载供电。系统控制器连接不同器件，实现控制各器件之间储电，供电等工作关系。通常独立运行的光伏发电系统安装在偏远地区场所，系统内的各组件相互分离，在安置初期需要繁琐的搭建、安装、线路铺设等过程，若此住所需要时常迁移，则传统光伏发电系统就显现出一定的弊端。本设计太阳能供热地板模块针对的使用环境主要为需要不定期移动，要求能快速拆卸、搭建，以及在特定环境下需要供暖。此地板模块独立工作的整合方式，符合相关需求。

1 基本原理及设计思路

本供热地板模块主要部件有太阳能电池板、蓄电池、加热板、控制电路和芯片。整体构想是地板一面是太阳能电池板，在白天或光照充足时，此面向上，地板置于室外，吸收光能转换为电能储存于内部蓄电池中。夜晚或光照不充足时地板置于室内，另一面是木地板，其内部面接触电加热板，此面向上，由控制开关开启，蓄电池开始为加热板供电，加热板通过地板散热为房间供热。总体构成，具体功能，具体内容如图1所示。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

太阳能电池板把太阳能转换为电能，储存于蓄电池中并可向电加热板供电，蓄电池会持续输出大小合适的直流电让电加热板不断升温，热量会通过接触在电加热板上的散热层及木地板辐射至室内空气达到供暖目的。控制器有温度控制功能，手动输入预设温度，温度值显示在控制器的显示屏上，单片机依据温度传感器读取的加热板温度和预设温度比较，继而控制加热电路的导通与关断来实现加热温度稳定在预设温度的目的，体现了整个设计自动化、智能化的特点。本供热系统具有简便、可控、直观等特点，实现了利用太阳能光伏发电以及供热的目的。

2.1 系统主要部件

（1）单片机。控制器需要实现温度检测与控制，电路关断与导通，使用单片机STC12C5A60S2的电路能达到这些功能。单片机根据温度传感器实时采集的温度和预设温度比较，控制电路使负载温度保持在预设温度，达到控制加热板温度的目的。

（2）太阳能电池板。太阳能电池组成结构是P型与N型半导体，具有将太阳能转换为电能储存于蓄电池或是直接为直流负载提供电流的特性。本设计选用12V、60W单晶太阳能电池板，满足本系统需要。

（3）蓄电池。蓄电池能以化学能的形式储存电能，也能向负载提供合适的电能，是能够逆向的低压直流电源。较其它器件更加符合本系统的特性是：①维护成本低；②充电效率高；③工作温度范围广。本设计选取12V，20AH，6.0AMAX铅酸蓄电池，满足本系统需要。

（4）电加热板。电加热板发热原料是电热合金丝，表面覆盖着用来辐射热量的材料。本设计选用12V，30W硅橡胶加热板，可控温度为0～50℃内，满足本系统需要。

（5）地板。强化复合地板的稳定性高，结构牢固，适用于安装地暖的室内环境。本设计选用耐高温强化复合地板,满足本系统需要。

（6）阻燃材料。阻燃橡胶垫是由高分子聚合剂、防火剂等材料，由高温高压聚合后产生的一类粘接材料，有极好的自熄性和阻燃性。本设计选用阻燃橡胶垫置于电加热板与木板、控制器接触处，以防加热板高温造成内部其他部件损坏。

2.2 硬件电路设计

控制器硬件电路由单片机、按键控制模块、温度检测模块、显示屏模块、指示灯模块、恒流恒压模块、过充过放保护模块、防反充模块构成。

（1）按键控制模块。按键控制模块由四个按键构成，为系统输入设备，根据触发命令令系统电路导通或关闭或达到相应加热温度。本系统四个按键均为单按键电路，即按键电路和单片机I/O口线连接构成闭合电路。按键设计模式：①选择模式A，控制充电电路导通或截止，按S2，STC12C5A60S2的 P2.4置成低电平，充电电路导通，太阳能板开始为蓄电池充电。再按S2，P2.4置成高电平，充电电路截止，太阳能板停止为蓄电池充电。②选择模式B，控制加热电路导通或截止，按S3，STC12C5A60S2的P2.5置成低电平，加热电路导通，蓄电池为直流负载提供稳定电源。再按S3，P2.5置成高电平，放电电路截止，蓄电池停止向负载供电。③温度调节，按下S4，STC12C5A60S2的P2.6置成低电平，设定温度值加1；按下S5，STC12C5A60S2的P2.7置成低电平，设定温度值减1。

（2）温度检测模块。温度检测模块采用了温度传感器DS18B20，其特殊的单线接口方式，使其有测温精确、低功耗优势，满足本系统需求。

（3）显示屏模块。本系统选用0.96寸SPI接口OLED显示屏模块，预设温度、温度传感器、电量检测模块由单片机处理送至液晶显示电路，在屏上显示预设温度，当前温度，电池电压信息。

（4）指示灯模块。本设计有三处LED指示灯，第一处是充电状态指示灯，当检测到电量充满，指示灯亮且显示绿色；未充满时，指示灯亮且显示红色。第二处是太阳能供电指示灯，当充电电路导通即太能板接收到光能转换为电能并储存于蓄电池时，太阳能板正常供电指示灯亮且显示红色；当充电电路断开即没有电能输出至蓄电池时，指示灯熄灭。第三处为负载工作指示灯，当加热电路导通，即蓄电池为加热板供电时，指示灯亮且显示绿色；当加热电路断开即蓄电池停止向加热板供电时，指示灯熄灭。

（5）过充过放保护模块。铅酸蓄电池充、放电过度，对蓄电池的存储量和使用寿命影响极大。增加过充、过放保护模块是必需步骤。在过充保护电路中，用运放电路构成的电压比较器，调节电阻R27，负载电流小于一定值时，运放电路即输出低电平，单片机检测到输出信号，判断蓄电池处于过充状态，控制充电电路断开，停止供电，实现过充保护的目的在过放保护模块的电路中，涉及到与单片机STC12C5A60S2的ADC模块的连接。蓄电池的正负极接线与单片机CLKOUT2/ADC0/P1.0和ADC/P1.1连接，实时检测蓄电池电压值，低于预设电压值（实测8.7V）时，切断加热电路，实现过放保护的目的。

（6）防反充模块。防反充二极管被安置在串联电路中起单向导通作用，同避免因太阳能电池板在没有光照不发电或出现短路故障时蓄电池会向太阳能电池板反向供电。它与太阳能电池板和控制器电路相连，有着正向导通反向截止的功能。一般需要其能接受相当大的电流，同时正向电压降、反向饱和电流很小，通常可选用合适的整流二极管。

（7）复位电路。复位电路的功能是使单片机程序计数器清零。在本设计中按下按钮S1，复位电路导通，则单片机开始复位操作。

3 系统软件设计

本系统软件设计思路为将要完成的功能分成独立模块，相互之间的关系、单独使用由单片机和监控程序完成总调控及处理，有效实现集热控制，电量检测等功能。软件部分包括主要程序，电池电量检测子程序，按键控制子程序，指示灯显示子程序，过充过放保护电路子程序，温度控制电路子程序等。

主程序为系统先对温度传感器、显示屏模块及系统进行初始化操作，接着由按键输入模块的C/D键检测预设温度信息并存储，然后系统由按键输入的A/B键确定模式选择对象。按A键，系统切换至模式A通道，判断按键的单双次来选择充电电路导通与截止，单次则充电电路导通，双次则充电电路断开，并通过电量检测的信息进行过充保护模块后续操作的判断，过充则断开充电电路，无过充则继续充电。按B键，系统切换至模式B的通道，判断按键的单双次，若单次，系统控制加热电路导通，若双次，则加热电路断开，同时进行电池过放的检测，当检测到电量低于20%则自动断开加热电路，否则进行PID控制，即温度传感器读取到的实时温度和使用者预设温度比较从而控制电加热板加热电路的通断，确保实时温度与预设温度一致，实现集热控制的功能。

4 结语

实现了单片机STC12C5A60S2的硬件电路设计和软件程序的编写；研究了多种集热温度控制的方法，最终采取软件程序中加入了PID控制的方法，实现了用户在一定温度范围内自由控制的目的。利用太阳能电池板光生伏打效应将太阳辐射能转换为电能的原理和基本构件，设计并研发了一款由太阳能独立供电的便于安装和拆卸的独立太阳能供热地板模块。

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上海市大学生创新训练项目“太阳能地板模块的设计与研究”，项目编号：cs1602007。

叶沙（1995-），男，大学本科，主要研究方向：自动控制。