摘要：传统家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，但它不能根据温度的变化实时调节风力大小，需手动进行设置，比较麻烦。太阳能智能控制电风扇由太阳能提供电源，可实现根据周围环境温度自行切换挡位。本研究解决了传统电风扇使用的部分弊端。研究的重点在太阳能电池板及蓄电池容量与负载的匹配、充放电控制电路设计、自动切换挡位智能控制电路设计、LCD温度显示。充放电控制部分、温度采集和挡位自动切换部分采用单片机实现控制。
关键词：充放电 智能控制 电风扇
中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）02-0000-00
1研究的目的与意义
传统家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近几年市场销售反而有复苏的态势。其主要原因：一是电风扇温和的风更加适合老人、儿童和体质较弱的人使用；二是电风扇价格低廉，相对省电，安装、使用都非常简单。
尽管电风扇有一定的市场优势，但它不能根据温度的变化实时调节风力大小，需手动进行设置，比较麻烦。如夜晚人在睡觉时，当凌晨温度降低的时候电风扇仍然在工作，既浪费电人又容易引起感冒，传统的机械定时器虽然能定时，但是定时的范围毕竟有限，并且无法根据温度的高低切换挡位。为解决上述问题，我们设计了一套智能电风扇控制系统。
在提倡节能环保的今天，太阳能资源取之不尽用之不竭，本系统可采用太阳能发电装置进行供电，同时设计充电和放电保护电路。
2智能电风扇功能及原理概述
本电风扇改变了传统电风扇市电供电的方式，采取无污染的太阳能供电；同时，在风扇上增加了根据温度自动调节风力大小的控制装置，实现智能控制。
在供电方式上，通过开关，可切换市电与太阳能供电。在使用太阳能供电时，根据电风扇功率设置太阳能电池板容量和蓄电池容量，同时设计充放电控制电路，防止蓄电池的过充和过放，交流电风扇还需设计逆变电路。
本电风扇可以实现风力大小的手动控制和自动控制，工作模式的选择采用一个传统的控制开关即可实现。工作在手动模式时，和传统的电风扇没有任何区别。工作在自动模式时，温度传感器DS18B20检测外部环境温度，将采集的温度数据传递给控制芯片，由控制芯片根据提前预置好的临界温度与采集的室温进行比较，根据比较结果，输出不同的控制信号使得继电器动作实现强风/弱风/无风三档位切换。同时，DS18B20采集的室温也可以通过液晶显示器进行显示。
3太阳能智能电风扇设计过程、原理
3.1系统整体框图设计
整个系统包含蓄电池、太阳能电池板、充放电控制器、市电/太阳能功能切换开关、自动/手动切换挡位开关、直流电风扇、实时温度显示、自动切换挡位智能控制电路等八部分组成。设计的重点在太阳能电池板及蓄电池容量与负载的匹配、充放电控制电路设计、自动切换挡位智能控制电路设计、LCD温度显示。
3.2太阳能电池板及蓄电池容量与负载的匹配研究
光伏发电系统容量的设计主要指在明确负载用电量的基础上对蓄电池容量和太阳能电池板容量进行设计。对于蓄电池而言，它是提供负载工作的直接能量来源，容量太大，没有必要，浪费钱，容量太小，不够用，所以必须考虑一个合适的容量。太阳能电池板亦是如此。有了科学合适的容量匹配后，整个光伏发电系统才能无浪费、稳定的工作。
一般光伏发电系统的容量设计如图2所示。
（1）负载功率确定。本装置的负载主要是电风扇，日常电风扇功率一般在50W左右，假设电风扇每天开机4小时。蓄电池采用12V蓄电池供电。则：
负载日平均用电量= =16.7Ah
（2）蓄电池容量确定。负载的每天用电量确定后，原则上我们的蓄电池容量只要满足电风扇一天使用就可以了，蓄电池满充满放，则蓄电池的容量只要不小于16.7Ah即可。但实际使用过程中，还要考虑两个因素，一是连续阴雨天时，太阳能电池板不能及时给蓄电池充电，则一天后电风扇则无法用蓄电池供电；二是目前大所使用铅酸蓄电池，这种蓄电池在使用过程中绝不可以把电放光，否则蓄电池很容易损坏，不同规格蓄电池的放电深度有所不同，一般浅循环蓄电池放电深度在50%左右，深循环蓄电池放电深度在75%左右。
计算蓄电池总容量的基本计算公式为：
蓄电池总容量=
综合以上，为了更大限度的节约成本，同时也为了够用，我们取连续阴雨天数为两天，蓄电池采用深循环蓄电池，放电深度为75%。则
蓄电池总容量= =44.5Ah
依据上述计算方法，在没有太阳能电池板供电的情况下，要保证连续两天使用蓄电池，蓄电池的容量为44.5Ah，根据蓄电池规格情况采用12v/45Ah。
（3）太阳能电池板容量确定。太阳能电池板是光能转化为电能的装置，实现对蓄电池进行充电，为了节约成本，太阳能电池板每天所充电量只要保证负载至少使用一天即可。在对电池板进行容量设计时，主要是在确定系统最佳充电电流的基础上确定太阳能电池板的功率。
① 系统最佳充电工作电流确定。系统最佳充电工作电流是指太阳能电池板工作在最大功率时的工作电流，也称为峰值工作电流。其计算方法如下：
最佳充电工作电流=负载日用电量/当地峰值日照时数
由以上可知，负载日用电量为16.7Ah；依据气象统计有关信息，南通市峰值日照时数与上海非常接近，全年平均算下来，每天约为3.8h。但因为该装置主要工作在夏季，平均日照时数有所增加，姑且设定为4h。依据上述最佳充电工作电流公式，我们可以得到：
系统最佳充电工作电流= =4.17A
② 太阳能电池板最佳功率确定。最佳功率是指太阳能电池组件工作在最大输出电流和峰值工作电压下的功率，也就是太阳能电池板的最佳输出功率。 太阳能电池组件最佳输出功率=电池组件峰值工作电压×电池组件最大输出电流
太阳能电池组件放置在室外，在使用过程中，受外部环境因素的影响较大，会使得电池组件的功率衰减，一般衰减损耗选定为10%；另外，在充电过程中，蓄电池会发热，充电效率会下降，我们选定下降比率5%，则充电效率系数为95%。
综合以上因素，我们实际选用的电池板的最大输出功率为：
系统选用电池组件最大功率=
=
依据太阳能电池板的规格参数和实际需求，我们选定太阳能电池板规格参数为90w/18V（峰值电压）。
3.3充放电控制电路设计
充电控制电路可实现防止过充和过放，保护蓄电池，同时也可防止充电过程蓄电池向电池板反充和电池板正负极接反。
智能充放电控制器整体方案设计如图3所示。
电阻分压网络：对蓄电池和太阳能电池板电压进行分压，供采样模块进行采样。
电源电路模块：分为+5V电源电路和+10V电源电路两部分，供单片机及其他附属模块使用。
太阳能电池和蓄电池电压采样模块：采样分压后的电压。
输出驱动模块：驱动充电电路和放电电路工作。
89S52单片机：一种智能型微处理器，可完成对电压数据收集、处理，控制蓄电池的充电脉冲宽度，同时也可以根据太阳能电池板的电压状态判断白天黑夜。
（1）充电电路模块设计。本系统采取两阶段充电法进行，分为快充和慢充。主要依据斩波式PWM充电原理。通过判断蓄电池的实时电压情况，实现快充和慢充。当采集到的蓄电池的电压比预先设定值小时，采用占空比大的PWM脉冲进行充电，实现快速充电；当采集到的蓄电池电压比预先设定值大时，采用占空比小的PWM脉冲进行充电，进入慢充阶段。
工作原理：当P1.0为高电平时，三极管Q5导通，其发射级被嵌位在高电平，使得Q6导通，由于稳压管D8的作用，使得MOS管的IRF4905的栅源电压钳位在-10V，MOS管导通，太阳能电池板向蓄电池充电。当P1.0为低电平时，三极管Q5、Q6都是截至的，MOS管断开，太阳能电池板不能向蓄电池充电。
P1.0何时输出高电平、何时输出低电平，由软件编程实现，高低电平切换的频率，可实现PWM充电的快慢。
另外，图中D6是一个防反充的肖特基二极管MBR2050，D7就是是一个防止蓄电池正负极性接反的保护二极管。
（2）放电控制模块设计。放电控制电路图如图6所示。
在图6中，单片机的P1.1口通过光耦TLP250来驱动MOS管的开关，实现了主电路与开关电路的隔离，减少了干扰、振荡和误动作等现象，使得系统的运行更加稳定和可靠。当检测蓄电池的端电压>11.3V时，通过软件使得单片机的P1.1口输出高电平，Q17导通，使得光耦TLP250发光二极管发光，关断，MOS管闭合，可以给负载供电；当蓄电池的端电压
