基于压力和太阳能发电的测温雾化消毒门禁供电控制系统设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：杨威（2001），男，汉族，山东菏泽人，本科，研究方向为电气工程及其自动化专业。-199-基于压力和太阳能发电的测温雾化消毒门禁供电控制系统设计 杨 威 石黄霞（通讯作者）张丽玲 佟敬业 新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023 摘要：摘要：本文介绍了一个基于单片机的测温雾化消毒门禁系统供电系统，该系统以单片机为核心，采用电能传感器与电能计量器等原件对于测温雾化消毒门禁的供电模式进智能化行控制，实现在光能充足时使用太阳能与压力发电进行供电，在光能等不足时系统会自动切换到市电供电模式，以确保测温雾化消毒门禁系统的正常运行。其优点包括节约能源、减少环境污染、可靠性高、使用方便等。关键词：关键词：单片机；太阳能；市电切换；供电设计 中图分类号：中图分类号：TP23 0 引言 测温雾化消毒门禁系统的供电方式采用太阳能发电和市电交换，可以确保测温雾化消毒门禁系统始终有稳定的电力供应，同时还充分利用太阳能资源，降低能源成本和环境污染。太阳能发电部分由一组太阳能电池板组成，可以将太阳能转化为电能。这些电池板安装在测温雾化消毒门禁系统的上方或附近以获取最大的阳光照射。电池板产生的电能输入到一组太阳能充电器中，充电器会将电池充电并储存在电池上，以备不时之需。市电交换方面，当太阳能发电不足或天气不好时，系统会自动切换到市电供电模式，以确保测温雾化消毒门禁系统的正常运行。同时，测温雾化消毒门禁系统还安装了一个智能控制和监控系统，可以通过读取传感器和电能计量器的数据来优化电能的供应和使用，减少能源浪费。这种太阳能发电与市电交换的测温雾化消毒门禁系统的优点包括：节约能源、减少环境污染、可靠性高、使用方便等。此外，测温雾化消毒门禁系统的使用寿命相对较长，可大大减少维护和更换的费用。1 总体设计 本文设计的测温雾化消毒门禁系统供电控制系统如图 1 所示。单片机控制门禁使用太阳能、压力发电与市电切换供电是一种基于自动化控制技术的门禁电源解决方案。该系统以太阳能、压力发电为主电源，当太阳能、压力发电出现故障或中断时，系统会自动切换到市电供电，确保门禁的正常运行。该系统主要由单片机控制模块、蓄电池管理模块和电源转换模块等组成，使用程序控制实现太阳能、压力发电和市电的自动切换。该系统具有低功耗、高可靠性、自动切换等优点，广泛应用于小区、公寓、企业园区等 图 1 供电控制系统图 中国科技期刊数据库 工业 A 门禁管理场所，提高了门禁的使用便利性和可靠性。2 系统组成 2.1 太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部件，由多个太阳能电池单元组成。被广泛地应用在室外环境中，可以通过对太阳的反射和吸收产生电能。太阳能电池板的种类很多，但是在本门禁系统中，主要选择具有高转化效率、高耐腐蚀性、高耐候性、低光衰减率等优点的多晶硅太阳能电池板。多晶硅太阳能电池板的效率高、寿命长，相对于其他类型的太阳能电池板，使用寿命更长，不容易损耗和漏损。发电技术的应用至关重要，如今，我国已经成功利用太阳能光伏发电技术达到了光伏建筑一体化的目标。其中的运作原理也较为简单，主要是通过对工程建筑物的顶部安装相应的太阳能光伏发电技术组件，或具有类似原理的双玻组件，而后将太阳能光伏发电系统连接到建筑施工所运用的电路之上。如此，可将太阳能转变为电能，确保能够将所产生的电能的补偿性作用全面发挥出来，达到在保障工程施工正常用电的基础之上，有足够支撑电子设备正常运行电网的目标。在建筑工程的施工过程中，很可能会因为自然环境因素是人为因素及供电不足等情况，造成工程断电，严重影响建筑施工工作的顺利开展，此时便可应用太阳能光伏发电技术进行发电，维护各项建筑机械正常运转。依据我国对太阳能光伏发电技术的应用程度分析，光伏建筑一体化具有良好的发展前景与巨大的发展优势，目前，我国已经在工程建筑的诸多方面应用了光伏建筑一体化技术，并取得了良好的成效，且其自身的技术完善度较高，具有一定的工程施工保障性。但目前，我国对于光伏建筑一体化还处于初级探索阶段，若要进一步深度挖掘光伏建筑一体化的应用领域与应用方式，以及完善其组件性能，都还需要更大的投资成本与科研时间。多晶硅光伏发电的发电量受多方面的因素的影响，例如光照强度、空气湿度、温度等等1。下面是一个一平米的多晶硅光伏发电板在不同条件下的预估发电量：在标准测试条件（STC）下，即光照强度为 1 千瓦/平方米，温度为 25时，多晶硅光伏的理论峰值功率一般为 150 瓦。因此，一平米的多晶硅光伏发电板在 STC 下的预估发电量为 150 瓦。在实际应用中，由于地域、季节、天气等因素的影响，光照强度和温度都会发生变化，从而影响电池板的实际发电量。一般来说，第一太阳能辐射数据手册建议的光照强度与25条件下，多晶硅光伏发电板的日均发电量约为 2千瓦时/年，即平均每天产生 5 度左右的电。2.2 压力发电 压力发电部分利用行人踩踏地板产生的振动来发电。磁体之间通过同极相排、异极相吸原理，让中间永磁体呈悬浮状。然后通过对永磁体的不断踩压，让磁力线不断切割线圈来发电2。安装一个永磁悬浮发电器，每踩一次地板，发电功率可以达到 4 瓦。理想条件下，如果在道路上铺设 5 个 20 层的压电元件，那么一天就可以产生电能 2810J3。2.3 电池组 电池组是发电系统中一个十分重要的部件，将所发电能存储在电池组中。太阳能、压力发电产生的电能需要被储存起来，在当太阳能充足的时候，门禁系统使用储存在电池中的电能。因此，门禁系统需要选用高质量的电池储存系统，以确保储存的电能质量稳定，能够长期供应给门禁系统使用。本系统中，我们采用的是 12V/50AH 的深循环蓄电池组，确保系统的全天候运行。深循环蓄电池组是一种专门用于太阳能系统、风能系统等采用离网供电的系统，由于其低扭曲度和较高的循环使用能力，被广泛应用。2.4 充电控制器 充电控制器是太阳能、压力发电系统中的重要组成部分，它主要负责智能控制对电池组进行充电，以提高系统的稳定性和充电效率。在本系统中，我们可选用一些智能控制算法的 MPPT 电池充电器来实现。2.5 备用电源（市电）为了避免发电量不足，引起门禁系统的能量不足甚至无法运行的问题，我们可以在设计时设置备用电源系统，引入市电作为备选电源。备用电源的作用是在发电不足或储存能力不足时，通过切换供电方式实现门禁系统的持续供电。在实现切换前，需要设置自动检测机制，当输出电量不足以满足系统需求时，电路即可自动匹配市电，实现市电与发电之间的自动切换，保证系统的正常运行4。200中国科技期刊数据库 工业 A 2.6 转换电路 转换电路是市电切换供电部分的核心部件，可将市电和太阳能、压力发电标志文件进行自动切换，从而保证门禁系统的稳定运行。为了实现切换的自动化，我们需要采用合适的保护电路和开关电源控制电路进行设计。当太阳能电池板输出电量不足以满足系统需求时，电路即可自动匹配市电，实现市电与太阳能、压力发电之间的自动切换。保护电路由开关电源控制电路、保护电路和其他辅助电路组成，具体如下。2.6.1 开关电源控制电路的设计 在市电和太阳能电池板产生的电量不足以满足系统需求时，需要进行能源切换。应该采用开关电源控制电路，通过电路自动匹配太阳能和市电，实现太阳能发电和市电的自动切换。开关电源控制电路应具有很高的控制精度和稳定性，以便能够对门禁系统的电力供应进行实时监测和调控。2.6.2 保护电路的设计 为了确保门禁系统电器设备和人员的安全，市电切换供电部分应采用过流、过压、欠压、短路等各种保护电路，在突发故障情况下及时切断电源，避免损坏系统，确保门禁系统正常运行。2.6.3 其他辅助电路的设计 除了保护电路和开关电源控制电路外，市电切换供电部分还需要一些辅助电路，如市电输入辅助电路、备用电池输出电路、交流输出转换电路等，以保证门禁系统的稳定运行。2.7 输出电路 输出电路是市电切换供电部分的最后一个组成部分，其功能主要是对切换后的电能进行管理和输出。在本门禁系统中，我们可以采用电池交流供电的方式，以便电源稳定、电压高等特点保证门禁系统的正常运行。3 切换控制设计 3.1 太阳能、压力发电与市电切换的门禁系统实现 自动切换开关是连接市电电源和门禁系统电路的组件。当系统检测到光伏电池板电池电量不足时，自动切换开关会将门禁系统从太阳能、压力发电切换到市电供电，保证门禁系统的正常使用。自动切换开关还可以进行故障检测，如果发现市电电源异常，则会自动切换到备用供电。太阳能、压力发电和市电切换功能可以采用多种方法实现。以下是两种主要方法多路开关切换法和自动切换开关法介绍。多路开关切换法是一种简单、可靠的切换方案。该方案使用多个开关对市电和太阳能、压力发电供电电路进行切换。当市电供电正常时，主开关连接市电电源，绕过太阳能供电电路。当市电供电异常时，主开关连接太阳能供电电路，绕过市电电路。在太阳能供电电路中，使用反向恢复开关来防止市电反流。多路开关切换法简单而可靠，但是需要占用相对较大的空间。自动切换开关法是一种便捷、快速的切换方案。该方案通过自动切换开关对市电和太阳能、压力发电供电电路进行切换。当市电供电正常时，自动切换开关将太阳能、压力发电系统断电，并将门禁系统电路连接到市电电源。当市电供电异常时，自动切换开关会自动切换到太阳能发电系统供电。自动切换开关法可以快速切换，无需人工干预，但是相对较为复杂。3.2 控制流程 图 2 控制流程图 201中国科技期刊数据库 工业 A 控制主要是基于电力电子技术的分布式电源。对于交流微电网部分，分布式电源主要通过 DC-AC 或 AC-AC 变流器接入交流母线；直流微电网内的分布式电源则主要通过 DC-DC 或 AC-DC 变流器接入直流母线；直流微电网和交流微电网接口通常为双向 DC-AC 变流器。因此，分布式电源接入的 DC-AC 或 DC-DC 变流器控制是分布式电源控制的关键。依据分布式电源在交直流混合微电网中所起的作用不同，其接口变流器需要采取不同的控制策略，主要分为：电压源型控制方法和电流源型控制方法。太阳能、压力发电与市电切换的流程，具体流程图如下图所示。太阳能与压力发电所发电量经过充电控制器被暂时储存入蓄电池当中，转换电路会采集蓄电池中电量，当蓄电池中电量高于 70%时，单片机会认定优先使用蓄电池中太阳能、压力所发电能进行供电；当监测到蓄电池中电量低于 30%时，会通过转换电路切换为市电供电，确保门禁的正常运行5。4 总结 在门禁系统的供电部分，太阳能、压力发电和市电切换是两个非常重要的功能。门禁系统的太阳能发电系统由光伏电池板、压力发电地板和电池储存系统组成，能够将太阳能、压力发电转化为电能供电。市电切换系统由市电电源和自动切换开关组成，当太阳能供电不足时，可以自动切换至市电供电。门禁系统的太阳能、压力发电和市电切换功能可以采用多种方法实现，其中多路开关切换法和自动切换开关法是两种主要方法。小型门禁系统可以采用简单的多路开关切换法，而大型门禁系统则可以采用便捷的自动切换开关法。单片机控制太阳能、压力发电与市电切换是一种智能化控制技术，可以应用于家庭、工商业等领域，实现自动切换和备份电源功能。该控制系统具有高可靠性、充电管理、低功耗等优点，为实现家居、工业等领域的电力安全提供了有效的解决方案。参考文献 1林彦霞,盖志武,叶春华,黄丽娟,周麟,杨小燕.多晶硅太阳能电池温度及发电效率研究J.科技经济导刊,2017(11):42-43.2张军朝,陈俊杰.粒子群优化 RBF 神经网络光伏电池建模研究J.计算机工程与科学,2011,33(09):169-173.3王青萍,王骐,姜胜林,压电能量收集器的研究现状J,电子元件与材料.2012(02).4蔡大华.风 光 市电“三电”合一智能切换技术的设计J.科技创新与应用,2018(13):78-79.5杨林发.基于单片机的双蓄电池组自动切换系统J.通信电源技术,2012,29(04):117-118+120.基金项目：2022 年新疆维吾尔自治区级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：S202210994020。202