太阳能LED杀虫灯电能管理系统设计

太阳能 LED杀虫灯电能管理系统设计

黄帅 1，张博 1*，刘晓天 1，王思奎 2

1. 成都工业学院，自动化与电气工程学院，四川 成都 611730； 2. 四川物华农业科技有限公司，四川 成都 610093

摘要：太阳能LED杀虫灯是目前最有前景的绿色无公害灭虫技术之一。为了在不增加储能电池成本的情况下提升杀虫灯的工作时长和灭虫效果，有必要对杀虫灯的电能使用采用智能化管理。本文设计了一种基于STM8的电能控制系统，实现了自动关断保护、亮度自动调节、掉电自动恢复、充放电智能管理等一系列功能，既避免了电能的无用损耗，亦延长了储能电池寿命，显著提升了太阳能杀虫灯的灭虫效果和使用体验。

关键词：太阳能杀虫灯；电池管理；雨量检测；光照检测；LED光控

0. 引言

自上世纪50年代以来，杀虫灯作为一种灭杀害虫的物理性防治工具，凭借其无污染、无公害、不破坏生态等优点在农、林、渔等产业的害虫防控中发挥了重要的作用^[1-2]。太阳能杀虫灯是一种以太阳能发电系统和储能电池作为电源的杀虫灯，无需市电供应即可长期运行，非常适合应用在较为偏远的农村或山林地区^[3]。太阳能杀虫灯白天将太阳光转换为电能存储在电池中，夜间再利用电池为杀虫灯运行提供电能^[4]。由此可见，杀虫灯可连续工作的时间长短取决于能够存储的电量和杀虫灯能耗。鉴于储能电池价格较为昂贵，因此通过改善能耗提升杀虫灯工作时长是更为经济可行的方法。

在现有太阳能LED杀虫灯的基础上，本文设计了一种基于STM8的杀虫灯控制系统，实现了自动关断保护、亮度自动调节、掉电自动恢复、充放电智能管理等一系列管理功能。该系统通过提升电能利用效率，增加了杀虫灯的有效工作时长，提升了电池的安全性和使用寿命。

1. 系统总体设计

本文所设计太阳能LED杀虫灯主要包含由主控电路、LED/电机驱动、升压/稳压电路，接口电路等模块构成的基础控制系统，以及由电池管理、雨水检测、光照检测、LED光控等模块构成的电池管理系统。为了提升资源利用率、降低系统成本，本设计采用8位微处理器STM8作为主控核心。该处理器自带一个16位定时器和两个8位定时器，完全满足工作定时、扫虫计时等功能需求。此外，该处理器自带ADC模块可直接应用于电池电压采集，而最多28个IO口可用于外控设计^[5]。

2.电能管理系统设计

本文设计的电能管理系统主要由电池管理、LED光控、雨量检测、光照检测及LED光控等四个模块构成。

(1) 电池管理模块：

该模块主要负责电池电量的实时监测，并依此对充放电过程、LED亮度等级、系统供电状态做出控制。如图1所示，本设计采用了两路电阻分压电路分别用于储能电池和太阳能电池板的电压采集监控。同时，两个反向的N沟道MOSFET可实现光伏板负极与储能电池负极之间的开断,从而控制储能电池充放电启停。此外，其中一个MOSFET漏源极之间的功率电阻与另外一只MOSFET内部的漏源之间的等效二极管构成一个导电通路，用于储能电池掉电后的恢复通路。

图1. 电池管理模块原理图

(2) 雨量检测模块

该模块采用光耦与三极管配合形成雨量检测电路，如图2所示。位于杀虫灯顶部凹槽内的两个金属触点通过导线与电路中三极管的基极与集电极链接。由于雨水含有杂质相对纯水电阻率较低，因此当雨量较大时，凹槽中的积水会覆盖两个金属触点，从而在三极管两极之间形成电通路^[6]。主控芯片通过光耦接收到通路信号后，随即发出指令使杀虫灯进入停止工作状态。

图2. 雨量检测模块原理图

（3）光照检测模块

该模块基于太阳光照与光伏板短路电流之间的比例关系，通过检测采样电阻两端的电压值来推算当前光照强度^[7]。然后，主控芯片根据实时光强与预设阈值的比较结果来设定杀虫灯的工作状态。

（4）LED光控模块

如图3所示，该模块基于高压DC/DC升压恒流LED驱动芯片XL6003开发^[8]。根据电池管理系统提供的储能电池电压信号和光照检测模块提供的工作时段信号，该模块可自动调节LED灯的开断、亮度和闪灯模式。输出回路上的功率电阻及蜂鸣器分别用于LED工作电流采集和LED灯管的短路保护，以提示驱动芯片故障。

图3. LED光控模块原理图

3. 系统软件设计

杀虫灯控制软件工作流程如图4所示，主要分为参数设置、夜晚模式、白天模式等几个部分。可以看到，在夜晚工作过程中，杀虫灯会根据储能电池的电量状态主动调节能耗模式，统计高压电网工作状态并智能分析杀虫数量。在白天模式下，杀虫灯会关闭高压电网和LED灯以降低能耗，同时为储能电池充电。在此过程中，系统会依据储能电池电压和光伏板电压对充放电过程和系统供电状态进行控制。

图4. 杀虫灯控制软件工作流程

4. 结束语

本文针对太阳能LED杀虫灯的工作原理和供电方式，提出了一种高效、稳定、低成本的电能管理系统。该系统由LED光控模块、光照检测模块、雨量检测模块及电池管理模块组成，通过软硬件控制相结合的方式实现了自动关断保护、亮度自动调节、掉电自动恢复、充放电自动启停等功能，显著提升了整个系统的电能使用效率，对于在日照条件较差地区推广使用太阳能杀虫灯具有重要意义。

5. 参考文献

[1] 刘立春.诱虫灯的研究进展及应用概况[J].华东昆虫学报,1994(01):75-78.

[2] 胡成志,赵进春,郝红梅.杀虫灯在我国害虫防治中的应用进展[J].中国植保导刊,2008(08):11-13.

[3] 李正鹏,罗倩倩.太阳能杀虫灯的设计与应用[J].湖南农机,2012,39(11):65+67.

[4] 郭湘君,秦曼华.光伏阵列太阳能杀虫灯控制方法[J].轻工机械,2010,28(05):66-68+72.

[5]崔玉祥,赵慧芳,赵亮.基于STM8的温室卷帘机控制器设计[J].农业技术与装备,2020(01):21-23.

[6]王小丽.雨水电导率测量结果的不确定度评定[J].中国电力教育,2006(S3):225-226.DOI:10.19429/j.cnki.cn11-3776/g4.2006.s3.080.

[7]曹铭浩,张博,黄帅,陈海棠,云忠源.光伏发电系统输出特性模拟试验装置的设计与验证[J].新型工业化,2019,9(11):1-5.DOI:10.19335/j.cnki.2095-6649.2019.11.001.

[8]周向阳,卜燕,刘满禄.太阳能LED路灯的智能调光系统[J].中国科技信息,2012(10):153.

基金项目：成都市技术创新研发项目（2019-YF05-00199-SN），成都工业学院博士基金（2019RC012），成都工业学院校级项目（2020ZR014）

通信作者：张博（1980—），男，博士，副教授，研究方向嵌入式检测技术、自动化装置、机器人控制系统等。Email：boz@cdtu.edu.cn