太陽能滅蚊燈系統(tǒng)的設(shè)計

楊喆

（山西大同大學，山西 大同037009）

1 概述

1.1 課題研究背景

在人類生產(chǎn)生活中，經(jīng)常會因為小蚊蟲咬傷而感到困擾，特別是夏天蚊蟲繁多，被蚊蟲咬后不僅會使皮膚感到瘙癢紅腫而且還可以傳播各種疾病，針對由于蚊子而傳播的蚊媒疾病，我們除了可以利用疫苗來進行防治之外，還能通過大規(guī)模殺蚊來消除病毒的傳播載體。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的滅蚊產(chǎn)品有：紫外光誘導滅蚊器、電蚊拍等，這些滅蚊產(chǎn)品各有優(yōu)缺點。電蚊拍，雖然實用、方便，可是卻需要人自己尋找目標，只能殺死人能看到的觸碰到的地方的蚊子。雖然滅蚊殺蚊產(chǎn)品有很多，但沒有一種殺蚊物品既可以做到滅蚊量大又使冬季閑置滅蚊燈利用起來。目前國內(nèi)的滅蚊燈已經(jīng)被商戶廣泛的使用，而且太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展越來越好。我國國土面積廣闊，幅員遼闊，擁有著充足的光照條件，滅蚊燈的使用不受限制。因此綜合各方面因素來看，以太陽能來為滅蚊燈供電的未來發(fā)展前景十分可觀。

2 太陽能滅蚊燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 太陽能滅蚊燈系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足太陽能滅蚊燈系統(tǒng)的功能，設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)方案以51 單片機為核心，蓄電池為儲能裝置，相應的光控模塊為控制器件，LED 燈以及滅蚊燈為執(zhí)行部件。當陽光照射到太陽能電池板上時，光伏發(fā)電板把太陽能轉(zhuǎn)為電能產(chǎn)生電流。利用蓄電池將太陽能電池板產(chǎn)生的電儲能存起來然后再供給負載使用。蓄電池可以連接滅蚊燈和光控LED 照明燈，并為其供電。

2.2 元器件的選擇

2.2.1 誘導器件的選型

滅蚊燈是利用蚊子的趨光性來引誘蚊子的，本文設(shè)計的太陽能滅蚊燈系統(tǒng)是選擇使用光觸媒燈作為光誘導的方式。光觸媒燈，在這種類型的誘蚊燈中最重要的部分是光觸媒催化劑，二氧化鈦是這種催化劑的重要組成部分。燈管使用時不會消費本身。在有光照時，這種媒就會和空氣中的水和氧氣緊緊抱在一起，形成一種具有強氧化性的氫氧自由基，這種強氧化性的物質(zhì)具備分解空氣中的氣體和有害細菌的能力，同時還能釋放CO2與H2O。不僅可以引誘蚊子還可以除臭、殺菌、凈化空氣。

蚊子喜愛下面5 種環(huán)境，當光觸媒燈管使用時恰恰能為蚊子提供這些環(huán)境。二氧化碳：蚊子的感覺器官十分敏銳，它們可以感覺到空氣中少量的CO2氣體，最遠可達15 米。因為這種特殊的能力，蚊子可以準確的判斷出人的位置來找尋食物。所以使用二氧化碳來引誘蚊子也是一種值得推薦的方式。光觸媒燈光中存在特殊的催化劑，它能緩和空氣中對人體有害的物質(zhì)還能釋放出二氧化碳。熱量：蚊蟲喜溫，夜晚的蚊子愛朝著溫暖的方向飛去，人體的溫度剛好可以吸引蚊子，所以導致了晚上蚊子能迅速分辨出人的方位。當光觸媒燈被點亮后，燈管會慢慢升溫，這一優(yōu)勢正好可以用來仿照人活動產(chǎn)生的溫度。濕氣：蚊蟲喜濕，能夠感覺到人的體液所蒸發(fā)而產(chǎn)生的濕氣又或者是活動時從身體中散發(fā)產(chǎn)生的濕氣。光觸媒燈使用時會在改善空氣質(zhì)量的同時產(chǎn)生一部分濕氣。因此光觸媒燈管可仿照人生活中產(chǎn)生的的濕氣來引誘蚊子。光譜與紫外線：蚊蟲對紫外線有較強的趨向性，而人對紫外線感知度不高，可對于蚊蟲來說是很強的光，蚊子十分喜愛這種頻率的光線。光觸媒燈使用時會發(fā)出這種頻率的光線引誘蚊子靠近滅蚊燈。顏色：蚊蟲一般會被光所吸引尤其是深色光。點亮光觸媒燈時，它會發(fā)出顏色較深的藍紫色光，可以吸引大量蚊蟲。光觸媒燈管是唯一一種使用色、熱、濕汽、二氧化碳、光這些綜合因素的誘蚊工具。它的使用壽命長，能引誘100m2空間范圍的蚊子。誘蚊耗價低且效率高。綜上所述，本設(shè)計選用光觸媒燈管作為誘蚊器件時是十分合理的。

2.2.2 太陽能電池的選擇

光電轉(zhuǎn)換是一種能夠把光能的輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電效應。當太陽光照射半導體上的PN 結(jié)時，陽光中的一部分光被反射出去，一部分光轉(zhuǎn)化為熱能，還有一部分光子與半導體中的原子價電子發(fā)生碰撞從而形成電子空穴對。因為PN 結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了擴散運動，P 區(qū)帶正電，N 區(qū)帶負電，PN 結(jié)兩端就會產(chǎn)生電勢差，如果把很多電池串聯(lián)或并聯(lián)在一起，在接上外加電路后就會形成電壓和電流，太陽能被轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電技術(shù)最重要的組件就是太陽能電池，以下就三種常用的太陽能電池進行分析，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 常見太陽能電池性能對比

由上表可以看出，多晶硅太陽能電池結(jié)合了單晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池的優(yōu)點，轉(zhuǎn)換效率較高，而且沒有嚴重的衰減問題，它的制備可以利用價格很低的襯底材料。因為這些優(yōu)點使多晶硅太陽能電池的制造成本低于單晶硅太陽能電池，但是它的效率卻比非晶硅太陽能電池高很多。多晶硅片在生產(chǎn)過程當中沒有污染，而單晶硅電池生產(chǎn)時對環(huán)境的危害較大。

2.2.3 光控模塊

設(shè)計光控LED 照明系統(tǒng)一方面是為了使滅蚊燈的誘蚊效果大大加強，另一方面是為了使滅蚊燈在冬季不會被閑置，可以起到照明功能。

這一光控模塊設(shè)計有兩種選擇方案：

方案一：利用普通的光敏元件：光敏電阻和三極管。讓光敏電阻給單片機輸送信號。再讓單片機控制繼電器的開關(guān)。

方案二：光敏電阻把信號直接傳給單片機，單片機根據(jù)輸入的程序執(zhí)行命令。

由于滅蚊燈本身體積較小，電路設(shè)計簡單，并且方案二對環(huán)境要求較高，很難實現(xiàn)。所以選擇方案一。

最常用來測量光的亮暗程度，對光線進行控制的元件就是光敏電阻。一般的光敏電阻使用的材料是半導體材料。光敏電阻對光線強弱的變化十分敏銳，這一特點也被稱為光譜特性，這與人的眼睛對可見光（0.4～0.76）μm 的響應十分的接近，只要是人眼可以感覺到的的光線，都會使它的阻值發(fā)生變化。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 滅蚊部分設(shè)計

在所設(shè)計的各類模塊中，滅蚊燈無疑是最重要的部分，因此我們在選取滅蚊燈時必須要進行全面綜合的考慮，對于滅蚊燈的選用進行以下考慮：

本設(shè)計選用的誘蚊器件是光觸媒燈管，是一種常見的熒光燈管，比一般的LED 燈的體積大一些，外面涂著光觸媒材料。因為設(shè)計的滅蚊燈系統(tǒng)供于家庭使用，體型應該稍小一些，并且要考慮耗能問題，所以本設(shè)計選用的光觸媒燈管較小，長5 厘米，功率5w。光觸媒燈管的形狀是U 形，燈管的內(nèi)層抹著一層薄薄的熒光粉，還添加了催化劑納米二氧化鈦(TiO2)，燈絲由金屬鎢制成安放在光觸媒燈管的兩側(cè)，這種燈絲上也有一種很特別的氧化物，這種氧化物可以讓燈絲在溫度變高后容易向外發(fā)射電子。光觸媒燈管點亮后就會發(fā)出蚊蟲所喜愛的藍紫色光線，并且產(chǎn)生濕氣和二氧化碳，可以達到高效誘蚊的目的。

3.2 光控模塊設(shè)計

本系統(tǒng)所設(shè)計的光控電路采用的光控元件是光敏電阻，基于NE555 的光控繼電器還有51 單片機。光敏電阻以其對光線的敏感程度可以感受到外界亮暗的變化并將信號傳遞給單片機。51 單片機在電路中感受到光敏電阻所傳遞的信號后，控制著繼電器的開斷。利用光敏電阻來感受光線強弱以給予單片機信號，在單片機接收到光敏電阻傳遞到的信號后，控制繼電器是否需要接通。若繼電器接通則LED 燈亮，若繼電器不接通則LED 照明燈不亮。

在設(shè)計當中，光傳感器件對外界光線進行檢測時使用的是光敏電阻，光敏電阻對光線的強弱有較強的敏感性。這一特點即所謂的光導效應，本設(shè)計也正是利用這一特點來感受光線的明暗程度。

對于光控模塊，單片機無疑是控制核心，它對光電檢測電路收集到的信號進行加工處理。單片機可以隨著編寫好的命令來執(zhí)行和運算，最后可以把運算結(jié)果傳遞給對應的執(zhí)行電路。

繼電器執(zhí)行電路是由單片機控制電路來控制的，意味著繼電器的開關(guān)是由單片機發(fā)出的指令來操控的，當繼電器接受到單片機的指令后將執(zhí)行相應的操作。

光控部分的設(shè)計基本如此：由光電檢測電路檢測光信號并將其傳送給單片機控制電路。單片機控制電路接受到光敏電阻傳遞過來的信號后，發(fā)出開斷的指令傳遞給繼電器的執(zhí)行電路，繼電器執(zhí)行電路接收到指令后進行相應的操作。