新能源驅(qū)動下液滴系統(tǒng)智能控制的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：目前，中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民生活水平大大提高，人們對醫(yī)療保健的重視程度愈來愈強(qiáng)，這樣促進(jìn)醫(yī)院及家庭對先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備需求快速增加，對產(chǎn)品功能要求越來越多，對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越好。文章針對先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)理念，提出一種新能源驅(qū)動下液滴智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)將光伏電池輸出的直流電經(jīng)過DC/DC變換后，不經(jīng)過液滴控制系統(tǒng)的電源模塊直接為其工作模塊供電，則可以省去逆變和整流降壓兩個環(huán)節(jié)。而且光伏電池供給的直流低壓電能無諧波、質(zhì)量好。在光照充足時，液滴控制系統(tǒng)工作模塊可以直接利用光伏電池輸出的電能工作。

關(guān)鍵詞：液滴系統(tǒng)；智能控制；設(shè)計

1 概述

石化能源的快速消耗，使得能源危機(jī)以及由此引發(fā)的環(huán)境問題正在愈來愈深刻的影響著全球經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)性發(fā)展。依靠太陽能、風(fēng)能、水能等新能源解決當(dāng)前和未來的能源問題，早已成為國際上倍受關(guān)注的研究熱點。加之信息處理控制技術(shù)的不斷發(fā)展，將新能源技術(shù)與電子信息處理技術(shù)完美結(jié)合并實際應(yīng)用成為各國科技人員攻關(guān)的主方向。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計與主要模塊介紹

2.1 系統(tǒng)總體描述

智能液滴流速檢測系統(tǒng)的整個電路分為以下幾個部分：數(shù)控部分、液滴流速檢測部分以及電源電路部分，原理框架圖如圖1所示。

如圖1可知，由光伏電源電路提供直流電，供給單片機(jī)、顯示電路、轉(zhuǎn)換、報警等電路使用。利用傳感器分別進(jìn)行液滴流速檢測，把測得的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，測得的數(shù)據(jù)就會模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后送入單片機(jī)處理，最后由顯示電路顯示出來，用鍵盤按鍵設(shè)置液位上限和下限，超過液位或流速的預(yù)定值實現(xiàn)自動報警功能，提醒工作人員及時進(jìn)行處理。

2.1.1 核心問題實現(xiàn)

（1）符合光照要求時，光伏電池直接向液滴控制系統(tǒng)供電。

（2）解決不符合光照要求時，系統(tǒng)能源供給問題。

2.1.2 解決方案如下：采用有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)

有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池及直流負(fù)載（該項目中負(fù)載就是單片機(jī)、顯示電路、轉(zhuǎn)換、報警等電路）等組成。有陽光時，太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)載使用，并同時向蓄電池存儲電能。夜間或陰雨天時，則由蓄電池向負(fù)載供電。

2.2 主要模塊介紹

本系統(tǒng)中主要器件控制器，它的性能直接影響電池的使用壽命和輸出能量的穩(wěn)定可靠性。在控制器的指揮下，何時為蓄電池充電，何時為蓄電池放電，都需要有一定的條件限制，這樣可以有利用蓄電池不會過充電或過放電而影響性能。在整個環(huán)節(jié)中控制器有著十分重要的地位，控制器的存在就是為了能使負(fù)載和蓄電池正常工作。系統(tǒng)中太陽能給蓄電池充放電路如圖3所示。

電路中采用雙電壓比較器LM393配合穩(wěn)壓管ZD1提供6.2V的基準(zhǔn)電壓做比較電壓，再接入反饋電阻，將部分輸出信號反饋到同相輸入端，這樣就把雙電壓比較器變成了雙遲滯電壓比較器，在雙遲滯電壓比較器的作用下可使電路在比較電壓的臨界點附近不會產(chǎn)生振蕩。采用由RP1等器件組成的過充電壓檢測比較控制電路；采用由RP2等組成的過放電壓檢測比較控制電路，借助電位器RP1和RP2的調(diào)節(jié)設(shè)定過充、過放電壓，以保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠?？烧{(diào)三端穩(wěn)壓器LM317提供給LM393穩(wěn)定的8V工作電壓。被充電電池為12V65Ah全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池；太陽電池用一塊40W硅太陽電池組件，在標(biāo)準(zhǔn)光照下輸出17V、2.3A左右的直流工作電壓和電流；D1是防反充二極管，防止硅太陽電池在太陽光較弱時成為耗電器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計簡介

系統(tǒng)軟件主要是控制充電、放電、保護(hù)、顯示等功能，例如充電過程，當(dāng)光照射的時，硅太陽電池組件產(chǎn)生的直流電流點亮指示燈，等待對蓄電池進(jìn)行充電，電路開始工作后，過充電壓檢測比較控制電路和過放電壓檢測比較控制電路同時對蓄電池端電壓進(jìn)行檢測比較。當(dāng)蓄電池端電壓小于預(yù)先設(shè)定的電壓值時，動作轉(zhuǎn)換位置，硅太陽電池組件開始充電，蓄電池逐漸被充滿，當(dāng)其端電壓大于預(yù)先設(shè)定的電壓值時，指示燈發(fā)光，指示停止充電。

放電過程當(dāng)蓄電池端電壓大于預(yù)先設(shè)定的過放電壓值時，釋放電壓，相應(yīng)指示燈點亮，指示負(fù)載工作正常；蓄電池對負(fù)載放電時端電壓會逐漸降低，當(dāng)端電壓降低到小于預(yù)先設(shè)定的過放電壓值時，動作斷開，正常指示燈熄滅。另一常閉觸點也斷開，切斷負(fù)載回路，避免蓄電池繼續(xù)過放電。

軟件設(shè)計中，綜合各功能模塊，進(jìn)行模塊化程序設(shè)計。首先調(diào)試初始化主程序，主要包括各功能端口的初始化，輸入口和輸出口的初始值。讀子程序，使之能正確讀入光敏電阻兩端的電壓值。然后要對數(shù)碼管顯示程序進(jìn)行調(diào)試，試光照方向和數(shù)值能按要求顯示。部分軟件流程圖如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)的優(yōu)缺性分析

現(xiàn)在市場上的液滴控制系統(tǒng)是使用AC220V電源供電，要經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓的過程才能給工作模塊供電。這一過程硬件較多、較重，且造成能源的消耗和浪費現(xiàn)象明顯偏大，最直接的影響是其使用范圍僅限于室內(nèi)有220V電源供電的場所，在室外急救的過程中或無220V電源供電的場所不能得到充分利用。同時，交流220V電壓還存在用電安全的問題。與之相比，新能源驅(qū)動下液滴智能控制系統(tǒng)具有以下主要特點：

（1）準(zhǔn)確放電，消除單純的電壓過放引起的不準(zhǔn)確控制。利用蓄電池的放電率特性修正控制點，消除單純電壓控制過放的不準(zhǔn)確性，獲得準(zhǔn)確的終了電壓。

（2）使用單片機(jī)和專用軟

件，實現(xiàn)智能控制。實現(xiàn)過充、過放、過載、過熱保護(hù)等流程全自動控制模式，保護(hù)硬件部件，不被燒壞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

（3）采用串聯(lián)式PWM充電回路，提高效率。系統(tǒng)中的充電回路的電壓損耗比常用二極管的充電電路降低近一半，充電效率能提高5%左右，可增加放電時長同時提升過放恢復(fù)的效果，具有高精度溫度補(bǔ)償，改善系統(tǒng)使用壽命。

（4）工業(yè)級、集成化的外觀和設(shè)計，突出體積小，功能強(qiáng)的優(yōu)點，如：直觀的LED發(fā)光管指示當(dāng)前電瓶狀態(tài)，讓用戶了解使用狀況；工業(yè)級芯片能在寒冷、高溫、潮濕環(huán)境運(yùn)行自如。利用Flash存儲器記錄實時工作狀態(tài)，以便檢測、保留數(shù)據(jù)等。

目前在一些發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)的智能液滴系統(tǒng)應(yīng)用，它的功能比較齊全，控制精度比較準(zhǔn)確，但大部分采用的還是傳統(tǒng)電源供電方式，而且價格也太昂貴。本系統(tǒng)中光伏控制的智能系統(tǒng)與普通工頻電源相比較，電氣控制的成本還要更高，所以也存在價格昂貴的缺陷。另一方面對后期設(shè)備維護(hù)人員的專用知識要求相對傳統(tǒng)供電模式而言，要求更高，需要了解光伏、電氣控制等綜合知識。

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試中，首先將太陽能電池板、控制器、蓄電池、負(fù)載等連接起來，由于主要強(qiáng)調(diào)能源的控制性能，所以在試驗中負(fù)載沒有直接連接液滴裝置，采用LED燈替代進(jìn)行測試，測試結(jié)果是太陽能控制器各指示等顯示正常工作，然后在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，負(fù)載正常工作。為了突出該系統(tǒng)的優(yōu)越性，實驗過程中我們另外加接了手機(jī)充電電路，即給負(fù)載供電的同時還能為手機(jī)充電，實現(xiàn)多應(yīng)用的功能。如圖5所示為實物連接，圖6所示為手機(jī)充電。

6 結(jié)束語

全球能源危機(jī)的可能出現(xiàn)和可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢，促使世界各國、各組織積極尋求以太陽能、風(fēng)能等可再生能源為替代能源產(chǎn)品的研究與應(yīng)用。近年來，許多國家加大投入，希望能讓光伏等新的發(fā)電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

現(xiàn)代化新能源技術(shù)與電子信息處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，可靠安全信息控制系統(tǒng)的好壞判斷，主要有兩個重要衡量指標(biāo)：一是有效性，一是可靠性。先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)理念更需要從以上兩個角度深入研究，文章中提出的新能源驅(qū)動下液滴智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，充分考慮有效性、可靠性以及環(huán)境問題等問題。極力將新能源技術(shù)與電子信息處理技術(shù)相結(jié)合，并落實到實際應(yīng)用產(chǎn)品中。這也是現(xiàn)代化智能技術(shù)在先進(jìn)、高效醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品中的應(yīng)用體現(xiàn)，符合當(dāng)前現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]閉金杰，羅曉曙，楊日星，等.基于AVR的太陽能控制器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（10）.

[2]黃海宏，黃長杰，王海欣.太陽能控制器設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006（5）.

[3]劉文剛，楊金明，王孝洪，等.基于單片機(jī)的新型太陽能控制器研究[J].微計算機(jī)信息，2008（32）.

[4]徐靜平，陳亮亮，程姝娜，等.Buck-Boost轉(zhuǎn)換器小信號建模與穩(wěn)定性分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報（Q然科學(xué)版），2009，37（6）：97-99.

作者簡介：孫小羊（1979，4-），男，江蘇泰州人，碩士，三江學(xué)院講師，主要研究方向：電子技術(shù)。