新能源驅(qū)動(dòng)下液滴系統(tǒng)智能控制的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)理念，提出一種新能源驅(qū)動(dòng)下液滴智能控制系統(tǒng)的實(shí)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(gè)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(shí)，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(jì)

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(huì)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(diǎn)。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(shí)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(jì)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(gè)電路分為以下幾個(gè)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(bào)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(huì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，提醒工作人員及時(shí)進(jìn)行處理。

2.1.1 核心問題實(shí)現(xiàn)

（1）符合光照要求時(shí)，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(shí)，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(xiàng)目中負(fù)載就是單片機(jī)、顯示電路、轉(zhuǎn)換、報(bào)警等電路）等組成。有陽光時(shí)，太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)載使用，并同時(shí)向蓄電池存儲(chǔ)電能。夜間或陰雨天時(shí)，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(shí)為蓄電池充電，何時(shí)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(huì)過充電或過放電而影響性能。在整個(gè)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(hào)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(diǎn)附近不會(huì)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。可調(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(shí)成為耗電器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)，硅太陽電池組件產(chǎn)生的直流電流點(diǎn)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(shí)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(shí)，動(dòng)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(shí)，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(shí)，釋放電壓，相應(yīng)指示燈點(diǎn)亮，指示負(fù)載工作正常；蓄電池對負(fù)載放電時(shí)端電壓會(huì)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(shí)，動(dòng)作斷開，正常指示燈熄滅。另一常閉觸點(diǎn)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(jì)中，綜合各功能模塊，進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)。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(fèi)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(shí)，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(dòng)下液滴智能控制系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：

（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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)智能控制。實(shí)現(xiàn)過充、過放、過載、過熱保護(hù)等流程全自動(dòng)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(shí)長同時(shí)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(jì)，突出體積小，功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)器記錄實(shí)時(shí)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(jià)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(jià)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(shí)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(shí)。

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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)還能為手機(jī)充電，實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用的功能。如圖5所示為實(shí)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(gè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)理念更需要從以上兩個(gè)角度深入研究，文章中提出的新能源驅(qū)動(dòng)下液滴智能控制系統(tǒng)的實(shí)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(shí)到實(shí)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。

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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)。