新能源驱动下液滴系统智能控制的设计与实现

摘 要：目前，中国经济迅速发展，人民生活水平大大提高，人们对医疗保健的重视程度愈来愈强，这样促进医院及家庭对先进的医疗设备需求快速增加，对产品功能要求越来越多，对产品的质量要求越来越好。文章针对先进医疗设备设计与实现理念，提出一种新能源驱动下液滴智能控制系统的实现方法，能够实现将光伏电池输出的直流电经过DC/DC变换后，不经过液滴控制系统的电源模块直接为其工作模块供电，则可以省去逆变和整流降压两个环节。而且光伏电池供给的直流低压电能无谐波、质量好。在光照充足时，液滴控制系统工作模块可以直接利用光伏电池输出的电能工作。

关键词：液滴系统；智能控制；设计

1 概述

石化能源的快速消耗，使得能源危机以及由此引发的环境问题正在愈来愈深刻的影响着全球经济和社会的可持续性发展。依靠太阳能、风能、水能等新能源解决当前和未来的能源问题，早已成为国际上倍受关注的研究热点。加之信息处理控制技术的不断发展，将新能源技术与电子信息处理技术完美结合并实际应用成为各国科技人员攻关的主方向。

2 系统总体设计与主要模块介绍

2.1 系统总体描述

智能液滴流速检测系统的整个电路分为以下几个部分：数控部分、液滴流速检测部分以及电源电路部分，原理框架图如图1所示。

如图1可知，由光伏电源电路提供直流电，供给单片机、显示电路、转换、报警等电路使用。利用传感器分别进行液滴流速检测，把测得的数据送入数据转换电路，测得的数据就会模拟量变为数字量，然后送入单片机处理，最后由显示电路显示出来，用键盘按键设置液位上限和下限，超过液位或流速的预定值实现自动报警功能，提醒工作人员及时进行处理。

2.1.1 核心问题实现

（1）符合光照要求时，光伏电池直接向液滴控制系统供电。

（2）解决不符合光照要求时，系统能源供给问题。

2.1.2 解决方案如下：采用有蓄电池的直流光伏发电系统

有蓄电池的直流光伏发电系统如图2所示。该系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池及直流负载（该项目中负载就是单片机、显示电路、转换、报警等电路）等组成。有阳光时，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。

2.2 主要模块介绍

本系统中主要器件控制器，它的性能直接影响电池的使用寿命和输出能量的稳定可靠性。在控制器的指挥下，何时为蓄电池充电，何时为蓄电池放电，都需要有一定的条件限制，这样可以有利用蓄电池不会过充电或过放电而影响性能。在整个环节中控制器有着十分重要的地位，控制器的存在就是为了能使负载和蓄电池正常工作。系统中太阳能给蓄电池充放电路如图3所示。

电路中采用双电压比较器LM393配合稳压管ZD1提供6.2V的基准电压做比较电压，再接入反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输入端，这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器，在双迟滞电压比较器的作用下可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。采用由RP1等器件组成的过充电压检测比较控制电路；采用由RP2等组成的过放电压检测比较控制电路，借助电位器RP1和RP2的调节设定过充、过放电压，以保护系统稳定可靠。可调三端稳压器LM317提供给LM393稳定的8V工作电压。被充电电池为12V65Ah全密封免维护铅酸蓄电池；太阳电池用一块40W硅太阳电池组件，在标准光照下输出17V、2.3A左右的直流工作电压和电流；D1是防反充二极管，防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。

3 系统软件设计简介

系统软件主要是控制充电、放电、保护、显示等功能，例如充电过程，当光照射的时，硅太阳电池组件产生的直流电流点亮指示灯，等待对蓄电池进行充电，电路开始工作后，过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于预先设定的电压值时，动作转换位置，硅太阳电池组件开始充电，蓄电池逐渐被充满，当其端电压大于预先设定的电压值时，指示灯发光，指示停止充电。

放电过程当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时，释放电压，相应指示灯点亮，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，动作断开，正常指示灯熄灭。另一常闭触点也断开，切断负载回路，避免蓄电池继续过放电。

软件设计中，综合各功能模块，进行模块化程序设计。首先调试初始化主程序，主要包括各功能端口的初始化，输入口和输出口的初始值。读子程序，使之能正确读入光敏电阻两端的电压值。然后要对数码管显示程序进行调试，试光照方向和数值能按要求显示。部分软件流程图如图4所示。

4 控制系统的优缺性分析

现在市场上的液滴控制系统是使用AC220V电源供电，要经过降压、整流、滤波、稳压的过程才能给工作模块供电。这一过程硬件较多、较重，且造成能源的消耗和浪费现象明显偏大，最直接的影响是其使用范围仅限于室内有220V电源供电的场所，在室外急救的过程中或无220V电源供电的场所不能得到充分利用。同时，交流220V电压还存在用电安全的问题。与之相比，新能源驱动下液滴智能控制系统具有以下主要特点：

（1）准确放电，消除单纯的电压过放引起的不准确控制。利用蓄电池的放电率特性修正控制点，消除单纯电压控制过放的不准确性，获得准确的终了电压。

（2）使用单片机和专用软

件，实现智能控制。实现过充、过放、过载、过热保护等流程全自动控制模式，保护硬件部件，不被烧坏，提高系统的稳定性、可靠性。

（3）采用串联式PWM充电回路，提高效率。系统中的充电回路的电压损耗比常用二极管的充电电路降低近一半，充电效率能提高5%左右，可增加放电时长同时提升过放恢复的效果，具有高精度温度补偿，改善系统使用寿命。

（4）工业级、集成化的外观和设计，突出体积小，功能强的优点，如：直观的LED发光管指示当前电瓶状态，让用户了解使用状况；工业级芯片能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。利用Flash存储器记录实时工作状态，以便检测、保留数据等。

目前在一些发达国家出现的智能液滴系统应用，它的功能比较齐全，控制精度比较准确，但大部分采用的还是传统电源供电方式，而且价格也太昂贵。本系统中光伏控制的智能系统与普通工频电源相比较，电气控制的成本还要更高，所以也存在价格昂贵的缺陷。另一方面对后期设备维护人员的专用知识要求相对传统供电模式而言，要求更高，需要了解光伏、电气控制等综合知识。

5 系统调试

系统调试中，首先将太阳能电池板、控制器、蓄电池、负载等连接起来，由于主要强调能源的控制性能，所以在试验中负载没有直接连接液滴装置，采用LED灯替代进行测试，测试结果是太阳能控制器各指示等显示正常工作，然后在正常的运行状态下，负载正常工作。为了突出该系统的优越性，实验过程中我们另外加接了手机充电电路，即给负载供电的同时还能为手机充电，实现多应用的功能。如图5所示为实物连接，图6所示为手机充电。

6 结束语

全球能源危机的可能出现和可持续发展的必然趋势，促使世界各国、各组织积极寻求以太阳能、风能等可再生能源为替代能源产品的研究与应用。近年来，许多国家加大投入，希望能让光伏等新的发电技术得到了广泛应用和发展。

现代化新能源技术与电子信息处理技术飞速发展的今天，可靠安全信息控制系统的好坏判断，主要有两个重要衡量指标：一是有效性，一是可靠性。先进医疗设备设计与实现理念更需要从以上两个角度深入研究，文章中提出的新能源驱动下液滴智能控制系统的实现方法，充分考虑有效性、可靠性以及环境问题等问题。极力将新能源技术与电子信息处理技术相结合，并落实到实际应用产品中。这也是现代化智能技术在先进、高效医疗设备产品中的应用体现，符合当前现代化的发展趋势。

参考文献

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作者简介：孙小羊（1979，4-），男，江苏泰州人，硕士，三江学院讲师，主要研究方向：电子技术。