一种基于光伏发电技术的电热防寒服的设计

2018-04-08丁攀郭伟焦腾谢奎汤池

中国医疗设备 2018年3期

丁攀，郭伟，焦腾，谢奎，汤池

1.第四军医大学生物医学工程学院，陕西西安 710032；2.解放军73096部队，江苏南京 210049

引言

我国高原、高寒地域辽阔，对于在寒冷等恶劣条件下长时间户外工作、生活的人来说，人体热量散失较快，仅靠被动防寒装备难以长时间保证机体正常运行。特别是长期驻守在高原、高寒地区的边防官兵和工作人员，经常需要进行长时间野外作业，加之御寒装备不足，导致体内热量大量散失，常常有冻伤情况发生，风湿、关节炎等慢性病发病率很高，严重影响作业能力和身体健康。

针对高原、高寒地区抗寒取暖难题，研制一种适用于野外环境下无源、便携、连续供热的防寒装置具有十分重要的意义。本文结合高原、高寒环境下日照充足的特点，提出了一种基于光伏发电技术与电热技术相结合的自发电防寒服的研究方案，该装备能够利用太阳能作为能源，通过储能电池储能[1]，给防寒服电热装置供能。该方案能够有效解决野外无电源条件下长时间连续供热的难题，适用于油田工人、道路工人、执勤巡警、站岗交警、极地科考人员等寒冷环境作业人员，特别是对提高边防官兵高寒环境下作业效能具有重要的实际意义和应用价值。

1　硬件设计和实现

系统硬件设计以轻便、易携、舒适、耐用原则为指导，系统主要由电池单元、发热单元和温控单元3部分组成[2]。电池单元由太阳能电池、充放电控制器和蓄能电池组成。发热单元由电热片组成。温控单元由电源电路、温度调节电路、MOSFET开关电路和温度采集电路组成。

系统总体性能需满足高原高寒条件下人们生活和工作的实际需求，主要性能指标包括：最低工作温度-40℃，连续工作时间不少于6 h，总重量不大于1 kg，使用寿命不少于5年。同时，该系统具有携带轻便、操作简单、穿戴舒适、发热均匀、保暖持久、安全耐用等特点。

该电热防寒服包括发热背心和外套两部分[3]。发热背心内层贴附柔性电热片，用于人体衣服内层供暖。柔性太阳能电池板贴附于外套外层，在光照良好的条件下给锂电池充电。柔性电热片和柔性太阳能电池板均可自由拆卸，便于防寒服水洗和携带。锂电池通过温度控制器为柔性电热片提供电能,温度控制器通过单片机的脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）功能和MOSFET开关电路实现功率控制和电路保护[4]，同时接收温度传感器反馈的实时温度，实现智能化温控。该电热防寒服可兼容12 V电源充电器，可在市电、发电机发电等条件下为锂电池充电，以备防寒服在阴雨天气、夜间等光照不足条件下使用。

1.1　电池单元设计

1.1.1太阳能电池

太阳能电池依材料不同可分为晶硅电池和非晶硅电池。晶硅电池包括单晶硅电池和多晶硅电池。单晶硅电池转换效率高，但单晶硅造价高，电池工艺繁琐。多晶硅太阳能电池所使用的硅材料远较单晶硅少，而且能够在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，但其重量大，柔韧性差，不适用于可穿戴设备[5-6]。非晶硅柔性薄膜太阳能电池拥有电压可调节、薄膜结构柔韧性好、良好的弱光发电特性等优点[7]，其质量轻、可弯曲度好、光电转换效率可高达20.4%[8]。考虑到可穿戴的技术需求，本系统采用非晶硅柔性薄膜电池作为太阳能电池材料，可设计并制作成可拆卸式太阳能外套，用于接收太阳能并给蓄能电池充电。

综合分析系统需求，本系统选用开路电压2 V、功率1.5 W的柔性太阳能电池板，每片面积不大于0.1 m2，尺寸可任意定制。太阳能电池板连接电路图见图1，采用6串2并的太阳能电池板连接方式[9]，尽可能提高光电转换效率，并在每串中增加防反充肖特基二极管。

图1　太阳能电池板连接电路图

1.1.2充放电控制器

充放电控制器主要用于太阳能电池板的充电控制和锂电池的放电控制。目前充放电控制技术比较成熟，市场上的太阳能控制器经过改装后即可满足功能要求，其实现的功能主要有：为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，为负载提供持续稳定的输出电压，太阳能组件反充保护，锂电池反接保护，过流保护，过压保护，过充保护，过放保护，过载保护，短路保护和电量指示等。

1.1.3储能电池

本系统中蓄能电池的要求有：体积小，重量轻，便于携带；工作电压12 V，容量不小于4000 mAh，能够提供足够的发热功率，连续供电时间不少于6 h；耐低温性强，能在-40℃严寒环境下工作。基于以上要求，本系统选用大容量聚合物锂电池。为拓展对外供电能力，锂电池上可增加5 V的USB接口、12 V直流电源输出口，可为手机、电脑、仪器等电子设备提供应急电源[10]。

1.2　发热单元设计

基于舒适性、安全性、发热效率等方面考虑，本系统选用柔性电热片作为发热材料，均匀贴附于背心内层，具有防水、可拆卸、安全方便等优点。选择电热片的基本要求有：每片发热功率不小于0.5 W，温度控制均匀，升温速度快；每片面积不大于0.1 m2，可按需求采用串并联方式贴制于背心上；柔韧性好，可弯曲折叠，不易断裂；绝缘性好，可水洗；稳定性好，寿命长；工作温度范围大，能在-40℃严寒环境下工作。

1.3　温控单元设计

温度控制器是一种常用的自动化控温设备，根据不同功能已广泛应用于医疗、工业、生活服务等许多领域[11]。基于系统的特殊功能需求，本系统采用IAP15W4K58S4单片机作为微处理器，设计开发系统专用温度控制器。该单片机具有可靠性高、功耗低、抗干扰能力强等优点，不需外部晶振和外部复位，工作频率范围宽，带有高精度PWM功能。该单片机采用LQFP44形式封装，根据电路设计需求，选用P0.5、P1.3、P1.4、P1.5和P3.5作为I/O口，选用P2.3作为脉宽调制输出口。温度控制器结构框图见图2，温度控制器通过温度传感器反馈的实时温度来控制MOSFET开关电路的通断，通过单片机输出不同占空比的PWM信号来实现精确控温。

图2　温度控制器结构框图

该温度控制器主要包括电源电路、温度调节电路、MOSFET开关电路和温度采集电路4部分，其结构简单，安全稳定，控温精确。

1.3.1电源电路设计

采用LM2576S-5.0开关型降压稳压器设计输出为+5 V的稳压电源电路[12]。LM2576S-5.0稳压器是单片集成电路，能够很大程度上简化外围电路设计，具有热关断和电流限制保护功能。该稳压器效率高，功耗小，一般不需外加散热片，能够满足本系统的设计需求。系统电源电路设计见图3，C1为输入电容，防止输入端瞬间电压过大。C3为输出电容，降低输出端震荡，提高电路的稳定性。D4为肖特基二极管，其正向压降低、开关速度快、反向恢复时间短。L1为储能电感，抑制高频干扰。C2、C4为滤波电容。

图3　电源电路

1.3.2温度调节电路设计

采用1个独立按键选择温度档位，1个三色发光二极管指示当前温度，设计小巧，操作简单，不容易发生误操作。第一次按键，选择低温档位，黄灯亮；第二次按键，选择中温档位，绿灯亮；第三次按键，选择高温档位，红灯亮；第四次按键回到低温档位。温度调节电路见图4。单片机P0.5为按键输入，用软件延时来消除按键抖动[13-14]，P1.3、P1.4和P1.5控制三色发光二极管。

图4　温度调节电路

1.3.3MOSFET开关电路设计

因单片机输出的PWM信号频率比较高，MOSFET管开关频率高适合进行功率控制[15]。MOSFET开关电路见图5，采用N沟道增强型MOSFET管Q2控制通断，三极管Q1驱动，保险丝F1短路保护。单片机I/O口P2.3提供PWM控制信号。

图5　MOSFET开关电路

1.3.4温度采集电路设计

温度采集电路的设计选用数字温度传感器DS18B20[16]。DS18B20内部主要由温度传感器、配置寄存器、64位ROM和高低报警触发器等部件构成[17]。该数字温度传感器采用单总线协议，不需A/D转换，能够直接将温度信号转化为数字信号，其温度测量范围为-55℃～+125℃[18]。该温度传感器功耗低、精度高、体积小、电路设计简单，能够满足系统的实际需求。温度采集电路设计见图6，DS18B20的数字信号输入/输出端DQ与单片机I/O口P3.5相连，传感器测得的数据输出为数字信号，通过“一线总线”串行的方式将其传送到单片机[19]。上拉电阻R11的作用是提高电平的稳定性。DS18B20硬件电路比较简单，还需通过软件编程的方式进行初始化、总线读取和总线写入，整个过程必须严格按照DS18B20的读写时序来操作，这样才能够准确读取实时温度。

图6　温度采集电路

2　软件设计与实现

2.1　温度读取

测温软件设计的重点是DS18B20温度传感器测温数据的读取，主要有以下4个步骤：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和数据处理[20]。温度读取软件流程图见图7，DS18B20在每一次通信之前都需要进行初始化，初始化的时间、等待时间和回应时间必须严格按照时序编程。单片机检测DS18B20连接正常后发送ROM操作指令，随后单片机依次执行写暂存存储器、读暂存存储器和温度转换命令，而后DS18B20保持等待状态。若温度转换完成，则总线输出1，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器。单片机将数据进行数学转换后便可得到所测的实际温度。另外，由于该系统是在寒冷气候条件下工作，还需要判断温度的正负。

2.2　温度控制

根据功能设计要求，应用单片机的PWM输出控制功能和温度传感器进行温控设计。本设计通过改变PWM输出波形占空比实现3个温度档位调节。首先需确定PWM的周期T，然后用定时器T0产生一个中断时间间隔t，定时器T0溢出n次的时间是PWM的高电平的时间，D为占空比，则：

设定周期T为1 ms的PWM，设置中断时间间隔t为0.01 ms，中断100次即为1 ms。在中断子程序内，设置变量s，当s≥100时，s清零；当s＞n时（0＜n＜100），单片机P2.3输出高电平；当s＜n时，单片机P2.3输出低电平，此时占空比为n%。

图7　温度读取软件流程图

温度控制软件流程图见图8。设置计数器I标记按键状态。选择低温档位时，输出占空比为10%，温度控制在40℃左右；选择中温档位时，输出占空比为20%，温度控制在45℃左右；选择高温档位时，输出占空比为30%，温度控制在50℃左右。控温浮动范围±1℃。

图8　温度控制软件流程图

3　讨论

在寒冷环境下，只要光照充足，单纯的低温环境对太阳能电池的光电转换效率影响不大，太阳能电池组件在低温环境下能够正常工作。考虑到锂电池在低温环境下性能会降低，放电时间会缩短，放电量会减少[21]，可在发热背心内层设置存放锂电池的口袋，利用人体温度为锂电池提供正常的工作环境。另外，也可为锂电池外加一种抗低温外壳[22]，确保其在低温环境下能够正常充放电。本文设计的电热防寒服能够满足实际需求，其主要技术指标见表1。

表1　系统主要技术指标

4　结论

针对高原、高寒地区抗寒取暖难题，本文利用高原地区光照充足的特点设计出了一种基于光伏发电的电热防寒服。该电热防寒服能够充分利用太阳能持续供暖，可实现实时智能温度控制，具有使用简单、穿戴方便、稳定可靠、实用性强的特点。本系统有望为高原高寒地区野外长时间作业人员抗寒取暖提供一种新装备，具有良好的应用前景和实际意义。

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