丁攀，郭偉，焦騰，謝奎，湯池

1.第四軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710032；2.解放軍73096部隊(duì)，江蘇 南京 210049

引言

我國高原、高寒地域遼闊，對(duì)于在寒冷等惡劣條件下長時(shí)間戶外工作、生活的人來說，人體熱量散失較快，僅靠被動(dòng)防寒裝備難以長時(shí)間保證機(jī)體正常運(yùn)行。特別是長期駐守在高原、高寒地區(qū)的邊防官兵和工作人員，經(jīng)常需要進(jìn)行長時(shí)間野外作業(yè)，加之御寒裝備不足，導(dǎo)致體內(nèi)熱量大量散失，常常有凍傷情況發(fā)生，風(fēng)濕、關(guān)節(jié)炎等慢性病發(fā)病率很高，嚴(yán)重影響作業(yè)能力和身體健康。

針對(duì)高原、高寒地區(qū)抗寒取暖難題，研制一種適用于野外環(huán)境下無源、便攜、連續(xù)供熱的防寒裝置具有十分重要的意義。本文結(jié)合高原、高寒環(huán)境下日照充足的特點(diǎn)，提出了一種基于光伏發(fā)電技術(shù)與電熱技術(shù)相結(jié)合的自發(fā)電防寒服的研究方案，該裝備能夠利用太陽能作為能源，通過儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能[1]，給防寒服電熱裝置供能。該方案能夠有效解決野外無電源條件下長時(shí)間連續(xù)供熱的難題，適用于油田工人、道路工人、執(zhí)勤巡警、站崗交警、極地科考人員等寒冷環(huán)境作業(yè)人員，特別是對(duì)提高邊防官兵高寒環(huán)境下作業(yè)效能具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1　硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以輕便、易攜、舒適、耐用原則為指導(dǎo)，系統(tǒng)主要由電池單元、發(fā)熱單元和溫控單元3部分組成[2]。電池單元由太陽能電池、充放電控制器和蓄能電池組成。發(fā)熱單元由電熱片組成。溫控單元由電源電路、溫度調(diào)節(jié)電路、MOSFET開關(guān)電路和溫度采集電路組成。

系統(tǒng)總體性能需滿足高原高寒條件下人們生活和工作的實(shí)際需求，主要性能指標(biāo)包括：最低工作溫度-40℃，連續(xù)工作時(shí)間不少于6 h，總重量不大于1 kg，使用壽命不少于5年。同時(shí)，該系統(tǒng)具有攜帶輕便、操作簡單、穿戴舒適、發(fā)熱均勻、保暖持久、安全耐用等特點(diǎn)。

該電熱防寒服包括發(fā)熱背心和外套兩部分[3]。發(fā)熱背心內(nèi)層貼附柔性電熱片，用于人體衣服內(nèi)層供暖。柔性太陽能電池板貼附于外套外層，在光照良好的條件下給鋰電池充電。柔性電熱片和柔性太陽能電池板均可自由拆卸，便于防寒服水洗和攜帶。鋰電池通過溫度控制器為柔性電熱片提供電能,溫度控制器通過單片機(jī)的脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）功能和MOSFET開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)功率控制和電路保護(hù)[4]，同時(shí)接收溫度傳感器反饋的實(shí)時(shí)溫度，實(shí)現(xiàn)智能化溫控。該電熱防寒服可兼容12 V電源充電器，可在市電、發(fā)電機(jī)發(fā)電等條件下為鋰電池充電，以備防寒服在陰雨天氣、夜間等光照不足條件下使用。

1.1　電池單元設(shè)計(jì)

1.1.1太陽能電池

太陽能電池依材料不同可分為晶硅電池和非晶硅電池。晶硅電池包括單晶硅電池和多晶硅電池。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率高，但單晶硅造價(jià)高，電池工藝繁瑣。多晶硅太陽能電池所使用的硅材料遠(yuǎn)較單晶硅少，而且能夠在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，但其重量大，柔韌性差，不適用于可穿戴設(shè)備[5-6]。非晶硅柔性薄膜太陽能電池?fù)碛须妷嚎烧{(diào)節(jié)、薄膜結(jié)構(gòu)柔韌性好、良好的弱光發(fā)電特性等優(yōu)點(diǎn)[7]，其質(zhì)量輕、可彎曲度好、光電轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)20.4%[8]?？紤]到可穿戴的技術(shù)需求，本系統(tǒng)采用非晶硅柔性薄膜電池作為太陽能電池材料，可設(shè)計(jì)并制作成可拆卸式太陽能外套，用于接收太陽能并給蓄能電池充電。

綜合分析系統(tǒng)需求，本系統(tǒng)選用開路電壓2 V、功率1.5 W的柔性太陽能電池板，每片面積不大于0.1 m2，尺寸可任意定制。太陽能電池板連接電路圖見圖1，采用6串2并的太陽能電池板連接方式[9]，盡可能提高光電轉(zhuǎn)換效率，并在每串中增加防反充肖特基二極管。

圖1　太陽能電池板連接電路圖

1.1.2充放電控制器

充放電控制器主要用于太陽能電池板的充電控制和鋰電池的放電控制。目前充放電控制技術(shù)比較成熟，市場上的太陽能控制器經(jīng)過改裝后即可滿足功能要求，其實(shí)現(xiàn)的功能主要有：為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，為負(fù)載提供持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓，太陽能組件反充保護(hù)，鋰電池反接保護(hù)，過流保護(hù)，過壓保護(hù)，過充保護(hù)，過放保護(hù)，過載保護(hù)，短路保護(hù)和電量指示等。

1.1.3儲(chǔ)能電池

本系統(tǒng)中蓄能電池的要求有：體積小，重量輕，便于攜帶；工作電壓12 V，容量不小于4000 mAh，能夠提供足夠的發(fā)熱功率，連續(xù)供電時(shí)間不少于6 h；耐低溫性強(qiáng)，能在-40℃嚴(yán)寒環(huán)境下工作。基于以上要求，本系統(tǒng)選用大容量聚合物鋰電池。為拓展對(duì)外供電能力，鋰電池上可增加5 V的USB接口、12 V直流電源輸出口，可為手機(jī)、電腦、儀器等電子設(shè)備提供應(yīng)急電源[10]。

1.2　發(fā)熱單元設(shè)計(jì)

基于舒適性、安全性、發(fā)熱效率等方面考慮，本系統(tǒng)選用柔性電熱片作為發(fā)熱材料，均勻貼附于背心內(nèi)層，具有防水、可拆卸、安全方便等優(yōu)點(diǎn)。選擇電熱片的基本要求有：每片發(fā)熱功率不小于0.5 W，溫度控制均勻，升溫速度快；每片面積不大于0.1 m2，可按需求采用串并聯(lián)方式貼制于背心上；柔韌性好，可彎曲折疊，不易斷裂；絕緣性好，可水洗；穩(wěn)定性好，壽命長；工作溫度范圍大，能在-40℃嚴(yán)寒環(huán)境下工作。

1.3　溫控單元設(shè)計(jì)

溫度控制器是一種常用的自動(dòng)化控溫設(shè)備，根據(jù)不同功能已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、生活服務(wù)等許多領(lǐng)域[11]?；谙到y(tǒng)的特殊功能需求，本系統(tǒng)采用IAP15W4K58S4單片機(jī)作為微處理器，設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)專用溫度控制器。該單片機(jī)具有可靠性高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不需外部晶振和外部復(fù)位，工作頻率范圍寬，帶有高精度PWM功能。該單片機(jī)采用LQFP44形式封裝，根據(jù)電路設(shè)計(jì)需求，選用P0.5、P1.3、P1.4、P1.5和P3.5作為I/O口，選用P2.3作為脈寬調(diào)制輸出口。溫度控制器結(jié)構(gòu)框圖見圖2，溫度控制器通過溫度傳感器反饋的實(shí)時(shí)溫度來控制MOSFET開關(guān)電路的通斷，通過單片機(jī)輸出不同占空比的PWM信號(hào)來實(shí)現(xiàn)精確控溫。

圖2　溫度控制器結(jié)構(gòu)框圖

該溫度控制器主要包括電源電路、溫度調(diào)節(jié)電路、MOSFET開關(guān)電路和溫度采集電路4部分，其結(jié)構(gòu)簡單，安全穩(wěn)定，控溫精確。

1.3.1電源電路設(shè)計(jì)

采用LM2576S-5.0開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)輸出為+5 V的穩(wěn)壓電源電路[12]。LM2576S-5.0穩(wěn)壓器是單片集成電路，能夠很大程度上簡化外圍電路設(shè)計(jì)，具有熱關(guān)斷和電流限制保護(hù)功能。該穩(wěn)壓器效率高，功耗小，一般不需外加散熱片，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)見圖3，C1為輸入電容，防止輸入端瞬間電壓過大。C3為輸出電容，降低輸出端震蕩，提高電路的穩(wěn)定性。D4為肖特基二極管，其正向壓降低、開關(guān)速度快、反向恢復(fù)時(shí)間短。L1為儲(chǔ)能電感，抑制高頻干擾。C2、C4為濾波電容。

圖3　電源電路

1.3.2溫度調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

采用1個(gè)獨(dú)立按鍵選擇溫度檔位，1個(gè)三色發(fā)光二極管指示當(dāng)前溫度，設(shè)計(jì)小巧，操作簡單，不容易發(fā)生誤操作。第一次按鍵，選擇低溫檔位，黃燈亮；第二次按鍵，選擇中溫檔位，綠燈亮；第三次按鍵，選擇高溫檔位，紅燈亮；第四次按鍵回到低溫檔位。溫度調(diào)節(jié)電路見圖4。單片機(jī)P0.5為按鍵輸入，用軟件延時(shí)來消除按鍵抖動(dòng)[13-14]，P1.3、P1.4和P1.5控制三色發(fā)光二極管。

圖4　溫度調(diào)節(jié)電路

1.3.3MOSFET開關(guān)電路設(shè)計(jì)

因單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)頻率比較高，MOSFET管開關(guān)頻率高適合進(jìn)行功率控制[15]。MOSFET開關(guān)電路見圖5，采用N溝道增強(qiáng)型MOSFET管Q2控制通斷，三極管Q1驅(qū)動(dòng)，保險(xiǎn)絲F1短路保護(hù)。單片機(jī)I/O口P2.3提供PWM控制信號(hào)。

圖5　MOSFET開關(guān)電路

1.3.4溫度采集電路設(shè)計(jì)

溫度采集電路的設(shè)計(jì)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20[16]。DS18B20內(nèi)部主要由溫度傳感器、配置寄存器、64位ROM和高低報(bào)警觸發(fā)器等部件構(gòu)成[17]。該數(shù)字溫度傳感器采用單總線協(xié)議，不需A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，其溫度測量范圍為-55℃～+125℃[18]。該溫度傳感器功耗低、精度高、體積小、電路設(shè)計(jì)簡單，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求。溫度采集電路設(shè)計(jì)見圖6，DS18B20的數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端DQ與單片機(jī)I/O口P3.5相連，傳感器測得的數(shù)據(jù)輸出為數(shù)字信號(hào)，通過“一線總線”串行的方式將其傳送到單片機(jī)[19]。上拉電阻R11的作用是提高電平的穩(wěn)定性。DS18B20硬件電路比較簡單，還需通過軟件編程的方式進(jìn)行初始化、總線讀取和總線寫入，整個(gè)過程必須嚴(yán)格按照DS18B20的讀寫時(shí)序來操作，這樣才能夠準(zhǔn)確讀取實(shí)時(shí)溫度。

圖6　溫度采集電路

2　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1　溫度讀取

測溫軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是DS18B20溫度傳感器測溫?cái)?shù)據(jù)的讀取，主要有以下4個(gè)步驟：初始化、ROM操作命令、存儲(chǔ)器操作命令和數(shù)據(jù)處理[20]。溫度讀取軟件流程圖見圖7，DS18B20在每一次通信之前都需要進(jìn)行初始化，初始化的時(shí)間、等待時(shí)間和回應(yīng)時(shí)間必須嚴(yán)格按照時(shí)序編程。單片機(jī)檢測DS18B20連接正常后發(fā)送ROM操作指令，隨后單片機(jī)依次執(zhí)行寫暫存存儲(chǔ)器、讀暫存存儲(chǔ)器和溫度轉(zhuǎn)換命令，而后DS18B20保持等待狀態(tài)。若溫度轉(zhuǎn)換完成，則總線輸出1，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器。單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換后便可得到所測的實(shí)際溫度。另外，由于該系統(tǒng)是在寒冷氣候條件下工作，還需要判斷溫度的正負(fù)。

2.2　溫度控制

根據(jù)功能設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用單片機(jī)的PWM輸出控制功能和溫度傳感器進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過改變PWM輸出波形占空比實(shí)現(xiàn)3個(gè)溫度檔位調(diào)節(jié)。首先需確定PWM的周期T，然后用定時(shí)器T0產(chǎn)生一個(gè)中斷時(shí)間間隔t，定時(shí)器T0溢出n次的時(shí)間是PWM的高電平的時(shí)間，D為占空比，則：

設(shè)定周期T為1 ms的PWM，設(shè)置中斷時(shí)間間隔t為0.01 ms，中斷100次即為1 ms。在中斷子程序內(nèi)，設(shè)置變量s，當(dāng)s≥100時(shí)，s清零；當(dāng)s＞n時(shí)（0＜n＜100），單片機(jī)P2.3輸出高電平；當(dāng)s＜n時(shí)，單片機(jī)P2.3輸出低電平，此時(shí)占空比為n%。

圖7　溫度讀取軟件流程圖

溫度控制軟件流程圖見圖8。設(shè)置計(jì)數(shù)器I標(biāo)記按鍵狀態(tài)。選擇低溫檔位時(shí)，輸出占空比為10%，溫度控制在40℃左右；選擇中溫檔位時(shí)，輸出占空比為20%，溫度控制在45℃左右；選擇高溫檔位時(shí)，輸出占空比為30%，溫度控制在50℃左右?？販馗?dòng)范圍±1℃。

圖8　溫度控制軟件流程圖

3　討論

在寒冷環(huán)境下，只要光照充足，單純的低溫環(huán)境對(duì)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率影響不大，太陽能電池組件在低溫環(huán)境下能夠正常工作。考慮到鋰電池在低溫環(huán)境下性能會(huì)降低，放電時(shí)間會(huì)縮短，放電量會(huì)減少[21]，可在發(fā)熱背心內(nèi)層設(shè)置存放鋰電池的口袋，利用人體溫度為鋰電池提供正常的工作環(huán)境。另外，也可為鋰電池外加一種抗低溫外殼[22]，確保其在低溫環(huán)境下能夠正常充放電。本文設(shè)計(jì)的電熱防寒服能夠滿足實(shí)際需求，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

4　結(jié)論

針對(duì)高原、高寒地區(qū)抗寒取暖難題，本文利用高原地區(qū)光照充足的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了一種基于光伏發(fā)電的電熱防寒服。該電熱防寒服能夠充分利用太陽能持續(xù)供暖，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能溫度控制，具有使用簡單、穿戴方便、穩(wěn)定可靠、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)有望為高原高寒地區(qū)野外長時(shí)間作業(yè)人員抗寒取暖提供一種新裝備，具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。

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