四川多功能救灾帐篷的设计 - 重庆天翔伞业有限公司

多功能救灾帐篷的设计
设计出一款多功能的四川救灾帐篷。应用自动控制技术,光电技术和电气技术。通过太阳能电池发电,满足帐篷内的照明；用负离子发生器来清新空气。解决灾民供水、供电问题，使灾民在帐篷里可以过着安全舒适的生活。

目前全球难民和流离失所人数已超过6000万。为了可以快速解决难民的居住条件，设计一个多功能救灾帐篷。主要分为两部分：一是设计太阳能蓄电池发电系统，为帐篷提供一个稳定和方便的节能电源。二是设计以负离子发生器为基础的空气净化装置。难民营里集中了特别多的人，垃圾遍地，公共卫生管理极度混乱，危害着人的身体健康。空气净化系统，主要由负离子器和活性炭组成，使用者可以呼吸到清新空气。
1 总体设计
多功能帐篷主要分为2个系统。首先，蓄电池充电控制器采用STC80C51单片机为核心，如图1所示。充电电路主要由DC/CD变换电路组成，采用Buck电路作为变换电路,通过采样电路采集太阳能蓄电池的端电压和电流，把采集信号送到单片机进行模数转换，根据采集数据充电控制器输出PWN脉宽调制控制信号，此信号通过功率放大，实现电压调整。控制器同时也要检测蓄电池的端电压和充电电流，以此来判段蓄电池当前的电量,从而防止过充或过放。其次，空气净化器主要由负离子发生器和活性炭组成。负离子发生器是将输入的电信号经EMI处理及保护电路处理后，转换后将直流负电压释放到载体的尖端，通过尖端放电原理，利用尖端直流高压产生高电晕，进而释放出大量电子(e-)[2]。然后在净化器中的电机带动风扇高速旋转，使得净化器的内部与外部形成气压差，使的外部空气迅速进入到净化器内部。由于负离子电子固有的特性，它会主动结合空气中的灰尘、PM2.5颗粒、细菌等极小的颗粒，结合后会使得结合物的质量升高，在重力的作用下沉降。之后在排除空气的过程中，利用压力差将空气通过活性炭，活性炭可以有效的去除空气中的异味和病菌，达到空气的二次净化，正是基于这一特性，来达到空气净化、消毒杀菌的目的。

图1 总体设计方案

2 硬件设计
首先，太阳能板将吸收到的电能通过DC/CD变换电路，将太阳能的光电信号通过成电能储存到蓄电池中。与此同时蓄电池的电压检测开始工作，将光电信号通过MSP430F1611模数转换模块，来控制蓄电池中的蓄电池的电压高低。通过STC80C51单片机来控制负离子发生器和LED照明系统和支持USB充电。

图2 部分电压检测及控制电路

图3 主程序设计流程图

蓄电池电压检测电路主要是采集蓄电池的端电压信号，选择蓄电池的负极作为整个检测电路的零电位点，如图2所示。由于蓄电池充满时的电压为12V，即蓄电池最大输出电压为12.8V，因此利用2个固定电阻R1和R2分压，并通过可变电阻进行调节，可以使加在运算放大器同相输入端的电压稳定在12.8V以下，完全满足要求。通过PCI口读入实时电压数据，通过内部模数转换器转换为数字信号，然后经过控制器的分析，从而判断蓄电池当前的电量状态。蓄电池从二极管DD6的阳极接入，DD6为防电源反接的回路设计。Q3、R16、DW2为一级降压电路，将蓄电池的电压钳位在9.4V左右。DW2为10V稳压管，当蓄电池电压高于10V时，

图4 蓄电池子程序流程图

通过Q3降压到9.4V。再通过R17二级降压，然后用Q3将电压输出为5V。R25、R26和二极管DD8将测电压电池板的电压值。R12、R13、R14、R15、DW1、Q2、T1为控制电路负载开光电路。首先用单片机控制负载通断，再用MOS管在开启状态下DS压降。最后当负载短路时，硬件关闭，保护电路。在控制净化器中，51单片机的P1.2、P1.3、P1.4口，分别连接中间继电器，在由中间继电器连接负离子发生器，来保证空气净化器的运行稳定，然后在用两个IO口连接风扇。最后在P3口上连接按键用来控制电压检测电路的和负离子发生器的控制。
3 软件设计
采用C语言编写软件程序，图3为主程序设计流程图，图4为蓄电池子程序流程图。其中选用PWN脉宽调制充电法，PWN脉宽调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后让电池停止充电一段时间，如此循环往复，这种PWN脉宽调制充电方式使蓄电池有充分的反应时间，提高了蓄电池充电效率[3，4]。对于太阳能光伏发电系统中的蓄电池来说，在光照较强的白天，若蓄电池发生过充，充电控制器会根据蓄电池的电压来控制太阳能极板与蓄电池的通断占空比，并保持一段时间激活蓄电池，最后降到浮充电压并保持,若未发生过充，就无需提升充电电压，以免蓄电池失水，这些自动控制过程将使蓄电池达到最佳充电效果。软件设计中，在太阳能电池的子程序中探测是否有阳光进入，然后询问蓄电池电压是否欠压，如果欠压那么检测电池板是否打开，如果打开保持充电状态同时红色指示灯亮起，并且需要关闭外接负载。如果蓄电池过压，直接关闭太阳能电池板，那么停止充电绿灯亮起，此时可以向外接负载输出电压。在负离子发生器的子程序中，首先检测按键是否打开，如果为1负离子发生器开始工作，同时风扇电机按键制为1，电机风扇延时20秒打开工作。然后继续检测按键，关闭按键是否为0，如果为0，此时负离子发生器模块和风扇同时停止工作。
4 结论
多功能救灾帐篷设计是以STC80C51为核心，主要包含了供电和净化空气两部分。设计出的蓄电池充放电控制器完全满足实用的要求，使蓄电池不会发生电压过高或者过低，也不会发生过充或过放。可以安全保护蓄电池的使用，延长蓄电池的使用寿命。与此同时，单片机控制的另一个空气净化系统，可以使空气中的PM2.5、灰尘、有毒有害的气体，吸附在活性炭上，或者落在地上清除掉。通过对程序的优化设计，可以使两个系统稳定安全的运行。经过实践证明，可以将此设计推广至多种应用场合。