一种太阳能供电的智能水体增氧系统的制作方法

本实用新型属于水体增氧设备结构改进技术领域，尤其是一种太阳能供电的智能水体增氧系统。

背景技术：

当池塘水体缺氧时，需要对其进行增氧操作，包括化学增氧、机械增氧、生物增氧等几种方式，其中化学增氧是向养殖水体中投放一些化学制剂，其遇水后发生化学变化而释放出氧气，该方法使用量大、人工高，使用不当易造成危害；生物增氧是在宜栽植水草的养殖水体内种植适量的水草或认为增加水体中的浮游植物量，由其光合作用实现增氧，该方法管理不当易出现水草疯长，影响光照度，水体恶化的问题；机械增氧包括水泵循环增氧以及使用增氧机进行增氧，后者经常使用，即采用悬浮、固定等方式将增氧机定位与养殖水体上，按照一定面积安装多台，利用机械的方式使养殖水体运动，表层水和底层水进行对流使水体增氧。近几年，通过技术的不断改造，普通的增氧机正逐渐被耕水机替代，耕水机利用流体的特性，以及低能耗的输入驱动水产生大范围的运动和循环，表层水向四周流动和扩散，底层水不断的提升补充，形成了涌升流，整个水域呈现流动、稳定、平衡的态势。

上述耕水机的动力源为电力，但由于池塘的地理位置不同，有些地方配电较为困难，所以一些厂家开发出太阳能供电的耕水机系统，但这些产品，太阳能电池充放电控制不好，检测手段单一，无法形成自动化程度高，自动判断启动或关闭的智能系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供定时检测水体状态、提高太阳能电池效率、充放电和负载驱动均为自动控制的一种太阳能供电的智能水体增氧系统。

本实用新型采取的技术方案是：

一种太阳能供电的智能水体增氧系统，包括耕水机、太阳能电池组和蓄电池组，其特征在于：所述太阳能电池组的输出端连接最大功率点跟踪控制单元的一端，最大功率点跟踪控制单元的另一端连接充放电控制单元的一端，充放电控制单元的另两端分别连接蓄电池组和逆变器单元的一端，逆变器单元的另一端连接所述耕水机的供电端，该耕水机的控制端连接中央控制单元的输入输出接口，该中央控制单元的输入输出接口还分别连接用于检测太阳能电池组输出电压的太阳能电池组电压检测单元、用于检测蓄电池组输出电压的蓄电池组电压检测单元、用于检测太阳能电池组及蓄电池组电流的太阳能电池组及蓄电池组电流检测单元。

而且，所述耕水机的供电端还连接一备用电单元所述逆变器单元和备用电单元均设置一直流供电端。

而且，所述传感器单元包括设置在水体内的溶解氧传感器模块和温度传感器模块。。

而且，所述中央控制单元的输入输出接口还连接一显示单元。

而且，所述逆变器单元包括依次连接的滤波模块、推挽升压变换模块、单相全桥逆变模块和低通滤波模块，滤波模块为输入端，低通滤波模块为输出端。

而且，所述充放电控制单元以铅酸蓄电池充电专用芯片UC3906为核心。

而且，所述太阳能电池组电压检测单元和蓄电池组电压检测单元均使用并联电阻的分压法检测输出电压，每个单元中的分压电阻均通过一电压跟随器和滤波电容连接中央控制单元的输入输出接口。

而且，太阳能电池组及蓄电池组电流检测单元以线性电流传感器ACS712为核心。

而且，所述中央控制单元通过一驱动切换单元分别连接耕水机的控制端和备用电单元，驱动切换单元包括驱动模块和切换模块，驱动模块以MOSFET驱动芯片TC4422为核心，切换模块包括光电耦合器、三极管、继电器和续流二极管，三个光电耦合器将中央控制单元输出的三个控制信号进行耦合处理，然后经过三极管、续流二极管后分别连接三个继电器的三个线圈，该三个继电器实现太阳能电池组、蓄电池组和备用电单元的供电切换。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型中，逆变器单元主要由推挽升压变换模块和单相全桥逆变模块构成，二者的组合使系统输出的交流电压质量更好，对太阳能电池组和蓄电池组的电压和电流进行时时监控，避免过放和过充，提高使用寿命，并且系统具有太阳能电池组、蓄电池组和备用电三种供电方式，使用方便且灵活，适应复杂的环境中使用，另外，太阳能电池组采用最大功率点跟踪控制单元进行控制，并具体使用电导增量法算法，提高了控制精度，通过溶解氧传感器和温度传感器进行水体检测并自动启动或关闭耕水机，综上所述，本实用新型是一种定时检测水体状态、提高太阳能电池效率、充放电和负载驱动均为自动控制的智能系统。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的逆变器单元的原理图；

图3是图1的传感器单元中的溶解氧传感器模块的原理图；

图4是图1的传感器单元中的温度传感器模块的原理图；

图5是图1的太阳能电池组电压检测单元和蓄电池组电压检测单元的原理图；

图6是图1的太阳能电池组及蓄电池组电流检测单元的原理图；

图7是图1的充放电控制单元的原理图；

图8是图1的驱动切换单元中的驱动模块的原理图；

图9是图1的驱动切换单元中的切换模块的原理图；

图10是图1的直流供电端连接的12V稳压模块的原理图；

图11是图1的直流供电端连接的5V稳压模块的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本实用新型的保护范围。

一种太阳能供电的智能水体增氧系统，如图1～11所示，包括耕水机、太阳能电池组和蓄电池组，本实用新型的创新在于：所述太阳能电池组的输出端连接最大功率点跟踪控制单元的一端，最大功率点跟踪控制单元的另一端连接充放电控制单元的一端，充放电控制单元的另两端分别连接蓄电池组和逆变器单元的一端，逆变器单元的另一端连接所述耕水机的供电端，该耕水机的控制端连接中央控制单元的输入输出接口，该中央控制单元的输入输出接口还分别连接用于检测太阳能电池组输出电压的太阳能电池组电压检测单元、用于检测蓄电池组输出电压的蓄电池组电压检测单元、用于检测太阳能电池组及蓄电池组电流的太阳能电池组及蓄电池组电流检测单元。

本实施例中，所述耕水机的供电端还连接一备用电单元，所述逆变器单元和备用电单元均设置一直流供电端。所述传感器单元包括设置在水体内的溶解氧传感器模块和温度传感器模块。所述中央控制单元的输入输出接口还连接一显示单元。

所述逆变器单元包括依次连接的滤波模块、推挽升压变换模块、单相全桥逆变模块和低通滤波模块，滤波模块为输入端，低通滤波模块为输出端。所述充放电控制单元以铅酸蓄电池充电专用芯片UC3906为核心。所述太阳能电池组电压检测单元和蓄电池组电压检测单元均使用并联电阻的分压法检测输出电压，每个单元中的分压电阻均通过一电压跟随器和滤波电容连接中央控制单元的输入输出接口。太阳能电池组及蓄电池组电流检测单元以线性电流传感器ACS712为核心。

所述中央控制单元通过一驱动切换单元分别连接耕水机的控制端和备用电单元，驱动切换单元包括驱动模块和切换模块，驱动模块以MOSFET驱动芯片TC4422为核心，切换模块包括光电耦合器、三极管、继电器和续流二极管，三个光电耦合器将中央控制单元输出的三个控制信号进行耦合处理，然后经过三极管、续流二极管后分别连接三个继电器的三个线圈，该三个继电器实现太阳能电池组、蓄电池组和备用电单元的供电切换。

下面结合附图对上述结构进行具体说明：

太阳能光伏电池板所选型号为TL075，所需太阳能电池组件串联数为1，并联数为4，所需太阳能电池方阵的功率为300W。蓄电池组采用的是容量为12V，150Ah的免维护铅酸电池。

中央控制单元以Atmega128单片机为核心，其是基于增强的AVR RISC结构的高性能、低功耗8位COMS微控制器，通过将8位的CPU RISC与系统内可编程的flash集成在一个芯片内，成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

中央控制单元内预存储用于实现最大功率点跟踪的电导增量算法软件模块。光伏电池的输出功率在很大的程度上受日照强度和温度的影响。当光照强度、温度等环境条件改变时，光伏电池阵列的输出特性和输出功率也会发生改变，只有在固定输出的电压值时，太阳能光伏整列才能输出最大的功率值，此时光伏阵列的工作点就处于输出功率曲线的顶点，而这个点就是最大功率点(Maximum Power Point,MPP)。若不及时调最大功率点，必然会导致系统效率的降低，即使在同一光照强度和温度下，由于负载不同，阵列的输出功率也是不同的，如果将其直接与负载相连，就不能保证阵列工作在最大功率点上，从而造成功率的损失。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻找光伏电池的最优工作状态，最大限度地将光能转化成电能。因此通过实时检测外部环境变化来动态调节光伏阵列的工作点，使光伏系统输出功率一直保持在最大功率点处，叫做最大功率点跟踪技术。

电导增量法(Incremental Conductance，INC)是MPPT控制常用的算法之一。它是通过比较太阳能电池瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点的跟踪^[30-33]。由光伏电池的P-U特性曲线可知，其是一条一阶连续可导的单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零。也就是说，最大功率点的跟踪实质上就是寻找满足dP/dU＝0的点。电导增量法的优点是在下一时刻参考电压的变化方向由该时刻的瞬时导抗与导抗变化量的大小决定，不受前一时刻的工作点电压和功率的的影响，这样就不会出现误判，当光照强度变换比较迅速时系统能够及时适应^[35]。这就决定了电导增量法具有控制精度高，电压波动较小特点。

综合系统实现、控制精度、控制成本、跟踪速度等多重因素，本系统采用电导增量法来实现最大功率点跟踪。

如图2所示的推挽式升压变换模块，根据开关管的导通情况可分为以下四种工作状态：

(1)Q1导通，Q2关断：由于Q1导通，NP1产生相应的电压，绕组中产生的感应电压使D1导通，电感L1储存一部分能量后输出到C1和负载中，此时的Q2是断开状态。

(2)Q1关断，而Q2还未导通：变压器初级线圈产生漏感，漏感使绕组极性变反，导致Q2两端电压的极性也发生改变，二极管D4导通且有电流通过并到达电源的输入端，输出端电流通过二极管D2。

(3)Q1截止，Q2导通，二极管D2导通，有电流经过D2和电感L1，L1储存能量，经过L1的电流作用于负载。

(4)Q2截止，Q1仍未导通时；此时的情况与状态(2)类似，变压器绕组极性反向，二极管D3导通，电流要经过D3到达输入端，然后通过二极管，电流流到输出端。

以上这四种状态，就是推挽电路一个周期的工作状态。

如图2所示的单相全桥逆变模块，可以看成是由两个半桥逆变电路组成。功率开关管Q3和Q4互补，Q5和Q6互补，其关断状态受PWM信号控制。功率开关管Q3和Q6导通，输出电压等于输入的直流电压；功率开关管Q4和Q5导通，输出电压等于输入的直流电压乘以负一。

溶解氧是影响水体质量重要因素，所以将溶解氧DO作为主要检测参数。本实施例如图3所示，选取瑞士HAMILTON的OXYSNS120溶解氧传感器，它是市场上第一款免维护的DO传感器，不需要更换模或电解液。广泛用于水库、废水、鱼塘的水质监测，其内部还有一个内置的温度补偿。其DO测量范围是从0.0ppm到40.0ppm的分辨率，其精度为0.01ppm。内部的温度电极为NTC22K，温度量程为－5.0℃到100℃，温度分辨路为0.1℃，信号输出为一路0-20mA隔离电流输出。

因为OXYSNS120输出的信号非常小，仅为毫安级，因此需将其放大。这里采用AD620放大器将OXYSNS120输出的信号转换成方便测量的电压信号，经滤波后送至单片机AD模块中进行AD转换。此放大电路的增益是由AD620的外接电阻R3决定的，增益G＝49.4/R₁+1,这里让增益为100，所以R₁＝0.5kΩ。然后用电阻R4把电流信号转换为单片机能够接受的电压信号，通过PA0口传输给单片机，这样完成相应的信号处理。

由于水温是影响水体溶解氧含量的重要元素，水体在不同水温下的饱和溶解氧含量是不同的，而不同的鱼种在不同温度下需氧也是不同的，因此系统要在不同的温度下根据实际情况设定不同的溶解氧上、下限，以保证所养水体生物生活在最适宜的环境中。所以温度检测在系统中是必不可少的。

如图4所示，温度传感器是达拉斯半导体公司生产的DS18B20，它是一款数字型温度传感器，无需模数转换电路，使用时不需加任何外围元件，单片机用一个I/O口(PA1)就可以与DS18B20通讯，工作电压范围3V-5.5V，检测温度范围为-55℃—+125℃，温度分辨率最高达到0.0625℃，输出电压是0-5V。

太阳能电池组输出电压和蓄电池组输出电压超出了单片机的检测范围，单片机无法发法直接对对其采样，所以本系统中采用并联大电阻的分压方法来这两个电压。为了使检测到的值更加稳定，加上了电压跟随器LM358，并且在输出端加上了滤波电容，消除扰动信号，利于单片机程序的正确运行，系统的稳定。其中图5中，PA2口检测的是太阳能电池组的输出电压，同理蓄电池组的输出电压检测也和图5相同，具有一个PA4口(蓄电池组的输出电压检测电路与图5完全相同，附图中未画出)。

如图6所示，采用ACS712电流传感器对太阳能电池组输出电流和蓄电池组输出电流进行检测，ACS712工作的供电电压需要5V单电源，引脚1、2、3、4分别是两组待测电流的输入端和输出端，并有内置保险。其内部还有一个电阻缓冲放大器，通过外加简单低通滤波电路即可消除芯片内部电阻和接口负载分压带来的输出衰减。

充放电控制单元如图7所示，充电过程分为三个充电状态：大电流恒流充电状态，高电压过充电状态和低电压恒压浮充状态，属于典型的三阶段充电法。

UC3906是利用电阻分压网络来检测蓄电池的电压，然后通过与参考电压来比较确定理想的充电电流、切换电压和最大充电电流等参数。分压电阻的取值和蓄电池的相关参数有关。蓄电池的参数为：过充电压为30V，浮充电压为27.6V，最大充电电流为25A，过充终止电流为2.5A。各电阻的参数分别是：R_A＝162kΩ，R_b＝54kΩ，R_C＝9kΩ，R_D＝211kΩ,R_S＝0.01Ω。

为了能够随时了解所检测各项参数的情况，系统加入了参数显示功能。在本系统中采用LCD12864作为液晶显示芯片，它属于字符液晶显示，是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。

耕水机和单片机分别为高功率大电流、弱点电路的状态，两者之间必须要有一定的隔离。因此采用专门的MOSFET驱动芯片，选用的是Microchip公司的TC4422芯片，该芯片是9A高速非反向MOSFET驱动器，能够驱动大功率。电路图如图8所示，TC4422的输入端与Atmega128单片机的PWM输出端相连，输出端连接一个10欧姆的电阻与MOSFET的栅极相连接从而来驱动MOSFET。

切换模块如图9所示，主要由光电隔离，信号放大，继电器组成。光电隔离用光电耦合器实现，它能对输入和输出信号有良好的电气隔离作用。但是光电耦合器的输出电流较小，需要用三极管对电流进行放大，从而驱动继电器，与此同时，继电器是感性负载，还要在继电器的接口处并联一个续流二极管。

由于单片机和一些外围接口电路正常工作需要12V和5V的电压，而供电来源是太阳能电池或蓄电池电压，电压值较大且不稳定。因此，需要将光伏电池或蓄电池输出的电压转换成稳定的12V和5V稳压电源。本文采用7812和LM2576分别完成12V和5V的电压转换。7812能够适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好。LM2576工作效率高，能耗低，其输入电压在7-40V时均可输出+5V的稳定电压，完全能够满足系统稳压电源的要求，电路图如图10、11所示。

系统运行前就要对ATMEGA128的各引脚、内部存储器等进行初始化设定。

(1)引脚设定

在此系统中将Atmega128的PA口设为数据输入口。PA0至PA6分别作为溶解氧、水温、太阳能光伏电池电压、太阳能光伏电池电流、蓄电池电压和蓄电池电流数据的输入端口。PB口、PC口、PD、PE口设为输出。PB0至PB2分别控制耕水机驱动继电器RL1、光伏电池供电与蓄电池供电选择继电器RL2、太阳能电与民用备用电选择继电器RL3。PC0至PC2分别对应实现最大功率点跟踪的PWM控制输出口、逆变器两组MOSFET管SPWM控制输出口。PD0为定时器时间到输出口,PD3-PD7为液晶屏信号控制输出口。PE为显示电路输出端口。

(2)定时器选择

选用定时器0和定时器2分别设定各个参数检测的时间间隔和最大功率点跟踪的时间间隔。定时的工作模式选为比较匹配模式，简称ctc。工作在此模式下，如果设定的时间到达，则会将定时器清零并向主程序提出中断请求，随后主程序中的初始化会给寄存器重新复制，重新开启定时功能。

(3)PWM模式选择

系统选用定时器/计数器1(T/C1)生成PWM波控制最大功率点开关占空比，设置定T/C1工作在快速PWM模式，ATMEGA128的第十五引脚OC1A上输出产生的PWM。相应的寄存器位设置为：WGM11:0＝3，COM1A1:0＝2。T/C3被设置为在相位修正PWM模式中工作,用于控制全桥逆变电路中MOSFET的通断。工作在该模式下，得到的PWM波形相位和精度都比较精确。相应的寄存器位设置为：WGM11:0＝1，COM1A1:0＝2。

(4)ADC转换

ATMEGA128有一个10位逐次逼近型ADC。它能够同时检测8路的来自端口A的的输入电压。十位的转换结果会暂存在数据寄存器ADCH(高八位)和ADCL(低八位)中。通过设置寄存器ADMUX中的ADLAR标志位来改变数据存储的方式，本系统中将ADLAR标志位置“1”，让转换数据处于左对齐方式，这种方式在读取数据是比较方便，只读取ADCH中八位的值，不需要读取ADCL。

除此之外，还需对启动转换为ADSC标志位置“1”这样才能完成单次模数转换，下一次转换前还需将ADSC置位。为了符合ATMEGA128片内ADC转换功能2.56V的基准电压的要求,则需要将寄存器ADMUX的REFS1和REFS0都置位。系统会通过查询来检测模数转换是否完成，完成之后进行相应的处理程序。

在系统中，主要用太阳能为负载供电，民用备用电源为辅助，系统首先进行初始化，然后开中断，中断包括两个定时器中断、一个外部中断，两个定时器中断分别用来设定各个参数检测的时间间隔和最大功率点跟踪的时间。初始化后，系统主控制器接受检测水质传感器发来的数字参数信号，并通过与系统的预设定值(溶解氧浓度、温度等)进行比较，判断是否输出负载驱动信号开启耕水机进行水体增氧；同时检测太阳能供电系统出口端电压以及采样蓄电池组中的各个参数，以此判断蓄电池组是否需要接收来此太阳能光伏发电的电源充电并调用充电子程序，并对系统供电电源(太阳能光伏电池、蓄电池、备用电源)进行有效切换。当主控制器判断水质参数(特别是溶解氧浓度)低于设定值时，输出控制信号驱动增氧系统运行；当主控制器判断太阳能供电系统输出电压等于设定值时，系统电能通过太阳能供电系统来提供；否则，输出切换信号，切换至备用电源供电。

本实用新型中，逆变器单元主要由推挽升压变换模块和单相全桥逆变模块构成，二者的组合使系统输出的交流电压质量更好，对太阳能电池组和蓄电池组的电压和电流进行时时监控，避免过放和过充，提高使用寿命，并且系统具有太阳能电池组、蓄电池组和备用电三种供电方式，使用方便且灵活，适应复杂的环境中使用，另外，太阳能电池组采用最大功率点跟踪控制单元进行控制，并具体使用电导增量法算法，提高了控制精度，通过溶解氧传感器和温度传感器进行水体检测并自动启动或关闭耕水机，综上所述，本实用新型是一种定时检测水体状态、提高太阳能电池效率、充放电和负载驱动均为自动控制的智能系统。