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隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展、社會(huì )的進(jìn)步，人們對能源提出越來(lái)越高的要求，尋找新能源成為當前人類(lèi)面臨的迫切課題�，F有電力能源的來(lái)源主要有3 種，即火電、水電和核電。其中，火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面這些燃料蘊藏量有限、越燒越少，正面臨著(zhù)枯竭的危險。另一方面燃燒燃料將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會(huì )導致溫室效應和酸雨，惡化地球環(huán)境。而水電有可能導致生態(tài)環(huán)境破壞，一個(gè)國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節的影響。核電在正常情況下固然是干凈的，但萬(wàn)一發(fā)生核泄漏，后果非常嚴重。在這種條件下就迫使人們去尋找新能源。新能源要同時(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊藏豐富不會(huì )枯竭;二是安全、干凈，不會(huì )威脅人類(lèi)和破壞環(huán)境。目前找到的新能源主要有：太陽(yáng)能，風(fēng)能和燃料電池。其中，最理想的新能源是太陽(yáng)能。 1 Atmega16 系列單片機概述 美國英特梅爾(ATMEL)公司的Atmega16 系列單片機是基于增強的AVR RISC 結構的低功耗8 位CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數據吞吐率。 在開(kāi)發(fā)工具上，ATmega16 系列單片機支持先進(jìn)的JTAG 調試，其硬件仿真工具(仿真器)只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的USB 轉換器，其軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境由著(zhù)名的IAR 公司提供，在實(shí)際調試使用時(shí)非常方便，能對相應的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測和對程序的執行情況進(jìn)行判斷，在系統整合方面，ATmega16 系列單片機根據不同產(chǎn)品系列，集成了多種不同的功能模塊，包括定時(shí)器、模擬比較器、多功能串行接口、硬件乘法器、ADC、看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)、I/O 端口、RAM、PWM 以及豐富的中斷功能。使用戶(hù)根據自己的需求，選擇合適的ATmega16 單片機。 2 太陽(yáng)能充電控制系統方案設計 系統主要實(shí)現獨立光伏路燈太陽(yáng)電池板的最大功率跟蹤功能。在太陽(yáng)電池板處于工作狀態(tài)，即整個(gè)光伏系統處于充電狀態(tài)時(shí)，控制器在光電流達到一定值后(本系統設定為0.3A)，實(shí)現對電壓、電流數據的檢測，通過(guò)快速的控制算法，調節蓄電池兩端的充電電壓，實(shí)現太陽(yáng)電池板的輸出功率的最大功率跟蹤，提高鉛酸蓄電池的充電電流，縮短充電時(shí)間，提高充電效率。系統的實(shí)現主要應解決如下幾個(gè)方面的問(wèn)題： (a)太陽(yáng)電池板輸出電壓的檢測：檢測太陽(yáng)電池板不同的輸出電壓，并根據不同的電壓，系統作出不同的控制處理。如系統處于默認工作狀態(tài)，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓低于8 V 時(shí)，因為其低于電池的充電要求，因而進(jìn)行卸載處理。 (b)鉛酸蓄電池容量的檢測：系統為了盡可能地保護蓄電池，延長(cháng)其壽命，將根據不同的容量和蓄電池不同的狀態(tài)采取相應的充電控制策略。 (c)太陽(yáng)電池板輸出電流檢測：據此得出輸出功率，使系統通過(guò)一定的算法和控制手段，使系統工作在最大功率點(diǎn)。 (d)PWM 輸出控制：根據輸入輸出檢測模塊的數據實(shí)時(shí)調整蓄電池的充電電壓和電流和卸載放電功能，實(shí)現智能充放電控制。 (e)中央處理系統：實(shí)現高效的信息處理和各個(gè)功能模塊的控制。 由此，我們設計出了系統整體硬件電路結構模型，見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，整個(gè)電路由六個(gè)功能模塊組成：核心控制模塊、前級檢測模塊、Boost 電路控制模塊、后級檢測模塊、PWM 輸出模塊和卸載模塊構成。 當太陽(yáng)電池板正常工作輸出時(shí)，其過(guò)程為：首先檢測該電壓能否達到電池的充電要求，在滿(mǎn)足基本充電要求的情況下通過(guò)控制器對電池兩端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監控在適合電池工作的三種情況下，通過(guò)ATmega16 微處理器的PWM 模塊輸出控制充電電壓和電流。 3 太陽(yáng)能充電系統最大功率跟蹤算法的實(shí)現 光伏系統電流的變化是隨著(zhù)外界環(huán)境變化而變化的，要想實(shí)現光伏系統的最大功率跟蹤，一般可以通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)完成：第一步是采用合適的搜索算法，找到光伏系統的最大功率點(diǎn);第二步是通過(guò)控制手段，使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)。該控制系統的總體程序流程圖如圖2 所示。光伏發(fā)電擾動(dòng)觀(guān)察法是最常用的MPPT 控制方法之一，其原理是每隔一定的時(shí)間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，并觀(guān)測之后其輸出功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號。這種控制算法一般采用功率反饋方式，通過(guò)兩個(gè)傳感器對光伏陣列輸出電壓及電流分別進(jìn)行采樣，并計算獲得其輸出功率。該方法雖然算法簡(jiǎn)單，且易于硬件實(shí)現，但是響應速度較慢，只適用于那些日照強度變化比較緩慢的場(chǎng)合。而且穩態(tài)情況下，這種算法會(huì )導致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅振蕩，因此會(huì )造成一定的功率損失，而日照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì )失效，判斷得到錯誤的跟蹤方向。針對這種算法在實(shí)際應用中遇到的情況，根據本系統實(shí)際提出了一種實(shí)用的改進(jìn)算法。在本獨立光伏路燈系統中，是要對蓄電池進(jìn)行充電，需要考慮實(shí)現最大功跟蹤的同時(shí)，還要兼顧最大限度的延長(cháng)蓄電池的壽命，具體采用了不同的蓄電池充電策略，可以在程序流程圖中看出。 本文提出一種改進(jìn)的最大功率跟蹤方法，首先根據蓄電池的當前狀態(tài)來(lái)判斷需不需要充電，然后根據電路前級檢測到的光伏電池發(fā)電的電壓和電流大小來(lái)決定最大功率點(diǎn)的設定，將光伏發(fā)電強度分為兩種工作方式，對特定的電池板取一特定的參數。在光伏發(fā)電輸出調理電路的前級和后級的參數檢測過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間連續采集10 個(gè)相鄰的電壓、電流信號(ATmega16 有自帶的A/D 轉換器，設置的采樣率為200 Hz)，去掉最大和最小的數據后，進(jìn)行均值濾波，并同時(shí)得到此時(shí)的電壓和電流的大小，在整個(gè)控制采集數據的過(guò)程中，為了有效地消除隨機干擾，我們在程序中設定一個(gè)幅度比例系數，即每?jì)蓚�(gè)信號的幅度采集值要有一定的比例關(guān)系，若超過(guò)這個(gè)比例，則認為是干擾信號，便進(jìn)行這個(gè)數據的重新采樣，連續超過(guò)三次采樣數據都是干擾信號時(shí)，系統則自動(dòng)取消這一次測量。對于采集到的有效數據，經(jīng)過(guò)了均值濾波后，可以消除一定的噪聲干擾，要得到更好的點(diǎn)參數數據，我們把采集到的數據進(jìn)行LMS(即自適應最小均方濾波器)濾波，該濾波器的應用較簡(jiǎn)單，它是最陡下降梯度算法，用梯度的瞬時(shí)值迭代，從而使均方誤差最小化，用這種方法處理的數據效果非常好，對弱信號處理中有很好的應用前景，通過(guò)試驗，我們選定濾波器階數為三階，收斂因子μ(步長(cháng))為0.001，權矢量W 初始化為：W=[0,0,0]T，其遞推公式為： 式中：x (k) 為觀(guān)測樣本;X (k-1)為過(guò)去的觀(guān)測樣本矢量;WT(k-1)X(k-1)表示基于過(guò)去的觀(guān)測樣本而預測的現在的信號，這里選擇預測誤差e(k)=x (k)-WT(k-1)X(k-1)作為調節權重的參數，可以證明，預測誤差最小等價(jià)于恢復誤差 最小。通過(guò)LMS 濾波器后，我們可以得到比較理想的數據，為實(shí)時(shí)準確提取出最大功率所需要的參數提供了條件，也找到了參數的特征，有助于進(jìn)一步的數據提取。當然還有其他的提取參數的方法，諸如頻域濾波，FFT 變換，小波變換等等，本系統采用該方法以后，數據采集的準確度有了很大的提高，可以對于弱信號參數的情況也能實(shí)時(shí)找到最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現了對太陽(yáng)能的最優(yōu)利用和蓄電池的科學(xué)管理。 4 結束語(yǔ) 美國英特梅爾(ATMEL)公司推出的ATmega16 系列單片機具有低功耗、實(shí)時(shí)處理能力強、運行速度快等優(yōu)點(diǎn)，性?xún)r(jià)比高，正日益得到廣泛的應用，尤其在自動(dòng)信號采集系統、便攜式設備、長(cháng)時(shí)間工作裝置中，體現了它的特點(diǎn)，本文所述的智能太陽(yáng)能充電控制系統充分利用了ATmega16 系列單片機所提供的各種集成模塊，合理分配片上資源，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設計，從而提升了整個(gè)控制系統的性能。 |
