基于Atmega16單片機(jī)的智能太陽(yáng)能充電器設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出越來(lái)越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題?，F(xiàn)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(yùn)藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險(xiǎn)。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(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。而水電有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，一個(gè)國(guó)家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)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(yán)重。在這種條件下就迫使人們?nèi)ふ倚履茉础Ｐ履茉匆瑫r(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊(yùn)藏豐富不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)威脅人類和破壞環(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(jī)概述

美國(guó)英特梅爾(ATMEL)公司的Atmega16 系列單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)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(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 AVR 內(nèi)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(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)吞吐率。

在開發(fā)工具上，ATmega16 系列單片機(jī)支持先進(jìn)的JTAG 調(diào)試，其硬件仿真工具（仿真器）只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的USB 轉(zhuǎn)換器，其軟件集成開發(fā)環(huán)境由著名的IAR 公司提供，在實(shí)際調(diào)試使用時(shí)非常方便，能對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和對(duì)程序的執(zhí)行情況進(jìn)行判斷，在系統(tǒng)整合方面，ATmega16 系列單片機(jī)根據(jù)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、看門狗定時(shí)器（WDT）、I/O 端口、RAM、PWM 以及豐富的中斷功能。使用戶根據(jù)自己的需求，選擇合適的ATmega16 單片機(jī)。

2 太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)獨(dú)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(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，控制器在光電流達(dá)到一定值后（本系統(tǒng)設(shè)定為0.3A），實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流數(shù)據(jù)的檢測(cè)，通過(guò)快速的控制算法，調(diào)節(jié)蓄電池兩端的充電電壓，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要應(yīng)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(cè)：檢測(cè)太陽(yáng)電池板不同的輸出電壓，并根據(jù)不同的電壓，系統(tǒng)作出不同的控制處理。如系統(tǒng)處于默認(rèn)工作狀態(tài)，太陽(yáng)電池開路電壓低于8 V 時(shí)，因?yàn)槠涞陀陔姵氐某潆娨?，因而進(jìn)行卸載處理。

（b）鉛酸蓄電池容量的檢測(cè)：系統(tǒng)為了盡可能地保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其壽命，將根據(jù)不同的容量和蓄電池不同的狀態(tài)采取相應(yīng)的充電控制策略。

（c）太陽(yáng)電池板輸出電流檢測(cè)：據(jù)此得出輸出功率，使系統(tǒng)通過(guò)一定的算法和控制手段，使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)。

（d）PWM 輸出控制：根據(jù)輸入輸出檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整蓄電池的充電電壓和電流和卸載放電功能，實(shí)現(xiàn)智能充放電控制。

（e）中央處理系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)高效的信息處理和各個(gè)功能模塊的控制。

由此，我們?cè)O(shè)計(jì)出了系統(tǒng)整體硬件電路結(jié)構(gòu)模型，見圖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(jí)檢測(cè)模塊、Boost 電路控制模塊、后級(jí)檢測(cè)模塊、PWM 輸出模塊和卸載模塊構(gòu)成。

當(dāng)太陽(yáng)電池板正常工作輸出時(shí)，其過(guò)程為：首先檢測(cè)該電壓能否達(dá)到電池的充電要求，在滿足基本充電要求的情況下通過(guò)控制器對(duì)電池兩端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)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(tǒng)最大功率跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)

光伏系統(tǒng)電流的變化是隨著外界環(huán)境變化而變化的，要想實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的總體程序流程圖如圖2 所示。光伏發(fā)電擾動(dòng)觀察法是最常用的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，并觀測(cè)之后其輸出功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。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(duì)光伏陣列輸出電壓及電流分別進(jìn)行采樣，并計(jì)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(xiàn)，但是響應(yīng)速度較慢，只適用于那些日照強(qiáng)度變化比較緩慢的場(chǎng)合。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這種算法會(huì)導(dǎo)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(cuò)誤的跟蹤方向。針對(duì)這種算法在實(shí)際應(yīng)用中遇到的情況，根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際提出了一種實(shí)用的改進(jìn)算法。在本獨(dú)立光伏路燈系統(tǒng)中，是要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，需要考慮實(shí)現(xiàn)最大功跟蹤的同時(shí)，還要兼顧最大限度的延長(zhǎng)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(jù)蓄電池的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)判斷需不需要充電，然后根據(jù)電路前級(jí)檢測(cè)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(shè)定，將光伏發(fā)電強(qiáng)度分為兩種工作方式，對(duì)特定的電池板取一特定的參數(shù)。在光伏發(fā)電輸出調(diào)理電路的前級(jí)和后級(jí)的參數(shù)檢測(cè)過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間連續(xù)采集10 個(gè)相鄰的電壓、電流信號(hào)（ATmega16 有自帶的A/D 轉(zhuǎn)換器，設(shè)置的采樣率為200 Hz），去掉最大和最小的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的過(guò)程中，為了有效地消除隨機(jī)干擾，我們?cè)诔绦蛑性O(shè)定一個(gè)幅度比例系數(shù)，即每?jī)蓚€(gè)信號(hào)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(rèn)為是干擾信號(hào)，便進(jìn)行這個(gè)數(shù)據(jù)的重新采樣，連續(xù)超過(guò)三次采樣數(shù)據(jù)都是干擾信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)取消這一次測(cè)量。對(duì)于采集到的有效數(shù)據(jù)，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(shù)數(shù)據(jù)，我們把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行LMS(即自適應(yīng)最小均方濾波器)濾波，該濾波器的應(yīng)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(shù)據(jù)效果非常好，對(duì)弱信號(hào)處理中有很好的應(yīng)用前景，通過(guò)試驗(yàn)，我們選定濾波器階數(shù)為三階，收斂因子μ（步長(zhǎng)）為0.001，權(quán)矢量W 初始化為：W=[0,0,0]T，其遞推公式為：

式中：x (k) 為觀測(cè)樣本；X (k－1)為過(guò)去的觀測(cè)樣本矢量；WT(k－1)X(k－1)表示基于過(guò)去的觀測(cè)樣本而預(yù)測(cè)的現(xiàn)在的信號(hào)，這里選擇預(yù)測(cè)誤差e（k）=x (k)－WT(k－1)X(k－1)作為調(diào)節(jié)權(quán)重的參數(shù)，可以證明，預(yù)測(cè)誤差最小等價(jià)于恢復(fù)誤差最小。通過(guò)LMS 濾波器后，我們可以得到比較理想的數(shù)據(jù)，為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確提取出最大功率所需要的參數(shù)提供了條件，也找到了參數(shù)的特征，有助于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)提取。當(dāng)然還有其他的提取參數(shù)的方法，諸如頻域?yàn)V波，F(xiàn)FT 變換，小波變換等等，本系統(tǒng)采用該方法以后，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度有了很大的提高，可以對(duì)于弱信號(hào)參數(shù)的情況也能實(shí)時(shí)找到最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能的最優(yōu)利用和蓄電池的科學(xué)管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)英特梅爾(ATMEL)公司推出的ATmega16 系列單片機(jī)具有低功耗、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比高，正日益得到廣泛的應(yīng)用，尤其在自動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)、便攜式設(shè)備、長(zhǎng)時(shí)間工作裝置中，體現(xiàn)了它的特點(diǎn)，本文所述的智能太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)充分利用了ATmega16 系列單片機(jī)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(shè)計(jì)，從而提升了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。