智能太阳能充电器.docx
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智能太阳能充电器.docx
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智能太阳能充电器
大连理工大学大学生创新性实验计划
项目总结报告
项目编号:
2009078
项目名称:
智能太阳能充电器
项目级别:
校级
项目负责人:
指导教师:
项目所在院系:
电气学院
项目起止时间:
2010年4月—2011年4月
大连理工大学教务处制
大连理工大学大学生创新性实验计划
项目原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的项目总结报告以及所完成的作品实物等相关成果,是本人和项目组其他成员独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果,不侵犯任何第三方的知识产权或其他权利。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
项目负责人签名:
年月日
项目指导教师审核签名:
年月日
二、题名:
智能太阳能充电器
Intelligentsolarcharger
三、摘要
太阳能充电器的设计,以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电,控制电路以单片机为核心。
整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。
系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。
通过脉宽调制对铅酸蓄电池充电进行智能控制,从而提高太阳能电池输出功率及铅酸蓄电池的使用效率,达到延长电池使用寿命的目的。
系统的多样化负载也是一大亮点,使其具有更广泛的应用领域。
关键词:
太阳能;单片机;最大功率点;PWM
Abstract
Solarchargerdesignedtosolarenergytopowerthecoreofthehardwarecircuit,controlcircuittomicrocontrollercore.
Theentiresystemfromthepowerconversioncircuit,samplingcircuit,processor,pulsewidthmodulationcontrollerandbatterypackcomposition.Systemofdataacquisitionandprocessingwereachievedwithsinglechip.Bypulse-widthmodulationofthelead-acidbatteryforintelligentcontrol,therebyenhancingthesolarcelloutputpowerandefficiencyoflead-acidbatteries,toextendthebatterylifeofpurpose.
Thediversificationoftheloadsisalsoabrightpoint,whichmakeitsapplicationfieldsmoreextensive.
KeyWords:
Solarenergy;Monolithicintegratedcircuit;maximumpower;PWM
四、项目概述
1、项目成员基本情况:
人数:
2;院系:
电气;专业:
电气工程及其自动化;年级:
2007级
指导教师基本情况:
**:
高级工程师、研究领域:
电源
2、项目的选题背景、目的与意义
不可再生资源日益减少,可再生资源的开发利用尤为重要。
太阳能作为一种清洁、方便的能源,我们应该学会利用。
但太阳能光照的不稳定,提供的电压不稳定、电流小,我们需要用控制电路来控制太阳能的使用。
通过太阳能电池板接收太阳能,电压、电流的检测、控制,来实现蓄电池的充电以及负载的供电。
3、项目实施过程的人员工作分配和完成情况
两位同学共同负责前期的准备工作、理论研究、画图,**同学负责制作硬件电路;**同学负责编程以及论文撰写。
电路板经过调试且已经好用,和预期结果相差不多,只是对太阳光强的要求较大。
项目基本顺利完成。
4、项目实施过程收获和体会
项目开始时资料的收集、文献的研究、理论上的构思和创新;基本确定方案后,我们又开始查找合适的元件,经过一番比较,选中了avr单片机;在制图和制板的过程中也遇到了一些麻烦,但通过和老师的沟通、共同解决了问题。
这次项目让我的眼界更加宽阔,对于太阳能充电器的大范围利用充满了期待。
同时,也感受到了团队合作的魅力所在,两个人互相支持、互相鼓励、共同监督、共同进步。
我们不仅仅收获了项目本身,对学习的方法有了进一步深刻的认识,也促进了彼此的友谊。
五、项目预期成果完成情况和创新点
预期成果:
太阳能充电器实物能够完成对蓄电池的充电和对负载的供电。
创新点:
合理的利用了太阳能,通过智能太阳能充电器的研究,拓展了太阳能的利用领域,为便携式太阳能智能充电器的研究提供了可行依据。
六、项目说明
实验方法设计及方案:
太阳能充电器的设计,以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电,控制电路以单片机为核心,整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。
实施过程:
系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。
本设计采用太阳能电池板对AVR单片机进行供电,设计了基于单片机的太阳能充电电路,通过脉宽调制对铅酸电池充电进行智能控制。
数据分析处理:
本实验在调试过程中对最大功率点的进行了计算和判断,由实验测得太阳能电池板和负载的U-I特性曲线,分析最大功率特性。
原因分析及解决办法:
图1表明太阳能电池既非恒压源,也非恒流源,而是一种非线性直流电源,太阳能电池阵列的伏安特性曲线与负载特性曲线L的交点A,B,c,D,E即为光伏系统的工作点,如果能使工作点移至光伏阵列伏安曲线的最大功率点A’,B’,C’,D’,E’上,就可以最大限度地提高光伏阵列的能量利用率。
我们采用波动观测法。
最终实现功能:
太阳能电池板在阳光充足的室外可以达到充电电压并给蓄电池充电,阴天或者在室内太阳能电池板不能为其充电,但是充好电的蓄电池可以为负载供电。
特色:
环保、开发可再生能源;装置便捷,有很好的发展前景;负载多样性。
七、项目总结
目录
摘要I
AbstractII
引言1
1绪论2
1.1设计目的2
1.2设计思路和分析2
1.2.1太阳能电池板分析2
1.2.2太阳能充电系统效率分析3
1.3系统总体结构设计4
2硬件电路设计6
2.1太阳能电路板部分6
2.1.1太阳能电池模型6
2.1.2太阳能电池输出特性6
2.1.3最大功率追踪7
2.1.4太阳能电池板充电部分电路图8
2.2单片机部分9
2.2.1单片机选型9
2.2.2单片机主电路11
2.2.3单片机子电路12
2.3电池充电原理13
2.3.1铅酸蓄电池基础13
2.3.2充电原理14
3软件设计16
3.1主程序16
3.1.1功能描述16
3.1.2程序框图16
3.2ADC头文件17
3.2.1功能描述17
3.2.2程序框图17
3.3PWM头文件17
3.4Time0头文件18
3.4.1功能描述18
3.2.2程序框图18
3.5Events头文件18
3.5.1功能描述18
3.5.2程序框图19
4结束语22
参考文献23
引言
长期以来,人们就一直在努力研究利用太阳能。
我们地球所接受到的太阳能,只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右,这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍,可谓取之不尽,用之不竭。
其次,宇宙空间没有昼夜和四季之分,也没有乌云和阴影,辐射能量十分稳定。
因而发电系统相对说来比地面简单,而且在无重量、高真空的宇宙环境中,对设备构件的强度要求也不太高。
再者,太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同,不会导致"温室效应"和全球性气候变化,也不会造成环境污染。
正因为如此,太阳能的利用受到许多国家的重视,大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料,以扩大太阳能利用的应用领域。
在太阳能的有效利用当中,太阳光能利用是近些年来发展最快,最具活力的领域。
本设计开发出一种具有实用价值的太阳能充电系统,可以对电池进行充电,给人们带来了极大的方便,有一定的社会价值和经济价值。
太阳能充电技术是目前各国竞相研究的应用技术,同时也是与前沿理论结合得最紧密的应用技术。
太阳能充电技术涉及物理学、材料科学、控制理论、电子科学等诸多学科。
太阳能充电技术的主要研究内容,就是如何在给定光-电转换材料和电池的条件下,完成高效充电。
1绪论
1.1设计目的
使用手机的人都有过这样的经历:
外出时手机电池突然没有电了,因充电器不在身边或找不到可以充电的地方,影响了手机的正常使用。
为了解决这一问题,本文介绍一种太阳能手机充电器,它使用太阳能电池板,经电路进行直流电压变换后给手机电池充电,并能在电池充电完成后自动停止充电。
同时,本设计因其负载多样性也可用于居家室内照明等使用。
1.2设计思路和分析
太阳能充电器的设计,以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电,控制电路以单片机为核心,整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。
系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。
本设计采用太阳能电池板对AVR单片机进行供电,设计了基于单片机的太阳能充电电路,通过脉宽调制对铅酸电池充电进行智能控制。
1.2.1太阳能电池板分析
太阳能电池板分为单晶硅,多晶硅,非晶硅和多元化合物电池板。
目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右,最高的达到24%,这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的,但制作成本很大,以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。
由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此其坚固耐用,使用寿命一般可达15年,最高可达25年。
多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多,但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少,其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。
从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。
此外,多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。
从性能价格比来讲,单晶硅太阳能电池还略好。
非晶硅太阳能电池是1976年出现的新型薄膜式太阳能电池,它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同,工艺过程大大简化,硅材料消耗很少,电耗更低,它的主要优点是在弱光条件也能发电。
但非晶硅太阳能电池存在的主要问题是光电转换效率偏低,目前国际先进水平为10%左右,且不够稳定,随着时间的延长,其转换效率衰减。
多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。
现在各国研究的品种繁多,大多数尚未工业化生产,主要有以下几种:
a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池
太阳能电池板是太阳能供电系统中心的核心部分,其转换率和使用寿命是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。
其功能是将太阳能的辐射能量转化为电能,能量转化率是一个重要的参数。
电池板收光照强度影响,电压、功率呈显著变化;一种光照强度,阳能电池板也有一个输出功率点,应电压也不尽相同。
为保证较高的转换效率,使电池板尽量工作在其最大功率点附近,也就需要根据实际情况,选择合适的工作电压。
太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵,亦称太阳能电池阵列。
太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关,面积越大,在相同光照条件下的输出功率也越大。
太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。
太阳能电池板提供的电力是一种电流有限的电压电源。
我们可在系统和电池充电所需的总电流超过太阳能电池板提供的电流时,通过降低充电电流并在MPP附近调节系统总线电压,从而使太阳能电池板给锂离子电池充电提供最大电力。
系统电源和电池充电电源控制架构是设计可靠的太阳能电池板供电系统的关键组成部分。
1.2.2太阳能充电系统效率分析
根据物理学可知,发电能力与负载无关,而发电设备的输出能力则是由负载所决定的,就是说,电能输出设备的输出最大能力取决于外部能量的输入和转换效率,而这些电能量能否完全被利用,则取决于负载设备。
1)电能系统分析
描述发电设备能力和电能利用关系可以用下式表示:
(1)
其中
是负载情况下的输出电能,
是在输入能量条件下所能转换的能量。
式
(1)指出,任何时刻发电设备发出的能量都与负载设备所消耗的能量相等。
对于一个发电设备来说,其最大输出能量
是一个固定的数值,而
则是由负载决定的能量。
在工程实际中,
叫做欠负荷,
叫做满负荷。
还有一种情况就是所需要的
,这种情况下仍然有式
(1)成立,但此时并不能完全满足负载所需要的电能,因此,在这时负载系统所得到的电能小于实际需要,而发电设备输出的电能等于
。
2)太阳能充电系统效率分析在太阳能充电系统中,为了尽量提供充电能力和效率,必须把充电系统划分为两个部分,一个是充电电路,一个是控制电路,这两个电路都会消耗电能。
对于充电电路,这部分消耗的能量是电池充电中所经过电路的损耗,对于控制电路,这部分是完成所需要的充电控制所需要消耗的能量。
由此可知,太阳能充电系统中,为了尽量提高充电效率,应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗。
设充电电路的功率损耗为
控制电路的功率损耗为
电池吸收的功率为
则根据能量守恒,得到
(2)
其中
是充电系统的输入功率。
由此
(3)
根据式(3)可得到充电系统的效率为
(4)
把式
(1)带入式(4)如果考虑满负荷工作
(5)
式(5)指出,充电效率与以下因素有关:
(1)充电电路和控制电路损耗;
(2)太阳电池的输出功率。
3)最大效率设计原则
由以上分析可知,为了保证充电效率太阳能充电系统必须满足:
(1)充电电池必须保证功率吸收能力;
(2)尽量减少充电电路和控制电路的损耗;
(3)选择合理的太阳能电池转换输出能量。
1.3系统总体结构设计
系统总体结构设计充电器如图1所示。
主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等,形成了一个闭环系统。
其中,单片机是电路的控制部分,PWM电路是整个电路的核心部分。
图1.1充电器电路模块
2硬件电路设计
2.1太阳能电路板部分
2.1.1太阳能电池模型
太阳能电池包括一个p-n接点,(光子)在此使得电子和空穴重新组合,从而产生电流。
由于p-n接点的特性类似于二极管,因此我们通常将图2.1所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。
图2.1太阳能电池的简化电路模型
电流源IPH生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。
在不接负载时,几乎所有生成的电流都流经二极管D,其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。
VOC因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。
但对大多数硅电池来说,VOC值都在0.5V~0.6V之间,这也是p-n接点二极管的正常正向电压范围。
并行电阻(RP)表示实际电池发生的较小漏电流,而Rs则表示连接损耗。
随着负载电流的增加,太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。
对大多数负载电流值来说,这对输出电压仅产生很小的影响。
2.1.2太阳能电池输出特性
图2.2示了太阳能电池的输出特性。
太阳能电池的输出随着二极管的I-V特性不同而略有变化,且串联电阻(RS)也会造成较小的压降,但输出电压基本保持为常量。
不过,在某一时刻,通过内部二极管的电流会非常小,导致偏置不足,这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。
最后,当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时,输出电压为零。
这种电流称作太阳能电池的短路电流(ISC),它与VOC都是决定电池工作性能的主要参数,因此,我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。
当输出电流增加时,输出电压会下降,最后降为零,这时负载电流为短路电流。
图2.2典型的太阳能电池I-V特性
实际上,通常不是通过计算,而是通过实验测试的方法得到。
在太阳电池的正负极两端,连接一个可变电阻R,在一定的太阳辐照度和温度下,改变电阻值,使其由0(即短路)变到无穷大(即开路),同时测量通过电阻的电流和电阻两端的电压。
在直角坐标图上,以纵坐标代表电压,横坐标代表电流,测得各点的连线,即为该电池在此辐照度和温度下的伏安特性曲线。
2.1.3最大功率追踪
在大多数应用中,理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。
由于输出功率是输出电压与电流的乘积,因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值,即所谓的最大功率点(MPP)。
在一种极端情况下,输出电压为最大值(VOC),但输出电流为零;在另一种极端情况下,输出电流为最大值(ISC),但输出电压为零。
在上述两种情况下,输出电压与电流的乘积均为零,因此,MPP必须在两种极端情况之间。
我们可以很容易地证明(或通过实验观察到),不管在何种应用,MPP实际。
实践中的问题在于,上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处(见图2.3)太阳能电池MPP的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化,因此,为了尽可能利用太阳能,系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。
图2.3太阳能电池输出特性
我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的MPP,不过这些方法通常会比较复杂,特别对卫星等关键任务系统来说更是如此。
不过,在许多低成本系统中,我们并不必强求MPP跟踪系统的精确性。
简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的90%左右就可以了。
充电控制系统如何让太阳能电池的工作接近MPP呢?
动态电源路径管理(DPPM)技术能满足跟踪MPP的设计挑战可实现太阳能电池板电力的最大化,且我们能用MOSFET来调节电池充电电流、充电电压或系统总线电压。
太阳能电池板用作电源,对单节锂铅酸电池进行充电。
太阳能电池板包括一系列硅单元串,每串包括11个硅单元,就好像电流有限的电压源,电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。
DPPM能够监控系统总线电压(VOUT)随电流限制电源的下降。
系统总线连接的电容(Co)开始放电,一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能电池板提供的电流,就会使系统总线电压下降。
一旦系统总线电压降到预设的DPPM阈值,电池充电控制系统将在DPPM阈值位置调节系统总线电压。
我们可通过降低电池充电电流来实现上述目的,从而获得太阳能电池板的最大电力。
DPPM控制电路设法达到稳定状态条件,使系统获得所需的电力,并用剩余电力给电池充电,这样,我们就能最大化太阳能电池板的电力,并提高系统的可靠性。
2.1.4太阳能电池板充电部分电路图
图2.4为太阳能电池板充电部分电路图,包括六个部分:
太阳能电池、输入电压采样、Buck电路,输出电压采样、充电电流采样、输出。
输入电压采样和输出电压采样均采用电阻分压式,将大电压转化为能够用于A/D转换的小电压,输入AVR单片机的A/D输入端口。
充电电流采样使用采样电阻,同样输入AVR单片机的A/D端口。
经过内部程序的处理,再来决定PWM的占空比,并实现最大功率追踪的功能。
采用Buck的原因有两个:
一是太阳能电池的输出电压过高,若用于铅酸蓄电池充电应进行降压处理;二是Buck电路中含有开关管,可以通过PWM的方式控制输出的电压和电流,并实现最大功率追踪。
本设计中的负载多样化也是一大亮点,包括电灯,LED,手机和蓄电池,这使得设计本身用途更加广泛,应用场合更加广阔。
当然,太阳能电池的应用远不只这些,在这里我仅做了几个简单的探讨而已
图2.4太阳能电池板充电部分电路图
2.2单片机部分
2.2.1单片机选型
单片机采用AVR系列单片机ATmega88-16PI。
技术资料如下:
∙高性能、低功耗的8位AVR微处理器
∙先进的RISC结构
o131条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期
o32个8位通用工作寄存器
o全静态工作
o工作于20MHz时性能高达20MIPS
o只需两个时钟周期的硬件乘法器
∙非易失性程序和数据存储器
o8K字节的系统内可编程Flash
▪擦写寿命:
10,000次
o具有独立锁定位的可选Boot代码区
▪通过片上Boot程序实现系统内编程
▪真正的同时读写操作
o512字节的EEPROM
▪擦写寿命:
100,000次
o1K字节的片内SRAM
o可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
∙外设特点
o两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
o一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
o具有独立振荡器的实时计数器RTC
o六通道PWM
o8路10位ADC(TQFP与MLF封装)
o6路10位ADC(PDIP封装)
o可编程的串行USART接口
o可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
o面向字节的两线串行接口
o具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
o片内模拟比较器
o引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU
∙特殊的微控制器特点
o上电复位以及可编程的掉电检测
o经过标定的片内振荡器
o片内/外中断源
o五种休眠模式:
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和待机模式
∙I/O和封装
o23个可编程的I/O口线
o28引脚PDIP,32引脚TQFP与32引脚MLF封装
∙工作电压:
oATmega88V:
1.8-5.5V
oATmega88:
2.7-5.5V
∙工作温度范围
o-40℃至85℃
∙工作速度等级
oATmega88V:
0-4MHz@1.8-5.5V,0-10MHz@2.7-5.5V
oATmega88:
0-10MHz@2.7-5.5V,0-20MHz@4.5-5.5V
∙极低功耗
o正常模式:
▪1MHz,1.8V:
240μA
▪32kHz,1.8V:
15μA(包括振荡器)
o掉电模式:
1.8V,0.1μA
本设计之所以选择AVR单片机是因为其具有PWM输出通道,A/D输入通道,可以满足设计需求,简化硬件电路。
而ATmega88-16PI是综合性能需求和价格之后的最好选择。
单片机的任务是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流以及电池的充电状态,并采用一定的算法寻找最大功率点。
2.2.2单片机主电路
图2.5所示为单片机主电路,除去电源、复位、晶振、下载线这些基本外围电路之外,还包A/D输入、PWM输出,LED显示、开关输入、负载控制输出。
A/D及PWM部分在前面已提及,在这里就不再赘述。
开关输入部分控制Lamp和LED输出,实现如下功能:
1未按时,二者均不亮;
2按一下,Lamp亮;
3按两下,LED亮;
4按三下,返回①;
负载控制输出用于控
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