【導(dǎo)讀】收集電能是控制方式最為簡(jiǎn)單，初期充電速度最快的恒壓充電方式，本文的設(shè)計(jì)主電路部分采用MC34063開關(guān)型電源芯片，控制電路部分采用ATmega16低功耗單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了性能穩(wěn)定、具有參考價(jià)值的電能收集充電器設(shè)計(jì)。
離網(wǎng)運(yùn)行方式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是我國(guó)遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島和特殊處所發(fā)展風(fēng)力發(fā)電進(jìn)而來(lái)解決其基本用電問題的主要運(yùn)行方式。由于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本上都建在人煙稀少的地區(qū)，因此盡可能的減少維護(hù)次數(shù)，增加元器件的使用周期就是整個(gè)項(xiàng)目需要達(dá)到重要指標(biāo)。蓄電池的最佳充電方式是階段式充電法，然而由于風(fēng)能的隨機(jī)性以及不確定性，使得其對(duì)于蓄電池的充電方式異常復(fù)雜。鑒于階段式充電方式在離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中難以控制，而恒流充電方式不能在短時(shí)間內(nèi)為蓄電池充足電能，故本項(xiàng)目選取了控制方式最為簡(jiǎn)單，初期充電速度最快的恒壓充電方式，收集電能。在電能收集器的系統(tǒng)中，依據(jù)電路實(shí)現(xiàn)的主要功能，電路可分為兩大部分：主電路以及控制電路。主電路部分采用MC34063開關(guān)型電源芯片，連接成升壓及降壓電路，分別對(duì)不同的輸入電壓采取不同的處理方式，最終輸出紋波小、性能高的電壓。控制電路部分采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega16低功耗單片機(jī)，相較于C51系列的單片機(jī)，本系統(tǒng)更加節(jié)能、控制速度更快、外圍元器件更少。實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)性能穩(wěn)定、具有參考價(jià)值的電能收集充電器。
1、硬件設(shè)計(jì)
電能收集器系統(tǒng)的兩大部分功能：主電路的功能是實(shí)現(xiàn)電能的變換，也就是將輸入的不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換為以恒壓方式輸出的電能;控制電路的主要功能則是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、控制主電路通路、顯示系統(tǒng)參數(shù)等。良好的硬件電路設(shè)計(jì)是整個(gè)項(xiàng)目必不可少的一部分。電能收集器模塊圖如圖1所示。
圖1：電能收集器模塊圖
1.1、電壓采樣電路
本設(shè)計(jì)預(yù)期風(fēng)機(jī)的輸入電壓為0～40 V，由于實(shí)驗(yàn)室直流源的輸入電壓值僅為0～32 V，故測(cè)量的參數(shù)僅僅只是預(yù)期值的一個(gè)子集。由于控制電路采用5 V直流供電，因此ATmega16的A/D采樣范圍就是0～5 V，為了能測(cè)量40 V的最大值，需要將風(fēng)機(jī)的輸入電壓值經(jīng)過(guò)一定比例的縮小后，再交由單片機(jī)處理。
使用一個(gè)滑動(dòng)變阻器，將風(fēng)機(jī)輸入的電壓經(jīng)電阻分壓后再由單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這種方法最重要一點(diǎn)就是需要對(duì)輸入電壓Vin進(jìn)行標(biāo)定，即使用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的直流源與ATmega16的A/D進(jìn)行對(duì)比，不斷調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的旋鈕，直到整個(gè)0～40 V的范圍內(nèi)誤差最小。標(biāo)定的準(zhǔn)確性在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)A/D的準(zhǔn)確性。一旦完成對(duì)輸入電壓的標(biāo)定之后，就必須對(duì)可調(diào)電阻的調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行固定(如進(jìn)行蠟封、漆封)不可以再改變滑動(dòng)變阻器的阻值。如圖2所示。
圖2、圖3、圖4
1.2、升降壓通路選擇電路
本項(xiàng)目中DC/DC變換是硬件電路中最重要的部分，包括升壓和降壓。升降壓通路選擇電路在本設(shè)計(jì)中顯然更為重要，系統(tǒng)核心元件ATme ga16監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)輸入電壓后，即通過(guò)此電路選擇是升壓還是降壓部分切換到主電路中，實(shí)現(xiàn)蓄電池充電。ATmega16單片機(jī)的輸出電流最大可達(dá)20 mA，只需配合一個(gè)普通的三極管就能夠控制繼電器了。本項(xiàng)目以PNP三極管為例，設(shè)計(jì)出如圖3所示的通路選擇電路：當(dāng)輸入電壓小于14 V時(shí)，ATmega16的PORTC.2引腳輸出高電平，三極管截止，繼電器兩端失電，觸點(diǎn)為動(dòng)斷，選擇升壓通路;而當(dāng)輸入電壓大于或等于14 V時(shí)，ATmega16的PORTC.2引腳輸出低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器兩端得電，觸點(diǎn)為動(dòng)合，選擇降壓通路。圖3中二極管作用是吸收繼電器線圈斷電產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，防止反向電勢(shì)擊穿三極管;電阻和發(fā)光二極管組成一個(gè)繼電器狀態(tài)指示電路，當(dāng)繼電器吸合時(shí)，LED亮，可直觀看到繼電器狀態(tài)，便于電路調(diào)試與查錯(cuò)。
2、軟件設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)利用Protues仿真軟件完全可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容(由于篇幅關(guān)系，這里不作詳細(xì)介紹);本設(shè)計(jì)程序的開發(fā)將圍繞著ATmega 16的特性來(lái)論述。電能收集器的程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將待開發(fā)的軟件系統(tǒng)劃分為若干個(gè)相互獨(dú)立的模塊，主要包括主程序模塊和子程序模塊。主程序流程圖如圖4所示，主程序開始首先進(jìn)行初始化，包括參數(shù)初始化、禁止JTAG使能、系統(tǒng)硬件初始化及液晶初始化。初始化程序僅在開機(jī)運(yùn)行時(shí)執(zhí)行一次，執(zhí)行完畢后，程序就進(jìn)入到循環(huán)中，持續(xù)處理系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)。在主程序的循環(huán)當(dāng)中，包含有A/D子程序、液晶顯示子程序、測(cè)溫子程序等，正是有了主程序?qū)@些子程序的正確調(diào)用，整個(gè)系統(tǒng)才能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。
3、數(shù)據(jù)測(cè)試與分析
該設(shè)計(jì)使用的蓄電池為12 V鉛酸蓄電池，充電電壓取為13.8 V。結(jié)合圖5的曲線可知，該電能收集器的輸入/輸出特性曲線較平滑，在3～32 V輸入條件下，空載輸出電壓大都能保持在1.3,61～13.99 V之間，且輸出電壓的范圍在恒壓適宜充電區(qū)間(即13.2～14.4 V)之內(nèi)，所以電能收集器的空載電壓基本上滿足了設(shè)計(jì)要求。但是，由圖5可知，電能收集器在輸入略大于14 V時(shí)，有一小段輸出電壓較低——最低僅有12.65 V，這主要是由于電能收集器在輸入大于14 V后，繼電器觸頭發(fā)生跳變，主電路由升壓電路切換為降壓電路所致。解決方法之一，可以將繼電器的切換電壓增大，那么特性曲線就能更加平滑。
圖5、圖6：數(shù)據(jù)測(cè)試與分析
隨著測(cè)量電壓值的增大，A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量的誤差絕對(duì)值也在增加(如圖6所示)，但是總體上還是能比較準(zhǔn)確的反應(yīng)出實(shí)際電壓值的大小。就相對(duì)誤差來(lái)說(shuō)，除了1 V和2 V的相對(duì)誤差比較大之外，其他的誤差值都小于5%，所以本項(xiàng)目的A/D轉(zhuǎn)換比較可靠。
4、結(jié)語(yǔ)
該電能收集充電器設(shè)計(jì)主電路采用MC34063開關(guān)型電源芯片，連接成升壓及降壓電路，分別對(duì)不同的輸入電壓采取不同的處理方式，最終輸出紋波小、性能高的電壓。控制電路采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega16低功耗單片機(jī)，與C51系列的單片機(jī)相比，本系統(tǒng)更加節(jié)能、控制速度更快、外圍元器件更少。
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