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隨著經濟的發展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。現有電力能源的來源主要有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，因此會導致溫室效應和酸雨，惡化地球環境。而水電有可能導致生態環境破壞，一個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，但萬一發生核泄漏，后果非常嚴重。在這種條件下就迫使人們去尋找新能源。新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭;二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環境。目前找到的新能源主要有：太陽能，風能和燃料電池。其中，最理想的新能源是太陽能。 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。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，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 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。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。 在開發工具上，ATmega16 系列單片機支持先進的JTAG 調試，其硬件仿真工具(仿真器)只是一個非常簡單的USB 轉換器，其軟件集成開發環境由著名的IAR 公司提供，在實際調試使用時非常方便，能對相應的數據進行實時觀測和對程序的執行情況進行判斷，在系統整合方面，ATmega16 系列單片機根據不同產品系列，集成了多種不同的功能模塊，包括定時器、模擬比較器、多功能串行接口、硬件乘法器、ADC、看門狗定時器(WDT)、I/O 端口、RAM、PWM 以及豐富的中斷功能。使用戶根據自己的需求，選擇合適的ATmega16 單片機。 2 太陽能充電控制系統方案設計 系統主要實現獨立光伏路燈太陽電池板的最大功率跟蹤功能。在太陽電池板處于工作狀態，即整個光伏系統處于充電狀態時，控制器在光電流達到一定值后(本系統設定為0.3A)，實現對電壓、電流數據的檢測，通過快速的控制算法，調節蓄電池兩端的充電電壓，實現太陽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，縮短充電時間，提高充電效率。系統的實現主要應解決如下幾個方面的問題： (a)太陽電池板輸出電壓的檢測：檢測太陽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，太陽電池開路電壓低于8 V 時，因為其低于電池的充電要求，因而進行卸載處理。 (b)鉛酸蓄電池容量的檢測：系統為了盡可能地保護蓄電池，延長其壽命，將根據不同的容量和蓄電池不同的狀態采取相應的充電控制策略。 (c)太陽電池板輸出電流檢測：據此得出輸出功率，使系統通過一定的算法和控制手段，使系統工作在最大功率點。 (d)PWM 輸出控制：根據輸入輸出檢測模塊的數據實時調整蓄電池的充電電壓和電流和卸載放電功能，實現智能充放電控制。 (e)中央處理系統：實現高效的信息處理和各個功能模塊的控制。 由此，我們設計出了系統整體硬件電路結構模型，見圖1。從圖中可以看出，整個電路由六個功能模塊組成：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。 當太陽電池板正常工作輸出時，其過程為：首先檢測該電壓能否達到電池的充電要求，在滿足基本充電要求的情況下通過控制器對電池兩端的電壓進行實時監控在適合電池工作的三種情況下，通過ATmega16 微處理器的PWM 模塊輸出控制充電電壓和電流。 3 太陽能充電系統最大功率跟蹤算法的實現 光伏系統電流的變化是隨著外界環境變化而變化的，要想實現光伏系統的最大功率跟蹤，一般可以通過兩個步驟來完成：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;第二步是通過控制手段，使光伏方陣工作在最大功率點。該控制系統的總體程序流程圖如圖2 所示。光伏發電擾動觀察法是最常用的MPPT 控制方法之一，其原理是每隔一定的時間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，并觀測之后其輸出功率變化方向，來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，通過兩個傳感器對光伏陣列輸出電壓及電流分別進行采樣，并計算獲得其輸出功率。該方法雖然算法簡單，且易于硬件實現，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合。而且穩態情況下，這種算法會導致光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近小幅振蕩，因此會造成一定的功率損失，而日照發生快速變化時，跟蹤算法可能會失效，判斷得到錯誤的跟蹤方向。針對這種算法在實際應用中遇到的情況，根據本系統實際提出了一種實用的改進算法。在本獨立光伏路燈系統中，是要對蓄電池進行充電，需要考慮實現最大功跟蹤的同時，還要兼顧最大限度的延長蓄電池的壽命，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。 本文提出一種改進的最大功率跟蹤方法，首先根據蓄電池的當前狀態來判斷需不需要充電，然后根據電路前級檢測到的光伏電池發電的電壓和電流大小來決定最大功率點的設定，將光伏發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。在光伏發電輸出調理電路的前級和后級的參數檢測過程中，每隔一定的時間連續采集10 個相鄰的電壓、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，進行均值濾波，并同時得到此時的電壓和電流的大小，在整個控制采集數據的過程中，為了有效地消除隨機干擾，我們在程序中設定一個幅度比例系數，即每兩個信號的幅度采集值要有一定的比例關系，若超過這個比例，則認為是干擾信號，便進行這個數據的重新采樣，連續超過三次采樣數據都是干擾信號時，系統則自動取消這一次測量。對于采集到的有效數據，經過了均值濾波后，可以消除一定的噪聲干擾，要得到更好的點參數數據，我們把采集到的數據進行LMS(即自適應最小均方濾波器)濾波，該濾波器的應用較簡單，它是最陡下降梯度算法，用梯度的瞬時值迭代，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，通過試驗，我們選定濾波器階數為三階，收斂因子μ(步長)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) 為觀測樣本;X (k-1)為過去的觀測樣本矢量;WT(k-1)X(k-1)表示基于過去的觀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，預測誤差最小等價于恢復誤差 最小。通過LMS 濾波器后，我們可以得到比較理想的數據，為實時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時找到最大功率點，從而實現了對太陽能的最優利用和蓄電池的科學管理。 4 結束語 美國英特梅爾(ATMEL)公司推出的ATmega16 系列單片機具有低功耗、實時處理能力強、運行速度快等優點，性價比高，正日益得到廣泛的應用，尤其在自動信號采集系統、便攜式設備、長時間工作裝置中，體現了它的特點，本文所述的智能太陽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，大大簡化了外圍電路的設計，從而提升了整個控制系統的性能。 |
