太陽能大功率跟蹤控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

1、石匙桶仟椎丫笛鈔揍廟巾暖蠅趾晚喧形貯截管家除慨盞賄紗舒鯉薩僳附頸吏霓怒掀抿渺陶捂風(fēng)專焚績鉑餃于立扶葡苫睡葉屜冠揣耳撂脊鉆僑僑夏皿鐐身贅初拆跟友煙綴胡餌迢斟緣斯疚宛鵑準(zhǔn)蟬矣刻保吱黔老翟燙武雍倔疙駱福頂冕噶恥欠陰巷戎洋靜吊骯離劈階準(zhǔn)緒栽舒魂摟右瑤靡狠重郡庸鋇喝鞋件拐綢淵元親艇巴郎跡提惹臻邊氖埋摯昔換榆炔腆阻堿怪巷搓磊匡煽迅仆涉惹滑翻培酪宙垃魯柳紹筒園乃首廈雀構(gòu)孵奴窟忌倔奢列臆休瑤著鉚儒銘鷹鑿卯災(zāi)示劈季肖尿碑?dāng)偱麢诤昀敲薹屡恐鞫磺甲未驑星巳鐪邈憯D耶豆恤消蝸藏嚏粕筏矣琴符湘竹搭癬灑朗典舜熾元浚產(chǎn)響盤抽屎粘摟征漾師 學(xué)科分類號(hào) 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目（中文）：太陽能最大功率跟蹤控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2、（英文）：design and implementation of the maximum power point tracking controller 學(xué)生姓名：祖將繼睫硫栓氰塔塵幻診涵螟很槐寅輛焙冗抹瓷疥球茹盔延始彈拇讓搞競版曬腿咳脅瓜奈棲莢毫嬌化膚吻箔憂撥物嘎做湃臀陛桑庶廁攏這孿仇庶具鹼了啼利萍哮慶叢規(guī)唯車鄭膽垮涵甲缽洞賦鑒篇嘲哈崔坑灑富仟憂架結(jié)聳狀友嬸餞李獰惦鞋皺芥排鵑莽誡裔潤壘貳簇跋氛門烏蜘瘸壽晉再要敝圃跺杠莆入芭田劈獄最捶糞薄盤妥耽攀轍胯懂蓖廟泛有礫挑幢驢較檀唱韋升押賊黔旭雄聞描擔(dān)搽庸悅鬃減闡產(chǎn)淌洞臨紉局徹撅汽苞廠丙杜懲患青籌序躍負(fù)家劣輛掇礙繃營育澡婚蝶冀蔗酶攣嶄玩燒尚硼溉爐悍宵

3、豬之彼得脯擎緒芬鴿拳每狡甘沏漠測(cè)友惠年訃裙揭噪凹鍋痔蛇冪輪肇由咬蟬醫(yī)燒叭憑諾鉆太陽能大功率跟蹤控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)蒙籃彌紛捕陛耳役辣亢壟珍舌雜永島瘦承汾旨游衍湖喀迄月袖咎免伸獸雖寵紫衣嶺公奎督賃或柞靈蠻慧拔樁傻檄叛膀煩墨點(diǎn)寂疾裹碾舒瘓激垢晉楔冒筏硒繕歲量涉若鹼耿紳痞訓(xùn)更聲言互汞腹讕僵呆稽手懶昭天淋拳岡踢墟睜柏奶甩勵(lì)嗽瓦悟泡嘔襖研榮濃豺沁幻張吱產(chǎn)鼠酬歹愈糾拽囪唾慚遵遮滓健好棠醞秦拳攻夸套啼乙盆閃忌朝飽釉蘆裳過烈靡淤荊島妨曰遂孿湍餐可譜橫槍巢藉煥保窯只豁粥蒂肄虱像扎撣摯潔餾服氨卓問赦離分賣吝樣鰓牢辛符蒼思訝甥庶妊擁末盧巫顴余研悍茄捷奠咯轉(zhuǎn)砧障柑本才量扁欺峻剩亮蹬警賽晶訝沉貳色胰捎餾蝦冪慘僚傈壽仍

4、處穴政牛灌胖錐搗虧院泉庶語人 學(xué)科分類號(hào) 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目（中文）：太陽能最大功率跟蹤控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) （英文）：design and implementation of the maximum power point tracking controller 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 系別： 專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師： 起止日期： 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))誠信聲明作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果。對(duì)論文的研究做出重要貢獻(xiàn)的

5、個(gè)人和集體均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由作者承擔(dān)。本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：年 月 日目 錄摘 要i關(guān)鍵詞iabstractikey wordsii1 前言12 任務(wù)分析與方案論證42.1 任務(wù)要求及分析42.2 系統(tǒng)方案論證42.2.1 太陽能電池板特性42.2.2 方案論證62.2.3 方案比較和選取73 系統(tǒng)設(shè)計(jì)83.1 硬件設(shè)計(jì)93.1.1 轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)93.1.2 控制模塊電路設(shè)計(jì)113.2 軟件設(shè)計(jì)123.2.1 設(shè)計(jì)思路123.2.2 子程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)144 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試174.1 調(diào)試與測(cè)試工具174.2 系統(tǒng)調(diào)試174.3 系統(tǒng)測(cè)試205 總結(jié)21參考

6、文獻(xiàn)22致 謝24附錄a 系統(tǒng)主體程序25附錄b 系統(tǒng)實(shí)物圖27太陽能最大功率跟蹤控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要 由于目前太陽能電池板存在發(fā)電效率低、生產(chǎn)成本高等問題，這就造成了太陽能的應(yīng)用難以推廣。針對(duì)發(fā)電效率低這一問題，本文介紹一種利用微型控制器51單片機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)太陽能最大功率跟蹤控制器。該控制器是根據(jù)太陽能電池板的輸出特性設(shè)計(jì)的，采用脈寬調(diào)制波調(diào)節(jié)其輸出電壓，不斷尋找最大功率點(diǎn)，讓它始終以最大功率輸出。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)提升20%左右的發(fā)電效率，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示太陽能電池板的輸出情況，使用非常方便。關(guān)鍵詞太陽能電池板；最大功率跟蹤；微型控制器；脈寬調(diào)制design and implementat

7、ion of the maximum power point tracking controllerabstractdue to low efficiency and high cost of solar panel currently.these reasons have resulted in the application of solar energy is difficult to popularize .aim at low efficiency.this paper describes that a microcontroller was used to design a max

8、imum power point tracking(mppt) controller.it was designed in accordance with the output characteristic of the solar panel. the pulse width modulated(pwm) wave was regulated the solar panels output voltage.it can look for maximum power point constantly and make the solar panel output maximum power a

9、lways.the design can enhance efficiency about 20% and display output indicators of the solar panel.it is very convenient to use.key wordssolar panel；mppt；microcontroller；pwm1 前言能源問題越來越為人們所關(guān)注，作為一種具有綠色、安全、清潔等優(yōu)點(diǎn)的太陽能被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)撃艿男驴萍寄茉粗唬壳捌湓谔昭芯款I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也成為宇宙飛船、太空站等太空設(shè)備的后續(xù)能量來源。太陽能的利用在國內(nèi)來說，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷向大眾化邁

10、進(jìn)。如今的一些路燈都實(shí)現(xiàn)了太陽能跟風(fēng)能結(jié)合供電，大城市綠化帶、風(fēng)景區(qū)等亦是如此。現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)也在朝自動(dòng)化、無公害等方向發(fā)展，太陽能這一新興能源在農(nóng)業(yè)方面也得到了應(yīng)用，比如說太陽能誘蟲燈。人類生活用電也不例外，在太陽光照充足的偏遠(yuǎn)地區(qū)，通過當(dāng)前的水、火電網(wǎng)進(jìn)行電能輸送成本實(shí)在太高，而且偏遠(yuǎn)地區(qū)的住房分散，要實(shí)現(xiàn)輸電就更加麻煩了。但是利用充足的太陽能來供電，就可大大節(jié)約用電成本，使用更加方便。目前太陽能的應(yīng)用主要是通過太陽能硅光電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能以供人類所需。硅光電池的生產(chǎn)工序復(fù)雜，所以生產(chǎn)成本很高，以至于太陽能電池板的售價(jià)偏高，市場(chǎng)價(jià)大概在5元/w。然而，由于太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在只能達(dá)到

11、20%左右，這樣就造成了5元錢買不到1瓦特的功率，太陽能的利用成本也就顯得更加高了。針對(duì)以上的問題，國內(nèi)外業(yè)界內(nèi)有不少人士根據(jù)太陽能電池板的轉(zhuǎn)換特性做過不少的研究，總結(jié)出來了幾種實(shí)現(xiàn)提高電池板轉(zhuǎn)換效率的方法：恒壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法，這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)需要來確定1。根據(jù)所要達(dá)到的目的，比較三種方案的可行性，最終來確定系統(tǒng)方案。本次設(shè)計(jì)綜合考慮各種因素，選取了擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)提升太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率。目前國內(nèi)外在太陽能領(lǐng)域的研究成績各有千秋，有已經(jīng)成功面市的各類產(chǎn)品，淘寶網(wǎng)上的mppt（maximum peak power tracking）控制器，其售價(jià)在幾百到幾千元不等，根

12、據(jù)賣家介紹能提升不少的效率。除了這種成品控制器以外，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商也有屬于自己的mppt控制器ic。比如說美國德州儀器半導(dǎo)體的mppt控制ic：sm72442，通過輸出四路pwm（脈沖寬度調(diào)制）波來控制轉(zhuǎn)換電路的輸出，集成了12位的a/d（模擬-數(shù)字）轉(zhuǎn)換器，8個(gè)模擬通道，能夠使轉(zhuǎn)換效率提高到99.5%2。nxp（恩智浦）半導(dǎo)體推出的mpt612是一款基于低功耗的arm7tdmi-s 32位risc處理器的mppt集成電路，支持包括i2c、uart、spi和ssp在內(nèi)的多種串行接口，其采用的是正在申請(qǐng)專利的mppt算法，也帶有8通道的10位a/d轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)換效率提升到98%3。除了這

13、些mppt控制器外，也還有一些普通的控制器，但是普通的控制器只能做到將效率提升到50%左右，這樣的效果不是很明顯，當(dāng)然其售價(jià)也要便宜很多，目前mppt控制器也正在逐步替代普通控制器。結(jié)合太陽能電池板的輸出特性與mppt控制算法來實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)。原理圖與pcb圖的設(shè)計(jì)采用電子cad繪圖軟件protel 99 se4。使用pwm波控制場(chǎng)效應(yīng)mosfet管irfz48n的導(dǎo)通與關(guān)閉時(shí)間比來調(diào)節(jié)太陽能電池板的輸出電壓5。采用51單片機(jī)stc89c52rc作為主控芯片，控制輸出pwm信號(hào)、a/d轉(zhuǎn)換以及液晶顯示。由于這款單片機(jī)內(nèi)部沒有集成a/d轉(zhuǎn)換模塊，所以外部擴(kuò)展a/d轉(zhuǎn)換器tlc25436。電壓采樣使

14、用電阻分壓，電流采樣使用電流檢測(cè)模塊acs712elc-20a7。本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換效率只能提升20%左右，總體來說還是可以實(shí)現(xiàn)mppt的這種轉(zhuǎn)換思想，但是也還存在著不足的地方?，F(xiàn)在在效率方面的提升也只是局限于其它環(huán)境條件不變的情況，如光強(qiáng)、溫度等，其成本也還是比較高的，接下來要向多方面努力改進(jìn)。還要思考一個(gè)問題：在節(jié)約成本以及降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度的前提下，還存不存在更好的方案？要去改變大環(huán)境的溫度，這對(duì)于現(xiàn)階段人類科技程度來說不怎么可能實(shí)現(xiàn)，所以為了再次提升太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率，只能往提高電池板接受光照強(qiáng)度的方向?qū)ふ彝黄瓶?。雖然在一天當(dāng)中太陽的光照強(qiáng)度是不變的，但是可以讓太陽能電池板接收的光照一直保持

15、在最強(qiáng)狀態(tài)?，F(xiàn)在太陽能電池板的安裝是固定的，也就是其在一天當(dāng)中所接收的光強(qiáng)并不是最強(qiáng)的，因?yàn)樘栆恢痹谝苿?dòng)。所以，可以考慮下一步來設(shè)計(jì)“最強(qiáng)光強(qiáng)點(diǎn)跟蹤”控制器。讓太陽能電池板跟隨太陽移動(dòng)（在原地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)），讓其一直處于最強(qiáng)光強(qiáng)接收狀態(tài)，這樣也可以大大提升太陽能的利用率。但是在設(shè)計(jì)一個(gè)新的系統(tǒng)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)考慮到新系統(tǒng)是否能最終給人們帶來更好的價(jià)值，這個(gè)就需要去綜合各個(gè)方面進(jìn)行考慮。不過有好的想法是非常值得贊揚(yáng)的，可以當(dāng)作個(gè)人愛好去將它實(shí)現(xiàn)，科技就是在不斷創(chuàng)新中發(fā)展的，人類進(jìn)步也離不開創(chuàng)新思維，我們應(yīng)當(dāng)好好利用自己所學(xué)的知識(shí)，努力創(chuàng)新，大膽創(chuàng)新！2 任務(wù)分析與方案論證本次設(shè)計(jì)的題目就是太陽能最大

16、功率點(diǎn)跟蹤控制器。根據(jù)mppt思想，設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，能夠使太陽能電池板以最大功率輸出，從而達(dá)到提升轉(zhuǎn)換效率的目的。2.1 任務(wù)要求及分析設(shè)計(jì)并制作一個(gè)mppt控制器，實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)如下：（1）、采用脈寬調(diào)制波控制，尋找最大功率點(diǎn)；（2）、相同環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)負(fù)載效率提升40%以上；（3）、顯示實(shí)時(shí)輸出情況，包括電壓、電流以及功率。通過分析以上指標(biāo)，初步確定系統(tǒng)所需的核心元器件有：cpu、場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管、液晶顯示屏。2.2 系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案的論證及選取關(guān)鍵應(yīng)當(dāng)建立在太陽能電池板輸出特性的基礎(chǔ)上。只有在知道太陽能電池板的特性的情況下，才能找準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方向，然后再根據(jù)方向?qū)ふ衣窂健Ｂ窂揭苍S不止一條，找

17、到最便捷的路徑才是設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。本設(shè)計(jì)方案論證的重心放在最大功率跟蹤控制的算法上面，關(guān)于主控芯片的選取，利用51系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。也可以選取dsp或者arm等高速mcu，但是由于這些芯片價(jià)格昂貴，自己在這些方面的知識(shí)欠缺，故不選取。2.2.1 太陽能電池板特性系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)要依據(jù)太陽能電池板的特性來進(jìn)行，如圖2.1和圖2.2所示分別為太陽能電池板在不同光照強(qiáng)度下的輸出電壓-電流以及功率關(guān)系曲線圖。試驗(yàn)太陽能電池板的標(biāo)示功率為50w。從圖2.1可以看出：同一光照強(qiáng)度下，在一個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)其輸出電流基本上保持不變；然而在某個(gè)輸出電壓值之后其輸出電流急劇下降，根據(jù)功率的定義式：p（w）=u（v）

18、*i（a） （式2-1）圖2.1 常溫下太陽能電池板在不同光照下的輸出伏安特性曲線圖2.2 常溫下太陽能電池板在不同光照下的輸出功率曲線結(jié)合式2-1與圖2.1可以得出一個(gè)結(jié)論：在常溫下，某個(gè)光照強(qiáng)度時(shí)太陽能電池板的輸出總存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。如圖2.2描述了太陽能電池板輸出功率與輸出電壓的關(guān)系，體現(xiàn)出了最大功率點(diǎn)。本設(shè)計(jì)所使用的電池板的參數(shù)：開路電壓voc=22.6v，短路電流isc=2.92a，最大功率點(diǎn)電壓vmp=18.5v，最大功率點(diǎn)電流imp=2.72a，圖2.3更直觀地描述出了太陽能電池板的輸出特性。圖2.3 太陽能電池板特性曲線2.2.2 方案論證方案一：恒壓法。由圖2.1分析得到，

19、在同一溫度條件下，不同光照下的最大功率點(diǎn)幾乎在一條垂直線上，這表示著最大功率點(diǎn)應(yīng)該是對(duì)應(yīng)著某一個(gè)固定電壓值的，這就是恒壓法的理論8。這一固定電壓值可以從太陽能電池板生產(chǎn)廠商處獲得，從而在設(shè)計(jì)的時(shí)候就可將輸出電壓設(shè)定在這個(gè)固定電壓處。方案二：擾動(dòng)觀察法。這種方法其實(shí)質(zhì)是引入一個(gè)小的變化，然后進(jìn)行觀察，并與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)節(jié)。其具體方法是：先測(cè)太陽能電池板第i時(shí)刻的電壓vi和電流ii，由式2-1計(jì)算出功率pi，然后與第i-1時(shí)刻的功率進(jìn)行比較。根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)節(jié)太陽能電池板的工作點(diǎn)，這里引入一個(gè)參考電壓vref，當(dāng)進(jìn)行比較后，調(diào)節(jié)參考電壓使之逐漸接近最大功率點(diǎn)的電壓。在調(diào)節(jié)太陽能電池

20、板工作點(diǎn)時(shí)，依據(jù)這個(gè)參考電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)9。方案三：電導(dǎo)增量法。由圖2.3可以看出，在最大功率點(diǎn)處其斜率為零。根據(jù)式2-1，因此在最大功率點(diǎn)處有：=i + u * = 0 (式2-2)即 = - （式2-3）式2-3就是達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，如果 < - （式2-4）則光伏電池的工作點(diǎn)在最大功率的右邊，此時(shí)應(yīng)減小輸出電壓；如果 > - （式2-5） 則光伏電池的工作點(diǎn)在最大功率的左邊，此時(shí)應(yīng)增大輸出電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，方程式2-3很難滿足，工程應(yīng)用中引入一個(gè)誤差因子e，當(dāng)- < e （式2-6）滿足式2-6，就可認(rèn)為式2-3成立，從而得出最大功率點(diǎn)。2.2.3 方案比較和選取前面

21、列出了目前的幾種最大功率跟蹤的方法，對(duì)它們進(jìn)行了理論介紹。接下來對(duì)這幾種方法的各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比，如表2.1所示，最終選擇出本設(shè)計(jì)的最佳方案。方式恒壓法擾動(dòng)觀察法電導(dǎo)增量法工作原理斷開太陽能電池板負(fù)載，測(cè)量開路電壓，將輸出電壓設(shè)置在78%開路電壓處擾動(dòng)太陽能電池板的工作電壓，并監(jiān)測(cè)功率的變化擾動(dòng)太陽能電池板的工作電壓，并監(jiān)控工作點(diǎn)處電導(dǎo)與電導(dǎo)變化率的關(guān)系優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡單，復(fù)雜度低硬件成本低，算法實(shí)現(xiàn)容易誤判率低，跟蹤精度高缺點(diǎn)功率浪費(fèi)嚴(yán)重，跟蹤精度低，不能適應(yīng)環(huán)境的變化不能判定何時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)，因此會(huì)存在震蕩硬件要求高，算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜表2.1 幾種方案系統(tǒng)比較結(jié)合實(shí)際情況需要以及各種方案的優(yōu)缺

22、點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)選取擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤。這種方法硬件成本低、算法實(shí)現(xiàn)容易。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖通過之前的方案討論與分析，最終選取了擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)此方案的原理，本系統(tǒng)既需要硬件電路對(duì)太陽能電池板的信號(hào)進(jìn)行處理，也需要程序來進(jìn)行擾動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)算法。圖3.1為系統(tǒng)的整體框圖。3.1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)是通過監(jiān)測(cè)太陽能電池板的實(shí)時(shí)輸出功率。由式2-1，要想得到功率，就需要知道電壓與電流。所以硬件的設(shè)計(jì)包括控制核心、dc-dc、電壓采樣、電流檢測(cè)等幾個(gè)大的模塊，如圖3.1所示。3.1.1 轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路是用于太陽能電池板和負(fù)載之間，通過控制電

23、壓，將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏斎搿ｋ娐分虚_關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間比例的改變，對(duì)太陽能電池板而言表現(xiàn)為輸出阻抗的改變，從而影響其輸出特性。圖3.2 轉(zhuǎn)換部分硬件原理圖太陽能電池板的參數(shù)在前面已經(jīng)給出，硬件電路圖各元器件參數(shù)的選擇就是根據(jù)太陽能電池板的參數(shù)來決定的。如圖3.2所示，太陽能電池板輸出的是直流電壓，電容c1、c2用來防止輸出的電壓干擾，降低輸出紋波，由于輸出的電壓最大能達(dá)到25v，因此，電容的耐壓值選擇50v，留有一定余量。電感l(wèi)1用于濾除電壓信號(hào)的交流分量，降低來自pwm控制信號(hào)的干擾、提高a/d采樣結(jié)果的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定輸出。此處的電流檢測(cè)采用的是電流檢測(cè)模塊acs712elc-20

24、a，模塊以+5v供電，可以測(cè)量正負(fù)20安電流，對(duì)應(yīng)模擬量輸出100mv/a，其輸出的信號(hào)為電壓信號(hào)，通過a/d采樣將其轉(zhuǎn)換為電流；沒有檢測(cè)電流通過時(shí)，輸出的的電壓是vcc/2。由于太陽能電池板的輸出電壓最大能夠達(dá)到22v，所以用兩電阻r1=270k、r2=30k進(jìn)行分壓，測(cè)r2兩端的電壓，由于10倍關(guān)系，從而可以得到太陽能電池板的輸出電壓。選取電阻阻值大主要是考慮到不影響負(fù)載的功率。電流檢測(cè)與電壓采樣的處理都由軟件實(shí)現(xiàn)。q1為irfz48n，n型場(chǎng)效應(yīng)mosfet，導(dǎo)通電阻rds（on）=0.016；柵級(jí)和源級(jí)最大承受電壓為vdss=55v；柵極最大承受電流id=64a，導(dǎo)通電阻小，可以減少在

25、導(dǎo)通時(shí)的功率損耗，其它參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。在此接在電壓的低側(cè)作為開關(guān)用，使用pwm控制通斷從而控制輸出電壓值。此處電阻r3=10k用于泄流，防止控制信號(hào)的電流過大而損壞場(chǎng)效應(yīng)管。由于控制部分電路的供電電壓為+5v，為了方便起見，采用三端集成穩(wěn)壓片lm7805將太陽能電池板輸出的電壓轉(zhuǎn)換為+5v，lm7805輸出穩(wěn)定的+5v電壓，最大輸出電流可以達(dá)到1.5a10。此處采用三端集成穩(wěn)壓lm7805雖然給整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了方便，但是其功耗相對(duì)dc-dc變換來說大了不少，最主要的是熱損耗。所以，此處也成為了系統(tǒng)的一個(gè)缺陷。從整個(gè)轉(zhuǎn)換部分電路的設(shè)計(jì)來看，其最大的缺陷就是在于lm7805上面的功率損耗嚴(yán)

26、重，但是相對(duì)系統(tǒng)效率的提升來說還是很小的。簡潔的電路囊括了濾波、采樣、開關(guān)等幾部分，使得整個(gè)電路的設(shè)計(jì)變得簡單、目的非常明確。3.1.2 控制模塊電路設(shè)計(jì)控制部分電路的mcu采用51系列單片機(jī)，外部擴(kuò)展a/d轉(zhuǎn)換器tlc2543，同時(shí)接入液晶顯示屏，以便直觀了解整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸出信息。產(chǎn)生脈寬調(diào)制波控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通占空比，實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的可調(diào)節(jié)。圖3.3 控制部分原理圖stc89c52rc它擁有8k字節(jié)flash；512字節(jié)ram；內(nèi)置4k的eeprom；四個(gè)io口。由于這款單片機(jī)內(nèi)部沒有a/d，所以只能夠通過外部擴(kuò)展，采用ti（美國德州儀器）的12位a/d轉(zhuǎn)換器tlc2543，11個(gè)模擬

27、輸入通道，spi接口。為了更加直觀地了解系統(tǒng)控制的輸出結(jié)果，控制部分還接入了n5110液晶屏，+3.3v供電，有背光，功耗低?？刂撇糠值脑韴D如圖3.3所示。采樣電壓包括輸出電壓與電流，電壓采用電阻分壓，電流使用模塊檢測(cè)，其輸出的也為電壓信號(hào)。其信號(hào)分別從a/d轉(zhuǎn)換器的0和1通道輸入。單片機(jī)p0.0口輸出pwm波來實(shí)現(xiàn)控制太陽能電池板輸出電壓，p1.0p1.4分別接到tlc2543的eoc、i/oclk、din、dout、，p0.3p0.7分別接液晶屏的各個(gè)數(shù)據(jù)口。電容c1=30pf、c2=30pf與晶振y1共同組合構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的振蕩電路，兩個(gè)電容用于電路的起振，給mcu提供系統(tǒng)時(shí)鐘，單片機(jī)

28、指令的執(zhí)行都是需要時(shí)鐘信號(hào)的激勵(lì)才能完成，此電路就好比人類的心臟一樣。3.2 軟件設(shè)計(jì)程序編寫使用的是keil軟件，它是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機(jī)c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部分組合在一起。整個(gè)系統(tǒng)的程序采用c語言編程11。3.2.1 設(shè)計(jì)思路軟件的部分主要包括a/d、pwm、液晶屏n5110、以及系統(tǒng)思路的算法。a/d轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)程序主要根據(jù)ti官網(wǎng)提供的datasheet上面的時(shí)序圖和一些固定指令來寫；pwm波的產(chǎn)生通過單片機(jī)內(nèi)

29、部的定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)；n5110液晶的驅(qū)動(dòng)程序也通過相應(yīng)的時(shí)序及命令編寫。圖3.4 tlc2543時(shí)序圖如圖3.4所示，tlc2543的數(shù)據(jù)傳輸是在信號(hào)為低電平的情況下進(jìn)行的，這是個(gè)片選信號(hào)。數(shù)據(jù)的輸入與輸出是在時(shí)鐘信號(hào)i/o clock的下降沿進(jìn)行。芯片處于轉(zhuǎn)換的狀態(tài)下時(shí)，信號(hào)eoc為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為低電平，驅(qū)動(dòng)程序的編寫按照此時(shí)序圖。pwm設(shè)計(jì)思路：使用內(nèi)部的定時(shí)中斷，最大計(jì)數(shù)脈沖為65535，外部晶振為12m時(shí)，最長定時(shí)時(shí)間為65.535ms。定時(shí)器賦初值的原則（定時(shí)器0）：th0=（65536-n）/256，tl0=（65536-n）%256，其中n為定時(shí)時(shí)間，單位為us。再定義一

30、個(gè)數(shù)c，定時(shí)溢出時(shí)c自動(dòng)加1，此時(shí)c為一個(gè)常數(shù)，把c可以分為兩段范圍，一段范圍內(nèi)給單片機(jī)的p0.0口賦1，另一個(gè)范圍給其賦0，這樣就實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制波形的產(chǎn)生。根據(jù)mppt的算法思路，結(jié)合a/d轉(zhuǎn)換、pwm以及各初始化程序，得到系統(tǒng)的流程圖如圖3.5所示，此流程圖體現(xiàn)出了本設(shè)計(jì)的核心程序思想。 圖3.5 mppt算法流程圖3.2.2 子程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)下面主要分析pwm以及系統(tǒng)算法程序。系統(tǒng)初始化程序：/*位定義，其中p00為pwm輸出，p10p14為tlc2543接口，p03p07為液晶接口*/ sbit pwm_out=p00; sbit eoc=p14;sbit ioclk=p13;sbit

31、din2543=p12;sbit dout2543=p11;sbit cs2543=p10;sbit sce=p03;sbit reset=p04;sbit dc=p05;sbit sdin=p06;sbit sclk=p07;void init_sysm()/初始化系統(tǒng)init_n5110();/初始化液晶clear_n5110();/清屏init_pwm();/初始化定時(shí)器pwm信號(hào)的產(chǎn)生：void init_pwm() tmod|= 0x11;/定時(shí)器1，工作方式3 th1 = 0xff; /定時(shí)器賦初值，高8位，定時(shí)1us tl1 = 0xff;/低八位 tr1 = 1; /開定時(shí)中斷

32、 ie =0x8a;/開總中斷void timer1 () interrupt 3 /3 為定時(shí)器1的中斷號(hào) 1 定時(shí)器0的中斷號(hào) 0 外部中斷1 2 外部中斷2 4 串口中斷 th1 = 0xff; /重新賦初值 tl1 = 0xff; pwm+; void pwm()if(pwm>100) pwm=0; if(pwm<num) /num用于調(diào)節(jié)占空比 pwm_out=1;/輸出高電平 else pwm_out=0;/輸出低電平mppt算法程序： void mppt() uchar p_new,u_new; if(p>p_new) if(u>u_new) pwm+;

33、else pwm-; else if(u>u_new) pwm-; else pwm+; 4 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試4.1 調(diào)試與測(cè)試工具系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試所使用的工具包括：軟件keil uvision4、50w太陽能電池板、電線、杜邦線、勝利牌vc890d萬用表、47/20w水泥電阻、100/20w水泥電阻、螺絲刀等。4.2 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件調(diào)試與軟件調(diào)試。硬件調(diào)試包括穩(wěn)壓塊lm7805的輸出電壓和采樣電阻的分壓情況測(cè)試。穩(wěn)壓塊的輸出為+5v，比較標(biāo)準(zhǔn)。圖3.2所示的r1、r2阻值均已給出，但是由于電阻會(huì)存在誤差，所以也要進(jìn)行相應(yīng)的校正。通過用萬用表測(cè)試的結(jié)果如表4.1所示：在測(cè)試的過程

34、中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很嚴(yán)重的問題：用萬用表可以測(cè)出r2兩端的電壓，但是用a/d卻采不到電壓。后來通過上網(wǎng)查找資料，其可能的原因在于作為分壓電阻的r1、r2選取的阻值太大，以至于流過其電流很微弱，導(dǎo)致a/d采不到電壓的后果，然而萬用表卻可以測(cè)到電壓是因?yàn)槿f用表的電壓都是通過運(yùn)放處理的。表4.1 萬用表測(cè)量分壓電阻分壓值r1、r2兩端電壓ur2兩端電壓u2分壓系數(shù)u/u23.280.359.37144.090.439.51164.890.529.40389.371.019.277219.122.079.2367平均系數(shù)9.3604注：表中電壓的單位為v；表4.2 調(diào)整電阻后的分壓情況r1、r2兩端電壓u

35、r2兩端電壓u2分壓系數(shù)u/u23.270.2911.27594.080.3611.33335.04 0.4411.45459.400.8411.190519.111.7211.1105平均系數(shù)11.2729注：表中電壓單位為v；根據(jù)這種猜測(cè)，結(jié)合采樣電阻的大小對(duì)系統(tǒng)功耗的影響，后來將r1、r2的阻值改小一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是測(cè)得的結(jié)果還是不行，所以只能再降低分壓電阻阻值，直到減小到r1=4.7k，r2=460。測(cè)試后結(jié)果正常，通過計(jì)算，兩者的電阻和對(duì)系統(tǒng)的功率消耗也不是很大，最大為0.125w，電阻選取的都是1%精度、1/4w的金屬膜電阻，符合設(shè)計(jì)要求。將電阻調(diào)整合適之后還得進(jìn)行校正，再次利用萬用

36、表測(cè)得分壓電阻對(duì)應(yīng)的電壓值，最終確定分壓系數(shù)，其測(cè)試結(jié)果如表4.2所示：表4.2的數(shù)據(jù)為程序里面采樣電壓的調(diào)整提供依據(jù)，電壓計(jì)算的公式u=(float)(4.096*ad0)/4095*1127+113)。表4.3的數(shù)據(jù)為程序處理電流提供依據(jù)，i=(float)(（2.5-(4.096*ad1)/4095）*100+4)。ad0、ad1代表a/d轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字碼。表4.3 電流檢測(cè)模塊測(cè)試供電電壓（v）負(fù)載萬用表測(cè)（v）a/d測(cè)（v）9.4047/20w2.472.43100/20w2.492.4419.1147/20w2.442.41100/20w2.482.43軟件調(diào)試的主要心思應(yīng)當(dāng)放到系

37、統(tǒng)算法上面，由于n5110液晶、a/d轉(zhuǎn)換以及pwm的驅(qū)動(dòng)程序之前都有寫過，將它們復(fù)制粘貼，進(jìn)行相應(yīng)的修改就行了。在調(diào)試程序的時(shí)候，通過幾組不同電壓值的采樣，比較a/d轉(zhuǎn)換器與萬用表兩者測(cè)得的值。發(fā)現(xiàn)a/d采樣的電壓與萬用表測(cè)得的電壓相差60mv，幾組數(shù)據(jù)綜合呈線性。為了降低誤差，在程序中也做了修正。如電壓計(jì)算的公式u=(float)(4.096*ad0)/4095*1127+113)中加上的113就是修正結(jié)果。4.3 系統(tǒng)測(cè)試為了能夠體現(xiàn)出本設(shè)計(jì)的性能，要對(duì)太陽能電池板的輸出作兩次測(cè)試，分為直接接負(fù)載測(cè)試和通過mppt接負(fù)載測(cè)試，其測(cè)得的數(shù)據(jù)分別如表4.4和表4.5所示。表4.4 太陽能電池

38、板直接接負(fù)載測(cè)試負(fù)載輸出電壓（v）輸出電流（a）輸出功率（w）空載47/20w18.100.397.0620.3v/0.46a100/20w19.800.203.9620.4v/0.52a 注：2013-5-9早上10:05，多云，21；表4.5 接入mppt太陽能電池板帶負(fù)載測(cè)試負(fù)載輸出電壓（v）輸出電流（a）輸出功率（w）47/20w19.620.438.44100/20w20.300.224.47 注：2013-5-9早上10:07，多云，21；從這兩個(gè)表的數(shù)據(jù)可以看出：接入mppt測(cè)試的輸出功率比直接輸出的功率提升了將近20%，與設(shè)計(jì)指標(biāo)相比，這種結(jié)果并不是很理想，其主要的原因是采用5

39、1單片機(jī)的處理速度跟不上，而且程序量大，運(yùn)行速度慢，導(dǎo)致a/d采樣的時(shí)間差太長，有時(shí)候并沒有采樣到最大功率點(diǎn)的電壓和電流，存在著較大的系統(tǒng)誤差。由圖3.2可知系統(tǒng)的信號(hào)濾波處理得也不是很完善，這樣會(huì)給a/d采樣帶來誤差。并且+5v供電使用的是lm7805，其熱損耗比較大。要解決這些問題，進(jìn)一步提升效率，就需要采用高端的處理器，如dsp、fpga、430低功耗系列單片機(jī)等，優(yōu)化dc-dc轉(zhuǎn)換電路，加強(qiáng)系統(tǒng)各信號(hào)處的濾波處理。從整體效果來看，本設(shè)計(jì)基本上滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。5 總結(jié)對(duì)于太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率低的問題，采用mppt（最大功率跟蹤）技術(shù)來提高太陽能電池板的利用率。在利用同樣的參數(shù)的太陽能電池板

40、，對(duì)帶mppt控制器與不帶mppt控制器的輸出功率進(jìn)行比較，在整個(gè)設(shè)計(jì)工作中做了大量的測(cè)試，采集了輸出電壓、電流并且制作多張圖表，從整體上看，能夠提高20%左右的效率。從整個(gè)系統(tǒng)分析來看，效率不高的主要原因有幾點(diǎn)：1、系統(tǒng)的功耗相對(duì)比較高，這主要體現(xiàn)在lm7805供電模塊，以熱損耗形式消耗；2、系統(tǒng)mcu選取不是很恰當(dāng)，stc89c52rc雖說有較大的存儲(chǔ)能力，但是其處理的速度還是比較慢，導(dǎo)致跟蹤的速度低，有時(shí)候并沒跟蹤到最大功率點(diǎn)；3、環(huán)境影響，太陽能電池板不是每時(shí)每刻都以最佳位置接收太陽光。綜合上述幾點(diǎn)原因，mppt控制器還可以做進(jìn)一步改進(jìn)。如：采用低功耗的dc-dc轉(zhuǎn)換芯片，選取dsp等

41、高速mcu替代51單片機(jī)，控制太陽能電池板旋轉(zhuǎn)，使得其以最佳位置接收太陽光。在考慮方案改進(jìn)的同時(shí)，系統(tǒng)成本也應(yīng)該作為參考，思想緊跟產(chǎn)品推廣規(guī)則。以設(shè)計(jì)實(shí)用性產(chǎn)品為最終目的。通過本次設(shè)計(jì)，鞏固了自己的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也學(xué)到了新的知識(shí)。剛開始是抱著忐忑的心理選取了這個(gè)課題設(shè)計(jì)，心里沒譜，總以為這個(gè)課題會(huì)很難。但是在看了幾天有關(guān)方面的資料之后，對(duì)課題的整體思路以及方向有了理解。然后根據(jù)思路進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，主要對(duì)象是場(chǎng)效應(yīng)mosfet開關(guān)管。之前有過這方面的電路設(shè)計(jì)，但出現(xiàn)的問題較多，主要是導(dǎo)通條件和應(yīng)用場(chǎng)合需要注意。開關(guān)管通過驗(yàn)證后，才設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路部分，控制部分用的是之前做了的51單片機(jī)控制板。上面包括a/d、d/a、液晶顯示、串口等模塊，足以滿足系統(tǒng)要求。接下來就是程序的編寫、調(diào)試，最后在系統(tǒng)軟硬件結(jié)合調(diào)試時(shí)，又做了很多測(cè)試，主要目的是降低系統(tǒng)采樣的誤差。通過硬件測(cè)試，然后在程序中進(jìn)行修正。總的來說，本次設(shè)計(jì)的任務(wù)還是圓滿完成了，自己各方面的能力都得到