基于ATmega16單片機的電能收集充電器設計

張建民　姚　佶　何怡剛　龍佳樂　何文豐

摘要：本文以離網(wǎng)型風力發(fā)電裝置為研究對象，選擇了以Atmel公司生產的ATmega16單片機為核心，采用MC34063開關型電源芯片作為主要變能器件，根據(jù)風機產生的輸入電壓，通過單片機產生合適的控制信號，控制DC?DC變換器工作，實現(xiàn)對蓄電池的有效充電。該研究對實際應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：ATmega16； MC34063； 電能收集器； 直流斬波電路

中圖分類號：TN710?34； TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0135?02

離網(wǎng)運行方式的風力發(fā)電機組，是我國遠離電網(wǎng)的邊遠偏僻農村、牧區(qū)、海島和特殊處所發(fā)展風力發(fā)電進而來解決其基本用電問題的主要運行方式[1]。由于離網(wǎng)型風力發(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次數(shù)，增加元器件的使用周期就是整個項目需要達到重要指標。蓄電池的最佳充電方式是階段式充電法[2?3]，然而由于風能的隨機性以及不確定性，使得其對于蓄電池的充電方式異常復雜。鑒于階段式充電方式在離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)中難以控制[4]，而恒流充電方式不能在短時間內為蓄電池充足電能，故本項目選取了控制方式最為簡單，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開關型電源芯片，連接成升壓及降壓電路，分別對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[5]。控制電路部分采用Atmel公司生產的ATmega16低功耗單片機，相較于C51系列的單片機，本系統(tǒng)更加節(jié)能、控制速度更快、外圍元器件更少。實驗證明，本設計已經實現(xiàn)了一臺性能穩(wěn)定、具有參考價值的電能收集充電器。

1 硬件設計

電能收集器系統(tǒng)的兩大部分功能：主電路的功能是實現(xiàn)電能的變換，也就是將輸入的不穩(wěn)定的電能轉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)測系統(tǒng)狀態(tài)、控制主電路通路、顯示系統(tǒng)參數(shù)等[6]。良好的硬件電路設計是整個項目必不可少的一部分。電能收集器模塊圖如圖1所示。

1.1 電壓采樣電路

本設計預期風機的輸入電壓為0～40 V，由于實驗室直流源的輸入電壓值僅為0～32 V，故測量的參數(shù)僅僅只是預期值的一個子集。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，為了能測量40 V的最大值，需要將風機的輸入電壓值經過一定比例的縮小后，再交由單片機處理。

使用一個滑動變阻器，將風機輸入的電壓經電阻分壓后再由單片機進行A/D轉換。這種方法最重要一點就是需要對輸入電壓Vin進行標定，即使用一臺標準的直流源與ATmega16的A/D進行對比，不斷調節(jié)滑動變阻器的旋鈕，直到整個0～40 V的范圍內誤差最小。標定的準確性在很大程度上決定了整個系統(tǒng)A/D的準確性。一旦完成對輸入電壓的標定之后，就必須對可調電阻的調節(jié)旋鈕進行固定（如進行蠟封、漆封），不可以再改變滑動變阻器的阻值。如圖2所示。

圖1 電能收集器模塊圖

1.2 升降壓通路選擇電路

本項目中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計中顯然更為重要，系統(tǒng)核心元件ATmega16監(jiān)測風機輸入電壓后，即通過此電路選擇是升壓還是降壓部分切換到主電路中，實現(xiàn)蓄電池充電。ATmega16單片機的輸出電流最大可達20 mA，只需配合一個普通的三極管就能夠控制繼電器了。本項目以PNP三極管為例，設計出如圖3所示的通路選擇電路：當輸入電壓小于14 V時，ATmega16的PORTC.2引腳輸出高電平，三極管截止，繼電器兩端失電，觸點為動斷，選擇升壓通路；而當輸入電壓大于或等于14 V時，ATmega16的PORTC.2引腳輸出低電平，三極管導通，繼電器兩端得電，觸點為動合，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生的反向電動勢，防止反向電勢擊穿三極管；電阻和發(fā)光二極管組成一個繼電器狀態(tài)指示電路，當繼電器吸合時，LED亮，可直觀看到繼電器狀態(tài)，便于電路調試與查錯。

2 軟件設計

該設計利用Protues仿真軟件完全可以實現(xiàn)本設計的全部內容（由于篇幅關系，這里不作詳細介紹）；本設計程序的開發(fā)將圍繞著ATmega16的特性來論述。電能收集器的程序設計采用模塊化設計方法，將待開發(fā)的軟件系統(tǒng)劃分為若干個相互獨立的模塊，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運行時執(zhí)行一次，執(zhí)行完畢后，程序就進入到循環(huán)中，持續(xù)處理系統(tǒng)的各項任務。在主程序的循環(huán)當中，包含有A/D子程序、液晶顯示子程序、測溫子程序等，正是有了主程序對這些子程序的正確調用，整個系統(tǒng)才能穩(wěn)定連續(xù)運行。

4 結 語

該設計主電路采用MC34063開關型電源芯片，連接成升壓及降壓電路，分別對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公司生產的ATmega16低功耗單片機，相較于C51系列的單片機，本系統(tǒng)更加節(jié)能、控制速度更快、外圍元器件更少。實驗證明，對實際應用具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 史志國.離網(wǎng)型風力發(fā)電智能充放電控制器的設計[D].呼合浩特：內蒙古工業(yè)大學，2009.

[2] 嚴培.多功能智能型鉛酸蓄電池充電器的設計與實現(xiàn)[J].蓄電池，2007（2）：64?67.

[3] 劉高明，毛景魁.基于單片機的鎳氫電池充電控制器設計[J].信息工程大學學報，2008，9（3）：379?381.

[4] 周志敏，紀愛華.鉛酸蓄電池修復與回收技術[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] 郭忠銀，高飛燕.基于MC34063的開關電源設計[J].工業(yè)控制計算機，2010（2）：100?101.

[6] 劉熹，張劍峰.高效光伏電能收集器的設計與實現(xiàn)[J].儀器儀表報，2010，31（8）：51?54.