【導讀】收集電能是控制方式最為簡單，初期充電速度最快的恒壓充電方式，本文的設計主電路部分采用MC34063開關型電源芯片，控制電路部分采用ATmega16低功耗單片機，實現了性能穩定、具有參考價值的電能收集充電器設計。
離網運行方式的風力發電機組，是我國遠離電網的邊遠偏僻農村、牧區、海島和特殊處所發展風力發電進而來解決其基本用電問題的主要運行方式。由于離網型風力發電系統基本上都建在人煙稀少的地區，因此盡可能的減少維護次數，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，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型風力發電系統中難以控制，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中，依據電路實現的主要功能，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。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，本系統更加節能、控制速度更快、外圍元器件更少。實驗證明，本設計已經實現了一臺性能穩定、具有參考價值的電能收集充電器。
1、硬件設計
電能收集器系統的兩大部分功能：主電路的功能是實現電能的變換，也就是將輸入的不穩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測系統狀態、控制主電路通路、顯示系統參數等。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。
圖1：電能收集器模塊圖
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2、圖3、圖4
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，系統核心元件ATme ga16監測風機輸入電壓后，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;電阻和發光二極管組成一個繼電器狀態指示電路，當繼電器吸合時，LED亮，可直觀看到繼電器狀態，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);本設計程序的開發將圍繞著ATmega 16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，將待開發的軟件系統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，包括參數初始化、禁止JTAG使能、系統硬件初始化及液晶初始化。初始化程序僅在開機運行時執行一次，執行完畢后，程序就進入到循環中，持續處理系統的各項任務。在主程序的循環當中，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，整個系統才能穩定連續運行。
3、數據測試與分析
該設計使用的蓄電池為12 V鉛酸蓄電池，充電電壓取為13.8 V。結合圖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間(即13.2～14.4 V)之內，所以電能收集器的空載電壓基本上滿足了設計要求。但是，由圖5可知，電能收集器在輸入略大于14 V時，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：數據測試與分析
隨著測量電壓值的增大，A/D轉換測量的誤差絕對值也在增加(如圖6所示)，但是總體上還是能比較準確的反應出實際電壓值的大小。就相對誤差來說，除了1 V和2 V的相對誤差比較大之外，其他的誤差值都小于5%，所以本項目的A/D轉換比較可靠。
4、結語
該電能收集充電器設計主電路采用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，與C51系列的單片機相比，本系統更加節能、控制速度更快、外圍元器件更少。
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