無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計—本科畢業(yè)設(shè)計論文

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計摘要：電源系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必不可少的部分，本文介紹應用太陽能給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電，是實現(xiàn)持續(xù)電力供應的可行方法之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，先由太陽能電池板采集光能再通過充電控制電路對鋰電池進行充電管理。利用放電保護電路，最大限度地延長鋰電池的壽命。由于電源能量來自太陽能，因此非常適合野外布置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用。引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有著廣泛的應用。傳感器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成單元, 通常散布于一定的區(qū)域內(nèi)協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測對象的信息。而電源系統(tǒng)又是

2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必不可少的部分，本文介紹應用太陽能給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電，是實現(xiàn)持續(xù)電力供應的可行方法之一，蓄電池是太陽能供電裝置中的重要部件，需配有充放電保護電路，延長電池的使用壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，采集光能并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲在鋰電池中。通過鋰電池充電管理芯片組成充電控制電路對鋰電池進行充電管理。利用超低功耗鋰電池電壓檢測芯片組成放電保護電路，最大限度地延長鋰電池的壽命。由于電源能量來自太陽能，因此非常適合野外布置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點使用一、太陽能介紹能源是人類生存發(fā)展必須具有的基本資源。從古至今人類獲得能源的途徑，可分為地上能源

3、、地下能源與天上能源等三個階段。地上能源主要是植物能源，水能、風能等，在人類農(nóng)業(yè)經(jīng)濟社會階段主要是植物能源，到了現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟社會階段，主要是煤石能源。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，進入21世紀以來，各國對能源的消耗以日俱增，能源短缺已成為人類社會面臨的一個重大挑戰(zhàn)，面對石油這些不可再生的資源，必須在其耗盡之前尋找到替代能源，否則未來世界將會因此不斷爆發(fā)能源危機。太陽能作為新能源與可再生能源的重要組成部分，有著煤炭、石油、天然氣等化石能源無法比擬的優(yōu)點： (1)儲量豐富：太陽能是取之不盡、用之不竭的。 (2)應用廣泛：太陽能不存在分布的偏集性，只要有陽光的地方就可以就地利用，有利于解決偏遠鄉(xiāng)村、海島等地區(qū)

4、的能源供應問題。 (3)綠色環(huán)保：太陽能利用過程中，不需要燃料、不產(chǎn)生噪聲，沒有廢氣、廢水、廢渣等的排放。 (4)經(jīng)濟性：雖然目前太陽能發(fā)電的成本仍為常規(guī)發(fā)電的幾倍，但隨著太陽能利用技術(shù)的發(fā)展，其利用成本已大大下降。一般來說，太陽能利用的初期投入成本比較高，但由于太陽能無污染、無噪聲、取之不盡、分布廣泛的特點，從長期來看，其使用成本要小的多。 鑒于以上優(yōu)點，太陽能的開發(fā)利用具有巨大的市場前景，不僅能帶來很好的社會和環(huán)境效益，還具有明顯的經(jīng)濟效益二、太陽能供電系統(tǒng)工作原理太陽能供電系統(tǒng)工作原理：白天把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⑼ㄟ^太陽能電源過充放電控制器將電能存儲在蓄電池中，根據(jù)需要再供給各種直流負載使

5、用，如果配以逆變器，則可以向交流負載提供交流電力。太陽能電源可分為直流供電系統(tǒng)和交直流供電系統(tǒng)兩種三、太陽能供電系統(tǒng)的基本組成一套基本的太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、過充放電控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成。各部分的功能如下：1太陽能電池板太陽能電池板的作用是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。一般根據(jù)用戶需要，將若干太陽電池板按一定方式連接，組成太陽能電池方陣，再配上適當?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成。2過充放電控制器控制器為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。

6、如果用戶使用直流負載，通過控制器還能為負載提供穩(wěn)定的直流電（由于天氣的原因，太陽能電池方陣發(fā)出的直流電壓和電流不是很穩(wěn)定）。3逆變器逆變器的作用是將太陽能電池和蓄電池提供的低壓直流逆變成220V交流電，供交流負載使用。4蓄電池組蓄電池組是將太陽能電池直流電貯藏起來，供負載使用。白天太陽能電池給蓄電池充電，（同時太陽能電池還給負載供電），晚上負載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高。四、太陽能供電系統(tǒng)簡介由于太陽能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)往往因為鋰電池充放電管理不合理，導致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電

7、系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)能夠自動管理鋰電池的充電過程并進行有效的能量儲存，通過對電池電壓的監(jiān)測避免鋰電池過度放電，達到延長鋰電池壽命的目的。該系統(tǒng)中，太陽能電池板產(chǎn)生的能量通過充電管理電路被存儲在鋰電池中，同時對鋰電池提供充電保護，防止過充；由于電池放電時其端電壓會逐漸降低，因此需要放電保護電路對放電電壓進行監(jiān)測，當電池電壓下降到一定程度時切斷放電電路，避免鋰電池過放電。由于電源單元本身應盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因此設(shè)計了一個具有高效率的轉(zhuǎn)換電路，為節(jié)點上的負載提供穩(wěn)定的電壓。 電源單元是傳感器節(jié)點能源供給部分，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，因此節(jié)點的電源設(shè)計非常重要。電源單元主要

8、由電池、電源管理模塊及外圍電路構(gòu)成。電源設(shè)計首先要考慮的是低功耗。由于負載的功耗與電壓的平方成正比，因此在保證系統(tǒng)可靠工作時盡量選用較低的工作電壓。傳感器、MCU、無線射頻模塊等節(jié)點組成部分都有低工作電壓選擇余地，如+33 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的電源系統(tǒng)。圖1： 太陽能電池板 MCU的ADC通道 節(jié)點負載 DC-DC轉(zhuǎn)換單元 供電控制單元 鋰電池 充電控制單元 3.3V 5V有圖可看出，太陽能電池板產(chǎn)生的能量通過充電控制單元被存儲在蓄電池中；供電管理單元通過對電池電壓的實時監(jiān)測選擇合適的供能方案。由于電池放電時其端電壓會逐漸降低，對ADC采樣等會造成影響。此外各種器件的工作電壓

9、也不一致，為了保證系統(tǒng)可靠地工作，需要一個穩(wěn)定的供電電壓。由于電源單元本身應盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因此設(shè)計了一個具有高效率的DCDC轉(zhuǎn)換單元為節(jié)點上的負載提供穩(wěn)定的電壓。五、電源系統(tǒng)設(shè)計（一）、太陽能電池板太陽能電池板是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或者光化學效應直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，大部分太陽能電池板的主要材料為“硅”，但因制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。對于太陽能電池板，主要用來采集太陽能，選取時主要考慮太陽能板的最大輸出電壓和輸出電流 一般給鋰電池充電的電壓要大于4.2太陽能板的輸出電流決定了充電時間。常用的太陽能板主要有單晶

10、和多晶電池板兩種，單晶板和多晶板的區(qū)別在于最高效率的單晶電池片比最高效率的多晶電池片效率高約。由于單晶的有刀角而并非完整的正方角在使用中遠遠低于多晶而且市場數(shù)量明顯少于多晶 同功率的單晶電池板價格要比同功率的多晶板高些本文采用的是輸出電壓為輸出電流為的單晶太陽能電池板尺寸為主要是考慮到野外安裝時如果太陽能電池板的體積太大不容易安裝（二）、充電控制單元 所謂的充電控制單元就是用來連接太陽能電池板和鋰電池。其功能主要是有效地將收集到的能量存儲在鋰電池中，同時提供對鋰電池充電過程中的過壓過流保護，防止因過充對鋰電池造成的損害,CN3063芯片可以用于太陽能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片該芯片內(nèi)部的

11、位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適用于太陽能電池等電流輸出能力有限的靠電壓源供電的鋰電池充電的應用。充電控制單元如圖二圖2 充電控制單元電路圖 當太陽能電池板輸入電壓大于低電壓檢測閾值和鋰電池端電壓時,CN3063開始對鋰電池進行充電CHRG引腳輸出低電平時,紅色亮表示充電正在進行,當充滿電后DONE引腳輸出低電平時綠色亮表示充電完畢。3（三）、鋰電池1、鋰電池介紹鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應：Li+

12、MnO2=LiMnO2該反應為氧化還原反應，放電。由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。2、鋰電池的選擇首先作為太陽能電源中的儲能單元，選擇鋰電池主要是因為鋰，原子序數(shù)3，原子量6.941，是最輕的堿金屬元素。為了提升安全性及電壓，科學家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了納米等級的細小儲存格子，可用來儲存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破裂，氧氣進入，也會因氧分子太大，進不了這些細小的儲存格，使得鋰原子不會與氧氣接觸而避免爆炸。這就解決了太陽能露

13、天使用時儲能單元不會被空氣氧化，所以選擇鋰電池使得更好的儲存太陽能。3、鋰電池充電示意圖（四）、放電保護電路和系統(tǒng)供電電路設(shè)計對于放電保護電路的設(shè)計，傳統(tǒng)的放電保護電路是使用一路ADC來不斷檢測電池電壓當電池電壓降低到一定程度時切斷放電電在理論上是很容易實現(xiàn)的。但是在某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，系統(tǒng)軟件設(shè)計時需要定時查詢該路ADC的數(shù)值，這在一定程度上也增加了系統(tǒng)的功耗。電路分析：當電池端電壓下降到過度放電低電壓檢測閾值時，LBO引腳輸 出低電平,NMOS管截止,PMOS管柵極為高電平,PMOS管截止,放電回路被切斷,起到了保護鋰電池過度放電的作用當太陽能板自動對鋰電池充電，充電電壓達到高電壓檢測閾值時,

14、LBO輸出高電平,NMOS管導通,PMOS管柵極為低電平,PMOS管導通,放電回路重新被打開,如果某節(jié)點軟件設(shè)計時配置為上電后自動加入網(wǎng)絡(luò)并進行數(shù)據(jù)采集，那么該節(jié)點將會自動加入到原來的網(wǎng)絡(luò)中。鋰電池過度放電低電壓檢測閾值計算公式如下其中RTH為該芯片設(shè)定的閾值,大小為1.135,LBI為引腳偏置電流范圍為-100100,一般取即可。因為該芯片工作電流在1.8所以對于電阻和的選型需要注意應當選擇阻值大一些的電阻。選用為2M為1M這樣流過電阻的電流在級功耗很低。由于鋰電池電壓范圍為3.64.2，如果選擇的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作電壓為3.3，那么需要根據(jù)輸入輸出的電壓差來選擇適當?shù)腖DO芯片同時還需要考慮L

15、DO的靜態(tài)電流和效率。供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)有兩個功能: 一是為了不使鋰電池深度放電, 需要對其放電門限進行設(shè)置; 二是獲取當前電池的電壓以決定節(jié)點采取的功耗模式。對于放電門限的設(shè)置，選擇了由MAX680 及MAX8211構(gòu)成的鋰電池放電門限，電路圖如圖所示根據(jù)以上電路可知, 當鋰電池電壓下降到由 R1 和 R5所決定的門限電壓時,MAX8211就會截止MAX680的供電電壓, 最后使IRF541處于關(guān)閉狀態(tài)而斷開供電電池與負載電路。IRF5 41 功率開關(guān)的導通電流小于0. 5 mA ,關(guān)閉漏電流僅為 8A 以下。該電路的啟動門限 V u 和截止門限V1與外加電阻 R5 ,R6 和R7之間的關(guān)系可

16、由下式給出:R5 = R6 ( V 1 / 1. 1 5 - 1) R7 = 1. 15R5 / ( V u - V 1 )為了能夠執(zhí)行有效的電源管理,需要了解電池能量的儲存情況,并根據(jù)任務(wù)需求和自身能量狀態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)和通信策略。設(shè)計中采用L M4041 電壓基準芯片,有微處理器采樣其端電壓,并計算電池的實際電壓值以供程序處理,其原理圖如圖所示U4為LM4041-1. 2,該芯片為微功耗精密穩(wěn)壓管。電阻 RS負責提供穩(wěn)壓電流I L和負載電流I Q。RS的取值應滿足流過穩(wěn)壓管的電流I Q不超過I Qmi n和I Q max。RS的計算公式如下:RS = ( V S - V R ) / ( I

17、L + I Q )式中:當V S取4. 2 V,V R 取1. 2 V,I L+ IQ約為120 A ,計算出RS取值約為27 k。在實現(xiàn)過程中, 使用ADC0測量穩(wěn)定電壓V Q ,選用電池供電電壓作為ADC的參考電壓V ref。當PC0置 0 時Q 3導通, A DC0的讀數(shù)為A DC_Data。ADC_DATA與參考電壓V ref的關(guān)系如下所示式中:VQ為固定值1. 2 V ; A D C_ FS為輸入滿量程的測量值,是一個常數(shù)如1 0 b的A D C為1 0 24。由式可以計算出V Ref也就得到電池的實際電壓 5, 8（五）、電源輸出模塊MCU的工作電壓一般為2.73.3V,傳感器工作

18、電壓有3V和5V。由于M CU與傳感器所需電壓不一致,而且鋰電池的供電電壓為3.74. 2V , 這就需要進行 DCDC裝換。1、逆變器的工作原理逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220V 50Hz正弦或方波）。應急電源，一般是把直流電逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導通和關(guān)斷。從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互差120電角度的三相交流電壓2、逆變器原理圖3、各部分功能1) 輸入電路： 為主逆變電路提供可確保其正常工作的直流電壓。 2) 輸出電路： 對主逆變電路輸出的交流電的質(zhì)量（包括波形、頻率、電壓電流幅值相位等）進行修正、補償、調(diào)理，使之能滿足用戶要求。 3) 控制電路： 為主逆變電路提供一系列的控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導通和關(guān)斷，配合主逆變電路完成逆變功能。在逆變電路中，控制電路與主逆變電路同樣重要。 4) 輔路電路： 將輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。包括多種檢測電路 5) 保護電路： 輸入過電壓、欠壓保護；輸出過電壓、欠壓保護；過載保護；過流和短路保護；過熱保護等。 6) 主逆變電路： 由半導體開關(guān)器件組成的變換電路，分為隔離式和非隔離式兩大類。如