太陽能最大功率跟蹤控制器的設計與實現(xiàn)畢業(yè)設計

24/29學科分類號本科生畢業(yè)論文(設計)題目（中文）：太陽能最大功率跟蹤控制器的設計與實現(xiàn)（英文）：DesignandImplementationoftheMaximumPowerPointTrackingController學生：學號：系別：專業(yè)：電子信息科學與技術指導教師：起止日期：本科畢業(yè)論文(設計)誠信聲明作者重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設計)，是在指導老師的指導下，獨立進行研究所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議。除文中已經(jīng)注明引用的容外，論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果。對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確的方式標明。本聲明的法律結果由作者承擔。本科畢業(yè)論文（設計）作者簽名：年月日目錄摘要I關鍵詞IAbstractIKeywordsII1前言12任務分析與方案論證42.1任務要求與分析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)設計83.1硬件設計93.1.1轉換模塊電路設計93.1.2控制模塊電路設計113.2軟件設計123.2.1設計思路123.2.2子程序設計實現(xiàn)144系統(tǒng)調(diào)試與測試174.1調(diào)試與測試工具174.2系統(tǒng)調(diào)試174.3系統(tǒng)測試205總結21參考文獻22致24附錄A系統(tǒng)主體程序25附錄B系統(tǒng)實物圖27太陽能最大功率跟蹤控制器的設計與實現(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用難以推廣。針對發(fā)電效率低這一問題，本文介紹一種利用微型控制器51單片機設計的一個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計的，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，讓它始終以最大功率輸出。本設計能夠實現(xiàn)提升20%左右的發(fā)電效率，并且能夠實時顯示太陽能電池板的輸出情況，使用非常方便。關鍵詞太陽能電池板；最大功率跟蹤；微型控制器；脈寬調(diào)制DesignandImplementationoftheMaximumPowerPointTrackingControllerAbstractDuetolowefficiencyandhighcostofsolarpanelcurrently.Thesereasonshaveresultedintheapplicationofsolarenergyisdifficulttopopularize.Aimatlowefficiency.Thispaperdescribesthatamicrocontrollerwasusedtodesignamaximumpowerpointtracking(MPPT)controller.Itwasdesignedinaccordancewiththeoutputcharacteristicofthesolarpanel.Thepulsewidthmodulated(PWM)wavewasregulatedthesolarpanel’soutputvoltage.Itcanlookformaximumpowerpointconstantlyandmakethesolarpaneloutputmaximumpoweralways.Thedesigncanenhanceefficiencyabout20%anddisplayoutputindicatorsofthesolarpanel.Itisveryconvenienttouse.KeywordsSolarpanel；MPPT；Microcontroller；PWM1前言能源問題越來越為人們所關注，作為一種具有綠色、安全、清潔等優(yōu)點的太陽能被認為是最具發(fā)展?jié)撃艿男驴萍寄茉粗唬壳捌湓谔昭芯款I域得到廣泛應用，同時也成為宇宙飛船、太空站等太空設備的后續(xù)能量來源。太陽能的利用在國來說，其應用領域正在不斷向大眾化邁進。如今的一些路燈都實現(xiàn)了太陽能跟風能結合供電，大城市綠化帶、風景區(qū)等亦是如此?，F(xiàn)在的農(nóng)業(yè)也在朝自動化、無公害等方向發(fā)展，太陽能這一新興能源在農(nóng)業(yè)方面也得到了應用，比如說太陽能誘蟲燈。人類生活用電也不例外，在太照充足的偏遠地區(qū)，通過當前的水、火電網(wǎng)進行電能輸送成本實在太高，而且偏遠地區(qū)的住房分散，要實現(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。目前太陽能的應用主要是通過太陽能硅光電池將太陽能轉換為電能以供人類所需。硅光電池的生產(chǎn)工序復雜，所以生產(chǎn)成本很高，以至于太陽能電池板的售價偏高，市場價大概在5元/W。然而，由于太陽能電池板的轉換效率現(xiàn)在只能達到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。針對以上的問題，國外業(yè)界有不少人士根據(jù)太陽能電池板的轉換特性做過不少的研究，總結出來了幾種實現(xiàn)提高電池板轉換效率的方法：恒壓法、擾動觀察法、電導增量法，這三種方法各有優(yōu)缺點，需根據(jù)需要來確定[1]。根據(jù)所要達到的目的，比較三種方案的可行性，最終來確定系統(tǒng)方案。本次設計綜合考慮各種因素，選取了擾動觀察法來實現(xiàn)提升太陽能電池板的轉換效率。目前國外在太陽能領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（MaximumPeakPowerTracking）控制器，其售價在幾百到幾千元不等，根據(jù)賣家介紹能提升不少的效率。除了這種成品控制器以外，各大半導體生產(chǎn)廠商也有屬于自己的MPPT控制器IC。比如說美國儀器半導體的MPPT控制IC：SM72442，通過輸出四路PWM（脈沖寬度調(diào)制）波來控制轉換電路的輸出，集成了12位的A/D（模擬-數(shù)字）轉換器，8個模擬通道，能夠使轉換效率提高到99.5%[2]。NXP（恩智浦）半導體推出的MPT612是一款基于低功耗的ARM7TDMI-S32位RISC處理器的MPPT集成電路，支持包括I2C、UART、SPI和SSP在的多種串行接口，其采用的是正在申請專利的MPPT算法，也帶有8通道的10位A/D轉換器，能夠將轉換效率提升到98%[3]。除了這些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，當然其售價也要便宜很多，目前MPPT控制器也正在逐步替代普通控制器。結合太陽能電池板的輸出特性與MPPT控制算法來實現(xiàn)本次設計。原理圖與PCB圖的設計采用電子CAD繪圖軟件Protel99SE[4]。使用PWM波控制場效應MOSFET管IRFZ48N的導通與關閉時間比來調(diào)節(jié)太陽能電池板的輸出電壓[5]。采用51單片機STC89C52RC作為主控芯片，控制輸出PWM信號、A/D轉換以與液晶顯示。由于這款單片機部沒有集成A/D轉換模塊，所以外部擴展A/D轉換器TLC2543[6]。電壓采樣使用電阻分壓，電流采樣使用電流檢測模塊ACS712ELC-20A[7]。本設計的轉換效率只能提升20%左右，總體來說還是可以實現(xiàn)MPPT的這種轉換思想，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、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。還要思考一個問題：在節(jié)約成本以與降低設計復雜度的前提下，還存不存在更好的方案？要去改變大環(huán)境的溫度，這對于現(xiàn)階段人類科技程度來說不怎么可能實現(xiàn)，所以為了再次提升太陽能電池板的轉換效率，只能往提高電池板接受光照強度的方向尋找突破口。雖然在一天當中太陽的光照強度是不變的，但是可以讓太陽能電池板接收的光照一直保持在最強狀態(tài)?，F(xiàn)在太陽能電池板的安裝是固定的，也就是其在一天當中所接收的光強并不是最強的，因為太陽一直在移動。所以，可以考慮下一步來設計“最強光強點跟蹤”控制器。讓太陽能電池板跟隨太陽移動（在原地進行旋轉），讓其一直處于最強光強接收狀態(tài)，這樣也可以大大提升太陽能的利用率。但是在設計一個新的系統(tǒng)的同時，也應當考慮到新系統(tǒng)是否能最終給人們帶來更好的價值，這個就需要去綜合各個方面進行考慮。不過有好的想法是非常值得贊揚的，可以當作個人愛好去將它實現(xiàn)，科技就是在不斷創(chuàng)新中發(fā)展的，人類進步也離不開創(chuàng)新思維，我們應當好好利用自己所學的知識，努力創(chuàng)新，大膽創(chuàng)新！2任務分析與方案論證本次設計的題目就是太陽能最大功率點跟蹤控制器。根據(jù)MPPT思想，設計一個控制器，能夠使太陽能電池板以最大功率輸出，從而達到提升轉換效率的目的。2.1任務要求與分析設計并制作一個MPPT控制器，實現(xiàn)的指標如下：（1）、采用脈寬調(diào)制波控制，尋找最大功率點；（2）、一樣環(huán)境條件下實現(xiàn)負載效率提升40%以上；（3）、顯示實時輸出情況，包括電壓、電流以與功率。通過分析以上指標，初步確定系統(tǒng)所需的核心元器件有：CPU、場效應開關管、液晶顯示屏。2.2系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案的論證與選取關鍵應當建立在太陽能電池板輸出特性的基礎上。只有在知道太陽能電池板的特性的情況下，才能找準系統(tǒng)設計的方向，然后再根據(jù)方向尋找路徑。路徑也許不止一條，找到最便捷的路徑才是設計的最終目標。本設計方案論證的重心放在最大功率跟蹤控制的算法上面，關于主控芯片的選取，利用51系列單片機來實現(xiàn)。也可以選取DSP或者ARM等高速MCU，但是由于這些芯片價格昂貴，自己在這些方面的知識欠缺，故不選取。2.2.1太陽能電池板特性系統(tǒng)方案的設計要依據(jù)太陽能電池板的特性來進行，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度下的輸出電壓-電流以與功率關系曲線圖。試驗太陽能電池板的標示功率為50W。從圖2.1可以看出：同一光照強度下，在一個輸出電壓圍其輸出電流基本上保持不變；然而在某個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）*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合式2-1與圖2.1可以得出一個結論：在常溫下，某個光照強度時太陽能電池板的輸出總存在一個最大功率點。如圖2.2描述了太陽能電池板輸出功率與輸出電壓的關系，體現(xiàn)出了最大功率點。本設計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，最大功率點電壓Vmp=18.5V，最大功率點電流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，在同一溫度條件下，不同光照下的最大功率點幾乎在一條垂直線上，這表示著最大功率點應該是對應著某一個固定電壓值的，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，從而在設計的時候就可將輸出電壓設定在這個固定電壓處。方案二：擾動觀察法。這種方法其實質(zhì)是引入一個小的變化，然后進行觀察，并與前一個狀態(tài)進行比較，進而進行調(diào)節(jié)。其具體方法是：先測太陽能電池板第i時刻的電壓Vi和電流Ii，由式2-1計算出功率Pi，然后與第i-1時刻的功率進行比較。根據(jù)比較的結果調(diào)節(jié)太陽能電池板的工作點，這里引入一個參考電壓VREF，當進行比較后，調(diào)節(jié)參考電壓使之逐漸接近最大功率點的電壓。在調(diào)節(jié)太陽能電池板工作點時，依據(jù)這個參考電壓進行調(diào)節(jié)[9]。方案三：電導增量法。由圖2.3可以看出，在最大功率點處其斜率為零。根據(jù)式2-1，因此在最大功率點處有：EQ\F(dP,dU)=I+U*EQ\F(dI,dU)=0(式2-2)即EQ\F(dI,dV)=-EQ\F(I,V)（式2-3）式2-3就是達到最大功率點的條件，如果EQ\F(dI,dV)<-EQ\F(I,V)（式2-4）則光伏電池的工作點在最大功率的右邊，此時應減小輸出電壓；如果EQ\F(dI,dV)>-EQ\F(I,V)（式2-5）則光伏電池的工作點在最大功率的左邊，此時應增大輸出電壓。在實際應用中，方程式2-3很難滿足，工程應用中引入一個誤差因子E，當EQ\F(dI,dV)-EQ\F(I,V)<E（式2-6）滿足式2-6，就可認為式2-3成立，從而得出最大功率點。2.2.3方案比較和選取前面列出了目前的幾種最大功率跟蹤的方法，對它們進行了理論介紹。接下來對這幾種方法的各自優(yōu)缺點進行系統(tǒng)對比，如表2.1所示，最終選擇出本設計的最佳方案。方式恒壓法擾動觀察法電導增量法工作原理斷開太陽能電池板負載，測量開路電壓，將輸出電壓設置在78%開路電壓處擾動太陽能電池板的工作電壓，并監(jiān)測功率的變化擾動太陽能電池板的工作電壓，并監(jiān)控工作點處電導與電導變化率的關系優(yōu)點實現(xiàn)簡單，復雜度低硬件成本低，算法實現(xiàn)容易誤判率低，跟蹤精度高缺點功率浪費嚴重，跟蹤精度低，不能適應環(huán)境的變化不能判定何時達到最大功率點，因此會存在震蕩硬件要求高，算法實現(xiàn)復雜表2.1幾種方案系統(tǒng)比較結合實際情況需要以與各種方案的優(yōu)缺點，本次設計選取擾動觀察法來實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率點跟蹤。這種方法硬件成本低、算法實現(xiàn)容易。3系統(tǒng)設計圖3.1系統(tǒng)結構框圖通過之前的方案討論與分析，最終選取了擾動觀察法來實現(xiàn)設計。根據(jù)此方案的原理，本系統(tǒng)既需要硬件電路對太陽能電池板的信號進行處理，也需要程序來進行擾動控制，實現(xiàn)算法。圖3.1為系統(tǒng)的整體框圖。3.1硬件設計系統(tǒng)方案的設計是通過監(jiān)測太陽能電池板的實時輸出功率。由式2-1，要想得到功率，就需要知道電壓與電流。所以硬件的設計包括控制核心、DC-DC、電壓采樣、電流檢測等幾個大的模塊，如圖3.1所示。3.1.1轉換模塊電路設計轉換電路是用于太陽能電池板和負載之間，通過控制電壓，將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏斎?。電路中開關管導通與關斷時間比例的改變，對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到25V，因此，電容的耐壓值選擇50V，留有一定余量。電感L1用于濾除電壓信號的交流分量，降低來自PWM控制信號的干擾、提高A/D采樣結果的準確度、穩(wěn)定輸出。此處的電流檢測采用的是電流檢測模塊ACS712ELC-20A，模塊以+5V供電，可以測量正負20安電流，對應模擬量輸出100mV/A，其輸出的信號為電壓信號，通過A/D采樣將其轉換為電流；沒有檢測電流通過時，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到22V，所以用兩電阻R1=270kΩ、R2=30kΩ進行分壓，測R2兩端的電壓，由于10倍關系，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載的功率。電流檢測與電壓采樣的處理都由軟件實現(xiàn)。Q1為IRFZ48N，N型場效應MOSFET，導通電阻RDS（on）=0.016Ω；柵級和源級最大承受電壓為VDSS=55V；柵極最大承受電流ID=64A，導通電阻小，可以減少在導通時的功率損耗，其它參數(shù)均符合設計要求。在此接在電壓的低側作為開關用，使用PWM控制通斷從而控制輸出電壓值。此處電阻R3=10kΩ用于泄流，防止控制信號的電流過大而損壞場效應管。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換為+5V，LM7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓，最大輸出電流可以達到1.5A[10]。此處采用三端集成穩(wěn)壓LM7805雖然給整個系統(tǒng)的設計帶來了方便，但是其功耗相對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)的一個缺陷。從整個轉換部分電路的設計來看，其最大的缺陷就是在于LM7805上面的功率損耗嚴重，但是相對系統(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、開關等幾部分，使得整個電路的設計變得簡單、目的非常明確。3.1.2控制模塊電路設計控制部分電路的MCU采用51系列單片機，外部擴展A/D轉換器TLC2543，同時接入液晶顯示屏，以便直觀了解整個系統(tǒng)的實時輸出信息。產(chǎn)生脈寬調(diào)制波控制場效應管的導通占空比，實現(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；置4K的EEPROM；四個IO口。由于這款單片機部沒有A/D，所以只能夠通過外部擴展，采用TI（美國儀器）的12位A/D轉換器TLC2543，11個模擬輸入通道，SPI接口。為了更加直觀地了解系統(tǒng)控制的輸出結果，控制部分還接入了n5110液晶屏，+3.3V供電，有背光，功耗低。控制部分的原理圖如圖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，其輸出的也為電壓信號。其信號分別從A/D轉換器的0和1通道輸入。單片機P0.0口輸出PWM波來實現(xiàn)控制太陽能電池板輸出電壓，P1.0~P1.4分別接到TLC2543的EOC、I/Oclk、Din、Dout、EQ\X\to(CS)，P0.3~P0.7分別接液晶屏的各個數(shù)據(jù)口。電容C1=30pf、C2=30pf與晶振Y1共同組合構成單片機系統(tǒng)的振蕩電路，兩個電容用于電路的起振，給MCU提供系統(tǒng)時鐘，單片機指令的執(zhí)行都是需要時鐘信號的激勵才能完成，此電路就好比人類的心臟一樣。3.2軟件設計程序編寫使用的是Keil軟件，它是美國Keilsoftware公司出品的51系列兼容單片機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、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。整個系統(tǒng)的程序采用C語言編程[11]。3.2.1設計思路軟件的部分主要包括A/D、PWM、液晶屏n5110、以與系統(tǒng)思路的算法。A/D轉換的驅動程序主要根據(jù)TI官網(wǎng)提供的Datasheet上面的時序圖和一些固定指令來寫；PWM波的產(chǎn)生通過單片機部的定時器中斷來實現(xiàn)；n5110液晶的驅動程序也通過相應的時序與命令編寫。圖3.4TLC2543時序圖如圖3.4所示，TLC2543的數(shù)據(jù)傳輸是在信號EQ\X\to(CS)為低電平的情況下進行的，這是個片選信號。數(shù)據(jù)的輸入與輸出是在時鐘信號I/OCLOCK的下降沿進行。芯片處于轉換的狀態(tài)下時，信號EOC為高電平，轉換結束時為低電平，驅動程序的編寫按照此時序圖。PWM設計思路：使用部的定時中斷，最大計數(shù)脈沖為65535，外部晶振為12M時，最長定時時間為65.535ms。定時器賦初值的原則（定時器0）：TH0=（65536-N）/256，TL0=（65536-N）%256，其中N為定時時間，單位為us。再定義一個數(shù)C，定時溢出時C自動加1，此時C為一個常數(shù)，把C可以分為兩段圍，一段圍給單片機的P0.0口賦1，另一個圍給其賦0，這樣就實現(xiàn)了脈寬調(diào)制波形的產(chǎn)生。根據(jù)MPPT的算法思路，結合A/D轉換、PWM以與各初始化程序，得到系統(tǒng)的流程圖如圖3.5所示，此流程圖體現(xiàn)出了本設計的核心程序思想。圖3.5MPPT算法流程圖3.2.2子程序設計實現(xiàn)下面主要分析PWM以與系統(tǒng)算法程序。系統(tǒng)初始化程序：/*位定義，其中P0^0為PWM輸出，P1^0~P1^4為TLC2543接口，P0^3~P0^7為液晶接口*/sbitpwm_out=P0^0;sbiteoc=P1^4;sbitioclk=P1^3;sbitdin2543=P1^2;sbitdout2543=P1^1;sbitcs2543=P1^0;sbitsce=P0^3;sbitreset=P0^4;sbitdc=P0^5;sbitsdin=P0^6;sbitsclk=P0^7;voidInit_sysm()//初始化系統(tǒng){ Init_n5110();//初始化液晶 Clear_n5110();//清屏Init_pwm();//初始化定時器}PWM信號的產(chǎn)生：voidInit_pwm(){TMOD|=0x11;//定時器1，工作方式3 TH1=0xff;//定時器賦初值，高8位，定時1us TL1=0xff;//低八位 TR1=1;//開定時中斷IE=0x8A; //開總中斷}voidtimer1()interrupt3//3為定時器1的中斷號1定時器0的中斷號0外部中斷12外部中斷24串口中斷{ TH1=0xff;//重新賦初值 TL1=0xff; pwm++;}voidpwm(){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：voidmppt(){ ucharP_new,U_new; if(P>P_new) { if(U>U_new) PWM++; else PWM--; } else { if(U>U_new) PWM--; else PWM++; } }4系統(tǒng)調(diào)試與測試4.1調(diào)試與測試工具系統(tǒng)調(diào)試與測試所使用的工具包括：軟件KeiluVision4、50W太陽能電池板、電線、杜邦線、勝利牌VC890D萬用表、47Ω/20W水泥電阻、100Ω/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試。穩(wěn)壓塊的輸出為+5V，比較標準。圖3.2所示的R1、R2阻值均已給出，但是由于電阻會存在誤差，所以也要進行相應的校正。通過用萬用表測試的結果如表4.1所示：在測試的過程中，發(fā)現(xiàn)了一個很嚴重的問題：用萬用表可以測出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，導致A/D采不到電壓的后果，然而萬用表卻可以測到電壓是因為萬用表的電壓都是通過運放處理的。表4.1萬用表測量分壓電阻分壓值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UR2兩端電壓U2分壓系數(shù)U/U23.270.2911.27594.080.3611.33335.040.4411.45459.400.8411.190519.111.7211.1105平均系數(shù)11.2729注：表中電壓單位為V；根據(jù)這種猜測，結合采樣電阻的大小對系統(tǒng)功耗的影響，后來將R1、R2的阻值改小一個數(shù)量級，但是測得的結果還是不行，所以只能再降低分壓電阻阻值，直到減小到R1=4.7kΩ，R2=460Ω。測試后結果正常，通過計算，兩者的電阻和對系統(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，符合設計要求。將電阻調(diào)整合適之后還得進行校正，再次利用萬用表測得分壓電阻對應的電壓值，最終確定分壓系數(shù)，其測試結果如表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轉換得到的數(shù)字碼。表4.3電流檢測模塊測試供電電壓（V）負載萬用表測（V）A/D測（V）9.4047Ω/20W2.472.43100Ω/20W2.492.4419.1147Ω/20W2.442.41100Ω/20W2.482.43軟件調(diào)試的主要心思應當放到系統(tǒng)算法上面，由于n5110液晶、A/D轉換以與PWM的驅動程序之前都有寫過，將它們復制粘貼，進行相應的修改就行了。在調(diào)試程序的時候，通過幾組不同電壓值的采樣，比較A/D轉換器與萬用表兩者測得的值。發(fā)現(xiàn)A/D采樣的電壓與萬用表測得的電壓相差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。如電壓計算的公式U=(float)((4.096*ad0)/4095*1127+113)中加上的113就是修正結果。4.3系統(tǒng)測試為了能夠體現(xiàn)出本設計的性能，要對太陽能電池板的輸出作兩次測試，分為直接接負載測試和通過MPPT接負載測試，其測得的數(shù)據(jù)分別如表4.4和表4.5所示。表4.4太陽能電池板直接接負載測試負載輸出電壓（V）輸出電流（A）輸出功率（W）空載47Ω/20W18.100.397.0620.3V/0.46A100Ω/20W19.800.203.9620.4V/0.52A注：2013-5-9早上10:05，多云，21℃；表4.5接入MPPT太陽能電池板帶負載測試負載輸出電壓（V）輸出電流（A）輸出功率（W）47Ω/20W19.620.438.44100Ω/20W20.300.224.47注：2013-5-9早上10:07，多云，21℃；從這兩個表的數(shù)據(jù)可以看出：接入MPPT測試的輸出功率比直接輸出的功率提升了將近20%，與設計指標相比，這種結果并不是很理想，其主要的原因是采用51單片機的處理速度跟不上，而且程序量大，運行速度慢，導致A/D采樣的時間差太長，有時候并沒有采樣到最大功率點的電壓和電流，存在著較大的系統(tǒng)誤差。由圖3.2可知系統(tǒng)的信號濾波處理得也不是很完善，這樣會給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低功耗系列單片機等，優(yōu)化DC-DC轉換電路，加強系統(tǒng)各信號處的濾波處理。從整體效果來看，本設計基本上滿足設計指標。5總結對于太陽能電池板轉換效率低的問題，采用MPPT（最大功率跟蹤）技術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，對帶MPPT控制器與不帶MPPT控制器的輸出功率進行比較，在整個設計工作中做了大量的測試，采集了輸出電壓、電流并且制作多圖表，從整體上看，能夠提高20%左右的效率。從整個系統(tǒng)分析來看，效率不高的主要原因有幾點：1、系統(tǒng)的功耗相對比較高，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，STC89C52RC雖說有較大的存儲能力，但是其處理的速度還是比較慢，導致跟蹤的速度低，有時候并沒跟蹤到最大功率點；3、環(huán)境影響，太陽能電池板不是每時每刻都以最佳位置接收太。綜合上述幾點原因，MPPT控制器還可以做進一步改進。如：采用低功耗的DC-DC轉換芯片，選取DSP等高速MCU替代51單片機，控制太陽能電池板旋轉，使得其以最佳位置接收太。在考慮方案改進的同時，系統(tǒng)成本也應該作為參考，思想緊跟產(chǎn)品推廣規(guī)則。以設計實用性產(chǎn)品為最終目的。通過本次設計，鞏固了自己的專業(yè)知識，同時也學到了新的知識。剛開始是抱著忐忑的心理選取了這個課題設計，心里沒譜，總以為這個課題會很難。但是在看了幾天有關方面的資料之后，對課題的整體思路以與方向有了理解。然后根據(jù)思路進行相關的試驗，主要對象是場效應MOSFET開關管。之前有過這方面的電路設計，但出現(xiàn)的問題較多，主要是導通條件和應用場合需要注意。開關管通過驗證后，才