基于AVR單片機(jī)的微風(fēng)發(fā)電充電控制器設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)院：電子與電氣工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程完成日期2013年5月基于AVR單片機(jī)的微風(fēng)發(fā)電充電控制器設(shè)計(jì)DesignofBreezePowerGenerationChargeandControllerApplianceBasedonAVRMicrocontroller總計(jì)：24頁表格：4個(gè)插圖：15幅基于AVR單片機(jī)的微風(fēng)發(fā)電充電控制器設(shè)計(jì)[摘要]針對(duì)煤礦井下環(huán)境中應(yīng)用無線傳感器時(shí)遇到的傳感器能量來源的問題，設(shè)計(jì)了基于AVR單片機(jī)的微風(fēng)發(fā)電充電控制裝置。該裝置主要包括微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)和充電控制器兩個(gè)部分，其中微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)采集煤礦井下巷道里的微風(fēng)能量并將其轉(zhuǎn)化成電能；充電控制器則是以AVR單片機(jī)為主控制器，在監(jiān)控發(fā)電機(jī)輸出和蓄電池電量等參數(shù)的情況下將發(fā)電機(jī)輸出電能儲(chǔ)存在蓄電池中。本論文重點(diǎn)闡述了充電控制器的設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和充電控制器都具有良好的穩(wěn)定性和可靠性好，在5m/s的風(fēng)速下發(fā)電機(jī)輸出功率0.4w并能很好的為蓄電池充電，基本滿足了系統(tǒng)實(shí)用性要求。[關(guān)鍵詞]風(fēng)能采集；微型風(fēng)力發(fā)電；充電控制器；蓄電池充電DesignofBreezePowerGenerationChargeandControllerApplianceBasedonAVRMicrocontrollerAbstract:Fortheproblemofhowtogetenergywhenusingwirelesssensorincoalmine,ThisgraduationprojectdesignedabreezegenerationchargecontroldevicebasedonAVRmicrocomputer.Thedevicemainlyconsistsoftwoparts:abreezepowergenerationsystemsandachargingcontrolmodule.Thebreezepowergenerationmodulecollectsbreezeenergyofcoalmineroadwayandconvertsitintoelectricity.ThechargecontrolmoduleoutputsandlayselectricalenergyinastoragebatterybasingonthecontrolleroftheAVRsingle-chip,inthecaseofmonitoringgeneratoroutputandthebatterypower.Thispaperfocusesonthedesignofthechargecontroller.Thesystemisstableandreliablethroughthetest.Powerofgeneratoris0.4wwhenthewindspeedis5m/sandthesystemisgoodforbatterycharging.Thedevicebasicallymeetstherequirementsofavailability.Keywords:Windpowercollection;microwindpower;chargecontrol;chargeofstoragebattery目錄1引言 11.1研究礦井巷道內(nèi)微風(fēng)發(fā)電充電控制系統(tǒng)的背景及意義 11.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 11.2.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及趨勢(shì) 11.2.2我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及趨勢(shì) 21.3本論文研究目的及研究?jī)?nèi)容 32微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 32.1微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)流程 42.1.1微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理 42.1.2微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)流程 42.2風(fēng)力機(jī)選擇 52.3發(fā)電機(jī) 53蓄電池及其充電技術(shù)分析 63.1蓄電池的選擇 63.2鋰電池的充電方法 74充電控制器硬件設(shè)計(jì) 84.1充電控制器系統(tǒng)框圖 84.2充電控制器硬件設(shè)計(jì) 94.2.1充電電路 94.2.2電源電路 104.2.3檢測(cè)電路 104.2.4控制器指示燈電路 115充電控制器軟件設(shè)計(jì) 125.1軟件設(shè)計(jì)總體思路 125.2控制器系統(tǒng)流程圖 125.3充電流程設(shè)計(jì) 145.4主要模塊程序設(shè)計(jì) 145.4.1電池監(jiān)測(cè)模塊 145.4.2PWM波形產(chǎn)生模塊 155.4.3電流調(diào)節(jié)模塊 156實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 16結(jié)束語 17參考文獻(xiàn) 18附錄 19致謝 241引言1.1研究礦井巷道內(nèi)微風(fēng)發(fā)電充電控制系統(tǒng)的背景及意義隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)能源的需求量大幅上升，這將給能源的供求帶來很大的壓力。因此中國(guó)要加大對(duì)新能源的研究大力開發(fā)利用新能源。風(fēng)能就是一種很好的新能源并且已經(jīng)有了一定的應(yīng)用和發(fā)展。風(fēng)能利用的商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，與此同時(shí)風(fēng)力發(fā)電的成本也越來越低，這為風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)利用提供了廣闊的前景。煤礦巷道內(nèi)風(fēng)力資源豐富，足以提供穩(wěn)定的電能供給智能管理系統(tǒng)。但是在巷道內(nèi)微風(fēng)能量發(fā)電方面，國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)方面研究的公布。而在巷道內(nèi)采用微風(fēng)能量發(fā)電，然后用于其它智能器件的電力供給，不僅在成本上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋪設(shè)電纜，而且在維護(hù)上也很方便，便于在巷道等狹小空間普遍應(yīng)用，因此對(duì)微型風(fēng)力發(fā)電充電控制系統(tǒng)具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，所以本課題具有相當(dāng)大的發(fā)展前景。近年來，無線傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但是傳統(tǒng)化學(xué)電池具有體積大、能量密度低、使用壽命有限、需要定期更換等特點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足無線傳感器節(jié)點(diǎn)等小體積、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、高能量密度電源的需求，因此高性能微能源技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。這也是本課程設(shè)計(jì)研究的出發(fā)點(diǎn)。本次課程設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究巷道里微風(fēng)能量的采集和利用，著重探討了微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能后對(duì)蓄電池充電過程的控制，使發(fā)電機(jī)能高效的為蓄電池充電以便后續(xù)使用。1.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀風(fēng)能在可再生能源中占有很重要的地位。而且利用風(fēng)能從實(shí)生產(chǎn)勞動(dòng)等也有著悠久的歷史。20世紀(jì)后半期以來世界上資源的短缺和人們生活環(huán)境的惡化將人們的開始目光聚焦于新能源的開發(fā)和利用上，這其中就有無污染并且可再生的風(fēng)能資源。利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電是世界上許多國(guó)家大力研究的課題。微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的、造價(jià)低、使用安全、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。在沒有條件使用國(guó)家電網(wǎng)供電的邊遠(yuǎn)山區(qū)或者沿海地區(qū)以及島嶼上微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)很多的應(yīng)用。1.2.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及趨勢(shì)近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展速度很快。截至2010年全世界風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)40.00GW,預(yù)計(jì)到2020年可以達(dá)到1TW。資料顯示2010年德國(guó)又增加了500萬千瓦風(fēng)力發(fā)電,西班牙增加了520萬千瓦并且使其年生產(chǎn)能力達(dá)到800萬千瓦,從而滿足了西班牙全國(guó)電力需求的10%。除此之外，作為世界超級(jí)大國(guó)和石油消費(fèi)大國(guó)的美國(guó)也比較重視風(fēng)能的開發(fā)和利用。截止2006年,美國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)超8000MW,使200萬個(gè)中等收入的家庭的有了日常用電保障。研究表明，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造業(yè)的發(fā)展風(fēng)能的利用將進(jìn)一步加大，而風(fēng)能電發(fā)的成本將會(huì)進(jìn)一步下降。目前位居風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量前列的是美國(guó)、德國(guó)丹麥和印度并且他們還會(huì)在這方面花費(fèi)大量的人力和物力。到美國(guó)能源部要求到2020年時(shí)其風(fēng)力發(fā)電達(dá)到國(guó)家電力消耗的10%，丹麥甚至計(jì)劃在2030年前使其用電量的40%來自于風(fēng)力發(fā)電。1.2.2我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及趨勢(shì)我國(guó)是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)家，全國(guó)大部分地區(qū)為多風(fēng)帶并且適合發(fā)電。目前我國(guó)實(shí)際可用來開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億千瓦,這為我國(guó)研究可再生能源的利用技術(shù)提供了強(qiáng)大的資源條件。截止到2006年底我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電總量躍居世界前三位。到2008年我國(guó)的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到12210MW。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道,我國(guó)有望在2020前新增發(fā)電能力500GW，其中121GW為可再生能源。2010年以前,我國(guó)計(jì)劃新建20座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng),每座風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電能力達(dá)到100MW以上，且達(dá)到4000MW的風(fēng)力發(fā)電總目標(biāo),并要求風(fēng)力發(fā)電設(shè)備本土化。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電一般采用三種形式，即用戶式、居民區(qū)式和并網(wǎng)式。其中用戶式可以獨(dú)立運(yùn)行，用蓄電池作為能量的儲(chǔ)存裝置直接輸出供電或者逆變交流供電。這樣的發(fā)電形式一般在100～300W之間，基本上可以滿足一般的家庭的家用電器的使用。居民區(qū)式的發(fā)電機(jī)單機(jī)容量一般為1～5KW,它可以統(tǒng)一的向小區(qū)內(nèi)的各家各戶供電或者向雷達(dá)站、邊防哨所等無電區(qū)供電。并網(wǎng)式就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電能并入大型的國(guó)家電網(wǎng)。有資料現(xiàn)實(shí)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2000年底，全國(guó)生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)力提水機(jī)組及配套件的工廠共39家，其中主機(jī)27家；職工近4000人，工程技術(shù)人員400余人；從事科研開發(fā)有35家院校，科技人員250人。商品化風(fēng)電機(jī)組有9種，從100W到5kW，年生產(chǎn)能力3萬臺(tái)，累計(jì)出口近1000臺(tái)小型風(fēng)電機(jī)。2002年全國(guó)生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組8190臺(tái)，風(fēng)力提水機(jī)組50臺(tái)。目前全國(guó)小型風(fēng)電機(jī)組保有量上萬臺(tái)，居世界首位。近幾年來已建立14處規(guī)模不等的大中型風(fēng)電場(chǎng)，至1995年共安裝55kW以上機(jī)組186臺(tái)，總裝機(jī)容量為37MW。預(yù)測(cè)到2015年，需要小型風(fēng)電機(jī)(10kW以下)22萬臺(tái)；大中型風(fēng)電機(jī)組(20kW以上)4000臺(tái)；風(fēng)力提水機(jī)組6000臺(tái)。進(jìn)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國(guó)發(fā)電行業(yè)存在一下問題:（l）發(fā)電機(jī)產(chǎn)品種類單一。雖然我國(guó)已經(jīng)能過生產(chǎn)大中小型發(fā)電，并且還實(shí)現(xiàn)了出口（1995年并出口印尼100W及300W小型風(fēng)電機(jī)各250臺(tái)，價(jià)值340余萬元）。但是發(fā)電機(jī)組功率還是不大，大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已做到600kW機(jī)組商品化，正在準(zhǔn)備批量生產(chǎn)750kW、1MW機(jī)組而，而我國(guó)才研究到55kW、250kW的風(fēng)電機(jī)階段。另一方面，發(fā)電功率小并且適用條件苛刻的發(fā)電機(jī)在國(guó)內(nèi)還沒有看到有關(guān)報(bào)道，但是這些發(fā)電機(jī)在某些地方有其特殊的作用，例如礦井下為無線傳感器供電的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。(2)科研生產(chǎn)能力薄弱。雖然2006年國(guó)務(wù)院下發(fā)文件明確“對(duì)風(fēng)力發(fā)電實(shí)行按增值稅應(yīng)納稅額減半”的優(yōu)惠政策，但是國(guó)內(nèi)企業(yè)和科研單位投入電機(jī)組技術(shù)引進(jìn)和研制的單位還不是很多，也不夠重視[1]。今后風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景是光明的。全國(guó)人大常委會(huì)在2005年審議并通過的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》會(huì)極大地鼓勵(lì)風(fēng)電技術(shù)等新能源的發(fā)展。預(yù)計(jì)風(fēng)力發(fā)電商業(yè)化單機(jī)容量越來越大，成本也會(huì)越來越低而風(fēng)力發(fā)電的可靠性會(huì)大大提高。這位風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)提供了廣闊的前景，使得風(fēng)力發(fā)電迅速成為初具規(guī)模的新型產(chǎn)業(yè)[2]。一是建設(shè)大風(fēng)輪和高塔架，向超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展。二是向新型立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展。即發(fā)展垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片需要不斷增長(zhǎng)和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣發(fā)電機(jī)可以利用來自任何方向的風(fēng)從而提高了風(fēng)能利用率并且可以大大的降低又支撐風(fēng)力機(jī)的鐵塔，使得發(fā)電機(jī)造價(jià)降低，重量變輕了好多[3]。1.3本論文研究目的及研究?jī)?nèi)容論文針對(duì)無線傳感器技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，將對(duì)微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行一些探索性研究。以期得到小體積、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、便于布置的微能源，以滿足無線傳感器技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，具有重大的應(yīng)用價(jià)值及科學(xué)意義。本次課程設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究巷道里微風(fēng)能量的采集和利用，著重探討了微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能后對(duì)蓄電池充電過程的控制。該充電控制器以美國(guó)ATMEL公司的ATmega16單片機(jī)作為控制芯片，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的各種充電技術(shù)和充電器設(shè)計(jì)方案，采用預(yù)充電、橫流充電、恒壓充電組合起來的充電模式，可達(dá)到預(yù)期的充電效果。2微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)根據(jù)課題要求結(jié)合實(shí)際使用情況，本設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)模塊：微型風(fēng)力發(fā)巷道內(nèi)風(fēng)能微型風(fēng)力發(fā)電模塊充電控制模塊巷道內(nèi)風(fēng)能微型風(fēng)力發(fā)電模塊充電控制模塊儲(chǔ)能裝置模塊負(fù)載圖1設(shè)計(jì)總體框圖電模塊、充電控制模塊、蓄電池儲(chǔ)能模塊。微型風(fēng)力發(fā)電模塊利用微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)將巷道里的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；充電控制模塊則是通過AVR單片機(jī)的控制為蓄電池充電，將電能轉(zhuǎn)化為蓄電池的化學(xué)能；蓄電池儲(chǔ)能模塊就是利用蓄電池儲(chǔ)存電能，其中包括對(duì)電池電量的檢測(cè)和保護(hù)[4]，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。2.1微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)流程2.1.1微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械裝置。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由兩部分組成：一是風(fēng)力機(jī)，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)現(xiàn)在風(fēng)車技術(shù)的要求，在風(fēng)速大于3m/s的時(shí)候便可以開始發(fā)電。最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成，如圖2所示?？諝饬鲃?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來[5]。圖2風(fēng)力發(fā)電原理圖2.1.2微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)流程微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，然后在需要的時(shí)候再提供給負(fù)載。常見的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖如圖3所示。隨著小型發(fā)電系統(tǒng)的日益普及和發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，很多行業(yè)對(duì)微型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用也提出了要求。為了獲得具有好的系統(tǒng)性能的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和控制算法也在不斷地改進(jìn)和提升。但總的來說，微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)主要包括一些流程：（1）設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)獲得風(fēng)能。根據(jù)實(shí)際使用情況的要求，必須設(shè)計(jì)出合適的風(fēng)葉，確定風(fēng)葉的大小，結(jié)構(gòu)，制造材料等等。（2）發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)。要設(shè)計(jì)出出啟動(dòng)風(fēng)速盡量小，輸出功率達(dá)到要求，性穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)。本設(shè)計(jì)就要設(shè)計(jì)出啟動(dòng)風(fēng)速為2m/s,在5m/s的風(fēng)速下輸出功率約為0.4w的微型發(fā)電機(jī)。（3）發(fā)電機(jī)的監(jiān)控和蓄電池充電控制。這要采用一定的技術(shù)策略，檢測(cè)出發(fā)電機(jī)工作時(shí)的相關(guān)參數(shù)和蓄電池的電壓的參數(shù)，本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓和蓄電池的電壓進(jìn)行采集獲得對(duì)微型發(fā)電充電系統(tǒng)的監(jiān)控[6]。圖3小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖2.2風(fēng)力機(jī)選擇風(fēng)力機(jī)就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。根據(jù)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的區(qū)別，一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有低切入風(fēng)速、易于過載時(shí)切出保護(hù)、較高的功率系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)裝置是用在礦井下的巷道里，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)有很多限制條件。例如發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速為2m/s，這點(diǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)因啟動(dòng)風(fēng)速大而不滿足設(shè)計(jì)的要求，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速低可以滿足要求。另外水平軸發(fā)電機(jī)具有占用空間小、功率系數(shù)高、過載時(shí)易切出保護(hù)等特點(diǎn)，這些都符合巷道里的環(huán)境條件，所以本設(shè)計(jì)采用水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采集風(fēng)能發(fā)電[7]。2.3發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中關(guān)鍵部分，種類很多，但一般都是由5部分組成的：一是風(fēng)輪，也就是前文提到的風(fēng)力機(jī)；二是支座，它主要用于安裝是發(fā)電機(jī)和尾翼等，表1發(fā)電機(jī)性能參數(shù)型號(hào)名稱S-200S額定功率0.4W額定電壓12V啟動(dòng)風(fēng)速2.0m/s額定風(fēng)速5m/s最大風(fēng)速8m/s風(fēng)輪直徑0.17米葉片數(shù)量3片能繞塔架中的豎直軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)；三是一般安裝與機(jī)頭厚的尾翼，它是用來保證在風(fēng)向變化時(shí)，使風(fēng)輪正對(duì)風(fēng)向；四是塔架，是支撐機(jī)頭的構(gòu)架，它能使發(fā)電機(jī)處于空中而不受周圍障礙物的影響；五是主機(jī)，也就是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的部件，是發(fā)電機(jī)的主要組成部分[8]。本人采用無錫乃爾技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，耐久性，低噪音，翼片直徑不到20cm，如表1所示。3蓄電池及其充電技術(shù)分析3.1蓄電池的選擇因?yàn)樽匀唤缰械娘L(fēng)能具有間歇性和不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能也會(huì)時(shí)大時(shí)小、時(shí)有時(shí)無，不太穩(wěn)定。這樣的電能是不能直接供給用電器使用的。因此要找到一個(gè)中轉(zhuǎn)裝置間設(shè)置儲(chǔ)能裝置，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電儲(chǔ)存起來，然后由該裝置穩(wěn)定地向用電器供電。對(duì)于市場(chǎng)上蓄電池大致分為鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li–ion)電池。它們的性能比較如表2所示，可以看出鋰離子電池性能比較好，因此本設(shè)計(jì)選用鋰離子電池作為蓄電池。下面計(jì)算蓄電池的容量。表2鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較電池類型工作電壓(V)重量比能量(Wh/kg)體積比能量(Wh/L)循環(huán)次數(shù)記憶效應(yīng)自放電率(%/月)鉛酸電池2.0——400～600無3鎳鎘電池1.250150400～500有15～30鎳氫電池1.260～80240～300＞500無25～35鋰離子電池3.6120～140300＞1000無2～5（1）負(fù)載用電量的計(jì)算。計(jì)算負(fù)載用電量公式[9]為式（1）(1)式中，為負(fù)荷的用電量，單位；P為計(jì)算負(fù)荷，單位；T為負(fù)荷的平均利用小時(shí)數(shù)，單位。(2)（2）蓄電池容量的計(jì)算。蓄電池的容量公式[9]為(3)式中，Q為負(fù)荷用的電量，單位；W為蓄電池組端電壓，單位V，U為蓄電池放電深度，一般為80％。則蓄電池容量(4)由式（4）知蓄電池的容量不能小于937mAh，因此本設(shè)計(jì)選擇容量為1000mAh的蓄電池滿足條件，其參數(shù)見表3。表3蓄電池參數(shù)電池型號(hào)Li-16340標(biāo)稱容量1000mAh標(biāo)稱電壓3.7V工作電壓范圍3.0V～4.2V自耗電3-7uA充放電次數(shù)1050～1100次使用溫度范圍-20℃～+45℃電池外形尺寸（長(zhǎng)*寬*高）5×35×54mm充電方法恒壓恒流（CC/CV）充電電壓4.2V最大充電電流1C最大放電電流1C執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T18287-2000（3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量。按發(fā)電時(shí)數(shù)每天8小時(shí)計(jì)算，本課程設(shè)計(jì)所用的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率選0.4w可以滿足條件，因?yàn)?.4w×8=3200mWh遠(yuǎn)大于負(fù)載用電量2772.5mWh。3.2鋰電池的充電方法目前對(duì)鋰電池的充電以恒流恒壓的充電方法為主，充電初期一般采用小電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)處理，防止電池過放電帶來的影響；接著用大電流快速充電；在電池電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，轉(zhuǎn)為恒壓模式確保電池充滿，即充電過程分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電三個(gè)階段，如圖4所示。如果電池電壓低于2.9～3.0V，則電池已經(jīng)完全放電且必須激活[10]。在激活階段利用較低的恒定電流充電（一般為0.05～0.15C，其中C是額定電池容量），直至電池電壓達(dá)到預(yù)期電平，電池激活時(shí)間限制在1.5～3個(gè)小時(shí)。如果電池電壓在激活階段無法升高到2.9～3.0V以上，則可以認(rèn)定電池被損壞。圖4鋰電池充電曲線激活階段之后開始進(jìn)入快速充電階段。快速充電有兩種模式：恒壓模式和恒流模式。在電池電壓低于預(yù)定電平（4.1～4.2V）時(shí)，用恒流模式充電（約0.5～1C）。在電池電壓達(dá)到預(yù)定電平時(shí)，充電電源切換到恒壓模式（4.1～4.2V）。如果充電電流降低至預(yù)定限值以下則結(jié)束充電過程[11]?？焖俪潆婋A段必須采用超時(shí)保護(hù)。恒流充電時(shí)間估計(jì)可以提供100～120％的電池電量，因?yàn)榇四Ｊ较码姵爻潆娭量側(cè)萘康?0～80％。恒壓充電時(shí)間限制在2個(gè)時(shí)內(nèi)，充電時(shí)部分電能被轉(zhuǎn)換成熱能，直至電池充滿。而充滿后，所有的電能將全部被轉(zhuǎn)換成熱能。如果此時(shí)不終止充電，電池就會(huì)被損壞或燒毀?？焖俪潆姡姵赝耆錆M的時(shí)間小于兩小時(shí)的充電器）可以解決這個(gè)問題，因?yàn)榭焖俪潆娛褂么蟮某潆婋娏鱽砜s短充電時(shí)間。此外，對(duì)于鋰離子電池來說，監(jiān)測(cè)它的溫度是至關(guān)重要的，因?yàn)殡姵卦跍囟冗^高時(shí)會(huì)發(fā)生爆裂。在所有的充電階段都應(yīng)該隨時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的變化，并且在溫度超過最大設(shè)定值時(shí)，立即停止充電。4充電控制器硬件設(shè)計(jì)4.1充電控制器系統(tǒng)框圖在對(duì)鋰電池充電時(shí)，鋰電池電量會(huì)隨著充電時(shí)間的加長(zhǎng)而不斷增大，當(dāng)超過其極限值時(shí)就會(huì)損壞鋰電晶型，造成鋰電池永久性損壞。因此設(shè)計(jì)的充電控制器除了技術(shù)參數(shù)的要求外，控制器的可靠性和安全性也是至關(guān)重要的。為了保證充電時(shí)不對(duì)電池造成永久性損壞，在控制器設(shè)計(jì)中必須考慮保護(hù)措施（包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)和溫度保護(hù)）。另外，充電器充電過程包括了恒流工作階段和恒壓工作階段且系統(tǒng)必須保證恒流、恒壓的穩(wěn)定性[12]。圖5所示時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，包括電壓/溫度采樣模塊、開關(guān)控制模塊、保護(hù)機(jī)制模塊和充電模塊。保護(hù)機(jī)制模塊：該模塊主要檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)事先編寫的軟件響應(yīng)監(jiān)控信號(hào)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，該模塊電路被分散在其他3個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)電路中。開關(guān)控制模塊：該模塊利用A/D檢測(cè)充電狀態(tài)，在非正常工作時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)電源。充電功能模塊：該模塊的主要功能是產(chǎn)生精確的PWM信號(hào)來控制充電的電壓和電流，完成電池充電，并實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)狀態(tài)。溫度/電壓檢測(cè)：該模塊完成對(duì)充電器電源電壓，電池兩端的電壓、電流和環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)值決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。圖5充電控制器系統(tǒng)框圖4.2充電控制器硬件設(shè)計(jì)充電控制器系統(tǒng)整體電路可劃分為系統(tǒng)指示燈電路、電壓與環(huán)境溫度采集電路、充電電路和開關(guān)控制電路。4.2.1充電電路充電電路采用BUCK變換器電路。BUCK變換器將直流電源能量傳送到負(fù)載并加以控制，得到另一個(gè)直流輸出電壓或電流。通過對(duì)開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)短控制，即控制從電源端到負(fù)載端傳送的能量。BUCK變換器是一個(gè)用一個(gè)電感或一個(gè)變壓器（需要隔離的時(shí)候用變壓器）作為能量存儲(chǔ)單元，以離將能量離散的從輸入傳輸至輸出的開關(guān)調(diào)節(jié)器，反饋電路通過晶體管來調(diào)節(jié)能量的傳輸，同時(shí)也作為過濾開關(guān)以確保電壓或電流在負(fù)載時(shí)保持恒定[13]。BUCK變換器包括由NPN晶體管驅(qū)動(dòng)的P溝道MOSFET開關(guān)管，開關(guān)管與電感、二極管和電容相連，如圖6所示。當(dāng)開關(guān)管接通時(shí)(原理圖中以一個(gè)天關(guān)表示)，電流按圖6(A)所示方向流動(dòng)，電容通過電感被充電(電感也吸收了能量)。當(dāng)開關(guān)管打開時(shí)，如圖6(B)所示，電感試圖保持電流，從而導(dǎo)致電流流過二極管、電感和電容，這是一個(gè)BUCK變換器的工作周期。如果減少占空比，開通時(shí)間減少，斷開時(shí)間增加，則輸出電壓也將下降。反之輸出電壓增加。在占空比為50%時(shí)，BUCK變換器的效率最高。圖中二極管是用來防止在斷電時(shí)電池向微處理器供電[14]，濾波電容C使輸出電壓的紋波進(jìn)一步減小。顯然，功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。BUCK變換器的輸入阻抗的大小可以通過控制開關(guān)電源的占空比來改變。這種控制性能可以用在微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過控制發(fā)電機(jī)的輸出電流，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，即調(diào)節(jié)了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，從而控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速用來改變?nèi)~尖速比，這樣就控制了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。（A）（B）圖6BUCK變換器的開關(guān)原理圖4.2.2電源電路本設(shè)計(jì)電源模塊主要為單片機(jī)和運(yùn)算放大器供電，經(jīng)測(cè)定微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓隨風(fēng)速變化（2～7m/s）而變化的范圍是7～12V,這樣的電壓是不能直接給單片機(jī)供電的，因此需要穩(wěn)壓裝置。如圖7所示，將發(fā)電機(jī)輸出接入三端穩(wěn)壓器7805的Vin端后得到穩(wěn)定的5V電壓，電容C1和C2與輸入輸出電流大小有關(guān)，其目的是去耦和旁路。發(fā)光二極管作為充電器的指示電路。具體電源模塊的電路圖如圖7所示。圖7電源電路圖4.2.3檢測(cè)電路檢測(cè)電路如圖8所示，電路原理和器件功能描述如下：（1）VCC連接5V電源產(chǎn)生電路，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的工作電流以及電池內(nèi)部熱敏電阻提供電壓[15]。（2）電池的正端連接兩個(gè)串聯(lián)的電阻，通過分壓作用，檢測(cè)20K電阻上的電壓，然后通過單片機(jī)的ADC0通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存儲(chǔ)起來。（3）電池的中間端通過一個(gè)分壓電阻連接到5V電壓源，測(cè)得熱敏電阻的壓降，并通過單片機(jī)的AD1通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，計(jì)算得到溫度值。（4）電池的負(fù)端通過靈敏電阻接地，檢測(cè)電阻兩端的電壓后并通過10增益的運(yùn)算放大器得到較大的電壓值，目的是為了提高精確度，利用ADC2通道獲得數(shù)字量，然后根據(jù)公式轉(zhuǎn)換為電流值。（5）電容C起濾波的作用，防止采樣點(diǎn)電壓的波動(dòng)。圖8電池檢測(cè)電路4.2.4控制器指示燈電路系統(tǒng)指示燈有兩個(gè)：紅色LED和綠色LED。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí)，充電器的紅色指示燈亮，綠色指示燈熄滅；當(dāng)電池充電基本完成，進(jìn)入涓流階段時(shí)，充電器的綠色指示燈亮，紅色指示熄滅；若出現(xiàn)異常狀況，則紅色指示燈閃爍，綠色指示燈熄滅。圖9系統(tǒng)指示電路如圖9所示，LED直接連接至單片機(jī)I/O口，RES2電阻利用分壓原理得到LED的工作電位差，并利用與LED串聯(lián)的特點(diǎn)限制其工作電流，起過載保護(hù)的作用。在單片機(jī)的整體控制中，在采樣電路提供采樣數(shù)據(jù)的前提下單片機(jī)通過PWM對(duì)電池的充電電壓與充電電流進(jìn)行控制。5充電控制器軟件設(shè)計(jì)5.1軟件設(shè)計(jì)總體思路充電控制器機(jī)接上電源后，系統(tǒng)首先要檢查是否有電池放入，準(zhǔn)備充電，同時(shí)還必須檢測(cè)電池是否可用。然后系統(tǒng)須連續(xù)數(shù)次檢測(cè)各個(gè)A/D通道，進(jìn)行電源電壓、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的初始化，設(shè)定系統(tǒng)初始值。如果電池電壓采樣通道連續(xù)3次檢測(cè)到電壓值大于1.0V，則認(rèn)為充電器內(nèi)已放入電池，且電池可用，開始充電。整個(gè)充電過程可分3個(gè)階段進(jìn)行：預(yù)充電階段、恒流充電階段（快速充電階段）和恒壓充電階段（涓流充電階段）。每個(gè)充電階段的數(shù)據(jù)獨(dú)立，但他們的處理機(jī)制基本一致。對(duì)于這3個(gè)充電階段，預(yù)充電和快速充電兩階段必須做到恒流控制，涓流充電階段必須做到恒壓控制，這是充電階段的主要功能部分。恒流、恒壓控制電路已知，單片機(jī)必須對(duì)I/O口的數(shù)據(jù)做出判斷，并根據(jù)判斷向外部電路發(fā)出正確的動(dòng)作指示。5.2控制器系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)主流程主要包括初始化函數(shù)、電池檢測(cè)函數(shù)、預(yù)充電子程序、快速充電子程序和恒壓充電子程序等。按照系統(tǒng)主流程的設(shè)計(jì)，各部分功能如下：（1）單片機(jī)上電后，初始化寄存器。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)流程的主函數(shù)調(diào)用初始化函數(shù)，初始化工作包括3個(gè)方面：定義全部寄存器和單片機(jī)端口、初始化片內(nèi)寄存器和端口狀態(tài)、系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)位并啟動(dòng)，中斷復(fù)位等待。初始化過程將清除上次充電的所用記錄，同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)控函數(shù)，并復(fù)位中斷系統(tǒng)，通常該過程十分迅速，一般會(huì)在放置電池前完成。（2）調(diào)用檢測(cè)子程序，完成檢測(cè)。檢測(cè)電池的子程序?qū)⒂卯?dāng)前的狀態(tài)值覆蓋先前無電池時(shí)采樣的無效值，然后對(duì)取得的狀態(tài)值判斷此刻充電器放置的電池是否可用。系統(tǒng)連續(xù)做4次電源電壓、電池電壓、電池溫度和充電電流的采樣，將采用的狀態(tài)值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的正常參數(shù)進(jìn)行比較：若4次比較的結(jié)果全部無誤，則進(jìn)入電池檢測(cè)子程序；若4次比較的結(jié)果存在錯(cuò)誤，則系統(tǒng)一直檢測(cè)下去，直到連續(xù)4次比較的結(jié)果全部無誤為止。（3）確認(rèn)充電器中存在電池后，再根據(jù)電池電壓是否大于3V的條件，決定采用預(yù)充電還是快速充電。確認(rèn)充電器內(nèi)的電池可以進(jìn)行充電，系統(tǒng)將進(jìn)入電池檢測(cè)子程序：如果程序檢測(cè)到電池的電壓大于1V，則認(rèn)為充電器內(nèi)有可用的充電電池；否則系統(tǒng)認(rèn)為無電池或電池不可用，并退出函數(shù)，再重新開始執(zhí)行檢測(cè)電池的子程序。如果電池檢測(cè)子程序確認(rèn)充電器內(nèi)放置了有效的電池，那么系統(tǒng)將做進(jìn)一步的檢測(cè)。檢測(cè)當(dāng)前電池的電壓是否大于3V，如果電池電壓大于3V，電池的實(shí)際電壓已達(dá)到快速充電的電壓要求，因此可以跳過預(yù)充電階段直接進(jìn)行快速充電。開始初始化單片機(jī)開始初始化單片機(jī)連續(xù)4次檢測(cè)電源電壓、電池電壓、電池溫度電池電壓大于3V電池電壓大于1V預(yù)充電子程序恒流充電子程序恒壓充電子程序否是是否圖10系統(tǒng)流程圖（4）在相應(yīng)的充電階段，子程序內(nèi)部保持循環(huán)，不斷檢測(cè)，直至相應(yīng)階段充電完畢，退出相應(yīng)的子程序。充電子程序包括預(yù)充電子程序、快速充電子程序和涓流充電子程序?？筛鶕?jù)電池電壓的值跳過預(yù)充電子程序，直接進(jìn)入快速充點(diǎn)子程序或者涓流充電子程序。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到充電子程序后，如果不跳過預(yù)充充電子程序，則其正常執(zhí)行時(shí)序是：預(yù)充電子程序→快速充電子程序→涓流充電子程序。蓄電池在某個(gè)充電子程序模塊（預(yù)充電子程序、快速充電子程序或者涓流充電子程序）充電完成后要退出該子程序模塊。退出充電子程序時(shí)會(huì)調(diào)用檢測(cè)電池的子程序檢查充電情況：如果充電正常，則退出該子程序，順利進(jìn)入下一充電子程序；如果充電異常，將不進(jìn)入下一充電子程序，按照異常情況進(jìn)行相應(yīng)處理。5.3充電流程設(shè)計(jì)三個(gè)充電階段的子程序流程描述如下：（1）進(jìn)入充電流程，子程序開始檢測(cè)充電器中有無電池、置標(biāo)志信號(hào)，如果沒有電池則退出子程序。（2）隨后系統(tǒng)進(jìn)入充電過程，首先系統(tǒng)對(duì)電池的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，包括環(huán)境溫度、電池電壓等。在確定環(huán)境溫度正常且電池電壓小于預(yù)充電電壓后進(jìn)入預(yù)充電，本設(shè)計(jì)中為一個(gè)1000mAh的電池充電，設(shè)置預(yù)充電電流為0.05C[16]。充電階段不斷對(duì)電池的當(dāng)前參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電壓達(dá)到3V后轉(zhuǎn)入快速充電的恒流充電階段，充電過程中如有異常情況發(fā)生立即關(guān)斷電路。（3）當(dāng)電壓高于3V低于4.2V且溫度正常時(shí)，進(jìn)入快速充電的恒流階段，充電電流設(shè)置為0.5C，此過程中不斷檢測(cè)電池的當(dāng)前參數(shù)，當(dāng)電壓達(dá)到4.2V時(shí)轉(zhuǎn)入涓流充電階段。此后一直保持恒定電壓，同時(shí)檢測(cè)溫度和電流值，當(dāng)電流值小于0.1C后停止充電，同樣如果溫度超出限制后也停止充電。（4）判斷電池電壓是否小于1V：如果小于1V，則表明電池被移走，置相應(yīng)標(biāo)志位，程序結(jié)束；否則繼續(xù)處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。（5）判斷電池電壓是否大于4.2V：如果大于4.2V，則表明電池出現(xiàn)故障，置相應(yīng)的標(biāo)志位，開啟LED指示，程序?qū)⒒氐紹ACK1處；否則繼續(xù)處理采樣數(shù)據(jù)。（6）判斷電池溫度是否處于0～43℃之間：如果處于該數(shù)值范圍，電池正常，繼續(xù)處理采樣數(shù)據(jù)；否則表明電池溫度過高，置相應(yīng)的標(biāo)志位，開啟LED指示，程序?qū)⒒氐紹ACK1處。5.4主要模塊程序設(shè)計(jì)5.4.1電池監(jiān)測(cè)模塊在整個(gè)程序運(yùn)行中，單片機(jī)必須不斷對(duì)電池的電壓、充電電流以及溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)以決定采用那種充電策略、調(diào)節(jié)充電電壓或者電流，ATmega16自帶的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)功能可以完成對(duì)電壓、充電電流以及溫度的采集。ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。本設(shè)計(jì)中單端電壓輸入以5V(AVCC)為基準(zhǔn)。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定，流程圖如圖11所示，程序見附錄1。采集參數(shù)求平均值采集參數(shù)求平均值求靈敏電阻壓降計(jì)算系統(tǒng)誤差得出結(jié)果開始系統(tǒng)初始化開始定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間到OC0置位是否圖11采樣流程圖圖12PWM產(chǎn)生流程圖5.4.2PWM波形產(chǎn)生模塊充電過程中充電電壓和充電電流的大小可由單片機(jī)ATmega16提供的PWM波控制。本設(shè)計(jì)選用ATmega16的T/C0產(chǎn)生PWM波形。設(shè)計(jì)中T/C0工作在快速PWM模式下，因?yàn)榇薖WM波頻率較高。此時(shí)計(jì)數(shù)器T0為單程向上的加1計(jì)數(shù)器，從0X00一直加到0XFF（上限值），在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)恢復(fù)為0X00,然后再從0X00開始加1計(jì)數(shù)。其上限值決定PWM的頻率。計(jì)算PWM的頻率的公式為：（5）式中，是端口單片機(jī)OC0輸出的PWM波形的頻率；N為分頻系數(shù)，取值為1、8、64、256或1024。通過設(shè)置寄存器OCR0的值，可以獲得不同占空比的PWM脈沖波形。流程圖如圖12所示，程序見附錄2。5.4.3電流調(diào)節(jié)模塊電池充電的過程中，充電電壓和電流可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。為了實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電，要調(diào)節(jié)充電電流和充電電壓到預(yù)定范圍，可以通過調(diào)節(jié)PWM波形實(shí)現(xiàn)電壓或開始者電流的調(diào)節(jié)，電流調(diào)節(jié)的流程圖如圖13所示。電壓的調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)原理類似，不再累述。開始是是檢測(cè)充電電流檢測(cè)充電電流是預(yù)定值是預(yù)定值否否調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)電流圖13電流調(diào)節(jié)流程圖6實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果實(shí)驗(yàn)對(duì)本設(shè)計(jì)選用的電池Li-16340進(jìn)行了充電測(cè)試。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，并沒有將風(fēng)力放電機(jī)放在煤礦井下，而是在實(shí)驗(yàn)室用電風(fēng)扇產(chǎn)生5m/s的微風(fēng)，測(cè)試結(jié)果見附錄4,充電電流和電池電壓隨充電時(shí)間變化的曲線如圖11和圖12。充電開始時(shí)電池電壓低于3V，充電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為50mA。預(yù)充電約20分鐘時(shí)電池電壓達(dá)到3V，控制器迅速將充電電流變?yōu)?00mA，以恒流充電的方式進(jìn)行充電，電池電壓不斷升高。充電240分鐘后蓄電池電壓達(dá)到4.2V，此后控制器以恒壓充電方式進(jìn)行充電，充電電流不斷減小，恒壓充電475分鐘后充電電流降低到100mA，此時(shí)電池容量已滿，控制器停止充電。圖11和圖12中的充電曲線與理論曲線基本相符。試驗(yàn)結(jié)果表明,該充電系統(tǒng)能夠很好完成鋰離子蓄電池的充電，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和預(yù)期目標(biāo)。圖14充電電流隨時(shí)間變化的曲線圖15電池電壓隨時(shí)間變化的曲線結(jié)束語環(huán)保、高效資源的研究以及應(yīng)用是一個(gè)日益流行的領(lǐng)域，微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)作為環(huán)保、高效資源的研究的一個(gè)重要分支，是近年來清潔能源領(lǐng)域中的新興課題，也是其他清潔、環(huán)保能源的開發(fā)與利用的基礎(chǔ)，因此對(duì)它的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文主要研究了微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和充電控制器的設(shè)計(jì)。首先介紹了微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的概念，研究現(xiàn)狀，指出了研究微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的重要意義。然后重點(diǎn)介紹了鋰離子電池的充電原理與充電方法、充電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分析并進(jìn)行了相應(yīng)充電器的具體參數(shù)設(shè)定。本文所設(shè)計(jì)智能充電器系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，電路按照實(shí)際電路功能可劃分為系統(tǒng)指示燈電路、電源電壓與環(huán)境溫度采樣電路、降壓轉(zhuǎn)換電路電路和開關(guān)控制電路，并進(jìn)行了單元電路的具體設(shè)計(jì)，通過具體的硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電池充電、LED指示、保護(hù)機(jī)制及異常處理等充電器所需要的基本功能。本設(shè)計(jì)采用的微型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，具有高效率、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，適合在礦井等巷道內(nèi)對(duì)無線發(fā)射模塊和其它檢查和安全報(bào)警模塊進(jìn)行電能供應(yīng)，在今后的普及中有很大潛力。同時(shí)作為一個(gè)基本模型，由于其具有代表性，也有利于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和智能管理系統(tǒng)的發(fā)展。盡管對(duì)本設(shè)計(jì)做了不少的工作，但由于時(shí)間及個(gè)人能力有限，真正實(shí)現(xiàn)的微型風(fēng)力發(fā)電充電控制器還存在許多不足之處，例如沒有完成實(shí)際功能的仿真的設(shè)計(jì)，沒有設(shè)計(jì)蓄電池放電保護(hù)電路。這些將在以后的學(xué)習(xí)中，繼續(xù)加以深入的研究。本設(shè)計(jì)雖然完成了主要的任務(wù)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求和目標(biāo)，但是要應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)，還有很大的距離，還需要進(jìn)一步的研究和完善。參考文獻(xiàn)[1]施鵬飛.21世紀(jì)風(fēng)力發(fā)電前景[J].風(fēng)力發(fā)電，2000(4):25～27[2]黎法貴,郭太英.風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)電力可持續(xù)發(fā)展中的作用[M].貴州:貴州水利發(fā)電,2006.2:74～78[3]姚興佳.風(fēng)力發(fā)電測(cè)試技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.3:266-273[4]姚興佳,王益全.微型型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與制作[M].北京:科學(xué)出版社,2009.2:56～62[5]鞏真,劉志璋,馮國(guó)英.低風(fēng)速離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)[J].能源工程,2008年(5)：21～23[6]齊志遠(yuǎn).小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制的擾動(dòng)法及建模分析與仿真[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2005年[7]王承煦.風(fēng)力發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京:金盾出版社,1999:56～59[8]齊麗麗.國(guó)際風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及展望[J].遼寧氣象,2003年(4):42～44[9]寧樹強(qiáng).小型風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2011年[10]秦鳴峰.蓄電池的使用與維護(hù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.7:31～36[11]DanChiras.MinkSagrillo.LanWoofenden.PowerfrontheWind：achievingenergyindependence.UniversityofColoradoBouldeLColorado[J]．Master'sthesis,1999:23～27[12]桂長(zhǎng)青.實(shí)用蓄電池手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.1:229～231[13]Z．ChenandE．Spooner,“Windturbinepowerconverters：acomparativestudy,”inProe[J].IEEPowerElectronicsandVariableSpeedDrives，SeventhInternationalConference,1998:33～36[14]邱書波．蓄電池自動(dòng)充放電控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]．西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001：32～33[15]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.8:309～322[16]姚和平.鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué),2008年附錄1.電池檢測(cè)程序：//Monitor_Battery

//

//這個(gè)程序主要用來監(jiān)測(cè)電池在充電過程中的電壓、電流、溫度參數(shù)并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的常數(shù)

//其中溫度的單位為mA,電壓?jiǎn)挝粸閙V,溫度單位為C,誤差為2%。

intMonitor_Battery(unsignedcharvalue)

{

chari;

unsignedlongav=0,delay_count=0;

longsignedaddata,result;

//計(jì)算10位A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果的平均值

for(delay_count=0;delay_count<2500;delay_count++);//容許自己設(shè)定時(shí)間

for(av=0,i=10;i;--i)

{

ADCSRA=0XC0;//開始轉(zhuǎn)換

while(ADCSRA&(BIT(ADIF)));//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束ADIF置1

addata=ADCL;

addata=addata+ADCH*256;

ADCSRA|=BIT(ADIF);

ADCSRA=0X00;

av=av+addata;

}

av=av/10; //計(jì)算平均值

switch(value)

{caseTEMPERATURE:

result= (long)av*1000/TEMP_SLOPE;

break;

caseVOLTAGE:

caseVOLTAGE_PWM_OFF:

result=(av-VOLT_OFFSET.l);

result*=100;

result*=RESAB; //計(jì)算分壓電阻

result/=VOLT_SLOPE.l;

result/=RESB;

result-=((RSENSE*Current)/100);//求靈敏電阻的壓降

break;

caseCURRENT:

result=(av-I_NOAMP_OFFSET.l);//計(jì)算系統(tǒng)誤差

result*=100;

result*=100; //

result/=I_NOAMP_SLOPE.l;

result/=RSENSE;

result/=EXT_CURRENT_GAIN;

Current=(int)result;

break;

}

return(int)result;

}2.PWM波產(chǎn)生的程序代碼如下：voidpwm0_init(void)

{

DDRB=0X10;//將PB4設(shè)置為輸出

TCCR0=0X00;//關(guān)閉

num=0;//設(shè)置輸出比較寄存器的初值

TCNT0=0;//計(jì)數(shù)器初值為0

TCCR0=0X61;//設(shè)置快速PWM模式，無預(yù)分頻，比較匹配時(shí)清零OCR0=num;//設(shè)置PWM比較匹配的值

}3.快速充電模塊程序：//Buck_Charge()

//

voidBulk_Charge(void)

{

unsignedinttemp=0;

unsignedintbulk_finish_hour=0;

unsignedintbulk_finish_min=0;

unsignedintdelay_hour=0;

unsignedintdelay_min=0;

unsignedintlast_min=0;

Reset_Time_Base(); //調(diào)節(jié)時(shí)間基準(zhǔn)為0

//計(jì)算快速充電完成時(shí)間

bulk_finish_min=(TIME.min+MAX_TIME_BULK);

bulk_finish_hour=TIME.hour;

while(bulk_finish_min>60)

{

bulk_finish_min=bulk_finish_min-60;

bulk_finish_hour++;

}

CONST_C=1; //開始恒流充電模式

DELAY =0; //復(fù)位延時(shí)時(shí)間

temp=Monitor_Battery(TEMPERATURE); //檢測(cè)溫度

//溫度是在限制范圍之類嗎?

if((temp>MIN_TEMP_ABS)&&(temp<MAX_TEMP_ABS))

{

temp=Monitor_Battery(VOLTAGE); //檢測(cè)電池電壓

Voltage=temp; //

//電壓是在限制范圍之類嗎？

if((temp<=(MAX_VOLT_ABS+VOLT_TOLERANCE))&&(temp>MIN_VOLT_BULK))

{

//進(jìn)入快速充電主流程

while((BULK==1)&&(ERROR==0))

{

if(CONST_C==1)

Regulate_Current(I_BULK);//恒流充電，調(diào)節(jié)電流

elseif(CONST_V==1)

{

Current=Monitor_Battery(CURRENT); //檢測(cè)充電電流