基于Atmega16單片機(jī)的智能太陽能充電器設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題?，F(xiàn)有電力能源的來源主要有3 種，即火電、水電和核電。其中，火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面這些燃料蘊(yùn)藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險(xiǎn)。另一方面燃燒燃料將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。而水電有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，一個(gè)國(guó)家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。核電在正常情況下固然是干凈的，但萬一發(fā)生核泄漏，后果非常嚴(yán)重。在這種條件下就迫使人們?nèi)ふ倚履茉础Ｐ履茉匆瑫r(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊(yùn)藏豐富不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)威脅人類和破壞環(huán)境。目前找到的新能源主要有：太陽能，風(fēng)能和燃料電池。其中，最理想的新能源是太陽能。

1 Atmega16 系列單片機(jī)概述

美國(guó)英特梅爾(ATMEL)公司的Atmega16 系列單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

在開發(fā)工具上，ATmega16 系列單片機(jī)支持先進(jìn)的JTAG 調(diào)試，其硬件仿真工具（仿真器）只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的USB 轉(zhuǎn)換器，其軟件集成開發(fā)環(huán)境由著名的IAR 公司提供，在實(shí)際調(diào)試使用時(shí)非常方便，能對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和對(duì)程序的執(zhí)行情況進(jìn)行判斷，在系統(tǒng)整合方面，ATmega16 系列單片機(jī)根據(jù)不同產(chǎn)品系列，集成了多種不同的功能模塊，包括定時(shí)器、模擬比較器、多功能串行接口、硬件乘法器、ADC、看門狗定時(shí)器（WDT）、I/O 端口、RAM、PWM 以及豐富的中斷功能。使用戶根據(jù)自己的需求，選擇合適的ATmega16 單片機(jī)。

2 太陽能充電控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光伏路燈太陽電池板的最大功率跟蹤功能。在太陽電池板處于工作狀態(tài)，即整個(gè)光伏系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，控制器在光電流達(dá)到一定值后（本系統(tǒng)設(shè)定為0.3A），實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流數(shù)據(jù)的檢測(cè)，通過快速的控制算法，調(diào)節(jié)蓄電池兩端的充電電壓，實(shí)現(xiàn)太陽電池板的輸出功率的最大功率跟蹤，提高鉛酸蓄電池的充電電流，縮短充電時(shí)間，提高充電效率。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要應(yīng)解決如下幾個(gè)方面的問題：

（a）太陽電池板輸出電壓的檢測(cè)：檢測(cè)太陽電池板不同的輸出電壓，并根據(jù)不同的電壓，系統(tǒng)作出不同的控制處理。如系統(tǒng)處于默認(rèn)工作狀態(tài)，太陽電池開路電壓低于8 V 時(shí)，因?yàn)槠涞陀陔姵氐某潆娨?，因而進(jìn)行卸載處理。

（b）鉛酸蓄電池容量的檢測(cè)：系統(tǒng)為了盡可能地保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其壽命，將根據(jù)不同的容量和蓄電池不同的狀態(tài)采取相應(yīng)的充電控制策略。

（c）太陽電池板輸出電流檢測(cè)：據(jù)此得出輸出功率，使系統(tǒng)通過一定的算法和控制手段，使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)。

（d）PWM 輸出控制：根據(jù)輸入輸出檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整蓄電池的充電電壓和電流和卸載放電功能，實(shí)現(xiàn)智能充放電控制。

（e）中央處理系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)高效的信息處理和各個(gè)功能模塊的控制。

由此，我們設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)整體硬件電路結(jié)構(gòu)模型，見圖1。從圖中可以看出，整個(gè)電路由六個(gè)功能模塊組成：核心控制模塊、前級(jí)檢測(cè)模塊、Boost 電路控制模塊、后級(jí)檢測(cè)模塊、PWM 輸出模塊和卸載模塊構(gòu)成。

當(dāng)太陽電池板正常工作輸出時(shí)，其過程為：首先檢測(cè)該電壓能否達(dá)到電池的充電要求，在滿足基本充電要求的情況下通過控制器對(duì)電池兩端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控在適合電池工作的三種情況下，通過ATmega16 微處理器的PWM 模塊輸出控制充電電壓和電流。