基于Atmega16的智能太陽能充電器設計

光伏系統(tǒng)電流的變化是隨著外界環(huán)境變化而變化的，要想實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤，一般可以通過兩個步驟來完成：第一步是采用合適的搜索算法，找到光伏系統(tǒng)的最大功率點；第二步是通過控制手段，使光伏方陣工作在最大功率點。該控制系統(tǒng)的總體程序流程圖如圖2 所示。光伏發(fā)電擾動觀察法是最常用的MPPT 控制方法之一，其原理是每隔一定的時間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，并觀測之后其輸出功率變化方向，來決定下一步的控制信號。這種控制算法一般采用功率反饋方式，通過兩個傳感器對光伏陣列輸出電壓及電流分別進行采樣，并計算獲得其輸出功率。該方法雖然算法簡單，且易于硬件實現(xiàn)，但是響應速度較慢，只適用于那些日照強度變化比較緩慢的場合。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這種算法會導致光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近小幅振蕩，因此會造成一定的功率損失，而日照發(fā)生快速變化時，跟蹤算法可能會失效，判斷得到錯誤的跟蹤方向。針對這種算法在實際應用中遇到的情況，根據(jù)本系統(tǒng)實際提出了一種實用的改進算法。在本獨立光伏路燈系統(tǒng)中，是要對蓄電池進行充電，需要考慮實現(xiàn)最大功跟蹤的同時，還要兼顧最大限度的延長蓄電池的壽命，具體采用了不同的蓄電池充電策略，可以在程序流程圖中看出。

本文提出一種改進的最大功率跟蹤方法，首先根據(jù)蓄電池的當前狀態(tài)來判斷需不需要充電，然后根據(jù)電路前級檢測到的光伏電池發(fā)電的電壓和電流大小來決定最大功率點的設定，將光伏發(fā)電強度分為兩種工作方式，對特定的電池板取一特定的參數(shù)。在光伏發(fā)電輸出調理電路的前級和后級的參數(shù)檢測過程中，每隔一定的時間連續(xù)采集10 個相鄰的電壓、電流信號（ATmega16 有自帶的A/D 轉換器，設置的采樣率為200 Hz），去掉最大和最小的數(shù)據(jù)后，進行均值濾波，并同時得到此時的電壓和電流的大小，在整個控制采集數(shù)據(jù)的過程中，為了有效地消除隨機干擾，我們在程序中設定一個幅度比例系數(shù)，即每兩個信號的幅度采集值要有一定的比例關系，若超過這個比例，則認為是干擾信號，便進行這個數(shù)據(jù)的重新采樣，連續(xù)超過三次采樣數(shù)據(jù)都是干擾信號時，系統(tǒng)則自動取消這一次測量。對于采集到的有效數(shù)據(jù)，經(jīng)過了均值濾波后，可以消除一定的噪聲干擾，要得到更好的點參數(shù)數(shù)據(jù)，我們把采集到的數(shù)據(jù)進行LMS(即自適應最小均方濾波器)濾波，該濾波器的應用較簡單，它是最陡下降梯度算法，用梯度的瞬時值迭代，從而使均方誤差最小化，用這種方法處理的數(shù)據(jù)效果非常好，對弱信號處理中有很好的應用前景，通過試驗，我們選定濾波器階數(shù)為三階，收斂因子μ（步長）為0.001，權矢量W 初始化為：W=[0,0,0]T，其遞推公式為：

式中：x (k) 為觀測樣本；X (k－1)為過去的觀測樣本矢量；WT(k－1)X(k－1)表示基于過去的觀測樣本而預測的現(xiàn)在的信號，這里選擇預測誤差e（k）=x (k)－WT(k－1)X(k－1)作為調節(jié)權重的參數(shù)，可以證明，預測誤差最小等價于恢復誤差最小。通過LMS 濾波器后，我們可以得到比較理想的數(shù)據(jù)，為實時準確提取出最大功率所需要的參數(shù)提供了條件，也找到了參數(shù)的特征，有助于進一步的數(shù)據(jù)提取。當然還有其他的提取參數(shù)的方法，諸如頻域濾波，F(xiàn)FT 變換，小波變換等等，本系統(tǒng)采用該方法以后，數(shù)據(jù)采集的準確度有了很大的提高，可以對于弱信號參數(shù)的情況也能實時找到最大功率點，從而實現(xiàn)了對太陽能的最優(yōu)利用和蓄電池的科學管理。

4 結束語

美國英特梅爾(ATMEL)公司推出的ATmega16 系列單片機具有低功耗、實時處理能力強、運行速度快等優(yōu)點，性價比高，正日益得到廣泛的應用，尤其在自動信號采集系統(tǒng)、便攜式設備、長時間工作裝置中，體現(xiàn)了它的特點，本文所述的智能太陽能充電控制系統(tǒng)充分利用了ATmega16 系列單片機所提供的各種集成模塊，合理分配片上資源，大大簡化了外圍電路的設計，從而提升了整個控制系統(tǒng)的性能。