太阳能灌溉系统设计

湖南农业大学东方科技学院湖南农业大学东方科技学院 全全日日制制普普通通本本科科生生毕毕业业设设计计 太阳能灌溉系统设计太阳能灌溉系统设计 THE DESIGN OF SOLAR POWERED IRRIGATION SYSTEN 学生姓名学生姓名 侯文恒侯文恒 学学 号 号 200841914412200841914412 年级专业及班级 年级专业及班级 20082008 级机械设计制造及其自动级机械设计制造及其自动 化化 4 4 班班 指导老师及职称 指导老师及职称 康江康江 副教授副教授 学学 部 部 理工学部理工学部 湖南 长沙 提交日期 2012 年 5 月 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生 毕业设计诚信声明 本人郑重声明 所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下 进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 除文中已经注 明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 毕业设计作者签名 年 月 日 目 录 摘要 1 关键词 1 1 前言 1 2 灌溉系统创意设计与方案 2 2 1 太阳能变频灌溉系统一般组成 2 2 2 太阳能变频灌溉系统整体方案 3 3 太阳能变频灌溉硬件设施的选择 3 3 1 水泵 3 3 2 逆变器的选择 4 3 3 变频器的选择 4 3 4 太阳能电池组件及工作原理 5 3 5 太阳能电池板发电受影响因素 7 3 5 1 方位角 7 3 5 2 倾斜角 7 3 5 3 阴影对发电量的影响 7 3 5 4 温度影响 8 3 6 蓄电池的选择 9 3 6 1 计算 9 3 6 2 性能特点 9 4 太阳能变频灌溉电路硬件选择 10 4 1 处理器的选择 10 4 2 处理器与其他单片机相比较 11 4 3 产品特性 11 4 4 引脚配置图与说明 12 4 5 ATMEGA128 14 4 6 单片机控制部分电路设计 15 5 电源电路设计 16 6 蓄电池电压检测电路设计 16 7 太阳能极板电压检测电路设计 17 8 主控板硬件实物图 17 9 太阳光跟踪系统 18 9 1 太阳能电池板的机械结构 18 9 2 电机的选择 18 9 2 1 步进电机 18 9 2 2 伺服电机 19 9 2 3 涡轮蜗杆电机 19 9 3 太阳光跟踪 19 10 市电与光伏电切换 21 11 PWM 的产生 21 11 1 软件生成 PWM 21 11 2 硬件生成 PWM 23 12 总结 25 参考资料 26 致谢 27 附录 27 1 太阳能灌溉系统设计太阳能灌溉系统设计 学 生 侯文恒 指导老师 康 江 湖南农业大学东方科技学院 长沙 410128 摘 要 本系统主要是针对我国缺水地区农作物灌溉困难而研发的 系统采用 AVR 单片机 为系统主机 利用太阳能电池板将太阳能转变为电能对太阳能蓄电池进行充电 再将蓄电池内的 低压直流电通过逆变和变频转换成交流高压电输出 驱动水泵进行灌溉 本系统采用了市电并网 技术 可分别适应无阳光 阳光充裕 阳光不足等情况下的工作 并实现自动切换功能 为了保 证系统安全有效地运行 系统还做了过流 过压 欠压保护的设计 关键词 灌溉系统 太阳能 电池板 蓄电池 The Design of Solar Powered Irrigation System Student Hou Wenheng Tutor Kang Jiang Orient Science solar energy panels battery 1 前言 随着现代科学技术的飞速发展 人类生产活动的扩大 使能源消耗量越来越大 2 消耗石油 煤等能源的同时也产生了大量的SO2 CO2 弗利昂等等废气 使地球的 保护衣 臭氧层受到了很大的破坏 地球受到的太阳辐射较之以前增加了6 10 而由SO2形成的温室效应 使全球温度上升 气候变化异常 大大影响了农作物及植 物的生长 导致了土地沙化 使地球的环境受到了极大地破坏 1 在我国一些干旱地区内风沙恶劣 年降雨量小于30毫米 这样的气候极不利于植物 自然生长 而且由于能源缺乏 使地下水资源无法得到利用 因此造成更多的土地荒 漠化 生态环境逐渐恶化 解决这些困难首先应解决灌溉问题 帮助作物在自然条件 恶劣的状况下能够成活 推广高附加价值的植物品种 为农民增加收入 例如 JOJOBA是一种生长在沙漠的植物 它的果实含有丰富的 高质量油脂 是一种利用贫 瘠土壤的油料植物 2 但是 植物幼苗的前期生长大约两年内需要灌溉 保证成活率 以便形成有价值的生产群落 因此 推广种植JOJOBA就需要在干燥 贫瘠的地区采用 太阳能小型滴灌系统 一旦植物渡过幼苗期 即可将滴灌系统转移到新开辟的种植地 区 所以太阳能变频灌溉系统可以开发长期以来因为无法解决灌溉问题而没有利用的荒 地 为解决农民增收和保护环境创造必要条件 3 太阳能变频灌溉系统 亦称 太阳能光电水泵系统 是利用太阳电池将太阳 能直接转换为电能 然后将太阳能所发出的直流电经变频后驱动各类电动机带动水泵 从深井 江 河 湖 塘等水源提水 它具有低排放 无污染 节能性好 自动化程 度高 稳定可靠 供水量与蒸发量适配性好等许多优点 联合国国际开发署 世界银 行 亚太经社会等国际组织部先后充分肯定了它的先进性与合理性 目前在这些国际 组织的支持下 全世界已有数万台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家运行 为许 多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益 加速了这些地区的脱贫步伐 4 太阳能 光电水泵系统涉及多个学科领域 不能简单地理解为常规的 电机 水泵 是涉及光 机 电 电力电子 计算机及多机群控 甚至气象与地质等多个学科的交叉 当代大 学生引进该类实验 可以在学校就认识世界能源及其控制技术发展的潮流及方向 掌 握并研究该类技术 为日后祖国的新能源技术及控制系统的研发打下扎实的理论基础 并锻炼了实际动手能力 5 2 灌溉系统创意设计与方案 2 1 太阳能变频灌溉系统一般组成 太阳能变频灌溉系统一般由太阳能滴灌系统主要由太阳能电池板 阳光跟踪器 灌溉控制器 水泵控制器 水泵 过滤器 输水管线 控制阀门 灌水器组成 从整 3 体上可以分为两部分即检测装置 控制系统 检测装置的作用是实时检测太阳能变频灌溉系统的工作情况 根据需要反馈给控 制系统 与设定信息进行比较后 对执行机构进行调整 控制系统有两种方式 一种是集中式控制 即太阳能变频灌溉系统的全部控制由 一台微型计算机完成 另一种是分散式控制 即采用多台微机来分担太阳能变频灌溉 系统的控制 如当采用上 下两级微机共同完成太阳能变频灌溉系统的控制时 主机 常用于负责系统的管理 通讯 计算 并向下级微机发送指令信息 作为下级从机 各关节分别对应一个CPU 进行插补运算和伺服控制处理 实现给定的运动 并向主 机反馈信息 2 2 太阳能变频灌溉系统整体方案 太阳能电池逆变器变频器水泵电机 蓄电池 控制器 继电器 市 电 图 1 整体设计框图 Fig 1 The frame of design 对于太阳能变频灌溉系统来说 主要考验的是太阳能光伏发电 电池充电 电池 放电 水泵的供电及市电的切换 3 太阳能变频灌溉硬件设施的选择 3 1 水泵 水泵选型依据 应根据工艺流程 给排水要求 从五个方面加以考虑 既液体 输送量 装置扬程 液体性质 管路布置以及操作运转条件等流量是选水泵的重要 性能数据之一 它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力 如设计院工艺设计中能算出泵正常 最小 最大三种流量 选择泵时 以最大 流量为依据 兼顾正常流量 在没有最大流量时 通常可取正常流量的1 1 倍作 为最大流量 装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据 一般要用放大5 10 余 4 量后扬程来选型 6 液体性质 包括液体介质名称 物理性质 化学性质和其它性质 物理性质有 温度 c 密度 d 粘度 u 介质中固体颗粒直径和气体的含量等 这涉及到系统的扬 程 有效气蚀余量计算和合适泵的类型 化学性质 主要指液体介质的化学腐蚀性 和毒性 是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据 装置系统的管路布置条件指的是送液高度送液距离送液走向 吸如侧最低液面 排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度 材料 管件规格 数量等 以便 进行系梳扬程计算和汽蚀余量的校核 操作条件的内容很多 如液体的操作T 饱和蒸汽力 P 吸入侧压力 PS 绝对 排出侧容器压力 PZ 海拔高度 环境温度操作是间隙的还是连续的 泵的位置 是固定的还是可移的 7 综合各方面因素 我们选择了 40WZB 50 1 1 型水泵 该水泵各项要求基本 上满足我们的要求 在价格方面也能够满足我们在成本方面的要求 水泵采用铸 铁制成 旋涡式优质青铜叶轮 经过精细加工 使得该泵具有特高的压力 特点 效率高 振动小 扬程高 移动和维修方便 适用于高层供水使用 3 2 逆变器的选择 逆变器其实就是为直流 交流变换技术 直流 交流变换是实现直流电能到交 流电能的转换 简称逆变 或者 DC AC 变换 众所周知 蓄电池和太阳能电池等 都属于直流电源 当需要由这些电源向交流负载供电时 必须经过DC AC 转换 此外 有相当比部分的用电负载对供电质量有特殊要求 8 难于实现公共电网或 通用交流电源 其中心频率为 50HZ 直接向这些负载供电 于是在电网和负载之 间插入变换装置 电能通过这些变换电源向交流负载供电时最普遍的方式 在光伏 发电系统中 光伏电池矩阵输出直流电能 在独立光伏系统中 当负载需要交流供 电时 必须采用 DC AC 变换电路 在光伏并网系统中 光伏电池的能量同样需要 DC AC 变换电路才能供给电网 因而 直流 交流变换技术是光伏发电系统中重要 的电能变换形式 逆变电路的分类方法有很多 当逆变电路输出的交流电能直接用于负载时称 为无源逆变 多用于独立光伏发电系统中 凡输出电能馈向公共交流电网时 则称 为有源逆变 多用于光伏并网系统中 按照输出交流电的相数 可分为单相逆变器 和三相逆变器 由于下面我面我们选择了三相水泵功率为1 1KW 故逆变器的选型计算如下 5 1 KWPP FT 1 1 2 WWPT15208190 3 95 85 我们取平均水平转换效率 90 3 3 变频器的选择 变频器是应用变频技术与微电子技术 通过改变电机工作电源频率方式来控制 交流电动机的电力控制设备 主要由整流 滤波 逆变 直流变交流 制动单 元 驱动单元 检测单元微处理单元等组成 通过改变电源的频率来达到改变电源 电压的目的 根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压 进而达到节能 调 速的目的 另外 变频器还有很多的保护功能 如过流 过压 过载保护等等 随 着工业自动化程度的不断提高 变频器也得到了非常广泛的应用 主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分 变频器的主电路大体 上可分为两类 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器 直流回路的滤波是 电容 11 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器 直流回路滤波是电感 由三部分构成 将工频电源变换为直流功率的 整流器 吸收在变流器和逆变 器产生的电压脉动的 平波回路 以及将直流功率变换为交流功率的 逆变器 运算电路 将外部的速度 转矩等指令同检测电路的电流 电压信号进行比较 运算 决定逆变器的输出电压 频率 电压 电流检测电路 与主回路电位隔离检测电压 电流等 驱动电路 驱动主电路器件的电路 9 它与控制电路隔离使主电路器件导通 关断 保护电路 检测主电路的电压 电流等 当发生过载或过电压等异常时 为了 防止逆变器和异步电动机损坏 使逆变器停止工作或抑制电压 电流值 之所以在 系统中加入变频器为了提高系统的稳定性 由于水泵的起动会引起大电流的冲击 对电路上其他元器件都可能造成影响 甚至损耗其他组件 而通过变频器的条件 可以实现水泵匀速加速起动 避免了水泵大电流对电路的冲击 也能够延长水泵的 使用寿命 由于选用的水泵为三相水泵 所以变频器选用的是单相220V 输入 三相 380V 输出 主电路如图所示 3 4 太阳能电池组件及工作原理 6 太阳能电池组件的种类较多 根据太阳能电池片的类型不同可分为晶体硅 单 多晶硅 太阳能电池组件 非晶硅薄膜太阳能电池组件及砷化镓电池组件等 按照封 装材料和工艺的不同可分为环氧树脂封装电池板和层压封装电池组件 按照用途的不 同可分为普通型太阳能组件和建材型太阳能电池组件 其中建材型太阳能电池组件又 分为单面玻璃透光型电池组件 双面夹胶玻璃电池组件和双面中空玻璃电池组件 图 2 变频器主电路图 Fig 2 The frequency converter circuit diagram 由于晶体硅太阳能电池片的光电转换效率高 单晶硅可以达到将近 20 多晶硅 也有 17 左右 而且晶体硅的成本也是相对低的 所以在现实生活中的使用最广 现 在市场上面晶体硅太阳能电池片制作的电池组件应用占到市场份额的 85 以上 光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象 是当物体受光照时 物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应 10 严格来讲 包括两种类型 一类是发生在均匀 半导体材料内部 一类是发生在半导体的界面 虽然它们之间有一定相似的地方 但产生这两个效应的具体机制是不相同的 通常 称前一类为丹倍效应 而把光生伏打效应的涵义只局限于后一类情形 14 当两种不同材料所形成的结受到光辐照时 结上产生电动势 它的过程先是材 料吸收光子的能量 产生数量相等的正 负电荷 随后这些电荷分别迁移到结的 两侧 形成偶电层 光生伏打效应虽然不是瞬时产生的 但其响应时间是相当短的 1839 年 法国物理学家 A E 贝克勒尔意外地发现 用两片金属浸入溶液构成 的伏打电池 受到阳光照射时会产生额外的伏打电势 他把这种现象称为光生伏打 效应 1883 年 有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应 后来就把能 7 够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件 当太阳光或其他光照射半导体的 PN 结时 就会产生光生伏打效应 光生伏打效应 使得 PN 结两边出现电压 叫做光生电压 使PN 结短路 就会产生电流 3 5 太阳能电池板发电受影响因素 3 5 1 方位角 图 3 太阳能电池板 Fig 3 Solar Panels 角度 向西偏设定为正角度 一般情况下 方阵朝向正南 即方阵垂直面与 正南的夹角为 0 时 太阳电池发电量是最大的 在偏离正南 北半球 30 度 时 方阵的发电量将减少约 10 15 在偏离正南 北半球 60 时 方阵的发电 量将减少约 20 30 但是 在晴朗的夏天 太阳辐射能量的最大时刻是在中午 稍后 因此方阵的方位稍微向西偏一些时 在午后时刻可获得最大发电功率 在不同的季节 太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候 方阵设置场所受到许多条件的制约 例如 在地面上设置时土地的方位角 在屋顶 上设置时屋顶的方位角 或者是为了躲避太阳阴影时的方位角 以及布置规划 发 电效率 设计规划 建设目的等许多因素都有关系 如果要将方位角调整到在 一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时 请参考下述的公式 至于并网发电 的场合 希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角 方位角 一天中负荷的峰值时刻 24 小时制 12 15 经度 116 10 月 9 日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时 日射量与时间推移的关系曲线 在不同 8 的季节 各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的 3 5 2 倾斜角 倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角 并希望此夹角是方阵一年中发 电量为最大时的最佳倾斜角度 11 一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关 当纬度较高时 相应的倾斜角也大 但是 和方位角一样 在设计中也要考虑到屋 顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角 斜 率大于 50 60 等方面的限制条件 对于积 雪滑落的倾斜角 即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况 因此 特别是在并网发电的系统中 并不一定优先考虑积雪的滑落 此外 还要进一步 考虑其它因素 对于正南 方位角为 0 度 倾斜角从水平 倾斜角为 0 度 开 始逐渐向最佳的倾斜角过渡时 其日射量不断增加直到最大值 然后再增加倾斜角 其日射量不断 减少 12 特别是在倾斜角大于 50 60 以后 日射量急剧下降 直至到最后的垂直放置时 发电量下降到最小 方阵从垂直放置到10 20 的倾斜放置都 有实际的例子 对于方位角不为 0 度的情况 斜面日射量的值普 遍偏低 最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近 以上所述为方位 角 倾斜角与发电量之间的关系 对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应 综合地进一步同实际情况结合起来考虑 3 5 3 阴影对发电量的影响 一般情况下 在计算发电量时 是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的 因 此 如果太阳电池不能被日光直接照到时 那么只有散射光用来发电 此时的发电 量比无阴影的要减少约 10 20 针对这种情况 我们要对理论计算值进行校正 通常 在方阵周围有建筑物及山峰等物体时 太阳出来后 建筑物及山的周围会 存在阴影 因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影 如果实在无法躲开 也 应从太阳电池的接线方法上进行解决 使阴影对发电量的影响降低到最低程度 另外 如果方阵是前后放置时 后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后 前边方 阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响 13 有一个高为 的竹竿 其南北方向 1 L 的阴影长度为 太阳高度 仰角 为A 在方位角为B时 假设阴影的倍率为 2 L R 则 此式应按冬至那一天进行计算 因为 那一天的BctgALLRcos 12 阴影最长 例如方阵的上边缘的高度为 下边缘的高度为 则 方阵之间的 1 h 2 h 距离 a R 当纬度较高时 方阵之间的距离加大 相应地设置场所的 21 hh 面积也会增加 对于有防积雪措施的方阵来说 其倾斜角度大 因此使方阵的高度 9 增大 为避免阴影的影响 相应地也会使方阵之间的距离加大 通常在排布方阵阵 列时 应分别选取每一个方阵的构造尺寸 将其高度调整到合适值 从而利用其高 度 差使方阵之间的距离调整到最小 具体的太阳电池方阵设计 在合理确定方 位角与倾斜角的同时 还应进行全面的考虑 才能使方阵达到最佳状态 16 3 5 4 温度影响 AM 的意思是 air mass 定义是 光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚 度 4 cos 1 AM 5 0 2 48sin5 1 AM 100mW c m 其实就是 1000W m 是标准测试太阳能电池的光线入射强度 Module at 25 C 就是在 25 C 的温度下工作 因为太阳能电池板效率会随温 度升高而有一定下降 你还要关注一个 NOCT 的值 这个说明它在使用时会升高 的温度 再乘上它的递减系数就可以得出他工作时的电压电流和输出功率了 基本参数 标准测试条件 AM1 5 辐照度 1000W m2 电池温度 25 绝缘电压 600V 边框接地电阻 10hm 迎风压强 2400Pa 填充因子 73 短路电流温度系数 0 4mA 开路电压温度系数 60mV 工作温度 40 90 太阳能电池的理想工作温度为 25 摄氏度 电池板的功率随着温度的升高而降 低的 不过一般温度不超过 45 摄氏度都可以正常使用 如果温度过高还会影响电 池的寿命 太阳能电池板采用硅基材料 很脆 稍微的施力 电池板就碎了 你可以使用 厚点的透明的有机玻璃来承受力量 但是 这样会降低电池的吸入阳光的强度 影 响发电效率 太阳能电池板工作时 自身温度不高 但其大多采用深蓝色的氮化硅膜 在夏 天时 吸热厉害 所以 表面温度有时也会很高 10 综上 我们从负载的要求出发 考虑到成本及各方面因素 选择了湖南本地生 产的太阳能电池板功率为 190W 共八块 3 6 蓄电池的选择 3 6 1 计算 由于本系统采用太阳能电池板发点后直接对负载供电 多余的部分则对蓄电池 进行充电 等到无阳光时 使用蓄电池对负载供电的模式 容量计算如下 6 WW15208190 逆变器转换效率为 90 变频器的转换效率为 95 7 WW1300 95 901520 水泵功率为 1 1KW 8 KWKWKW2 01 13 1 按每天太阳能电池板有效工作 10 小时计算 则多余的电量为 9 KWhKW2102 0 由上 我选择了性能优良主要用于 通信领域 太阳能光伏储能系统 UPS 不 间断电源 航海设备 变电所操作及直流电源 报警系统 消防和保安系统 控制 设备的 6GFMJ 200 型蓄电池 该电池总容量为 10 WVAH240012200 3 6 2 性能特点 这款蓄电池采用铅钙锡多元合金 涂膏式极板 低至27 左右的活性物质利 用率 采用专用的高孔率高孔径 高湿弹性的超细玻璃纤维隔板 极群实行紧装配 电解液采用超细纳米二氧化硅凝胶电解液 采用精密定重量注酸方式和先进 环保 的内化成工艺 电池具有寿命长 循环性能好 内阻低 大电流放电性能强 耐热 耐过充等特点 实物图如下 图 4 太阳能蓄电池 Fig 4 Solar batteries 11 1 长寿命 电池正极采用高锡合金板栅 采用厚极板设计 活性物质利用率低 至 27 采用纳米二氧化硅凝胶电解液 电池具有比普通阀控电池更长的浮充寿命 2 耐过放电能力强 电池使用特殊的具有高孔率高孔径 高湿弹性的超细玻 璃纤维隔板结合紧装配工艺 使得电池具有较强的耐过放电性能 5 次短路容量 恢复性能达到 95 以上 3 循环能力强 极板高温 高湿固化 超高的装配压力 采用纳米二氧化硅 凝胶电解液 延缓正极活性物质循环使用过程中活性物质的软化 大大提高电池循 环耐久性能 特别是具有对于小负载小电流使用时 正极板栅腐蚀层参与反应后的 抗钝化 阻挡层 能力 4 大电流性能高 采用涂膏式极板 电池极板间距小 极群紧装配 提高电 池大电流放电能力 5 安全可靠 专利技术的端子密封结构和高温固化密封胶 保证电池端子处 不爬酸 确保使用安全可靠 6 免维护 由于采用贫液式设计 内部体系产生的气体全部复合还原成水 所 以不需要补水操作 实现电池的免维护性 26 7 多种安装方式 由于特殊隔板吸附电解液 因此电池内无游离酸 保证电 池可实现如立式 卧式等多种方位安装 4 太阳能变频灌溉电路中央控制电路的设计 4 1 处理器的选择 单片机按CPU的处理能力分类目前有 4位 8位 16位 32位 位数越高的单 片机在数据处理能力和指令系统方面就越强 AVR 51 PIC都属于8位机 8位单 片机也是目前应用最广泛的单片机 在各个领域上都可以看到它的身影 AVR单片机是1997年由ATMEL公司研制开发的一种新型的 8位单片机 AVR单 片机分低档的 ATtiny系列 中档的 AT90S系列 高档的 ATmega系列 所以推荐初 学者选择学习的芯片型号是 ATmega48 88 128或者ATmega16 不推荐使用中档的 AT90S系列 因为它们都是比较早期的产品 现在它们早已经停产了 AVR单片机全部型号 个别老型号除外 都支持ISP在线编程 烧写 芯片可 以反复擦写 这样学习 AVR就变得非常的方便 设计者可以通过下载线直接在目标 电路板上对芯片进行编程 调试 而不需要把芯片放在专用的编程器或者仿真器上 12 烧写与调试 51单片机也有一部分型号支持 ISP在线编程 如 AT89S51 AT89S52等 PIC 单片机也是部分支持 ISP 但是它有很多型号是 OPT一次性烧写 这些的确为难了 广大初学者 31 4 2 处理器与其它单片机相比较 AVR与51 PIC单片机相比具有一系列优点 用通俗的说法主要体现在这几个 方面 在相同的系统时钟下 AVR运行速度最快 所有AVR单片机的FLASH EEPROM蓄存器都可以反复烧写 支持在 ISP在线编 程 烧写 入门费用非常少 片内集成多种频率的 RC振荡器 上电自动复位 看门狗 启动延时等功能 使得电路设计变得非常简单 每个IO口作输出时都可以输出很强的高 低电平 作输入时IO口可以是高阻 抗或者带上拉电阻 片内具有丰富实用的资源 如 AD模数器 DA数模器 丰富的中断源 SPI USART TWI通信口 PWM等等 片内采用了先进的数据加密技术 大大的提高了破解的难度 片内FLASH空间大 品种多 引脚少的有 8脚 多的有 64脚等各种封装部分芯 片的引脚兼容 51系列 代换容易 如 ATtiny2313兼容 AT89C2051 ATmega8515 162兼容AT89S51等 4 3 产品特性 1 它是一种高性能 低功耗的 8 位AVR 微处理器 2 先进的RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS只需两个时钟周期 的硬件乘法器 3 非易失性程序和数据存储器32K 字节的系统内可编程Flash擦写寿命 10 000 次具有独立锁定位的可选Boot 代码区通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时 读写操作1024 字节的EEPROM擦写寿命 100 000 次 2K字节片内SRAM 可以对锁定 位进行编程以实现用户程序的加密 4 JTAG 接口 与IEEE 1149 1 标准兼容 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持 13 扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash EEPROM 熔丝位和锁定位的编程 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器 计数器 一个具有预分频器 比较功能和捕捉功能的16 位定时器 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10 位ADC 8 个单端通道 TQFP 封装的7 个差分通道2 个具有可编 程增益 1x 10 x 或200 x 的差分通道 面向字节的两线接口可编程的串行USART 可工作于主机 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定 时器 片内模拟比较器 31 5 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振 荡器 片内 片外中断源 6 6种睡眠模式 空闲模式 ADC 噪声抑制模式 省电模式 掉电模式 Standby 模 式以及扩展的Standby 模式 7 上电复位 电源电压低于上电复位门限 VPOT 时 MCU 复位 外部复位 引 脚 RESET 上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU 复位 看门狗复位 看门狗 使能并且看门狗定时器溢出时复位发生 掉电检测复位 掉电检测复位功能使能 且 电源电压低于掉电检测复位门限 VBOT 时MCU 即复位 JTAG AVR复位 复位寄存器为 1时MCU复位 4 4 引脚配置图与说明 1 VCC 数字电路的电源 2 GND 地 3 端口A PA7 PA0 端口A做为A D转换器的模拟输入端 端口A为8位双向I O口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大 电流 作为输入使用时 若内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未起振 端口A处于高阻状态 4 端口B PB7 PB0 端口B为8位双向I O口 具有可编程的内部上拉电阻 其输 出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上 拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未 起振 端口B处于高阻状态 端口B也可以用做其他不同的特殊功能 请参见芯片手册 中P55页 5 端口C PC7 PC0 端口C为8位双向I O口 具有可编程的内部上拉电阻 其输 14 出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上 拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未 起振 端口C 处于高阻状态 如果JTAG接口使能 即使复位出现引脚PC5 TDI PC3 TMS 与 PC2 TCK 的上拉电阻被激活 除去移出数据的TAP态外 TD0引脚为高阻 态 端口C也可以用做其他不同的特殊功能 请参见芯片手册中P58页 6 端口D PD7 PD0 端口D为8位双向I O口 具有可编程的内部上拉电阻 其输 出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上 拉电阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还 未起振 端口D处于高阻状态 端口D也可以用做其他不同的特殊功能 请参见芯片手 册中P60页 7 RESET 复位输入引脚 持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位 门限时间见芯片手册中P35页Table 15 持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复 位 8 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端 9 XTAL2 反向振荡放大器的输出端 10 AVCC AVCC是端口A与A D转换器的电源 不使用ADC时 该引脚应直接与VCC 连接 使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接 11 AREF A D的模拟基准输入引脚 ADC的参考电压源 VREF 反映了ADC的转换范 围 若单端通道电平超过了VREF 其结果将接近0 x3FF VREF 可以是AVCC 内部 2 56V 基准或外接于AREF 引脚的电压 AVCC通过一个无源开关与ADC相连 片内的 2 56V参考电压由能隙基准源 VBG 通过内部放大器产生 无论是哪种情况 AREF 都 直接与ADC 相连 通过在AREF 与地之间外加电容可以提高参考电压的抗噪性 VREF 可通过高输入内阻的伏特表在AREF 引脚测得 由于VREF 的阻抗很高 因此只能连接 容性负载 如果将一个固定电源接到AREF 引脚 那么用户就不能选择其他的基准源 了 因为这会导致片内基准源与外部参考源的短路 如果AREF 引脚没有联接任何外 部参考源 用户可以选择AVCC 或2 56V 作为基准源 4 5 ATMEGA128 为了获得最高的性能以及并行性 AVR 采用了Harvard 结构 如图 8 具有 独立的数据和程序总线 程序存储器里的指令通过一级流水线运行 CPU 在执行 一条指令的同时读取下一条指令 在本文称为预取 这个概念实现了指令的单 15 时钟周期运行 程序存储器是可以在线编程的 Flash 32 快速访问寄存器文件包括 32 个8 位通用工作寄存器 访问时间为一个时钟周 期 从而实现了单时钟周期的 ALU 操作 这些附加的功能寄存器即为 16 位的 X Y Z 寄存器 ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算 ALU也可以执行单寄存器操作 运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反 映操作结果 程序流程通过有 无条件的跳转指令和调用指令来控制 从而直接 寻址整个地址空间 程序存储器空间分为两个区 引导程序区 Boot 区 和应用 程序区 这两个区都有专门的锁定位以实现读和读 写保护 用于写应用程序区 的SPM 指令必须位于引导程序区 在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器 PC 保存于堆栈之中 堆栈 位于通用数据 SRAM 因此其深度仅受限于 SRAM 的大小 在复位例程里用户首先 要初始化堆栈指针 SP 这个指针位于 I O 空间 可以进行读写访问 数据 SRAM 可以通过5 种不同的寻址模式进行访问 AVR 存储器空间为线性的平面结构 AVR有一个灵活的中断模块 控制寄存器 位于I O空间 状态寄存器里有全局中断使能位 每个中断在中断向量表里都有独 立的中断向量 各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关 中断向量地址越 低 优先级越高 I O 存储器空间包含 64 个可以直接寻址的地址 作为 CPU 外 设的控制寄存器 SPI 以及其他I O 功能 映射到数据空间即为寄存器文件之后 的地址 0 x20 0 x5F 图 5 atmega32 结构方框图 Fig 5 Atmega32 with square machine system 4 6 单片机控制部分电路设计 如图 4 是单片机控制部分电路模块 atmega128 单片机 电源 复位电路 JATG 接口 16 便构成了一个最小的系统 5 电源电路设计 单片机要正常工作 必须得有电源的供电 Atmega128单片机需要5V的供电 唯一的供电来源是太阳能极板 但是由于太阳能极板输出电压的不稳定性以及电 压过大会烧坏单片机 所以不能将太阳能极板和单片机直接连接 必须得经过一 个电源电路将太阳能极板的输出电压转换成稳定的5V电压后 输送给单片机供 电 本论文电源电路设计采用的是电源管理芯片LM2931 LM2931电源管理芯片 是一种低压降型稳压器 特别适用于低噪音 低功耗的应用和电池供电系统 它 内部具有短路保护和过热 过载保护 工作的温度范围为40 1250c 最高输入 电压可达60V 并具有稳定的5v电压输出 可以满足一片Atmega128和小量外围 器件的供电需要 图 6 处理器电路原理图 Fig6 The Schematics of Processor 太阳能极板的正端经过电容的滤波后传送给 LM2931 芯片 芯片经过快速的内部电 17 压调整后输出 5V 电压 为了保证送给单片机电压的稳定性 输出电压须再经过电容 的滤波 由于大容量的电解电容一般具有一定的电感 对高频及脉冲干扰信号不能有 效地滤除 而一些小容量电容则刚刚相反 由于容量小的缘故 对低频信号的阻抗大 图 7 电源电路原理图 Fig7 The Schematics of Power 所以 为了让低频 高频信号都可以很好的被滤掉 就采用一个大电容再并上一 个小电容的方式 常使用的小电容为0 1uf的瓷片电容 6 蓄电池电压检测电路设计 在独立的太阳能应用产品中 蓄电池是整个系统的重要组成部分 对蓄电池 的保护也至关重要 所以电路中必须设计有蓄电池两端电压的检测电路 来检测 蓄电池电压的大小 从而控制器有效地工作 为了保证准确性 整个控制器的基 准零电位点需用蓄电池的负极 蓄电池电压检测电路如图 图 8 电压检测电路图 Fig8 Voltage Detection Circuit Diagrams 7 太阳能极板电压检测电路设计 本系统设计的是太阳能充电控制器 太阳能极板是唯一的供电来源 所以对太阳 18 能极板的电压的采样成为本控制器的一个重要的环节 通过对太阳能极板两端电压的 检测不仅可以判断出白天黑夜 更便于控制器发出是否对蓄电池充电的控制 提高对 蓄电池的保护 33 太阳能极板电压检测电路如图所示 图 9 太阳能极板电压检测电路 Fig 9 Solar Cell Voltage Detection Circuit 8 主控板硬件实物图 下图为实物图 具体的设计的原理图和 PCB 见附图 图 10 控制板实物图 Fig 10 Physical Map Panel 9 太阳光跟踪系统 9 1 太阳能电池板的机械结构 太阳能电池板安放在一个可控制跟踪阳光变化的活动平台上面 我们设计的单轴 19 的支架上面 由一个电机通过齿轮传动来带动太阳能电池进行旋转 以保证太阳能电 池可以跟踪阳光使其一直处于最佳工作状态 图 11 太阳能架 Fig 11 The Solar Shelf 9 2 电机的选择 9 2 1 步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当步进驱动器接收到一个脉 冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为 步距角 它的 旋转是以固定的角度一步一步运行的 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而 达到准确定位的目的 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电机可以作为一种控制用的特种电机 利用其没有积累误 差 精度为 100 的特点 广泛应用于各种开环控制 但在本设计中不追求速度 故不 选用 9 2 2 伺服电机 伺服电动机又称执行电动机 在自动控制系统中 用作执行元件 把所收到的电 信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出 分为直流和交流伺服电动机两大类 其主要特点是 当信号电压为零时无自转现象 转速随着转矩的增加而匀速下降 伺 服电机内部的转子是永磁铁 驱动器控制的 U V W 三相电形成电磁场 转子在此磁 场的作用下转动 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器 驱动器根据反馈值与目 标值进行比较 调整转子转动的角度 伺服电机的精度决定于编码器的精度 线数 但在本设计中不追求很高的精度 如选用还需要配备伺服器 从成本上考虑也不选用 20 9 2 3 涡轮蜗杆电机 蜗轮减速电机具有很高的科技含量 有斜齿轮与蜗轮蜗杆结合一体传动 提高该 机力矩与效率 该系列产品规格齐全 转速范围广 通用性好 适应各种安装方式 性能安全可靠寿命长 实施了国际标准要求 机体表面凹凸具有散热作用 吸振强 低温升 低噪音 该机密封性能好 对工作环境适应性强 可在腐蚀 潮湿等恶劣环 境中连续工作 并具有防腐特点 能长时间贮存 该机传动精度高 具有自锁功能 特别适应在有频繁启动的场合工作 可连接各类减速机及配置各类型电机驱动 可安 装在 90 度传动操作位置 该电机关键零部件采用了高耐磨材料 并经过特种热处理 具有加工精度高 传动平稳 体积小承载能力大 寿命长等特点 该减速机可配置各 种类电机 形成了机电一体化 完全保证了产品使用质量特征 同时该电机在经济上 很有优势 又能满足本次设计的要求 带自锁的功能能够很好的保证太阳能电池板转 动的稳定性 还节能 所以我选用这种电机 9 3 太阳光跟踪 为了使太阳能电池能够充分的吸收太阳能 使其在不同的日照强度 温度条件下 始终输出最大功率 从而提高太阳能电池的效率 可以对太阳能电池进行最大功率点 跟踪 MPPT 让其工作在最大功率点上 本文采用了一种电导增量法的控制方法 通 过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗和导抗变化量 并根据比较结果进行相应的调制来 完成对太阳能电池的最大功率点跟踪控制 在最大功率点处 11 0 up dd 在最大功率点左边 12 0 up dd 在最大功率点右边 13 0 up dd 而 因此可以通过检测太阳能电池的输出电压和电流并通过 uiup dUddd 1 计算来判断的符号 从而判断电压应该增加还是减小 以实现太阳能电池 ui dUd 1 最大功率点的跟踪控制 通常为了使负载获得最大的功率 只需使负载电阻等于供电系统的内阻 但是在 太阳能电池供电系统中 太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响 而且受环境温度 及负载的影响 因而处在不断变化中 从而不可能用上述简单的方法获得最大输出功 21 率 因此本文在太阳能电池和负载之间增加一个 DC DC 变换器 通过改变 DC DC 变换器中功率开关管的占空比 来控制太阳能电池工作在最大功率点 从而实现最大 功率点跟踪控制 最大功率点跟踪控制的原理如图所示 图 12 最大功率点跟踪控制的原理 Fig 12 Maximum power point tracking control principle 将检测到的太阳能电池的输出电压 Upv 和输出电流 Ipv 信号输入到 MPPT 算法模 块 相乘得出太阳能电池输出的功率 然后利用电导增量法经过算法运算 输出一个 调制信号 该调制信号与恒定频率的三角波信号相比较 产生控制功率开关器件 S 的 开关信号 通过不断调节功率开关器件的占空比来达到太阳能电池最大功率点跟踪的 目的 10 市电与光伏电切换 当蓄电池电压低于水泵正常工作所需电压时蓄电池电压检测电路会发送信号给主 机 主机对该信号进行处理后 将光伏供电切换成市电 此时太阳能电池板继续给蓄 电池充电 当蓄电池完成 90 的充电量时 蓄电池电压检测电路再次发送信号给主机 主机控制蓄电池进行供电 在转换的期间市电对蓄电池进行充电 直到水泵正常运行 后再断开市电 采用与市电结合的方式后 可以实现连续灌溉 即当阳光充裕时 灌溉系统所需 电源全部由太阳能光伏发电承担 当阳光不足时 则由市电与光伏电交替承担 切换 流程图如下 22 开始 太阳能电池板电压检测蓄电池电压检测切换外网 水泵供电 蓄电池充电 否 是 否 是 图 13 切换流程图 Fig 13 Switching flow chart 11 PWM 的产生 11 1 软件生成 PWM 软件 PWM 产生是通过软件给一个或几个 I O 口赋值为高电平然后延迟一定时间 后转换为低电平以此循环 延迟时间决定该脉冲信号的频率 这样做的好处就是程序 设计简单 对于初学者来说简单明了 这样我们使用的循环能根据开发者要求立刻跳 出 能方便快捷的对脉冲个数进行控制 如果要改变占空比则改变两个延迟的时间 具 体操作如下 如下程序 GPIO 017 口发送了 100 个频率为 1K 的脉冲 include inc config h 系统初始化 void Sys Init void 使用 GPIO 功能 将所有引脚链接到 GPIO PINSEL0 0X00000000 PINSEL1 0X00000000 IO0DIR 1 17 设定 GPIO 引脚方向 IO0SET 1 0 i IO0CLR 1 17 低电平打开 GPIO17 Delay 5000 IO0SET 1 0 dly for i 0 i 5000 i void PLL Init void 设置系统各部分时钟 PLLCON 1 if Fcclk 4 Fpclk 1 VPBDIV 0 endif if Fcclk 4 Fpclk 2 VPBDIV 2 25 endif if Fcclk 4 Fpclk 4 VPBDIV 1 endif if Fcco Fcclk 2 PLLCFG Fcclk Fosc 1 0 5 endif if Fcco Fcclk 4 PLLCFG Fcclk Fosc 1 1 5 endif if Fcco Fcclk 8 PLLCFG Fcclk Fosc 1 2 5 endif if Fcco Fcclk 16 PLLCFG Fcclk Fosc 1 3 5 endif PLLFEED 0 xaa PLLFEED 0 x55 while PLLSTAT PLLCON 3 PLLFEED 0 xaa PLLFEED 0 x55 主函数 void main unsigned char i PINSEL0 0 x00000000 管脚连接到 GPIO PINSEL1 0 x02 10 MAT3 0 连接到管脚 PLL Init PLL 初始化 26 T3PWMCON 0 x01 使能 PWM 模式 T3PR 9 9 1 个 Fpclk TC 增加一次 T3MCR 0 x1 7 当 MR2 和 TC 相等时 TC 复位 T3MR2 Fpclk 1000 PWM 的时钟频率为 APB 时钟频率的 1 1000 T3MR0 T3MR2 10 占空比为 90 T3TCR 0 x02 定时计数器复位 T3TCR 0 x01 定时器使能 while 1 for i 0 i 3 i T3MR0 T3MR2 TABLE i 10 改变占空比 Delay