基于单片机的太阳能充电系统设计

摘要：本文针对太阳能锂电池充电系统的设计为例，分析探讨了其通过校正太阳能板的角度以实现对太阳的位置自动跟踪的方法，同时也对最大输出功率点的追踪进行了研究。

关键词：单片机；太阳能充电；最大功率点

中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 16-0000-01

MCU-based Design of Solar Charging System

Zhao Mingdong,Liu Junjun,Zhang Jun

(Zhengzhou Institute of Science&Technology,Zhengzhou450064,China)

Abstract:Solar battery charging system for the design,for example,analysis of their solar panels through the correct angle of the sun's position in order to achieve automatic tracking methods,but also on the maximum output power point tracking has been studied.

Keywords:Microcontroller;Solar charger;Maximum power point

随着科学技术的进步以及社会经济的发展，人类对不可再生资源的消耗在逐渐加大。近几年，由于太阳光能的利用研究领域逐步得到突破，使得它越来越受到人们的关注。太阳能电池从上世纪的五十年代开始，就得到了快速发展，其技术也已经趋于成熟。

一、设计思路

本文针对太阳能锂电池充电系统的设计为例，对相关的技术和方法进行了设计和探讨。在本太阳能充电系统的设计中，主要实现三个部分的功能：1）对太阳的位置跟踪，以达到最大的利用率；2）通过设计以达到针对锂电池进行充电的目的；3）采用现在最新的算法及技术等以实现对最大功率点的跟踪。其中能源的核心是太阳能电池板，由其对硬件电路进行供电。在本设计中，单片机是控制电路的核心，它主要实现采集和处理数据的功能。控制电路由四个部分组成：数码管显示、遥控输入控制、D/A转换和电源可调输出等部分。

二、系统设计

（一）对太阳的位置跟踪。在提高太阳能利用率的措施中，对太阳的跟踪无疑是一个非常好的手段，同时，现在这方面的研究中也突破了一些技术限制。方位-俯仰双轴跟踪系统是现在使用最为广泛的方法。其原理是使用程序来计算出太阳的位置，然后再控制两部电机在水平面与铅垂面内驱动各自转轴已达到所需要的最佳角度，在这个原理中，方位轴为与地面垂直的轴，而俯仰轴为平行于水平面的轴。因此，就达到了跟踪太阳的目的。跟踪系统与控制系统两部分组成整个太阳光线自动跟踪系统。转动式跟踪装置与跟踪传感器组成了跟踪系统，同时驱动电路、嵌入式最小系统及传感器接口组成其控制系统。

跟踪装置的结构可以采取如下模型：把第一个步进电机安装在底座上，将主轴与其支撑轴承固定在底座上，同时主轴相对于底座能够发生转动，把支架与转动架安装固定在主轴上面；把第二个步进电机与太阳电池板安装固定在支架上，太阳电池板相对于支架也能够发生转动，第二个步进电机的输出轴与太阳电池板相连接。在光线有偏移情况下，控制系统使两路控制信号分别发出，一路控制信号对第一个步进电机进行驱动，驱动转动架与安装在转动架上的支架及主轴发生转动，以保证太阳光线方位的跟踪能够实现；另外一路控制信号对第二个步进电机进行驱动，驱动太阳电池板能够相对于支架发生转动，以确保太阳光线高度角的跟踪实现。如此通过第一个步进电机与第二个步进电机的一起运行，使太阳电池板可以垂直于太阳光线，进而保证太阳光线的跟踪实现。同时太阳光线跟踪传感器的设计重点依靠光敏电阻，主要通过半导体光电导效应而制成的特殊电阻器就是光敏电阻，其对光线相当敏感。当没有光照射时，其呈现高阻状态；在有光照射情况下，它的电阻值立即减小。

（二）对手机锂电池充电过程的实现。在手机锂电池电压小于4.2V时，可以采用恒定电流充电模式进行充电；当电池电压增加到4.2V时，能够采用恒定电压模式进行充电。锂聚合物电池或者锂离子电池的充电电压不应该高于4.25V，不然可能造成过充电现象或者对电池的使用寿命产生不利影响，在严重时，将造成电池爆炸或者报废，因此充电芯片的恒压充电电压的典型值需要保持在4.2V，它的最大误差不得大于42毫伏，在设计过程中，可以采用电压调制放大器对充电电压进行调制，采用电流调制放大器对充电电流进行调制。当电池电压小于4.2V时，电流调制放大器进行充电回路的主导；当电池电压增加到4.2V时，电压调制放大器进行充电回路的主导。

（三）实现对最大功率点的跟踪。在工作过程中，随着环境的变化，太阳电池的输出也将发生变化，会对太阳电池的输出效率产生严重影响，使能量严重损耗。为了能够对能量进行最佳利用，需要合理采用对策，保证电池的输出能够对气候的变化条件进行自动跟踪。在目前，CVT―恒定电压法，登山法，数控匹配法与功率微分法就是常见的控制策略。还可以运用新的控制方法――二次插值法，进行太阳电池最大功率点的寻找。在设计中，可以运用脉宽调制方法，同时利用晶体管工作于开关状态，会把太阳电池输出的直流信号改变成为具有可变占空比的方波信号，进而使太阳电池阵列的等效负载发生改变。太阳电池和晶体开关管串联，通过控制器，能够输出可变占空比的PWM波，进而控制充电流电压，保证最大功率点跟踪的实现。同时该系统的软件可以采用C语言进行编写，其重点包括下列三个方面：

（1）初始化程序：不仅完成内部晶振到外部晶振切换的工作，还要完成定时器、I／O口以及A／D转换接口、PWM口的初始化工作。

（2）A／D转换程序：能否准确的寻找到系统最大功率点的关键就是数据的采集，在该系统中，将会反复调用AD采样子程序，保证在不同占空比控制下的系统输出功率能够计算出来。在实际工作中，AD采样子程序运用查询方式，保证工作的进行，同时对采集的数据采用软件滤波，此时就能够得到该工作点的电流与电压值。

（3）MPPT程序：当温度与光照强度变化时，太阳电池的输出呈现非线性，然而在某瞬间，相对于占空比，其输出功率是连续可导的，有且只有一个极点。所以能使用二次插值的方法，以找到系统当前的MPP点，其关键在于初始点的确定与初始区间的确定。

三、结语

实际设计中应该合理设计基于单片机的太阳能充电系统，以达到对太阳的位置的最佳跟踪，从而实现对手机锂电池的充电过程，同时应用先进的最大功率点跟踪算法和技术。当然，每个过程都有待进一步研究和完善。

参考文献：

[1]张兴磊,杨丽丽,张东凤.一种太阳自动跟踪系统的设计[J].青岛农业大学学报（自然科学版）,2009,26(4):315-318

[2]尤金,邹丽新.太阳自动跟踪系统的设计[J].现代电子技术,2009,19:39-142

[3]牛黎明.锂电池在线充放电管理电路的设计[J].电子技术应用,2002,4

[4]欧阳名三.采用单片机的太阳能电池最大功率点跟踪控制器[J].电子科技,2002,12:753-755