毕业设计（论文）-基于MPPT技术的光伏路灯控制系统软件设计.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电子信息工程 学 生： 指导教师： 完成日期 2011 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统 软件设计 Software Design of the Solar Energy Lamp Control System Based on Technology of MPPT 总 计：毕业设计（论文）23 页 表 格：1 个 插 图：19 幅 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 Software Design of the Solar Energy Lamp Control System Based on Technology of MPPT 学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 刘汉中 学 号： 94107060 指 导 教 师（职称）： 牛军（副教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 I 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 电子信息工程 刘汉中 摘 要 本论文主要进行基于MPPT技术的光伏路灯控制系统的软件设计。论文从 CPU性能、主控制程序、MPPT技术控制程序、滤波程序、稳压程序、定时程序、蓄电 池充放电控制程序等程序设计逐一分析，结合硬件电路，给出了各个程序设计的流程 图。 在光伏路灯控制系统中，为了提高光伏电池的光电转换效率，使光伏电池始终保 持最大功率输出，采用了最大功率跟踪技术（简称MPPT） 。光伏路灯的控制系统采用 C8051F330D作为核心器件，其主电路采用BUCK电路来实现最大功率跟踪。MPPT技 术就是通过调节BUCK电路的占空比而改变光伏阵列的输出阻抗，从而寻求输出电流与 输出电压的乘积即输出功率的最大值。 关键词 光伏阵列；最大功率点跟踪；BUCK 电路；路灯控制； Software Design of the Solar Energy Lamp Control System Based on Technology of MPPT Electronic Information Engineering LIU Han-zhong Abstract: This paper mainly introduces the software design of the solar energy lamp control system based on technology of MPPT. This paper elaborates the software design of the whole control system, including the performance of the CPU, the main program, the control program of MPPT, and also the programes of filter, voltage stabling, timing and the control of charge and discharge the storage battery, and the details of the flow chart of each program. In the solar energy lamp control system, we adopted the MPPT technology to increase the energy transfer efficiency of the solar cell. It uses C8051F330D to control the working process of the solar energy lamp, and uses the Buck circuit to achieve the MPPT. The techonlogy of MPPT adjusts the duty factor of the Buck circuit to change the output impedence of the photovoltaic array, one step closer, to maximum the product of output voltage and output current, ie , output power. Key words: Photovoltaic array；MPPT；buck circuit；the solar lamp control 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 II 目 录 1 引言.1 1.1 设计的目的和意义 .1 1.2 国内外相关技术发展概况 .1 1.2.1 光伏发电技术现状.1 1.2.2 光伏电源控制器技术现状.2 1.3 设计方案 .2 2 太阳能光伏发电路灯控制系统.3 2.1 路灯控制系统硬件组成 .3 2.2 光伏路灯控制系统总体框图 .3 2.2.1 最大功率跟踪技术的硬件电路支持（BUCK 电路） .3 2.2.2 电流采样电路.4 2.2.3 电压采样电路.5 2.2.4 过流自动切断负载保护电路.6 2.2.5 电源电路和拨码开关电路.7 2.2.6 功率管驱动电路.8 2.2.7 蓄电池充电控制电路.8 3 程序主流程.9 3.1 CPU 工作性能.9 3.2 控制程序设计 .11 3.3 路灯控制系统总流程 .11 4 MPPT 技术控制程序设计.12 4.1 MPPT 技术控制示例.12 4.2 MPPT 技术控制的算法选择.13 4.2.1 增量电导法.13 4.2.2 干扰观察法.14 5 定时/计数程序设计 .14 5.1 一分钟定时 .15 5.2 拨码开关定时 .15 6 滤波程序设计.15 6.1 均值滤波法 .15 6.2 部分程序 .16 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 III 7 蓄电池充电控制子程序设计.18 7.1 蓄电池充电方法的选择 .18 7.2 蓄电池充电子程序流程图 .19 结束语.21 参考文献.22 致谢.23 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 1 1 引言 1.1 设计的目的和意义 能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国 家至关重要的问题。随着科学技术和全球经济的飞速发展，对能源的需求也在日趋增 长。自 20 世纪 70 年代的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是 有限的，能源危机迫在眉睫。虽然在可预见的将来，矿物燃料仍将在世界能源结构中 占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再 生资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。其中，太阳 能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最理想的可再生能源。太 阳能利用主要有光热利用和光伏发电利用这两种主要形式。我国低温光热利用已经具 有可观的规模，相关技术研究也比较成熟。光伏利用近期在世界范围内高速发展，所 谓“光伏发电”是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。光伏发电具有取之不尽 且无污染等优点，目前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：西部偏远地区电力供 应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。 光伏发电的照明路灯应用具有节能型、经济性、和实用性等优点，在众多应用领 域中具有最广泛的发展前景。本课题为设计一个基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统， 应用于路灯照明系统。通常独立照明系统由太阳能电池、蓄电池、电源控制器和负载 组成、由于系统的稳定性严格受到蓄电池的影响，本课题研制的电源控制器通过实时 监测系统充放电回路的相关信息，确定相应的充放电策略，实现了稳定太阳能电池输 出、优化蓄电池充电方法和保护蓄电池及负载的目的，最终提高了光伏电池的利用率 和整个照明系统的可靠性。 1.2 国内外相关技术发展概况 1.2.1 光伏发电技术现状 太阳能是用之不尽的清洁能源，当今世界各国特别是发达国家队光伏发电特别重 视。2008年世界太阳能光伏发电装机总容量达到5.6Gw。目前，太阳能光伏发电主要集 中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后太阳 能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预 测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将占64%1。 我国的光伏组件生产能力逐年增强，装机容量逐年增加，2007 年累计容量达到 100MW。2005-2010 年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本在 2010 年约为 1.20 元/（KW*h） ；2010-2020 年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系 统转向并网发电系统，发电成本倒 2020 年将约为 0.60 元/（KW*h） 。到 2020 年，我国 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 2 太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列2。 1.2.2 光伏电源控制器技术现状 光伏电源控制器是光伏发电系统进行控制和管理的设备。在欧盟、日本和美国， 并网发电技术已经相对完善，对于光伏电源控制的研究主要集中在改进逆变器的拓扑 结构，优化控制侧率，孤岛效应的检测和解决、降低系统能耗，提高系统工作效率等 问题上。国内具有代表性的光伏发电系统专用逆变器制造商有合肥阳光、北京日佳、 北京自动化研究院、北京恒电、南京冠亚等企业。中科院电工所、北京自动化研究院、 北京计科等企业开发出的并网逆变器都在实际工程中得到了应用，性能和效果良好。 在独立光伏发电系统中，电源控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设 备的充电和对负载的放电任务。目前日本、德国、美国等发达国家对于独立光伏系统 电源控制器的研究主要侧重在以下三个方面：提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电 池充电策略和提高系统稳定性3。通过研究不同的电路拓扑结构和先进的控制算法，在 太阳光强度、太阳能电池温度以及负载改变的情况下，尽可能使太阳能电池时刻保持 最大输出功率状态，即实现最大功率点跟踪（MPPT） 。蓄电池充电策略直接影响到蓄 电池的寿命，研究智能化的充电方法，提高蓄电池的充电接受率，减少充电时间，对 于整个光伏系统的工作状况具有重要意义。独立光伏系统的应用环境一般比较恶劣， 如何提高系统稳定性也是当前所有光伏电源控制器研究者最急需解决的问题之一4。 然而，现已研制出来的光伏电源控制器还存在许多急需解决的问题。实际上，在 MPPT 技术的使用和蓄电池充电策略的优化之间存在矛盾冲突，能源利用效率较低， 蓄电池充放电方式的不合理，对蓄电池的保护不够充分，这些都是目前市场上电源控 制器普遍存在的问题。为了对太阳能光伏资源进行全面的开发和利用，控制器的稳定 性和可靠性也有待进一步提高。 1.3 设计方案 本节介绍的太阳能路灯照明系统，使用了额定电压为 24V 的金属卤素灯，合理选 择系统各部分容量使之优化匹配即可在控制成本的前提下，组成高效光伏照明系 统。该光伏照明系统还实现了太阳能最大功率点跟踪技术，这样在充电过程中，不同 的光照和温度条件下，充电电路能自动调整使太阳能光伏电池始终工作在最大功率输 出状态。 该系统采用35W的金属卤素灯，它具有高强度放电能力，生命力强，功效高等特 点，一般来说，它节省能源，比白炽灯放热少且易受光学控制。金属卤素灯是为了改 善光色而在高压汞灯的基础上，发展起来的一种新型光源，光色好。太阳能路灯系统 包括165W光伏电池，2节12V 100A.h全封闭免维护铅酸蓄电池和太阳能路灯控制器， 控制器中主要是充电控制电路。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 3 下面将分别介绍系统各组成部分的特性和配合： （1） 光伏电池 光伏电池是太阳能路灯照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。 在白天光照条件下，光伏电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电； 天黑后，光伏电池停止工作，输出端成开路状态。 （2） 智能控制器 该控制器为最大功率跟踪型控制器。在充电控制过程中，始终寻求太阳能电池的 最大功率输出。由太阳能电池的电压和电流检测后相乘得到的功率，判断太阳能电池 此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽、调整输出占空 比、改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断。通过这样的 寻优过程，可保证太阳能电池始终运行在最大功率点。这种类型的控制器可使太阳能 电池始终保持在最大功率点状态，以充分利用太阳能电池的输出能量。同时，采用 PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率5。 （3） 蓄电池 作为太阳能路灯系统的储能环节，白天蓄电池将太阳能光伏电池输出的电能转换 为化学能存储起来，到夜间再转换回电能输出到照明负载。智能控制器的电源由蓄电 池供给。 （4） 照明灯具 采用35W的金属卤素灯，系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率 和可靠性。光伏电池容量选取影响着整个系统成本。相比较而言，蓄电池价格较为低 廉，因此可以选取相对较大容量的蓄电池，尽可能充分利用光伏电池所发出的功率。 另外，在与照明负载配合时，应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。 2 太阳能光伏发电路灯控制系统 2.1 路灯控制系统硬件组成 太阳能光伏发电路灯控制系统硬件电路由光伏电池阵列、DC-DC 变换器、驱动电 路、凌阳 C8051F330D 控制器、蓄电池、金属卤素灯组成，其中为了提高电路的可靠 性加入了防反接保护和过流保护电路，以及电压电流采样电路6。 2.2 光伏路灯控制系统总体框图 光伏路灯控制系统总体框图如图 1 所示。 2.2.1 最大功率跟踪技术的硬件电路支持（BUCK 电路） 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 4 用 DC-DC 变换器可以实现最大功率点的跟踪。DC-DC 变换电路（也称为斩波电 路或斩波器）是接在光伏阵列和负载之间，通过控制电压将不可控的直流输入变为可 控的直流输出的一种变换电路7。它被广泛应用于直流开关电源、逆变系统、通信领域、 地铁、无轨电车等直流电动机的驱动设备中8。 为了提高光伏电池的光电转换效率，使光伏电池始终保持最大功率输出，就要进 行最大功率跟踪（简称 MPPT） 。本文采用 BUCK 电路来实现最大功率跟踪，其电路组 成如图 2 所示。 防反接保护 驱动电路 电压电流采样 电路 光伏阵列 过流保护 过流保护蓄电池DC/DC转换 过流保护 C8051F330D控 制器 副灯 电压检测电路主灯 图 1 光伏路灯控制系统总体框图 图 2 BUCK 电路 BUCK 电路中开关管导通的占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发 生了变化，输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性。从而一定的输出阻抗对应一 个输出电压值和输出电流值。而 MPPT 技术即是通过调节 BUCK 电路的占空比而改变 光伏阵列的输出阻抗，从而寻求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。由 BUCK 电路实现 MPPT 技术时，光伏阵列的输出电压高于蓄电池的端电压时，才能实 现较好的调节。当光伏阵列的输出电压低于蓄电池端电压时，BUCK 电路的控制失去 作用5。 2.2.2 电流采样电路 电流信号的采样采用康铜丝电阻，此系列电阻选用高精密合金丝并经过特殊工艺 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 5 处理，使其阻值低，精度高，温度系数低，具有无电感，高过载能力。可广泛用于通 讯系统，电子整机，自动化控制的电源等回路作限流，均流或取样检测电路连接等。 本设计通过康铜丝电阻采样的电压信号经过集成运放 LM358 的放大，输入到单片机， 进行数据的处理和控制6。电流采样电路如图 3 所示。 本电路中，考虑到康铜丝电阻的特点，用其作为采样电阻。回路电流在康铜丝电 阻上产生的压降输入到集成运算放大器的反向输入端。 图 3 电流采样电路 其中： (1) 10 1 0 0 1 2 1 7 2 71 65 R R U U R U R U VUU 由于输入电压小于 0，故经过康铜丝电阻的采样和运算放大器的放大，将采样的 电流变换转变成电压信号的变化，将其送入单片机进行处理。在软件设计中，只用到 比较两个采样时刻的电流的大小，结合采样电压的大小对功率值进行计算。 2.2.3 电压采样电路 太阳能板电压采样电路采用电阻分压采样，C13为电源滤波， UO=Ui*2.4/49.4=0.049 Ui 本设计中采用额定电压为 17.2V 的两个太阳能光伏阵列串行 连接，若某一时刻输出为额定电压值 34.4V，则 UO为 1.88V。若某一时刻输出电压值 为 2V（白天转黑夜的判断电压值） ，则 UO为 0.997V，A/D 转换后的值为 56。若某一 时刻（开路电压值为 21.7V，则 UO为 1.97V。完全满足 C8051F330D 的 I/O 端口的要 求。太阳能板电压采样电路如图 4 所示。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 6 图 4 太阳能板电压采样电路 采用蓄电池电压采样电路也采用电阻分压采样，C17 为电源滤波，如图 5 所示。 本设计中采用额定电压为 24V 的蓄电池，当蓄电池达到最高电压 26.4V 时，则 U2 为 1.467V，A/D 转换后的值为 455。当蓄电池达到额定电压 24V 时，则 U2为 1.3334V，A/D 转换后的值为 413。当蓄电池达到最低电压 22V（低于 22V 时，断开负 载）时，则 U2为 1.2223V，A/D 转换后的值为 379。完全满足 C8051F330D 的 I/O 端口 的要求。 图 5 蓄电池电压采样电路 2.2.4 过流自动切断负载保护电路 在电路中，太阳能电池板对蓄电池进行充电时采用保险丝进行过流保护，用额定 电流为 5A 的保险丝保护控制器的充电过程。对于路灯负载，也进行了过流保护。为了 节省能源，负载采用两个路灯，主灯和副灯。在人流量大时主灯和副灯同时打开，当 人流量小时，关闭副灯，只有主灯工作。主灯每天工作 8 个小时，副灯每天工作 4 个 小时。工作时间也可根据需要调整拨码开关改变。在工作过程中，为了避免短路等情 况下电流过大而烧坏路灯，引入了过流自动切断负载保护电路。两灯过流保护总框图 如图 6 所示。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 7 图 6 电路过流保护总框图 如图所示，当太阳能电池电压低于某个值（2V）时，单片机输出低电平，负载路 灯接入，单片机开始定时，定时长短由拨码开关的状态决定，当定时时间到时，单片 机输出高电平，此时断开路灯。 2.2.5 电源电路和拨码开关电路 对任何电子产品来说，电源都是一个很重要的组成部分，电源部分的好坏很大程 度上决定了产品性能的优劣。系统利用太阳能电池输出的电能来为控制板供电，从而 不必再为控制器另备独立的外部电源。本系统中辅助电源电路根据系统设计的需要而 设计的，由于采用了凌阳 C8051F330D 单片机进行了控制，故系统需要提供正 3.3V 的 电压给 CPU 供电；另外，还要正 12V 电源主要是给系统电路中的三极管等元件的正常 工作提供能量。本课题中需要得到正 3V 和 12V 电源支持控制芯片和集成运放电路或 晶体管的工作。太阳能电池输出电能通过智能控制器将电能存储到蓄电池中，蓄电池 额定电压值为 24V，在 21.6V 到 26.4V 之间正常工作。电源电路如图 7 所示。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 8 图 7 电源电路 蓄电池电压经过 R1 限流后，输入到三端稳压器 7812，输出稳定的 12V 电压。通 过稳压二极管 IN4733，其额定电压为 5.1V，进行分压后，经稳压器 AS117，将其输出 电压值调到 3.3V，以供单片机工作。 拨码开关电路如图 8 所示。 图 8 拨码开关电路 本设计采用的是一个多位 BCD 编码拨动开关，里边每个开关都有一块电路板，通 过变换产生 BCD 编码，开关下面的 4 个管脚输入相应的 BCD 码，每档按二进制的 8421 码计数。电路中接入主灯和副灯，每个灯的定时都分别在 0 到 15 小时内可调，所 以每个灯对应 4 位拨码开关，电路用采用的是一个 8 位拨码开关来承担两个灯的定时。 拨码开关的上拨、下拨两种状态分别代表二进制中的 1 和 0。拨码开关的 16 个状态分 别代表可定时 0 到 15 小时。采用拨码开关可以方便的根据季节的不同及不同地区黑夜 时间长短的不同对路灯亮的时间进行灵活的调整。 2.2.6 功率管驱动电路 BUCK 电路为实现最大功率跟踪技术的主电路，采用 C8051F330D 单片机进行控 制，采用有效的算法通过软件编程由单片机输出不同占空比的 PWM 信号，经由 U4、U5处理，驱动开关管 Q1 的导通与关断。功率管驱动电路如图 9 所示。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 9 图 9 功率管驱动电路 由于单片机 C8051F330D 的驱动电流太小，且 BUCK 电路中 MOS 管与主电路不 共地，故采用隔离作用的 B1215LS 和输出电流为 0.5A 的高速光电耦合的 MOS 门驱动 FOD3181 来驱动开关管 Q1，满足 MOS 管工作的要求。 2.2.7 蓄电池充电控制电路 在设计蓄电池的充放电控制电路时，考虑到系统使用的蓄电池额定电压为 24V,而 太阳能光伏电池的输出电压要大于 24V,所以，需要一个降压电路来将整流输出的高电 压换为蓄电池的充电电压（26.4） 。这里采用了 BUCK 电路来实现降压变换的过程，相 对于变压器而言，BUCK 电路结构更简单，控制也较方便，可以满足本系统的需要。 蓄电池充电控制电路如图 10 所示。 本系统的蓄电池充电控制电路采用的是由 C8051F330D 控制的 PWM 充电模式， 内部具有电压、电流采样比较器，可精确的控制输出脉冲的占空比。该电路包含了由 C8051F330D 构成的主控制回路和一个 BUCK 变换电路9。电路的工作原理：首先通过 BUCK 电路，将太阳能光伏电池阵列输出的电压变换成为一个可供 24V 蓄电池充电的 电压。然后，通过分压电路对蓄电池端电压进行采样，并将该信号送入 C8051F330D； 同时，通过电流采样电路对蓄电池充电电流进行采样，将该电流信号送入 C8051F330D。C8051F330D 根据采集的电压、电流信号输出不同占空比的 PWM 信号， 该 PWM 信号经过光耦 FOD3181 来控制主控 MOS 器件 Q110。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 10 图 10 蓄电池充电控制电路 3 程序主流程 3.1 CPU 工作性能 所采用的凌阳 C8051F330D 单片机具有以下性能。 （1）模拟外设：10 位 ADC;可多达 16 个外部单端或差分输入；转换效率可达 200ksps；VREF 可在内部 VREN、外部引脚或 VDD 中选择；内部或外部转换启动源； 内置温度传感器。 （2）10 位电流输出 DAC。 （3）比较器：可编程回差电压和响应时间;可配置为中断或复位源；小电流（小于 0.4 微安） 。 （4）在片调试：片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需要仿真器） ；支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器；比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真 插座的仿真系统有更优越的性能；廉价而完整的开发套件。 （5）供电电压：2.7V-3.6V。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 11 （6）典型工作电流：6.4mA 25MHz；9uA 32KHz。 （7）典型停机电流：0.1uA。 （8）温度范围：-40+85。 （9）高速 8051 微控制器内核：流水线指令结构；70%的指令执行时间为一个或 两个系统时钟周期；速度可达 25MIPS（时钟频率问 25MHz 时） ；扩展的中断系统。 （10）存储器：768 字节内部数据 RAM（256+512） ；8KB FLASH；可在系统编程， 扇区大小为 512 字节。 （11）数字外设：17 个端口 I/O；均耐 5V 电压，大灌电流；硬件增强型 UART、Smbus 和增强型 SPI 串口；4 个通用 16 位计数器/定时器；16 位可编程计数器/ 定时器阵列（PCA） ，有 3 个捕捉/比较模块；使用 PCA 或定时器和外部时钟源的实时 时钟方式。 （12）时钟源：两个内部振荡器:24.5MHz, 2%的精度，可支持无晶体 UART 操作; 80/40/20/10KHz 低频率、低功耗振荡器；外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟； 可在运行中切换时钟源，适用于节电方式。 （13）封装：20 脚 MLP。C8051F330D 引脚及定义如表 1 所示。 表 1 C8051F330D 引脚及定义 引脚名称引脚号引脚类型说明 VDD 3 电源 GND 2地 /RST C2CK 4 数字 I/O 数字 I/O 器件复位。内部放电复位或 VDD 监视器的漏极开路 输出。一个外部源可以通过将该引脚驱动为低电平 来启动一次系统复位 C2 调试接口的始终信号。 P2.0 C2D 5数字 I/O 数字 I/O 端口 P2.0 C2 调试接口的双向数据信号 P0.0 VREF 1数字 I/O 或模拟输入 模拟输入 端口 P0.0 外部 VREF 输入。 P0.1 IDA0 20数字 I/O 或模拟输入 模拟输出 端口 P0.1 IDAO 输出 P0.2 XTAL1 19数字 I/O 或模拟输入 模拟输入 端口 P0.2 外部始终输入 对于晶体或陶瓷谐振器，该引脚是外 部振荡器电路的反馈输入 P0.3 XTAL2 18数字 I/O 模拟 I/O 或数字输入 端口 P0.3 外部时钟输出，该引脚是晶体或陶瓷谐振器的激励 驱动器。对于 CMOS 时钟、电容或 RC 振荡器配置 该引脚是外部时钟输入。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 12 P0.417数字 I/O 或模拟输入端口 P0.4 P0.516数字 I/O 或模拟输入端口 P0.5 P0.6 CNVSTR 15数字 I/O 或模拟输入 数字输入 端口 P0.6 ADC0 外部转换启动输入或 IDA0 更新源输入。 P0.714数字 I/O 或模拟输入端口 P0.7 P1.013数字 I/O 或模拟输入端口 P1.0 P1.112数字 I/O 或模拟输入端口 P1.1 P1.211数字 I/O 或模拟输入端口 P1.2 P1.310数字 I/O 或模拟输入端口 P1.3 P1.49数字 I/O 或模拟输入端口 P1.4 P1.58数字 I/O 或模拟输入端口 P1.5 3.2 控制程序设计 单片机对整个系统的功能实现进行控制。采用 C 语言程序编程。软件部分的编制 大体可以分两部分，一是 MPPT 技术的实现，选取一有效的算法，用 C 语言实现。二 是控制器对整个系统的控制，通过软件的支持，使 C8051F330D 输出某占空比的 PWM 信号或者是高电平/低电平信号，来控制开关管的工作状态；对路灯的介入和断开进行 控制和定时，根据太阳能光照强度判断路灯亮灭，路灯点亮时间可以根据需要任意调 节；运行状态指示通过指示灯等方式指示光伏系统的运行状态或故障信息。 3.3 路灯控制系统总流程 路灯由单片机 C8051F330D 来控制，其工作流程如图 11 所示。 路灯的接入以太阳能板的电压为依据，当采样电压低于 2V 时，太阳光已暗，接入 路灯，开始定时，定时时间由拨码开关设置，同时停止 MPPT，以减少夜间的能量损 耗。当定时时间到后，断开路灯。在整个系统工作过程中，单片机始终采用蓄电池的 端电压，路灯是否接入以及接入后，一旦发生蓄电池过放现象，单片机引脚输出高电 平，断开路灯，保护蓄电池。待蓄电池通过充电电压升高后，如满足接入条件，再接 入路灯。在本设计中，加入了最大功率跟踪技术，使输入功率提高了 20%。由于蓄电 池的容量远大于太阳能光伏阵列的充电能力，蓄电池充电时未采用防过充措施11。 MPPT停止 关断路灯 接入负载开始定时 定时时间到 开始 是 否 电池电压21.6伏 采样电压2V MPPT启动 路灯不接入 MPPT不启动 路灯不接入 确定为一次定时 电池电压26.4伏 是 否 否 是 是 图 11 路灯控制系统总流程 4 MPPT 技术控制程序设计 4.1 MPPT 技术控制示例 MPPT 控制使工作电压在每隔一定时间稍微变动，然后测量此时的太阳电池的输 出功率与前一次进行比较，就这样反复进行比较使输出始终跟踪光伏电池的最大功率 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 13 点。 负 载1 负 载2 电 流 /AA C B D 曲线1 曲线2 图 12 MPPT 技术控制示例 MPPT 控制的一个例子如图 12 所示。 假定图中曲线 1 和曲线 2 为两不同光照强度下太阳电池的输出特性曲线，A 点和 B 点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在 A 点。当光照强度 发生变化，即太阳电池的输出特性由曲线 2 上升为曲线 1。此时如果保持负载 1 不变， 系统将运行在 D 点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了继续跟踪最大 功率点，应将系统的负载特性由负载 1 变化至负载 2，以保证系统运行在新的最大功率 点 B。同样，如果光照强度变化使得太阳电池的输出特性由曲线 1 减至曲线 2，则相应 的工作点由 B 点变化到 C 点，应当相应的调整负载 2 至负载 1 以保证系统在光照强度 减小的情况下仍然运行在最大功率点 A。 最大功率点跟踪（MPPT）的算法由：增量电导法（Incremental conductance，简称 IncCond 法） 、曲线拟合法（Curve-fitting） 、神经网络（Neural network） 、干扰观测法 （Perturbation and observation,简称 P char count, i, j, temp; float average=0.0; for ( count=0;countN;count+) value_bufcount = get_ad(); delay(); for (j=0;j59? 分次数定时时间预设值？ 是 是 否 是 否 否 图 16 定时中断服务流程图 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 17 读入A/D转换后的采样值 存入PCA0的捕捉寄存器 求平均值 对中间10个数累加求和 对采样数值按大小排序 读入数值UL? UOUH? 当前脉宽是否大于脉宽上限 当前脉宽是否小于脉宽下限 关闭PWM 将脉宽下限值赋给当前脉宽 启动PWM 将脉宽上限值赋给当前脉宽 当前脉宽步增 PWM调节 N N Y N Y Y Y N 图 19 蓄电池充电控制子程序流程图 蓄电池端电压用 UO表示； 蓄电池额定充电电压 UH=26.4V； 蓄电池极限放电电压 UL=21.6V； 单片机首先通过充电电路来采集充电电池的电压，根据电压大小是否在一定的阀 值范围内来决定是否对充电器进行充电。然后向充电电路发出控制命令，调节充电电 路的充电电压及输出的充电电流的大小，对电池进行充电。设定充电方法及充电电流 后启动充电。在充电过程中，充电控制电路始终和电池进行通讯，采集电池的状态信 息（电池容量、电池电压、充电电流、电池温度、故障报警状态等） ，并判断电池是否 已经充满。电池电压是否超过额定电压。充电电流是否超过额定充电电流，从而决定 是否对电池停止充电。另外，如果充电终止条件一直不能满足，那么充电控制电路利 用充电时间来确定停止充电，当充电时间超过设定的充电时间值后，就停止对电池充 电。 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 20 结束语 本课题基于MPPT技术的太阳能路灯控制系统软件设计要求完成系统的总体设 计，并按照系统功能要求，结合硬件电路设计，完成主程序、MPPT技术控制程序、定 时程序、蓄电池充放电控制程序等的编写任务、最后撰写设计报告，详细阐述系统工 基于 MPPT 技术的光伏路灯控制系统软件设计 21 作原理，给出系统各模块程序流程图。太阳能光伏发电路灯控制系统硬件电路由光伏 电池阵列、DC-DC变换器、驱动电路、凌阳C8051F330D控制器、蓄电池、金属卤素灯 组成，其中为了提高电路的可靠性，还要加入防反接保护和过流保护电路，以及电压 电流采样等电路。为了提高光伏电池的光电转换效率，使光伏电池始终保持最大功率 输出，要采用最大功率跟踪（简称MPPT）技术。本设计采用BUCK电路来实现最大功 率跟踪，MPPT技术通过调节BUCK电路的占空比而改变光伏阵列的输出阻抗，从而寻 求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。通过和导师共同讨论与努力，制 定了本课题的软件流程的设计，达到设计目的，完成了设计任务。