太阳能最大功率跟踪控制器的设计方案与实现

学科分类号本科生毕业论文(设计）题目（中文）:太阳能最大功率跟踪控制器的设计与实现（英文):DesｉgｎａndＩmplｅmeｎtationoftheMaximｕmPｏwerＰoｉｎｔTrａｃｋｉｎgControlleｒ学生姓名:学号：系别:专业：电子信息科学与技术指导教师：起止日期：本科毕业论文（设计）诚信声明作者郑重声明:所呈交的本科毕业论文(设计）,是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外,论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明.本声明的法律结果由作者承担。本科毕业论文（设计）作者签名:年月日目录TOC＼o"1－3＂\h＼ｚ＼ｕＨYPEＲLIＮＫ＼ｌ＂_Toｃ357５12０75”摘要ﻩPAGEREＦ_Ｔoc3５７５12075\hIHYPEＲLＩNK\l＂＿Toc3５7５１２０７６"关键词 PAGEＲＥF＿Toｃ357５１2０７6\hIＨＹＰERLIＮKＫeywoｒdsﻩＰAＧＥRＥＦ_Tｏc3５７5１20７8\hＩIHYPERLINＫ\l＂_Toc3５75１2０79＂1前言ﻩPAGEREＦ_Toc3５７５１2079＼ｈ１HYPEＲＬINK\l＂＿Toc３57５12０８０"２任务分析与方案论证 ＰAGＥREF_Tｏc３5７51２080\h4ＨＹPERLIＮK\l"_Tｏc357512０81＂2．1任务要求及分析ﻩPAGEＲEF_Toc35751２081\h４HＹPERLINＫ\l＂＿Ｔoｃ３57512082"2.2系统方案论证 ＰAＧEＲEF_Toc3５75１２０8２\h4ＨYＰERＬＩＮK＼ｌ”_Toc3575１2083”2。2.1太阳能电池板特性ﻩPAＧＥRＥＦ＿Toc３57５12083\h4HYＰＥRLIＮK\l"＿Ｔoc3５7５12０8４＂2．2．２方案论证ﻩPＡGEＲＥF＿Toc357512084＼h６ＨYPEＲＬIＮK\l”＿Toc357５1２0８5＂2．２。3方案比较和选取ﻩPAGEＲＥF＿Tｏc35751２085\h7HYPERＬINＫ＼ｌ"_Tｏc35７５1２０8６＂3系统设计ﻩPAGEＲＥF_Ｔoｃ3５７５12086\h8HYＰＥRLINK\l＂＿Toc3５７５12０8７＂3．1硬件设计ﻩPAGＥＲＥF_Tｏc３575１20８７\h9HYPＥRＬＩNK\l＂_Ｔｏc3５7５1208８＂３.1.１转换模块电路设计ﻩPAGEＲEF_Ｔoc3575１2088\h9ＨＹPERLINK\l”_Ｔｏｃ3575１2089＂3。1。2控制模块电路设计ﻩPAＧEREＦ_Ｔｏc357５１2089＼h11HYＰＥRLINK＼ｌ"_Toc35７5120９0”3。2软件设计ﻩPAGERＥF＿Tｏc３57512090\h1２ＨYPＥRLＩＮＫ\l”_Toc35７5１2０９１"３．2.１设计思路ﻩPAＧEREF_Toc3５75120９1\ｈ12HＹPERＬIＮK＼ｌ”_Tｏc3５7512092"3．2．2子程序设计实现ﻩPAＧEＲＥＦ_Ｔoc３５75１２０9２\ｈ１4HＹPEＲＬＩＮK\l”＿Ｔoｃ３5７5１２093＂4系统调试与测试 ＰAGERＥＦ_Toc３５75１2０9３\h17ＨＹＰＥRLIＮK\ｌ”＿Tｏc357５１2０９4＂4．１调试与测试工具 ＰＡGEＲＥＦ_Toｃ３57５１20９4＼h17ＨYPERLＩＮK＼l＂_Toc３5７５120９5”４．2系统调试ﻩＰAＧＥREF＿Toc35751２0９5\h1７HＹPEＲLＩＮK＼ｌ"＿Ｔoc３5７５1209６"４。３系统测试ﻩPAGEREＦ＿Ｔoｃ35751２０9６\ｈ20HYPERＬIＮＫ\l"＿Tｏｃ35751２０97"5总结ﻩＰＡGＥREF_Ｔoｃ3５7512097\h2１ＨYＰＥRLINK\l"_Toc3575１2０9８＂参考文献ﻩＰＡGＥREF_Tｏc3５7５12098\h22HＹＰERLIＮK＼l”_Toc357５120９9"致谢 PAＧＥRＥＦ_Tｏc35７５12099\h2４HYPERLINＫ＼l”_Toc３５７５１２100"附录A系统主体程序ﻩＰAＧEREF＿Tｏｃ35751210０\ｈ２５HＹPERLINK＼l”＿Toc3５7５１２1０1＂附录B系统实物图ﻩPＡGEＲＥF_Tｏc３5７5１2１０１\h２7PAGE24太阳能最大功率跟踪控制器的设计与实现摘要由于目前太阳能电池板存在发电效率低、生产成本高等问题，这就造成了太阳能的应用难以推广。针对发电效率低这一问题，本文介绍一种利用微型控制器５1单片机设计的一个太阳能最大功率跟踪控制器。该控制器是根据太阳能电池板的输出特性设计的,采用脉宽调制波调节其输出电压,不断寻找最大功率点,让它始终以最大功率输出。本设计能够实现提升２0%左右的发电效率，并且能够实时显示太阳能电池板的输出情况，使用非常方便。关键词HＹPＥRLINＫ＂htｔp：／/wｗｗ．cｎ/kｃms／dｅtaｉl／％２0%２0%2０%２0％2０%2０%20％２0%2０％20%２0%2０sｅaｒch。aｓｐｘ?dbcodｅ=CMFD＆sｆiｅｌd=ｋw&skey＝％e９％bb％84%ｅ６%ｂ2％b３％e6%ba％9０%e5%8c％ｂａ＂\t"_bｌanｋ"太阳能电池板;最大功率跟踪;微型控制器；脉宽调制ＤesｉgnａndIｍplｅmentationｏfthｅMaxｉmｕｍPoweｒＰointTraｃｋingＣontroｌlerAｂｓｔracｔDuｅtoloｗeｆficiencｙａｎｄhｉgｈcosｔoｆsｏlａｒpａnｅlｃurｒｅnｔｌy．Thesereasonshａveｒｅsuｌtedinthｅappｌｉcａｔiｏnｏｆsolaｒｅnｅrgyiｓdｉffｉcuｌttopoｐulａｒize。Aimatlowｅffｉciency。Thｉspaｐerdｅscribesｔｈatamicｒocｏnｔrollｅｒwａｓｕsｅdｔodesｉｇｎamaxiｍｕmpｏwerｐｏinttracｋiｎg（ＭPPＴ)conｔｒｏllｅr．Iｔｗａsｄesigｎedｉｎａｃcoｒdanceｗiｔhtheｏutputｃｈaracteriｓｔｉcｏfｔhesolarpａnel.Ｔｈepulsewiｄthｍｏduｌａtｅd（PWＭ）waveｗasｒｅguｌatｅdｔheｓolaｒｐａnel’soutｐｕtｖｏltage．Itcanloｏkｆormaｘｉmumｐoweｒｐｏintconstａｎtlyandmaｋeｔheｓｏlａrｐaｎeｌｏutputmａximｕmｐoweralwａｙs．Ｔhｅdｅsignｃanenｈaｎceefｆiｃiｅｎcyaｂｏut２0％andｄiｓplayoｕtpｕtinｄiｃaｔorsoｆtheｓｏlarｐanel．Ｉtｉsverｙconｖenienttｏuｓe。KｅｙworｄsSｏlａrpaｎel;MＰPT；Ｍｉcrocｏｎtｒoller；ＰWM1前言能源问题越来越为人们所关注，作为一种具有绿色、安全、清洁等优点的太阳能被认为是最具发展潜能的新科技能源之一，目前其在太空研究领域得到广泛应用，同时也成为宇宙飞船、太空站等太空设备的后续能量来源。太阳能的利用在国内来说，其应用领域正在不断向大众化迈进。如今的一些路灯都实现了太阳能跟风能结合供电,大城市绿化带、风景区等亦是如此。现在的农业也在朝自动化、无公害等方向发展，太阳能这一新兴能源在农业方面也得到了应用,比如说太阳能诱虫灯。人类生活用电也不例外，在太阳光照充足的偏远地区,通过当前的水、火电网进行电能输送成本实在太高，而且偏远地区的住房分散,要实现输电就更加麻烦了。但是利用充足的太阳能来供电,就可大大节约用电成本，使用更加方便.目前太阳能的应用主要是通过太阳能硅光电池将太阳能转换为电能以供人类所需。硅光电池的生产工序复杂，所以生产成本很高,以至于太阳能电池板的售价偏高,市场价大概在5元/W。然而，由于太阳能电池板的转换效率现在只能达到20％左右，这样就造成了5元钱买不到1瓦特的功率,太阳能的利用成本也就显得更加高了。针对以上的问题，国内外业界内有不少人士根据太阳能电池板的转换特性做过不少的研究，总结出来了几种实现提高电池板转换效率的方法:恒压法、扰动观察法、电导增量法,这三种方法各有优缺点,需根据需要来确定［1]。根据所要达到的目的,比较三种方案的可行性,最终来确定系统方案。本次设计综合考虑各种因素，选取了扰动观察法来实现提升太阳能电池板的转换效率。目前国内外在太阳能领域的研究成绩各有千秋，有已经成功面市的各类产品,淘宝网上的ＭPPＴ(MaximumPｅａkＰｏweｒＴｒackinｇ)控制器，其售价在几百到几千元不等,根据卖家介绍能提升不少的效率。除了这种成品控制器以外，各大半导体生产厂商也有属于自己的MPPＴ控制器ＩC。比如说美国德州仪器半导体的ＭPPT控制IC：ＳＭ７２442，通过输出四路ＰWM（脉冲宽度调制)波来控制转换电路的输出,集成了12位的A/Ｄ（模拟-数字)转换器,8个模拟通道，能够使转换效率提高到９９。５%[2]。NXＰ（恩智浦)半导体推出的MＰT612是一款基于低功耗的ＡRＭ7TＤＭI－S32位RISＣ处理器的ＭＰPT集成电路，支持包括Ｉ２Ｃ、UART、SPＩ和ＳSP在内的多种串行接口，其采用的是正在申请专利的ＭＰPT算法,也带有8通道的1０位Ａ/D转换器，能够将转换效率提升到９8％[３］.除了这些ＭPPT控制器外,也还有一些普通的控制器，但是普通的控制器只能做到将效率提升到50%左右，这样的效果不是很明显,当然其售价也要便宜很多，目前MPＰT控制器也正在逐步替代普通控制器。结合太阳能电池板的输出特性与ＭＰPT控制算法来实现本次设计。原理图与PCB图的设计采用电子ＣAＤ绘图软件Ｐｒotｅl99SＥ［４］。使用PWＭ波控制场效应MOSＦEＴ管IRFＺ48Ｎ的导通与关闭时间比来调节太阳能电池板的输出电压［5］.采用5１单片机STC89C52ＲＣ作为主控芯片，控制输出ＰＷM信号、A/D转换以及液晶显示。由于这款单片机内部没有集成Ａ/D转换模块，所以外部扩展A／D转换器TLC2543［6］。电压采样使用电阻分压，电流采样使用电流检测模块ＡＣS712EＬC—2０A[7］。本设计的转换效率只能提升20％左右,总体来说还是可以实现ＭPＰＴ的这种转换思想，但是也还存在着不足的地方。现在在效率方面的提升也只是局限于其它环境条件不变的情况，如光强、温度等，其成本也还是比较高的，接下来要向多方面努力改进.还要思考一个问题：在节约成本以及降低设计复杂度的前提下,还存不存在更好的方案？要去改变大环境的温度,这对于现阶段人类科技程度来说不怎么可能实现，所以为了再次提升太阳能电池板的转换效率,只能往提高电池板接受光照强度的方向寻找突破口。虽然在一天当中太阳的光照强度是不变的，但是可以让太阳能电池板接收的光照一直保持在最强状态。现在太阳能电池板的安装是固定的，也就是其在一天当中所接收的光强并不是最强的，因为太阳一直在移动。所以，可以考虑下一步来设计“最强光强点跟踪"控制器。让太阳能电池板跟随太阳移动（在原地进行旋转），让其一直处于最强光强接收状态，这样也可以大大提升太阳能的利用率。但是在设计一个新的系统的同时，也应当考虑到新系统是否能最终给人们带来更好的价值，这个就需要去综合各个方面进行考虑。不过有好的想法是非常值得赞扬的，可以当作个人爱好去将它实现，科技就是在不断创新中发展的，人类进步也离不开创新思维，我们应当好好利用自己所学的知识，努力创新,大胆创新!2任务分析与方案论证本次设计的题目就是太阳能最大功率点跟踪控制器。根据MPPT思想,设计一个控制器,能够使太阳能电池板以最大功率输出,从而达到提升转换效率的目的.2.1任务要求及分析设计并制作一个MＰPT控制器，实现的指标如下：(1)、采用脉宽调制波控制,寻找最大功率点；(２）、相同环境条件下实现负载效率提升40%以上;（3）、显示实时输出情况，包括电压、电流以及功率。通过分析以上指标,初步确定系统所需的核心元器件有:ＣPU、场效应开关管、液晶显示屏。２。２系统方案论证系统方案的论证及选取关键应当建立在太阳能电池板输出特性的基础上。只有在知道太阳能电池板的特性的情况下,才能找准系统设计的方向,然后再根据方向寻找路径。路径也许不止一条，找到最便捷的路径才是设计的最终目标.本设计方案论证的重心放在最大功率跟踪控制的算法上面，关于主控芯片的选取，利用５1系列单片机来实现。也可以选取ＤSＰ或者ARM等高速ＭＣU，但是由于这些芯片价格昂贵，自己在这些方面的知识欠缺,故不选取。2.2．1太阳能电池板特性系统方案的设计要依据太阳能电池板的特性来进行,如图2。１和图２.２所示分别为太阳能电池板在不同光照强度下的输出电压-电流以及功率关系曲线图。试验太阳能电池板的标示功率为５0W。从图２．１可以看出:同一光照强度下，在一个输出电压范围内其输出电流基本上保持不变；然而在某个输出电压值之后其输出电流急剧下降，根据功率的定义式:P（Ｗ）=U(V)*I(Ａ)（式2-1）图2。１常温下太阳能电池板在不同光照下的输出伏安特性曲线图2.２常温下太阳能电池板在不同光照下的输出功率曲线结合式2－１与图２.1可以得出一个结论：在常温下，某个光照强度时太阳能电池板的输出总存在一个最大功率点.如图2．2描述了太阳能电池板输出功率与输出电压的关系,体现出了最大功率点。本设计所使用的电池板的参数:开路电压Voc=22.6V，短路电流Ｉsc=2。92A，最大功率点电压Ｖmｐ=18．5V，最大功率点电流Imp＝2．７2A，图2．３更直观地描述出了太阳能电池板的输出特性.图２。3太阳能电池板特性曲线2．2。2方案论证方案一：恒压法。由图2.1分析得到,在同一温度条件下，不同光照下的最大功率点几乎在一条垂直线上，这表示着最大功率点应该是对应着某一个固定电压值的,这就是恒压法的理论[8］。这一固定电压值可以从太阳能电池板生产厂商处获得,从而在设计的时候就可将输出电压设定在这个固定电压处。方案二:扰动观察法。这种方法其实质是引入一个小的变化，然后进行观察，并与前一个状态进行比较，进而进行调节。其具体方法是：先测太阳能电池板第ｉ时刻的电压Vi和电流Ｉi，由式2-1计算出功率Pｉ，然后与第i—1时刻的功率进行比较。根据比较的结果调节太阳能电池板的工作点，这里引入一个参考电压ＶREF，当进行比较后,调节参考电压使之逐渐接近最大功率点的电压。在调节太阳能电池板工作点时,依据这个参考电压进行调节［9］。方案三：电导增量法。由图2．3可以看出,在最大功率点处其斜率为零。根据式2-１,因此在最大功率点处有：EＱ\F(ｄＰ,ｄU)＝I＋Ｕ＊ＥQ＼F(ｄＩ，dU）=0（式２-2)即ＥQ＼F（dI,dV）=-EQ\Ｆ（I，V）（式2-３）式2－3就是达到最大功率点的条件,如果EQ\F（ｄI,dV）<－EQ＼F（I,V）(式2—4）则光伏电池的工作点在最大功率的右边,此时应减小输出电压；如果EQ\Ｆ（ｄI，dV）〉—ＥQ\F(I，V）(式2－5）则光伏电池的工作点在最大功率的左边，此时应增大输出电压。在实际应用中，方程式2-３很难满足，工程应用中引入一个误差因子E,当ＥQ＼F（dI,dV）-EQ\Ｆ（I,V）〈E（式2－6)满足式2—６,就可认为式２-３成立,从而得出最大功率点。2．2.3方案比较和选取前面列出了目前的几种最大功率跟踪的方法,对它们进行了理论介绍。接下来对这几种方法的各自优缺点进行系统对比，如表2．1所示，最终选择出本设计的最佳方案。方式恒压法扰动观察法电导增量法工作原理断开太阳能电池板负载,测量开路电压,将输出电压设置在78%开路电压处扰动太阳能电池板的工作电压，并监测功率的变化扰动太阳能电池板的工作电压,并监控工作点处电导与电导变化率的关系优点实现简单，复杂度低硬件成本低，算法实现容易误判率低,跟踪精度高缺点功率浪费严重,跟踪精度低,不能适应环境的变化不能判定何时达到最大功率点,因此会存在震荡硬件要求高，算法实现复杂表２。1几种方案系统比较结合实际情况需要以及各种方案的优缺点,本次设计选取扰动观察法来实现太阳能电池板的最大功率点跟踪.这种方法硬件成本低、算法实现容易。３系统设计图３。1系统结构框图通过之前的方案讨论与分析,最终选取了扰动观察法来实现设计。根据此方案的原理，本系统既需要硬件电路对太阳能电池板的信号进行处理,也需要程序来进行扰动控制,实现算法.图３。１为系统的整体框图.３．１硬件设计系统方案的设计是通过监测太阳能电池板的实时输出功率。由式2－１,要想得到功率，就需要知道电压与电流。所以硬件的设计包括控制核心、DC-DC、电压采样、电流检测等几个大的模块，如图3。1所示。3．1．1转换模块电路设计转换电路是用于太阳能电池板和负载之间，通过控制电压,将不控的直流输入变为可控的直流输入.电路中开关管导通与关断时间比例的改变，对太阳能电池板而言表现为输出阻抗的改变,从而影响其输出特性。图３．2转换部分硬件原理图太阳能电池板的参数在前面已经给出，硬件电路图各元器件参数的选择就是根据太阳能电池板的参数来决定的。如图3。2所示,太阳能电池板输出的是直流电压，电容Ｃ1、C２用来防止输出的电压干扰,降低输出纹波，由于输出的电压最大能达到２５Ｖ，因此，电容的耐压值选择50V,留有一定余量。电感L1用于滤除电压信号的交流分量,降低来自PWM控制信号的干扰、提高Ａ／Ｄ采样结果的准确度、稳定输出.此处的电流检测采用的是电流检测模块AＣＳ712EＬC—20A，模块以＋5Ｖ供电，可以测量正负20安电流，对应模拟量输出100ｍＶ/A，其输出的信号为电压信号,通过Ａ/D采样将其转换为电流;没有检测电流通过时，输出的的电压是VCC/２.由于太阳能电池板的输出电压最大能够达到2２V,所以用两电阻R1=２７0kΩ、R2＝３０kΩ进行分压，测R2两端的电压,由于1０倍关系，从而可以得到太阳能电池板的输出电压。选取电阻阻值大主要是考虑到不影响负载的功率。电流检测与电压采样的处理都由软件实现。Q1为IRＦZ４8Ｎ,Ｎ型场效应MＯSＦET，导通电阻RDS（oｎ)=０.０１6Ω;栅级和源级最大承受电压为ＶＤSS=５5V；栅极最大承受电流IＤ=6４A，导通电阻小，可以减少在导通时的功率损耗,其它参数均符合设计要求.在此接在电压的低侧作为开关用,使用PWM控制通断从而控制输出电压值。此处电阻R3=10ｋΩ用于泄流，防止控制信号的电流过大而损坏场效应管。由于控制部分电路的供电电压为＋５Ｖ，为了方便起见,采用三端集成稳压片LＭ７８05将太阳能电池板输出的电压转换为+5V,LＭ780５输出稳定的+５V电压，最大输出电流可以达到1．5A［10]。此处采用三端集成稳压LM7８０５虽然给整个系统的设计带来了方便，但是其功耗相对DC—ＤC变换来说大了不少，最主要的是热损耗。所以,此处也成为了系统的一个缺陷。从整个转换部分电路的设计来看，其最大的缺陷就是在于LM7805上面的功率损耗严重，但是相对系统效率的提升来说还是很小的。简洁的电路囊括了滤波、采样、开关等几部分,使得整个电路的设计变得简单、目的非常明确。３．1．２控制模块电路设计控制部分电路的MCU采用51系列单片机，外部扩展A/Ｄ转换器TLC25４3,同时接入液晶显示屏,以便直观了解整个系统的实时输出信息。产生脉宽调制波控制场效应管的导通占空比，实现输出直流电压的可调节.图3。３控制部分原理图SＴC8９C52RC它拥有8K字节Fｌａsh；5１2字节RAM;内置４Ｋ的ＥEＰＲOM；四个IO口。由于这款单片机内部没有A/Ｄ，所以只能够通过外部扩展,采用TI(美国德州仪器)的１2位A／D转换器ＴLＣ２54３，11个模拟输入通道，SＰＩ接口.为了更加直观地了解系统控制的输出结果，控制部分还接入了n5110液晶屏，＋3.3V供电，有背光，功耗低。控制部分的原理图如图3.3所示。采样电压包括输出电压与电流,电压采用电阻分压,电流使用模块检测，其输出的也为电压信号。其信号分别从A/D转换器的0和1通道输入.单片机P0。0口输出ＰＷＭ波来实现控制太阳能电池板输出电压,P1．０～P1．4分别接到TLＣ２54３的EＯＣ、Ｉ／Oｃlk、Din、Dｏｕt、EＱ\X＼ｔｏ（CS）,P０．3～P０.7分别接液晶屏的各个数据口。电容C1＝30pf、C２＝３0pｆ与晶振Y１共同组合构成单片机系统的振荡电路，两个电容用于电路的起振，给MＣＵ提供系统时钟，单片机指令的执行都是需要时钟信号的激励才能完成，此电路就好比人类的心脏一样。3.2软件设计程序编写使用的是Keil软件，它是美国Keilsofｔwaｒe公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Kｅｉl提供了包括Ｃ编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境（ｕViｓｉoｎ)将这些部分组合在一起.整个系统的程序采用C语言编程[11］。３。2。１设计思路软件的部分主要包括Ａ/Ｄ、PＷM、液晶屏n５1１0、以及系统思路的算法。Ａ/Ｄ转换的驱动程序主要根据ＴI官网提供的Ｄatasheet上面的时序图和一些固定指令来写；ＰＷM波的产生通过单片机内部的定时器中断来实现；n5110液晶的驱动程序也通过相应的时序及命令编写。图３．4TＬＣ2５４3时序图如图3.4所示，TLC254３的数据传输是在信号ＥＱ\Ｘ\tｏ(CS)为低电平的情况下进行的，这是个片选信号。数据的输入与输出是在时钟信号Ｉ/OＣＬOCＫ的下降沿进行.芯片处于转换的状态下时,信号ＥOC为高电平，转换结束时为低电平,驱动程序的编写按照此时序图.PWM设计思路：使用内部的定时中断，最大计数脉冲为６55３5，外部晶振为12Ｍ时,最长定时时间为6５.５35ms。定时器赋初值的原则（定时器0）：ＴＨ０=（６５53６－Ｎ）／2５6，TＬ0＝(6５５３6－N）％256,其中N为定时时间，单位为ｕｓ。再定义一个数Ｃ，定时溢出时C自动加1，此时C为一个常数，把C可以分为两段范围,一段范围内给单片机的P0.０口赋1,另一个范围给其赋0,这样就实现了脉宽调制波形的产生。根据ＭPＰＴ的算法思路，结合A/D转换、PWＭ以及各初始化程序,得到系统的流程图如图3.5所示，此流程图体现出了本设计的核心程序思想。图３.5MPPＴ算法流程图3．２.2子程序设计实现下面主要分析PWM以及系统算法程序。系统初始化程序：/＊位定义,其中P0^0为ＰWM输出，Ｐ1^0～P1^４为TLC２54３接口，P0^3～P０^７为液晶接口*/sｂitpｗｍ_out＝P0^０;sbitｅoc＝P1＾4;ｓbitioｃlk=P1^3；sｂiｔｄin2５43=P1^2；sｂｉtdｏut2５43=Ｐ1＾1；ｓｂitｃs2543=Ｐ1^0；sbitsce＝P0＾３;ｓbitｒｅｓeｔ=Ｐ０^4;sbitｄc=P0＾５；ｓｂiｔｓdin＝Ｐ0^6;sbitｓｃｌk＝Ｐ0＾7;vｏiｄＩｎit＿sysｍ（）／/初始化系统｛ﻩﻩ Ｉnit_n5１1０（）;／／初始化液晶ﻩﻩﻩClｅar_ｎ511０();/／清屏Ｉｎit_pwm（）；//初始化定时器}PWＭ信号的产生：ｖoiｄIniｔ＿pwm(）｛TMOD｜=0ｘ11;//定时器1,工作方式３ﻩTH1=０xｆf；//定时器赋初值，高８位,定时1ｕsﻩTL1=0xff；//低八位ﻩTR１=1；//开定时中断IＥ＝0ｘ8Ａ；ﻩ//开总中断｝voiｄｔimer１（）iｎterｒupt3//3为定时器1的中断号1定时器０的中断号0外部中断１２外部中断24串口中断｛ﻩＴH１＝0ｘｆf；//重新赋初值ﻩTL１=０xff； ﻩpwm＋+;}vｏidpｗm（）{iｆ（pwm〉１00）ﻩ pwm＝0;ｉｆ(ｐｗｍ〈num)／/num用于调节占空比ﻩpwm＿ｏut=1；／/输出高电平ｅlseﻩﻩpｗm＿ｏut＝0；/／输出低电平｝MＰPＴ算法程序:ｖoidmppｔ（)｛ﻩｕcharP_new，U＿nｅw;ﻩif(P>Ｐ_ｎeｗ）ﻩ{ﻩ iｆ（U>U_neｗ）ﻩﻩﻩPWＭ＋＋; ﻩｅlseﻩﻩﻩPWＭ—-；ﻩﻩ} eｌseﻩ｛ﻩﻩｉf（U＞U＿nｅw)ﻩﻩ PＷM－-；ﻩﻩelsｅﻩ ﻩＰＷM+＋；ﻩ｝ﻩ｝４系统调试与测试4.1调试与测试工具系统调试与测试所使用的工具包括:软件KeｉluＶｉsion4、50W太阳能电池板、电线、杜邦线、胜利牌VC８９０D万用表、47Ω/20W水泥电阻、100Ω/20Ｗ水泥电阻、螺丝刀等。4.２系统调试系统的调试包括硬件调试与软件调试.硬件调试包括稳压块ＬM78０５的输出电压和采样电阻的分压情况测试。稳压块的输出为＋5V，比较标准。图3。2所示的Ｒ１、R2阻值均已给出,但是由于电阻会存在误差,所以也要进行相应的校正。通过用万用表测试的结果如表４。1所示:在测试的过程中，发现了一个很严重的问题:用万用表可以测出Ｒ２两端的电压，但是用Ａ/D却采不到电压。后来通过上网查找资料,其可能的原因在于作为分压电阻的R1、R2选取的阻值太大，以至于流过其电流很微弱,导致A/D采不到电压的后果,然而万用表却可以测到电压是因为万用表的电压都是通过运放处理的。表4.1万用表测量分压电阻分压值R1、R2两端电压UR2两端电压Ｕ2分压系数U/U２３.280．359.３7１４４.０90．439。５11６４．8９０.5２9。40３８9.3７1。０19．2７7２19.1２2。０79。２３67平均系数９。3６０4注：表中电压的单位为V；表4。２调整电阻后的分压情况R1、R2两端电压UR2两端电压U2分压系数U/Ｕ２3。270.291１．275９４．080．3611．33335．０40.４４１1.４5459.４００.８４11。1９0519。111.72１1。1105平均系数11．27２９注:表中电压单位为V；根据这种猜测，结合采样电阻的大小对系统功耗的影响，后来将Ｒ1、R2的阻值改小一个数量级，但是测得的结果还是不行，所以只能再降低分压电阻阻值，直到减小到R１=４.7ｋΩ，Ｒ2＝４６０Ω.测试后结果正常，通过计算，两者的电阻和对系统的功率消耗也不是很大,最大为0。125W，电阻选取的都是1％精度、1/4W的金属膜电阻，符合设计要求。将电阻调整合适之后还得进行校正，再次利用万用表测得分压电阻对应的电压值，最终确定分压系数,其测试结果如表４.2所示:表4．２的数据为程序里面采样电压的调整提供依据,电压计算的公式U＝（fｌｏａt）（（4。096＊ａd0）／４０95*1127+1１３）。表４.3的数据为程序处理电流提供依据,I=(float）((2.５—（4。096＊ａｄ1)／4０９5）＊１00＋4）。ad0、ad1代表Ａ／Ｄ转换得到的数字码.表４.３电流检测模块测试供电电压（V）负载万用表测（Ｖ）Ａ/D测（V)９.４047Ω/2０W2．472．4３1００Ω/2０W2．４9２.4419.1１4７Ω/2０Ｗ２。44２.４１1００Ω/２０W2。４８2。４3软件调试的主要心思应当放到系统算法上面，由于ｎ5１１0液晶、Ａ／D转换以及PＷM的驱动程序之前都有写过,将它们复制粘贴,进行相应的修改就行了。在调试程序的时候，通过几组不同电压值的采样，比较A／Ｄ转换器与万用表两者测得的值。发现Ａ/D采样的电压与万用表测得的电压相差6０ｍＶ，几组数据综合呈线性。为了降低误差,在程序中也做了修正。如电压计算的公式Ｕ=（float)（（4。09６＊aｄ0)/4０95＊1127+1１３）中加上的１１3就是修正结果。4。3系统测试为了能够体现出本设计的性能,要对太阳能电池板的输出作两次测试,分为直接接负载测试和通过MＰPT接负载测试，其测得的数据分别如表4．4和表4．５所示。表4。４太阳能电池板直接接负载测试负载输出电压（V）输出电流（A）输出功率(W）空载４7Ω/20W1８.１０0。３9７。0６２０．3Ｖ/0．46A１00Ω/20W1９.8０0。２0３。962０．４Ｖ／0。５2A注:2013-5—9早上10:０５，多云,2１℃;表4．５接入MPPＴ太阳能电池板带负载测试负载输出电压（Ｖ）输出电流（A)输出功率（Ｗ)47Ω/20Ｗ19.62０。43８．441０0Ω/2０W20。３0０．２24.４7注：2０１３—5－9早上1０:0７，多云,21℃;从这两个表的数据可以看出:接入ＭＰＰＴ测试的输出功率比直接输出的功率提升了将近20％,与设计指标相比，这种结果并不是很理想,其主要的原因是采用5１单片机的处理速度跟不上，而且程序量大，运行速度慢，导致Ａ/Ｄ采样的时间差太长,有时候并没有采样到最大功率点的电压和电流，存在着较大的系统误差。由图3.2可知系统的信号滤波处理得也不是很完善，这样会给Ａ/D采样带来误差。并且+5Ｖ供电使用的是LＭ７805,其热损耗比较大。要解决这些问题，进一步提升效率，就需要采用高端的处理器，如DSＰ、FPGA、4３0低功耗系列单片机等，优化DC—DＣ转换电路，加强系统各信号处的滤波处理.从整体效果来看，本设计基本上满足设计指标。5总结对于太阳能电池板转换效率低的问题,采用MＰＰT（最大功率跟踪)技术来提高太阳能电池板的利用率。在利用同样的参数的太阳能电池板，对带ＭＰPＴ控制器与不带ＭPPT控制器的输出功率进行比较，在整个设计工作中做了大量的测试,采集了输出电压、电流并且制作多张图表,从整体上看,能够提高２0％左右的效率.从整个系统分析来看，效率不高的主要原因有几点：1、系统的功耗相对比较高，这主要体现在LＭ7805供电模块，以热损耗形式消耗;2、系统ＭCU选取不是很恰当,SＴC８９C5２ＲＣ虽说有较大的存储能力，但是其处理的速度还是比较慢,导致跟踪的速度低,有时候并没跟踪到最大功率点;３、环境影响,太阳能电池板不是每时每刻都以最佳位置接收太阳光。综合上述几点原因，MＰPＴ控制器还可以做进一步改进。如：采用低功耗的DC－DC转换芯片,选取DSＰ等高速MCU替代51单片机，控制太阳能电池板旋转，使得其以最佳位置接收太阳光。在考虑方案改进的同时,系统成本也应该作为参考，思想紧跟产品推广规则。以设计实用性产品为最终目的.通过本次设计，巩固了自己的专业知识，同时也学到了新的知识。刚开始是抱着忐忑的心理选取了这个课题设计,心里没谱，总以为这个课题会很难.但是在看了几天有关方面的资料之后，对课题的整体思路以及方向有了理解.然后根据思路进行相关的试验，主要对象是场效应MOＳＦEＴ开关管.之前有过这方面的电路设计，但出现的问题较多，主要是导通条件和应用场合需要注意。开关管通过验证后，才设计了系统的转换电路部分,控制部分用的是之前做了的51单片机控制板。上面包括A/D、D/Ａ、液晶显