基于AVR单片机的微风发电充电控制器设计

本科生毕业设计（论文）学院：电子与电气工程学院专业：电子信息工程完成日期2013年5月基于AVR单片机的微风发电充电控制器设计DesignofBreezePowerGenerationChargeandControllerApplianceBasedonAVRMicrocontroller总计：24页表格：4个插图：15幅基于AVR单片机的微风发电充电控制器设计[摘要]针对煤矿井下环境中应用无线传感器时遇到的传感器能量来源的问题，设计了基于AVR单片机的微风发电充电控制装置。该装置主要包括微风发电系统和充电控制器两个部分，其中微风发电系统采集煤矿井下巷道里的微风能量并将其转化成电能；充电控制器则是以AVR单片机为主控制器，在监控发电机输出和蓄电池电量等参数的情况下将发电机输出电能储存在蓄电池中。本论文重点阐述了充电控制器的设计。经过实验检测，风力发电系统和充电控制器都具有良好的稳定性和可靠性好，在5m/s的风速下发电机输出功率0.4w并能很好的为蓄电池充电，基本满足了系统实用性要求。[关键词]风能采集；微型风力发电；充电控制器；蓄电池充电DesignofBreezePowerGenerationChargeandControllerApplianceBasedonAVRMicrocontrollerAbstract:Fortheproblemofhowtogetenergywhenusingwirelesssensorincoalmine,ThisgraduationprojectdesignedabreezegenerationchargecontroldevicebasedonAVRmicrocomputer.Thedevicemainlyconsistsoftwoparts:abreezepowergenerationsystemsandachargingcontrolmodule.Thebreezepowergenerationmodulecollectsbreezeenergyofcoalmineroadwayandconvertsitintoelectricity.ThechargecontrolmoduleoutputsandlayselectricalenergyinastoragebatterybasingonthecontrolleroftheAVRsingle-chip,inthecaseofmonitoringgeneratoroutputandthebatterypower.Thispaperfocusesonthedesignofthechargecontroller.Thesystemisstableandreliablethroughthetest.Powerofgeneratoris0.4wwhenthewindspeedis5m/sandthesystemisgoodforbatterycharging.Thedevicebasicallymeetstherequirementsofavailability.Keywords:Windpowercollection;microwindpower;chargecontrol;chargeofstoragebattery目录1引言 11.1研究矿井巷道内微风发电充电控制系统的背景及意义 11.2国内外风力发电现状 11.2.1国外风力发电现状及趋势 11.2.2我国风力发电现状及趋势 21.3本论文研究目的及研究内容 32微型风力发电机系统 32.1微型风力发电机的工作原理和设计流程 42.1.1微型风力发电机的工作原理 42.1.2微型风力发电机设计流程 42.2风力机选择 52.3发电机 53蓄电池及其充电技术分析 63.1蓄电池的选择 63.2锂电池的充电方法 74充电控制器硬件设计 84.1充电控制器系统框图 84.2充电控制器硬件设计 94.2.1充电电路 94.2.2电源电路 104.2.3检测电路 104.2.4控制器指示灯电路 115充电控制器软件设计 125.1软件设计总体思路 125.2控制器系统流程图 125.3充电流程设计 145.4主要模块程序设计 145.4.1电池监测模块 145.4.2PWM波形产生模块 155.4.3电流调节模块 156实验测试结果 16结束语 17参考文献 18附录 19致谢 241引言1.1研究矿井巷道内微风发电充电控制系统的背景及意义随着中国经济的迅猛发展，对能源的需求量大幅上升，这将给能源的供求带来很大的压力。因此中国要加大对新能源的研究大力开发利用新能源。风能就是一种很好的新能源并且已经有了一定的应用和发展。风能利用的商业化机组的单机容量越来越大，与此同时风力发电的成本也越来越低，这为风能的大规模开发利用提供了广阔的前景。煤矿巷道内风力资源丰富，足以提供稳定的电能供给智能管理系统。但是在巷道内微风能量发电方面，国内还没有相关方面研究的公布。而在巷道内采用微风能量发电，然后用于其它智能器件的电力供给，不仅在成本上要远远低于铺设电缆，而且在维护上也很方便，便于在巷道等狭小空间普遍应用，因此对微型风力发电充电控制系统具有巨大的社会效益和经济效益，所以本课题具有相当大的发展前景。近年来，无线传感器技术和物联网技术发展迅速，但是传统化学电池具有体积大、能量密度低、使用寿命有限、需要定期更换等特点，已经不能满足无线传感器节点等小体积、长寿命、免维护、高能量密度电源的需求，因此高性能微能源技术已经成为世界各国研究的热点。这也是本课程设计研究的出发点。本次课程设计从实际应用出发，研究巷道里微风能量的采集和利用，着重探讨了微型风力发电机输出电能后对蓄电池充电过程的控制，使发电机能高效的为蓄电池充电以便后续使用。1.2国内外风力发电现状风能在可再生能源中占有很重要的地位。而且利用风能从实生产劳动等也有着悠久的历史。20世纪后半期以来世界上资源的短缺和人们生活环境的恶化将人们的开始目光聚焦于新能源的开发和利用上，这其中就有无污染并且可再生的风能资源。利用风能进行发电是世界上许多国家大力研究的课题。微型风力发电机具有体积小、重量轻、结构简单、操作方便的、造价低、使用安全、寿命长等诸多优点。在没有条件使用国家电网供电的边远山区或者沿海地区以及岛屿上微型风力发电机很多的应用。1.2.1国外风力发电现状及趋势近年来，风力发电技术的发展速度很快。截至2010年全世界风电总装机容量达40.00GW,预计到2020年可以达到1TW。资料显示2010年德国又增加了500万千瓦风力发电,西班牙增加了520万千瓦并且使其年生产能力达到800万千瓦,从而满足了西班牙全国电力需求的10%。除此之外，作为世界超级大国和石油消费大国的美国也比较重视风能的开发和利用。截止2006年,美国风力发电的总装机容量已经超8000MW,使200万个中等收入的家庭的有了日常用电保障。研究表明，随着计算机技术、制造业的发展风能的利用将进一步加大，而风能电发的成本将会进一步下降。目前位居风力发电总装机容量前列的是美国、德国丹麦和印度并且他们还会在这方面花费大量的人力和物力。到美国能源部要求到2020年时其风力发电达到国家电力消耗的10%，丹麦甚至计划在2030年前使其用电量的40%来自于风力发电。1.2.2我国风力发电现状及趋势我国是一个风力资源丰富的国家，全国大部分地区为多风带并且适合发电。目前我国实际可用来开发利用的风能储量为2.53亿千瓦,这为我国研究可再生能源的利用技术提供了强大的资源条件。截止到2006年底我国的风力发电总量跃居世界前三位。到2008年我国的累计装机容量达到12210MW。据相关资料报道,我国有望在2020前新增发电能力500GW，其中121GW为可再生能源。2010年以前,我国计划新建20座风力发电场,每座风场的发电能力达到100MW以上，且达到4000MW的风力发电总目标,并要求风力发电设备本土化。我国风力发电一般采用三种形式，即用户式、居民区式和并网式。其中用户式可以独立运行，用蓄电池作为能量的储存装置直接输出供电或者逆变交流供电。这样的发电形式一般在100～300W之间，基本上可以满足一般的家庭的家用电器的使用。居民区式的发电机单机容量一般为1～5KW,它可以统一的向小区内的各家各户供电或者向雷达站、边防哨所等无电区供电。并网式就是风力发电机所发电能并入大型的国家电网。有资料现实据不完全统计，到2000年底，全国生产风电机组、风力提水机组及配套件的工厂共39家，其中主机27家；职工近4000人，工程技术人员400余人；从事科研开发有35家院校，科技人员250人。商品化风电机组有9种，从100W到5kW，年生产能力3万台，累计出口近1000台小型风电机。2002年全国生产风电机组8190台，风力提水机组50台。目前全国小型风电机组保有量上万台，居世界首位。近几年来已建立14处规模不等的大中型风电场，至1995年共安装55kW以上机组186台，总装机容量为37MW。预测到2015年，需要小型风电机(10kW以下)22万台；大中型风电机组(20kW以上)4000台；风力提水机组6000台。进过调查发现我国发电行业存在一下问题:（l）发电机产品种类单一。虽然我国已经能过生产大中小型发电，并且还实现了出口（1995年并出口印尼100W及300W小型风电机各250台，价值340余万元）。但是发电机组功率还是不大，大多数发达国家已做到600kW机组商品化，正在准备批量生产750kW、1MW机组而，而我国才研究到55kW、250kW的风电机阶段。另一方面，发电功率小并且适用条件苛刻的发电机在国内还没有看到有关报道，但是这些发电机在某些地方有其特殊的作用，例如矿井下为无线传感器供电的微型风力发电机。(2)科研生产能力薄弱。虽然2006年国务院下发文件明确“对风力发电实行按增值税应纳税额减半”的优惠政策，但是国内企业和科研单位投入电机组技术引进和研制的单位还不是很多，也不够重视[1]。今后风力发电机的发展前景是光明的。全国人大常委会在2005年审议并通过的《中华人民共和国可再生能源法》会极大地鼓励风电技术等新能源的发展。预计风力发电商业化单机容量越来越大，成本也会越来越低而风力发电的可靠性会大大提高。这位风能的大规模开发提供了广阔的前景，使得风力发电迅速成为初具规模的新型产业[2]。一是建设大风轮和高塔架，向超大型风力发电机发展。二是向新型立体式风力发电机发展。即发展垂直轴风力发电机。它克服了一般风力发电机叶片需要不断增长和提高塔架以及在材料和加工工艺等方面的困难。这样发电机可以利用来自任何方向的风从而提高了风能利用率并且可以大大的降低又支撑风力机的铁塔，使得发电机造价降低，重量变轻了好多[3]。1.3本论文研究目的及研究内容论文针对无线传感器技术及物联网的应用需求，将对微型风力发电系统进行一些探索性研究。以期得到小体积、长寿命、免维护、便于布置的微能源，以满足无线传感器技术及物联网的应用需求，具有重大的应用价值及科学意义。本次课程设计从实际应用出发，研究巷道里微风能量的采集和利用，着重探讨了微型风力发电机输出电能后对蓄电池充电过程的控制。该充电控制器以美国ATMEL公司的ATmega16单片机作为控制芯片，结合国内外现行的各种充电技术和充电器设计方案，采用预充电、横流充电、恒压充电组合起来的充电模式，可达到预期的充电效果。2微型风力发电机系统根据课题要求结合实际使用情况，本设计主要分为三个模块：微型风力发巷道内风能微型风力发电模块充电控制模块巷道内风能微型风力发电模块充电控制模块储能装置模块负载图1设计总体框图电模块、充电控制模块、蓄电池储能模块。微型风力发电模块利用微型风力发电机将巷道里的风能转化为电能；充电控制模块则是通过AVR单片机的控制为蓄电池充电，将电能转化为蓄电池的化学能；蓄电池储能模块就是利用蓄电池储存电能，其中包括对电池电量的检测和保护[4]，系统总体框图如图1所示。2.1微型风力发电机的工作原理和设计流程2.1.1微型风力发电机的工作原理微型风力发电机是将风能转化为电能的机械装置。从能量转换的角度看，风力发电机由两部分组成：一是风力机，它的功能是将风能转化为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转化为电能。根据现在风车技术的要求，在风速大于3m/s的时候便可以开始发电。最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成，如图2所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来[5]。图2风力发电原理图2.1.2微型风力发电机设计流程微型风力发电机一般将发电机发出的电能储存在蓄电池中，然后在需要的时候再提供给负载。常见的微型风力发电机系统框图如图3所示。随着小型发电系统的日益普及和发电行业的发展，很多行业对微型发电机的设计和应用也提出了要求。为了获得具有好的系统性能的微型风力发电机，发电机系统的机构和控制算法也在不断地改进和提升。但总的来说，微型风力发电机设计主要包括一些流程：（1）设计风力机获得风能。根据实际使用情况的要求，必须设计出合适的风叶，确定风叶的大小，结构，制造材料等等。（2）发电机设计。要设计出出启动风速尽量小，输出功率达到要求，性稳定的发电机。本设计就要设计出启动风速为2m/s,在5m/s的风速下输出功率约为0.4w的微型发电机。（3）发电机的监控和蓄电池充电控制。这要采用一定的技术策略，检测出发电机工作时的相关参数和蓄电池的电压的参数，本设计通过单片机对发电机产生的电压和蓄电池的电压进行采集获得对微型发电充电系统的监控[6]。图3小型风力发电系统框图2.2风力机选择风力机就是将风能转化为机械能的装置。根据风力机和发电机旋转轴的区别，一般将风力发电机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机具有低切入风速、易于过载时切出保护、较高的功率系数等优点。本设计装置是用在矿井下的巷道里，对于风力发电机的设计有很多限制条件。例如发电机启动风速为2m/s，这点垂直轴风力发电机因启动风速大而不满足设计的要求，水平轴风力发电机启动风速低可以满足要求。另外水平轴发电机具有占用空间小、功率系数高、过载时易切出保护等特点，这些都符合巷道里的环境条件，所以本设计采用水平轴风力发电机采集风能发电[7]。2.3发电机发电机是风力发电设备中关键部分，种类很多，但一般都是由5部分组成的：一是风轮，也就是前文提到的风力机；二是支座，它主要用于安装是发电机和尾翼等，表1发电机性能参数型号名称S-200S额定功率0.4W额定电压12V启动风速2.0m/s额定风速5m/s最大风速8m/s风轮直径0.17米叶片数量3片能绕塔架中的竖直轴自由转动；三是一般安装与机头厚的尾翼，它是用来保证在风向变化时，使风轮正对风向；四是塔架，是支撑机头的构架，它能使发电机处于空中而不受周围障碍物的影响；五是主机，也就是将机械能转化为电能的部件，是发电机的主要组成部分[8]。本人采用无锡乃尔技术开发有限公司生产的发电机，该发电机体积小，重量轻，耐久性，低噪音，翼片直径不到20cm，如表1所示。3蓄电池及其充电技术分析3.1蓄电池的选择因为自然界中的风能具有间歇性和不稳定性，风力发电机发出的电能也会时大时小、时有时无，不太稳定。这样的电能是不能直接供给用电器使用的。因此要找到一个中转装置间设置储能装置，把风力发电机发出的电储存起来，然后由该装置稳定地向用电器供电。对于市场上蓄电池大致分为铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li–ion)电池。它们的性能比较如表2所示，可以看出锂离子电池性能比较好，因此本设计选用锂离子电池作为蓄电池。下面计算蓄电池的容量。表2铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较电池类型工作电压(V)重量比能量(Wh/kg)体积比能量(Wh/L)循环次数记忆效应自放电率(%/月)铅酸电池2.0——400～600无3镍镉电池1.250150400～500有15～30镍氢电池1.260～80240～300＞500无25～35锂离子电池3.6120～140300＞1000无2～5（1）负载用电量的计算。计算负载用电量公式[9]为式（1）(1)式中，为负荷的用电量，单位；P为计算负荷，单位；T为负荷的平均利用小时数，单位。(2)（2）蓄电池容量的计算。蓄电池的容量公式[9]为(3)式中，Q为负荷用的电量，单位；W为蓄电池组端电压，单位V，U为蓄电池放电深度，一般为80％。则蓄电池容量(4)由式（4）知蓄电池的容量不能小于937mAh，因此本设计选择容量为1000mAh的蓄电池满足条件，其参数见表3。表3蓄电池参数电池型号Li-16340标称容量1000mAh标称电压3.7V工作电压范围3.0V～4.2V自耗电3-7uA充放电次数1050～1100次使用温度范围-20℃～+45℃电池外形尺寸（长*宽*高）5×35×54mm充电方法恒压恒流（CC/CV）充电电压4.2V最大充电电流1C最大放电电流1C执行标准GB/T18287-2000（3）风力发电机容量。按发电时数每天8小时计算，本课程设计所用的微型风力发电机的额定功率选0.4w可以满足条件，因为0.4w×8=3200mWh远大于负载用电量2772.5mWh。3.2锂电池的充电方法目前对锂电池的充电以恒流恒压的充电方法为主，充电初期一般采用小电流对电池进行预处理，防止电池过放电带来的影响；接着用大电流快速充电；在电池电压达到充电限制电压时，转为恒压模式确保电池充满，即充电过程分为预充电、恒流充电、恒压充电三个阶段，如图4所示。如果电池电压低于2.9～3.0V，则电池已经完全放电且必须激活[10]。在激活阶段利用较低的恒定电流充电（一般为0.05～0.15C，其中C是额定电池容量），直至电池电压达到预期电平，电池激活时间限制在1.5～3个小时。如果电池电压在激活阶段无法升高到2.9～3.0V以上，则可以认定电池被损坏。图4锂电池充电曲线激活阶段之后开始进入快速充电阶段。快速充电有两种模式：恒压模式和恒流模式。在电池电压低于预定电平（4.1～4.2V）时，用恒流模式充电（约0.5～1C）。在电池电压达到预定电平时，充电电源切换到恒压模式（4.1～4.2V）。如果充电电流降低至预定限值以下则结束充电过程[11]。快速充电阶段必须采用超时保护。恒流充电时间估计可以提供100～120％的电池电量，因为此模式下电池充电至总容量的70～80％。恒压充电时间限制在2个时内，充电时部分电能被转换成热能，直至电池充满。而充满后，所有的电能将全部被转换成热能。如果此时不终止充电，电池就会被损坏或烧毁。快速充电（电池完全充满的时间小于两小时的充电器）可以解决这个问题，因为快速充电使用大的充电电流来缩短充电时间。此外，对于锂离子电池来说，监测它的温度是至关重要的，因为电池在温度过高时会发生爆裂。在所有的充电阶段都应该随时监测温度的变化，并且在温度超过最大设定值时，立即停止充电。4充电控制器硬件设计4.1充电控制器系统框图在对锂电池充电时，锂电池电量会随着充电时间的加长而不断增大，当超过其极限值时就会损坏锂电晶型，造成锂电池永久性损坏。因此设计的充电控制器除了技术参数的要求外，控制器的可靠性和安全性也是至关重要的。为了保证充电时不对电池造成永久性损坏，在控制器设计中必须考虑保护措施（包括过流保护、过压保护和温度保护）。另外，充电器充电过程包括了恒流工作阶段和恒压工作阶段且系统必须保证恒流、恒压的稳定性[12]。图5所示时系统的设计框架，包括电压/温度采样模块、开关控制模块、保护机制模块和充电模块。保护机制模块：该模块主要检测系统的工作状态，并根据事先编写的软件响应监控信号。在实现时，该模块电路被分散在其他3个模块的实现电路中。开关控制模块：该模块利用A/D检测充电状态，在非正常工作时关断系统电源。充电功能模块：该模块的主要功能是产生精确的PWM信号来控制充电的电压和电流，完成电池充电，并实时采样系统状态。温度/电压检测：该模块完成对充电器电源电压，电池两端的电压、电流和环境温度的监测，并根据监测值决定系统的工作状态。图5充电控制器系统框图4.2充电控制器硬件设计充电控制器系统整体电路可划分为系统指示灯电路、电压与环境温度采集电路、充电电路和开关控制电路。4.2.1充电电路充电电路采用BUCK变换器电路。BUCK变换器将直流电源能量传送到负载并加以控制，得到另一个直流输出电压或电流。通过对开关管的导通或关断时间长短控制，即控制从电源端到负载端传送的能量。BUCK变换器是一个用一个电感或一个变压器（需要隔离的时候用变压器）作为能量存储单元，以离将能量离散的从输入传输至输出的开关调节器，反馈电路通过晶体管来调节能量的传输，同时也作为过滤开关以确保电压或电流在负载时保持恒定[13]。BUCK变换器包括由NPN晶体管驱动的P沟道MOSFET开关管，开关管与电感、二极管和电容相连，如图6所示。当开关管接通时(原理图中以一个天关表示)，电流按图6(A)所示方向流动，电容通过电感被充电(电感也吸收了能量)。当开关管打开时，如图6(B)所示，电感试图保持电流，从而导致电流流过二极管、电感和电容，这是一个BUCK变换器的工作周期。如果减少占空比，开通时间减少，断开时间增加，则输出电压也将下降。反之输出电压增加。在占空比为50%时，BUCK变换器的效率最高。图中二极管是用来防止在断电时电池向微处理器供电[14]，滤波电容C使输出电压的纹波进一步减小。显然，功率管在一个周期内导通时间越长，传递的能量越多，输出电压越高。BUCK变换器的输入阻抗的大小可以通过控制开关电源的占空比来改变。这种控制性能可以用在微型风力发电系统中，通过控制发电机的输出电流，改变风力发电机的负载特性，即调节了发电机的转矩-转速特性，从而控制风力机转速用来改变叶尖速比，这样就控制了风能转换效率和风力发电机的输出功率。（A）（B）图6BUCK变换器的开关原理图4.2.2电源电路本设计电源模块主要为单片机和运算放大器供电，经测定微型风力发电机的输出电压随风速变化（2～7m/s）而变化的范围是7～12V,这样的电压是不能直接给单片机供电的，因此需要稳压装置。如图7所示，将发电机输出接入三端稳压器7805的Vin端后得到稳定的5V电压，电容C1和C2与输入输出电流大小有关，其目的是去耦和旁路。发光二极管作为充电器的指示电路。具体电源模块的电路图如图7所示。图7电源电路图4.2.3检测电路检测电路如图8所示，电路原理和器件功能描述如下：（1）VCC连接5V电源产生电路，为单片机提供稳定的工作电流以及电池内部热敏电阻提供电压[15]。（2）电池的正端连接两个串联的电阻，通过分压作用，检测20K电阻上的电压，然后通过单片机的ADC0通道转换为数字量，存储起来。（3）电池的中间端通过一个分压电阻连接到5V电压源，测得热敏电阻的压降，并通过单片机的AD1通道转换为数字量，计算得到温度值。（4）电池的负端通过灵敏电阻接地，检测电阻两端的电压后并通过10增益的运算放大器得到较大的电压值，目的是为了提高精确度，利用ADC2通道获得数字量，然后根据公式转换为电流值。（5）电容C起滤波的作用，防止采样点电压的波动。图8电池检测电路4.2.4控制器指示灯电路系统指示灯有两个：红色LED和绿色LED。当电池处于充电状态时，充电器的红色指示灯亮，绿色指示灯熄灭；当电池充电基本完成，进入涓流阶段时，充电器的绿色指示灯亮，红色指示熄灭；若出现异常状况，则红色指示灯闪烁，绿色指示灯熄灭。图9系统指示电路如图9所示，LED直接连接至单片机I/O口，RES2电阻利用分压原理得到LED的工作电位差，并利用与LED串联的特点限制其工作电流，起过载保护的作用。在单片机的整体控制中，在采样电路提供采样数据的前提下单片机通过PWM对电池的充电电压与充电电流进行控制。5充电控制器软件设计5.1软件设计总体思路充电控制器机接上电源后，系统首先要检查是否有电池放入，准备充电，同时还必须检测电池是否可用。然后系统须连续数次检测各个A/D通道，进行电源电压、环境温度等数据的初始化，设定系统初始值。如果电池电压采样通道连续3次检测到电压值大于1.0V，则认为充电器内已放入电池，且电池可用，开始充电。整个充电过程可分3个阶段进行：预充电阶段、恒流充电阶段（快速充电阶段）和恒压充电阶段（涓流充电阶段）。每个充电阶段的数据独立，但他们的处理机制基本一致。对于这3个充电阶段，预充电和快速充电两阶段必须做到恒流控制，涓流充电阶段必须做到恒压控制，这是充电阶段的主要功能部分。恒流、恒压控制电路已知，单片机必须对I/O口的数据做出判断，并根据判断向外部电路发出正确的动作指示。5.2控制器系统流程图系统主流程主要包括初始化函数、电池检测函数、预充电子程序、快速充电子程序和恒压充电子程序等。按照系统主流程的设计，各部分功能如下：（1）单片机上电后，初始化寄存器。单片机上电后，系统流程的主函数调用初始化函数，初始化工作包括3个方面：定义全部寄存器和单片机端口、初始化片内寄存器和端口状态、系统监控系统复位并启动，中断复位等待。初始化过程将清除上次充电的所用记录，同时启动系统的监控函数，并复位中断系统，通常该过程十分迅速，一般会在放置电池前完成。（2）调用检测子程序，完成检测。检测电池的子程序将用当前的状态值覆盖先前无电池时采样的无效值，然后对取得的状态值判断此刻充电器放置的电池是否可用。系统连续做4次电源电压、电池电压、电池温度和充电电流的采样，将采用的状态值与系统预设的正常参数进行比较：若4次比较的结果全部无误，则进入电池检测子程序；若4次比较的结果存在错误，则系统一直检测下去，直到连续4次比较的结果全部无误为止。（3）确认充电器中存在电池后，再根据电池电压是否大于3V的条件，决定采用预充电还是快速充电。确认充电器内的电池可以进行充电，系统将进入电池检测子程序：如果程序检测到电池的电压大于1V，则认为充电器内有可用的充电电池；否则系统认为无电池或电池不可用，并退出函数，再重新开始执行检测电池的子程序。如果电池检测子程序确认充电器内放置了有效的电池，那么系统将做进一步的检测。检测当前电池的电压是否大于3V，如果电池电压大于3V，电池的实际电压已达到快速充电的电压要求，因此可以跳过预充电阶段直接进行快速充电。开始初始化单片机开始初始化单片机连续4次检测电源电压、电池电压、电池温度电池电压大于3V电池电压大于1V预充电子程序恒流充电子程序恒压充电子程序否是是否图10系统流程图（4）在相应的充电阶段，子程序内部保持循环，不断检测，直至相应阶段充电完毕，退出相应的子程序。充电子程序包括预充电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程序。可根据电池电压的值跳过预充电子程序，直接进入快速充点子程序或者涓流充电子程序。当系统进入到充电子程序后，如果不跳过预充充电子程序，则其正常执行时序是：预充电子程序→快速充电子程序→涓流充电子程序。蓄电池在某个充电子程序模块（预充电子程序、快速充电子程序或者涓流充电子程序）充电完成后要退出该子程序模块。退出充电子程序时会调用检测电池的子程序检查充电情况：如果充电正常，则退出该子程序，顺利进入下一充电子程序；如果充电异常，将不进入下一充电子程序，按照异常情况进行相应处理。5.3充电流程设计三个充电阶段的子程序流程描述如下：（1）进入充电流程，子程序开始检测充电器中有无电池、置标志信号，如果没有电池则退出子程序。（2）随后系统进入充电过程，首先系统对电池的各项参数进行检测，包括环境温度、电池电压等。在确定环境温度正常且电池电压小于预充电电压后进入预充电，本设计中为一个1000mAh的电池充电，设置预充电电流为0.05C[16]。充电阶段不断对电池的当前参数进行监测，当电压达到3V后转入快速充电的恒流充电阶段，充电过程中如有异常情况发生立即关断电路。（3）当电压高于3V低于4.2V且温度正常时，进入快速充电的恒流阶段，充电电流设置为0.5C，此过程中不断检测电池的当前参数，当电压达到4.2V时转入涓流充电阶段。此后一直保持恒定电压，同时检测温度和电流值，当电流值小于0.1C后停止充电，同样如果温度超出限制后也停止充电。（4）判断电池电压是否小于1V：如果小于1V，则表明电池被移走，置相应标志位，程序结束；否则继续处理监测数据。（5）判断电池电压是否大于4.2V：如果大于4.2V，则表明电池出现故障，置相应的标志位，开启LED指示，程序将回到BACK1处；否则继续处理采样数据。（6）判断电池温度是否处于0～43℃之间：如果处于该数值范围，电池正常，继续处理采样数据；否则表明电池温度过高，置相应的标志位，开启LED指示，程序将回到BACK1处。5.4主要模块程序设计5.4.1电池监测模块在整个程序运行中，单片机必须不断对电池的电压、充电电流以及温度进行监测以决定采用那种充电策略、调节充电电压或者电流，ATmega16自带的ADC(模数转换)功能可以完成对电压、充电电流以及温度的采集。ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。本设计中单端电压输入以5V(AVCC)为基准。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定，流程图如图11所示，程序见附录1。采集参数求平均值采集参数求平均值求灵敏电阻压降计算系统误差得出结果开始系统初始化开始定时器计时时间到OC0置位是否图11采样流程图图12PWM产生流程图5.4.2PWM波形产生模块充电过程中充电电压和充电电流的大小可由单片机ATmega16提供的PWM波控制。本设计选用ATmega16的T/C0产生PWM波形。设计中T/C0工作在快速PWM模式下，因为此PWM波频率较高。此时计数器T0为单程向上的加1计数器，从0X00一直加到0XFF（上限值），在下一个计数脉冲到来时恢复为0X00,然后再从0X00开始加1计数。其上限值决定PWM的频率。计算PWM的频率的公式为：（5）式中，是端口单片机OC0输出的PWM波形的频率；N为分频系数，取值为1、8、64、256或1024。通过设置寄存器OCR0的值，可以获得不同占空比的PWM脉冲波形。流程图如图12所示，程序见附录2。5.4.3电流调节模块电池充电的过程中，充电电压和电流可能会出现不稳定的情况。为了实现恒流恒压充电，要调节充电电流和充电电压到预定范围，可以通过调节PWM波形实现电压或开始者电流的调节，电流调节的流程图如图13所示。电压的调节和电流调节原理类似，不再累述。开始是是检测充电电流检测充电电流是预定值是预定值否否调节电流调节电流图13电流调节流程图6实验测试结果实验对本设计选用的电池Li-16340进行了充电测试。由于实验条件有限，并没有将风力放电机放在煤矿井下，而是在实验室用电风扇产生5m/s的微风，测试结果见附录4,充电电流和电池电压随充电时间变化的曲线如图11和图12。充电开始时电池电压低于3V，充电控制器对蓄电池进行预充电，充电电流为50mA。预充电约20分钟时电池电压达到3V，控制器迅速将充电电流变为500mA，以恒流充电的方式进行充电，电池电压不断升高。充电240分钟后蓄电池电压达到4.2V，此后控制器以恒压充电方式进行充电，充电电流不断减小，恒压充电475分钟后充电电流降低到100mA，此时电池容量已满，控制器停止充电。图11和图12中的充电曲线与理论曲线基本相符。试验结果表明,该充电系统能够很好完成锂离子蓄电池的充电，达到了设计要求和预期目标。图14充电电流随时间变化的曲线图15电池电压随时间变化的曲线结束语环保、高效资源的研究以及应用是一个日益流行的领域，微型风力发电机技术作为环保、高效资源的研究的一个重要分支，是近年来清洁能源领域中的新兴课题，也是其他清洁、环保能源的开发与利用的基础，因此对它的研究具有十分重要的现实意义。本论文主要研究了微型风力发电机设计和充电控制器的设计。首先介绍了微型风力发电机设计技术的概念，研究现状，指出了研究微型风力发电机技术的重要意义。然后重点介绍了锂离子电池的充电原理与充电方法、充电器系统的设计思想和系统结构、分析并进行了相应充电器的具体参数设定。本文所设计智能充电器系统以单片机为控制核心，电路按照实际电路功能可划分为系统指示灯电路、电源电压与环境温度采样电路、降压转换电路电路和开关控制电路，并进行了单元电路的具体设计，通过具体的硬件电路设计，实现了电池充电、LED指示、保护机制及异常处理等充电器所需要的基本功能。本设计采用的微型风力发电技术，具有高效率、易于实现的特点，适合在矿井等巷道内对无线发射模块和其它检查和安全报警模块进行电能供应，在今后的普及中有很大潜力。同时作为一个基本模型，由于其具有代表性，也有利于风力发电技术和智能管理系统的发展。尽管对本设计做了不少的工作，但由于时间及个人能力有限，真正实现的微型风力发电充电控制器还存在许多不足之处，例如没有完成实际功能的仿真的设计，没有设计蓄电池放电保护电路。这些将在以后的学习中，继续加以深入的研究。本设计虽然完成了主要的任务，基本达到设计的要求和目标，但是要应用于实际工业产品生产研发，还有很大的距离，还需要进一步的研究和完善。参考文献[1]施鹏飞.21世纪风力发电前景[J].风力发电，2000(4):25～27[2]黎法贵,郭太英.风力发电在中国电力可持续发展中的作用[M].贵州:贵州水利发电,2006.2:74～78[3]姚兴佳.风力发电测试技术[M].北京:电子工业出版社,2011.3:266-273[4]姚兴佳,王益全.微型型风力发电机设计与制作[M].北京:科学出版社,2009.2:56～62[5]巩真,刘志璋,冯国英.低风速离网型风力发电机的叶片设计[J].能源工程,2008年(5)：21～23[6]齐志远.小型风力发电系统最大功率控制的扰动法及建模分析与仿真[D].内蒙古工业大学,2005年[7]王承煦.风力发电实用技术[M].北京:金盾出版社,1999:56～59[8]齐丽丽.国际风力发电的现状及展望[J].辽宁气象,2003年(4):42～44[9]宁树强.小型风力供电系统的设计[D].内蒙古工业大学,2011年[10]秦鸣峰.蓄电池的使用与维护[M].北京:化学工业出版社,2009.7:31～36[11]DanChiras.MinkSagrillo.LanWoofenden.PowerfrontheWind：achievingenergyindependence.UniversityofColoradoBouldeLColorado[J]．Master'sthesis,1999:23～27[12]桂长青.实用蓄电池手册[M].北京:机械工业出版社,2011.1:229～231[13]Z．ChenandE．Spooner,“Windturbinepowerconverters：acomparativestudy,”inProe[J].IEEPowerElectronicsandVariableSpeedDrives，SeventhInternationalConference,1998:33～36[14]邱书波．蓄电池自动充放电控制器的设计与实现[M]．西安:西安电子科技大学出版社,2001：32～33[15]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.8:309～322[16]姚和平.锂离子电池充电器设计[D].西安电子科技大学,2008年附录1.电池检测程序：//Monitor_Battery

//

//这个程序主要用来监测电池在充电过程中的电压、电流、温度参数并转换为实际的常数

//其中温度的单位为mA,电压单位为mV,温度单位为C,误差为2%。

intMonitor_Battery(unsignedcharvalue)

{

chari;

unsignedlongav=0,delay_count=0;

longsignedaddata,result;

//计算10位A/D转换的结果的平均值

for(delay_count=0;delay_count<2500;delay_count++);//容许自己设定时间

for(av=0,i=10;i;--i)

{

ADCSRA=0XC0;//开始转换

while(ADCSRA&(BIT(ADIF)));//等待转换结束ADIF置1

addata=ADCL;

addata=addata+ADCH*256;

ADCSRA|=BIT(ADIF);

ADCSRA=0X00;

av=av+addata;

}

av=av/10; //计算平均值

switch(value)

{caseTEMPERATURE:

result= (long)av*1000/TEMP_SLOPE;

break;

caseVOLTAGE:

caseVOLTAGE_PWM_OFF:

result=(av-VOLT_OFFSET.l);

result*=100;

result*=RESAB; //计算分压电阻

result/=VOLT_SLOPE.l;

result/=RESB;

result-=((RSENSE*Current)/100);//求灵敏电阻的压降

break;

caseCURRENT:

result=(av-I_NOAMP_OFFSET.l);//计算系统误差

result*=100;

result*=100; //

result/=I_NOAMP_SLOPE.l;

result/=RSENSE;

result/=EXT_CURRENT_GAIN;

Current=(int)result;

break;

}

return(int)result;

}2.PWM波产生的程序代码如下：voidpwm0_init(void)

{

DDRB=0X10;//将PB4设置为输出

TCCR0=0X00;//关闭

num=0;//设置输出比较寄存器的初值

TCNT0=0;//计数器初值为0

TCCR0=0X61;//设置快速PWM模式，无预分频，比较匹配时清零OCR0=num;//设置PWM比较匹配的值

}3.快速充电模块程序：//Buck_Charge()

//

voidBulk_Charge(void)

{

unsignedinttemp=0;

unsignedintbulk_finish_hour=0;

unsignedintbulk_finish_min=0;

unsignedintdelay_hour=0;

unsignedintdelay_min=0;

unsignedintlast_min=0;

Reset_Time_Base(); //调节时间基准为0

//计算快速充电完成时间

bulk_finish_min=(TIME.min+MAX_TIME_BULK);

bulk_finish_hour=TIME.hour;

while(bulk_finish_min>60)

{

bulk_finish_min=bulk_finish_min-60;

bulk_finish_hour++;

}

CONST_C=1; //开始恒流充电模式

DELAY =0; //复位延时时间

temp=Monitor_Battery(TEMPERATURE); //检测温度

//温度是在限制范围之类吗?

if((temp>MIN_TEMP_ABS)&&(temp<MAX_TEMP_ABS))

{

temp=Monitor_Battery(VOLTAGE); //检测电池电压

Voltage=temp; //

//电压是在限制范围之类吗？

if((temp<=(MAX_VOLT_ABS+VOLT_TOLERANCE))&&(temp>MIN_VOLT_BULK))

{

//进入快速充电主流程

while((BULK==1)&&(ERROR==0))

{

if(CONST_C==1)

Regulate_Current(I_BULK);//恒流充电，调节电流

elseif(CONST_V==1)

{

Current=Monitor_Battery(CURRENT); //检测充电电流