基于Atmega16單片機(jī)的智能太陽(yáng)能充電器設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)電流的變化是隨著外界環(huán)境變化而變化的，要想實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤，一般可以通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)完成：第一步是采用合適的搜索算法，找到光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)；第二步是通過(guò)控制手段，使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)。該控制系統(tǒng)的總體程序流程圖如圖2 所示。光伏發(fā)電擾動(dòng)觀察法是最常用的MPPT 控制方法之一，其原理是每隔一定的時(shí)間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，并觀測(cè)之后其輸出功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。這種控制算法一般采用功率反饋方式，通過(guò)兩個(gè)傳感器對(duì)光伏陣列輸出電壓及電流分別進(jìn)行采樣，并計(jì)算獲得其輸出功率。該方法雖然算法簡(jiǎn)單，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，但是響應(yīng)速度較慢，只適用于那些日照強(qiáng)度變化比較緩慢的場(chǎng)合。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這種算法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅振蕩，因此會(huì)造成一定的功率損失，而日照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì)失效，判斷得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。針對(duì)這種算法在實(shí)際應(yīng)用中遇到的情況，根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際提出了一種實(shí)用的改進(jìn)算法。在本獨(dú)立光伏路燈系統(tǒng)中，是要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，需要考慮實(shí)現(xiàn)最大功跟蹤的同時(shí)，還要兼顧最大限度的延長(zhǎng)蓄電池的壽命，具體采用了不同的蓄電池充電策略，可以在程序流程圖中看出。

本文提出一種改進(jìn)的最大功率跟蹤方法，首先根據(jù)蓄電池的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)判斷需不需要充電，然后根據(jù)電路前級(jí)檢測(cè)到的光伏電池發(fā)電的電壓和電流大小來(lái)決定最大功率點(diǎn)的設(shè)定，將光伏發(fā)電強(qiáng)度分為兩種工作方式，對(duì)特定的電池板取一特定的參數(shù)。在光伏發(fā)電輸出調(diào)理電路的前級(jí)和后級(jí)的參數(shù)檢測(cè)過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間連續(xù)采集10 個(gè)相鄰的電壓、電流信號(hào)（ATmega16 有自帶的A/D 轉(zhuǎn)換器，設(shè)置的采樣率為200 Hz），去掉最大和最小的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行均值濾波，并同時(shí)得到此時(shí)的電壓和電流的大小，在整個(gè)控制采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，為了有效地消除隨機(jī)干擾，我們?cè)诔绦蛑性O(shè)定一個(gè)幅度比例系數(shù)，即每?jī)蓚€(gè)信號(hào)的幅度采集值要有一定的比例關(guān)系，若超過(guò)這個(gè)比例，則認(rèn)為是干擾信號(hào)，便進(jìn)行這個(gè)數(shù)據(jù)的重新采樣，連續(xù)超過(guò)三次采樣數(shù)據(jù)都是干擾信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)取消這一次測(cè)量。對(duì)于采集到的有效數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)了均值濾波后，可以消除一定的噪聲干擾，要得到更好的點(diǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)，我們把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行LMS(即自適應(yīng)最小均方濾波器)濾波，該濾波器的應(yīng)用較簡(jiǎn)單，它是最陡下降梯度算法，用梯度的瞬時(shí)值迭代，從而使均方誤差最小化，用這種方法處理的數(shù)據(jù)效果非常好，對(duì)弱信號(hào)處理中有很好的應(yīng)用前景，通過(guò)試驗(yàn)，我們選定濾波器階數(shù)為三階，收斂因子μ（步長(zhǎng)）為0.001，權(quán)矢量W 初始化為：W=[0,0,0]T，其遞推公式為：

式中：x (k) 為觀測(cè)樣本；X (k－1)為過(guò)去的觀測(cè)樣本矢量；WT(k－1)X(k－1)表示基于過(guò)去的觀測(cè)樣本而預(yù)測(cè)的現(xiàn)在的信號(hào)，這里選擇預(yù)測(cè)誤差e（k）=x (k)－WT(k－1)X(k－1)作為調(diào)節(jié)權(quán)重的參數(shù)，可以證明，預(yù)測(cè)誤差最小等價(jià)于恢復(fù)誤差最小。通過(guò)LMS 濾波器后，我們可以得到比較理想的數(shù)據(jù)，為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確提取出最大功率所需要的參數(shù)提供了條件，也找到了參數(shù)的特征，有助于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)提取。當(dāng)然還有其他的提取參數(shù)的方法，諸如頻域?yàn)V波，F(xiàn)FT 變換，小波變換等等，本系統(tǒng)采用該方法以后，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度有了很大的提高，可以對(duì)于弱信號(hào)參數(shù)的情況也能實(shí)時(shí)找到最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能的最優(yōu)利用和蓄電池的科學(xué)管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)英特梅爾(ATMEL)公司推出的ATmega16 系列單片機(jī)具有低功耗、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比高，正日益得到廣泛的應(yīng)用，尤其在自動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)、便攜式設(shè)備、長(zhǎng)時(shí)間工作裝置中，體現(xiàn)了它的特點(diǎn)，本文所述的智能太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)充分利用了ATmega16 系列單片機(jī)所提供的各種集成模塊，合理分配片上資源，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，從而提升了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。