基于ATmega16单片机的电能收集充电器设计

摘要：本文以离网型风力发电装置为研究对象，选择了以Atmel公司生产的ATmega16单片机为核心，采用MC34063开关型电源芯片作为主要变能器件，根据风机产生的输入电压，通过单片机产生合适的控制信号，控制DC-DC变换器工作，实现对蓄电池的有效充电。该研究对实际应用具有一定的参考价值。
关键词：ATmega16；MC34063；电能收集器；直流斩波电路

    离网运行方式的风力发电机组，是我国远离电网的边远偏僻农村、牧区、海岛和特殊处所发展风力发电进而来解决其基本用电问题的主要运行方式。由于离网型风力发电系统基本上都建在人烟稀少的地区，因此尽可能的减少维护次数，增加元器件的使用周期就是整个项目需要达到重要指标。蓄电池的最佳充电方式是阶段式充电法，然而由于风能的随机性以及不确定性，使得其对于蓄电池的充电方式异常复杂。鉴于阶段式充电方式在离网型风力发电系统中难以控制，而恒流充电方式不能在短时间内为蓄电池充足电能，故本项目选取了控制方式最为简单，初期充电速度最快的恒压充电方式，收集电能。在电能收集器的系统中，依据电路实现的主要功能，电路可分为两大部分：主电路以及控制电路。主电路部分采用MC34063开关型电源芯片，连接成升压及降压电路，分别对不同的输入电压采取不同的处理方式，最终输出纹波小、性能高的电压。控制电路部分采用Atmel公司生产的ATmega16低功耗单片机，相较于C51系列的单片机，本系统更加节能、控制速度更快、外围元器件更少。实验证明，本设计已经实现了一台性能稳定、具有参考价值的电能收集充电器。

1 硬件设计
    电能收集器系统的两大部分功能：主电路的功能是实现电能的变换，也就是将输入的不稳定的电能转换为以恒压方式输出的电能；控制电路的主要功能则是监测系统状态、控制主电路通路、显示系统参数等。良好的硬件电路设计是整个项目必不可少的一部分。电能收集器模块图如图1所示。

1．1 电压采样电路
    本设计预期风机的输入电压为0～40 V，由于实验室直流源的输入电压值仅为0～32 V，故测量的参数仅仅只是预期值的一个子集。由于控制电路采用5 V直流供电，因此ATmega16的A／D采样范围就是0～5 V，为了能测量40 V的最大值，需要将风机的输入电压值经过一定比例的缩小后，再交由单片机处理。
    使用一个滑动变阻器，将风机输入的电压经电阻分压后再由单片机进行A／D转换。这种方法最重要一点就是需要对输入电压Vin进行标定，即使用一台标准的直流源与ATmega16的A／D进行对比，不断调节滑动变阻器的旋钮，直到整个0～40 V的范围内误差最小。标定的准确性在很大程度上决定了整个系统A／D的准确性。一旦完成对输入电压的标定之后，就必须对可调电阻的调节旋钮进行固定(如进行蜡封、漆封)不可以再改变滑动变阻器的阻值。如图2所示。

1．2 升降压通路选择电路
    本项目中DC／DC变换是硬件电路中最重要的部分，包括升压和降压。升降压通路选择电路在本设计中显然更为重要，系统核心元件ATme ga16监测风机输入电压后，即通过此电路选择是升压还是降压部分切换到主电路中，实现蓄电池充电。ATmega16单片机的输出电流最大可达20 mA，只需配合一个普通的三极管就能够控制继电器了。本项目以PNP三极管为例，设计出如图3所示的通路选择电路：当输入电压小于14 V时，ATmega16的PORTC．2引脚输出高电平，三极管截止，继电器两端失电，触点为动断，选择升压通路；而当输入电压大于或等于14 V时，ATmega16的PORTC．2引脚输出低电平，三极管导通，继电器两端得电，触点为动合，选择降压通路。图3中二极管作用是吸收继电器线圈断电产生的反向电动势，防止反向电势击穿三极管；电阻和发光二极管组成一个继电器状态指示电路，当继电器吸合时，LED亮，可直观看到继电器状态，便于电路调试与查错。

2 软件设计
    该设计利用Protues仿真软件完全可以实现本设计的全部内容(由于篇幅关系，这里不作详细介绍)；本设计程序的开发将围绕着ATmega 16的特性来论述。电能收集器的程序设计采用模块化设计方法，将待开发的软件系统划分为若干个相互独立的模块，主要包括主程序模块和子程序模块。主程序流程图如图4所示，主程序开始首先进行初始化，包括参数初始化、禁止JTAG使能、系统硬件初始化及液晶初始化。初始化程序仅在开机运行时执行一次，执行完毕后，程序就进入到循环中，持续处理系统的各项任务。在主程序的循环当中，包含有A／D子程序、液晶显示子程序、测温子程序等，正是有了主程序对这些子程序的正确调用，整个系统才能稳定连续运行。

3 数据测试与分析
    该设计使用的蓄电池为12 V铅酸蓄电池，充电电压取为13．8 V。结合图5的曲线可知，该电能收集器的输入／输出特性曲线较平滑，在3～32 V输入条件下，空载输出电压大都能保持在1．3,61～13．99 V之间，且输出电压的范围在恒压适宜充电区间(即13．2～14.4 V)之内，所以电能收集器的空载电压基本上满足了设计要求。但是，由图5可知，电能收集器在输入略大于14 V时，有一小段输出电压较低——最低仅有12．65 V，这主要是由于电能收集器在输入大于14 V后，继电器触头发生跳变，主电路由升压电路切换为降压电路所致。解决方法之一，可以将继电器的切换电压增大，那么特性曲线就能更加平滑。

    随着测量电压值的增大，A／D转换测量的误差绝对值也在增加(如图6所示)，但是总体上还是能比较准确的反应出实际电压值的大小。就相对误差来说，除了1 V和2 V的相对误差比较大之外，其他的误差值都小于5％，所以本项目的A／D转换比较可靠。

4 结语
    该设计主电路采用MC34063开关型电源芯片，连接成升压及降压电路，分别对不同的输入电压采取不同的处理方式，最终输出纹波小、性能高的电压。控制电路采用Atmel公司生产的ATmega16低功耗单片机，相较于C51系列的单片机，本系统更加节能、控制速度更快、外围元器件更少。实验证明，对实际应用具有一定的参考价值。