自动气象站用太阳能高效控制系统的设计

【摘要】：自动气象站是提供气象观测的设备,而数据采集是自动气象站的核心功能,需要有充足的电源保证数据采集器的正常工作,自动气象站一般使用12V可充电电池作直流电源,太阳能通过控制器给电池充电。针对目前自动气象站电源系统充电效率、安全可靠性低的状况,论文设计了一款针对大容量锂聚合物电池使用光伏电池板安全、快速、高效充电,同时能实行监控的智能控制系统。系统主要由太阳能光伏电池板,大容量锂聚合物电池,智能控制器,上位机软件部分等组成。首先,介绍了太阳能电池的工作原理,通过MATLAB对太阳能电池的建模和仿真,结合控制电路,研究比较太阳能最大功率点跟踪(MPPT)算法,并且对锂聚合物电池提出高效的充电策略。接着提出控制系统的整体设计方法,硬件方面由DC-DC电路、主控电路、充电保护电路、数据采集电路、ZigBee数据通信电路等模块组成,软件方面包括控制器软件设计和上位机软件设计。控制器软件设计包括单片机主程序、充电控制程序、数字电位器控制程序、通信程序设计等；上位机软件用于实现数据存储、电源的故障检测与分析。最后通过仿真验证和对照性试验数据测试,对实验结果进行分析。实验表明,该系统能够及时调整电池的充电策略,充分利用太阳能,缩短电池充电时间。同时具有信息存储、实时监测和显示、报警等特点,能够保证恶劣气候环境下自动气象站的正常工作。 【关键词】：太阳能 最大功率点跟踪 锂聚合物电池 充电控制器
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP273;P415.12
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-10
• 1.3 本文研究内容10-12
• 第二章 光伏发电系统最大功率跟踪12-22
• 2.1 光伏发电的基本原理12-13
• 2.2 光伏电池的输出特性及影响因素13-14
• 2.3 最大功率点跟踪算法14-20
• 2.3.1 间接控制法15-17
• 2.3.2 直接控制法17-18
• 2.3.3 人工智能控制法18-20
• 2.4 主要MPPT算法的比较20-21
• 2.5 本设计中采用的MPPT算法21
• 2.6 本章小结21-22
• 第三章 电池充电策略设计22-26
• 3.1 锂离子电池充电原理22
• 3.2 常见的充电方法22-24
• 3.2.1 恒流恒压充电法23
• 3.2.2 大电流快速充电法23
• 3.2.3 分级定电流充电法23-24
• 3.2.4 脉冲充电法24
• 3.3 充电电池及充电策略的选择24-25
• 3.4 本章小结25-26
• 第四章 控制器的硬件设计26-42
• 4.1 系统硬件设计要求26
• 4.2 系统组成设计26-27
• 4.3 DC-DC变换电路27-31
• 4.3.1 Buck电路工作原理27-28
• 4.3.2 Buck电路设计28-31
• 4.3.2.1 输出电压的设定29-30
• 4.3.2.2 电感的选取30
• 4.3.2.3 肖特基二极管的选取30
• 4.2.3.4 电容的选取30-31
• 4.4 主控电路31-34
• 4.4.1 MCU模块31-32
• 4.4.2 电源模块32-33
• 4.4.3 时钟模块33
• 4.4.4 复位模块设计33-34
• 4.4.5 JTAG接口电路设计34
• 4.5 带MPPT的比较充电控制电路34-36
• 4.5.1 恒流恒压充电设置35
• 4.5.2 MPPT的实现35-36
• 4.5.3 电池温度检测及充电禁止36
• 4.6 电池保护电路36-37
• 4.7 监测电路37-39
• 4.7.1 电压采样电路37-38
• 4.7.2 电流检测电路38-39
• 4.7.3 温度检测和警示电路设计39
• 4.8 数据通信模块39-41
• 4.8.1 ZigBee收发电路39-40
• 4.8.2 电平转换电路40-41
• 4.9 本章小结41-42
• 第五章 系统的软件设计42-60
• 5.1 系统的软件设计方案42-43
• 5.2 控制器程序设计43-52
• 5.2.1 控制器软件开发43
• 5.2.2 单片机主程序43-44
• 5.2.3 充电控制程序44-45
• 5.2.4 最大功率点跟踪程序45-46
• 5.2.5 数字电位器AD5280控制算法46-48
• 5.2.6 ADC程序48-49
• 5.2.7 CC2530的软件设计49-51
• 5.2.7.1 协调器接收数据50
• 5.2.7.2 终端节点的连接和数据传输50-51
• 5.2.8 16位PWM程序51-52
• 5.3 上位机软件设计52-56
• 5.3.1 系统登录界面设计54
• 5.3.2 应用程序界面设计54-56
• 5.4 最大功率点跟踪数据处理56-59
• 5.4.1 温度补偿56
• 5.4.2 异常数据剔除56-59
• 5.5 本章小结59-60
• 第六章 实验结果分析60-70
• 6.1 MATLAB仿真60-66
• 6.1.1 光伏电池的仿真60-64
• 6.1.2 最大功率点跟踪仿真64-66
• 6.2 实验测试66-70
• 6.2.1 控制器实物66-67
• 6.2.2 充电效果67-69
• 6.2.3 上位机运行效果69-70
• 第七章 总结与展望70-72
• 7.1 总结70
• 7.2 展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-76
• 硕士期间发表论文76

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