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1設計方法

1．1電路與方框圖硬件部分主要由IC1單片機(ATMEGA8_TQFP32)、IC2升壓模塊GS3662、IC3數字電位器X9313、IC4測電流的霍爾元件AMP4953和IC5寬電壓穩壓器等部分組成(圖1)。用單片機來控制數字電位器作為輸出回路自動分壓電阻;用可控的測電流霍爾元件作為檢測輸入回路電流大小的器件;應用單片機對整個裝置進行自動控制，檢測輸入回路中電壓和電流值，并判斷和選取最合適的太陽能電池板輸出電壓和電流值，保證蓄電池能從太陽能電池板上獲得最大的充電功率;還能檢測輸出端的電壓，判斷有無接負載或負載變動情況來解決現有充電器波動大、效率低的問題。(1)主電路。由IC2升壓模塊GS3662、IC3數字電位器X9313和IC4測電流的霍爾元件AMP4953等部分共同組成(圖2)。單片機采集的輸入電壓檢測端，通過R2接到IC2升壓模塊的4腳，同時在霍爾元件IC4的7腳上采集輸入電流值，作判斷太陽能電池板的供電回路電流大小之用，同樣對它的檢測可用來判定最終輸出功率的大小。兩個輸出電壓檢測端，分別設在快恢復二極管D4的輸入和輸出兩端。通過對電壓的檢測來判斷有無接有負載或是否有充電電流等情況。以上所采集的檢測信號經單片機處理后控制IC3數字電位器的對應腳，以改變數字電位器的大小。由于數字電位器是并接在輸出回路中，所得到的輸出功率是以回路中的電流和輸出電壓的大小來決定的。因此，根據回路中電流的大小選取對應輸出電壓的大小是本充電器獲取最大輸出功率的關鍵［6］。(2)單片機模塊電路。充電器的核心是IC1單片機，選用了高性能的ATMEGA8_TQFP32［7］。5V直流電壓經過L2、C2和C3組成的濾波電路供給單片機，可驅動IC2升壓器工作，8腳是輸出電壓控制開關端，它通過D1直接供給IC2升壓器輸出端，30與31腳是與計算機相連的通信串口，12腳外接單片機工作指示燈，23腳采集的是輸入電壓信號，24和25腳采集的是輸出電壓(OUT1和OUT2)，26腳采集的是輸入電流，15、16和17腳是與編程器相連的通信接口。該電路外圍元件少，使用起來及其方便，性能非常穩定，無需調試(圖3)。49(3)電源模塊電路。模塊IC5是一寬電壓穩壓器，其1腳輸入接太陽能電池板的輸出端，經過穩壓控制后，從2腳輸出5V直流電壓供整機使用，Z1是輸出穩壓管，穩壓值是5V，CD4和C9組成濾波電路，可以減少輸出電壓的紋波系數［8］。

1．2軟件實施流程軟件流程圖見圖4。首先要對系統外圍和CPU進行初始化處理，接下來完成兩項工作，其一是采集充電器的兩路輸出端電壓(OUT1、OUT2)并進行比較，當OUT1＞OUT2時，表示蓄電池處于充電狀態。當OUT1＜OUT2時，表示此時太陽能電池電壓太低，系統應判斷后自動調整電位器IC3，使輸出電壓逐漸升高，直到出現OUT1＞OUT2的充電狀態。其二由單片機分別采集太陽能電池板輸出端(充電器輸入端)的電流和電壓值，并求其功率Pi1=Ui×Ii，將Pi1設置為基準功率值Pb1，通過不斷向上或向下調整電位器IC3，其每調整一次，就采集一個太陽能電池板輸出端的功率值Pi(n)(n=1、2、3、…n)，并將該值設置為新的基準功率值，并與調整后所求的功率值Pi(n+1)進行比較，通過不斷調整電位器IC3，來即時尋找最大功率值。

1．3硬件設計與調試本機硬件采用了抗干擾性強的32位單片機ATMEGA8_TQFP32作為控制器件，以滿足復雜算法帶來的大量數據的處理，同時可避免在最大功率點附近因攏動造成的功率損失。軟件上采用看門狗電路和軟件陷阱等多種手段來保證電路的可靠工作。在電路EMC設計中增加了電磁屏蔽等相關措施，如摸擬信號電路和數字信號電路布線時要求分開，各成系統獨立布線;模塊外部分立元件要使用表面貼片元件以減少引線分布參數的影響;采用多層板結構，確保有完整的GND層;電源采用寬的走線或鋪銅，以減小供電系統的阻抗。

2結果與分析

2．1常用技術參數分析經過在常溫下對12V組/24V組漁船用太陽能充電器進行測試，發現所得到的技術參數均在設計范圍以內，且滿足設計要求。下表為該充電器常用技術參數表。

2．2MPPT跟蹤效果分析為了分析MPPT跟蹤效果，我們選取了漁船用24V組太陽能電池作為樣本，由于太陽能電池板受不同光照的影響，在測試中選取了幾組不同的單位平方輸出功率值(700w/m2、800w/m2、900w/m2、1000w/m2)作為測試條件，判斷在不同光照強度下太陽能電池板達到MPPT點的趨勢和位置。同時測得在單位時間內，針對不同的單位平方輸出功率值，其輸出電壓與輸出電流的波動情況。應用比較輸出功率逐次逼近法控制的最大功率點(MPPT)跟蹤效果如圖5所示。在圖5a中可以看出，針對不同的單位平方輸出功率值，單位時間內電壓的波動較小，但隨著功率值逐漸增大，電流曲線圖上升沿陡、超調量較小，說明系統動態的響應較好。圖5b反映了太陽能電池板在不同光照情況下輸出電壓與所對應輸出功率之間的關系。在圖中可以看出太陽能電池板達到MPPT點的趨勢和位置(圖中虛線)。從曲線中可以看出MPPT運行點較為平穩，其上升段較慢，而過最高點后則變化較快，相對擺動幅度較小，說明充電器系統MPPT跟蹤效果較為理想，動穩態精度較高，已經達到了設計要求［12］。

2．3充電過程關鍵值的選取充電器采用了3個階段充電方式:恒流階段、恒壓階段和浮充(涓流)階段。其中，在充電測試過程中有3個重要參數要控制好，這會影響蓄電池組的壽命。它們是涓流階段的低恒壓值，恒壓值和恒壓階段轉涓流階段的電流(轉換電流)值。這些值與電池容量、工作溫度和電池種類有著密切關系。以船用雙組12V蓄電池串聯輸出24V為例，設定各電壓值，其中涓流階段的低恒壓值可選為28．5V左右，該值要求相當精準，如過高容易使電池組失水導致電池發熱變形，過低又不利于電池充足電。此值在南方海域的船上可選擇低于27．5V。充電恒壓值可設定為30．5V，此值過高有利于快速充電，但也容易使電池失水，如太低則不利于電池充足電，但對提前向涓流階段轉換有好處。轉換電流可選為280mA左右，該值取高一些不容易使電池發熱，可延長電池壽命，但不利于電池的快速充足。以上關鍵值在編制軟件時，要特別加以注意，以確保每一時刻蓄電池組從太陽能電池板上獲得最大的充電功率，并保證蓄電池組的充電壽命。

3結論

介紹了一種基于單片機控制的漁船用太陽能電池充電器電路的設計方案，即采用新型單片機技術實現蓄電池從太陽能電池板上獲得最大充電功率的方法和途徑，所得充電器的技術參數均在設計范圍內，且滿足設計要求。經過在漁船上試用，其性能和技術指標已基本達到國內外同類產品的先進水平，具有廣泛的實用價值。

作者：黃宇航羅錦宏唐龍王燁青單位：常州信息職業技術學院