基于ATmega16L的风光互补电源控制器设计集水槽

基于 ATmega16L 的风光互补电源控制器设计

基于 ATmega16L 的风光互补电源控制器设计 2012年11月06日

当今社会电力与人们的生产、生活密切相关，而电力供应日益紧张，为节约能源和保护环境，国家和社会大力提倡使用太阳能和风能等绿色自然资源。研究出一种方便可靠的风光互补电源对解决电力缺口问题意义重大。

在开发基于 PLC 控制的小功率太阳能/风能互补电源系统的同时，为了加速本研究成果的产业化进程，项目组还开发了基于 ATmega16L 单片机控制的小功率太阳能/风能互补电源系统。本电源系统的蓄电池组采用分支分时均充的管理方式。

1 Atmega16L 单片机简介

Atmega16L 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器，其引脚与外观如图1 所示。

图 1 Atmega16L 引脚与外观图

采用的芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载 到 应 用 Flash 存 储 区 (ApplicationFlashMemory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。

通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16成为一个功能强大的单机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。因此使用 ATmega16 来做风光互补发电系统的主控制器是性价比非常高的一款芯片。

2 蓄电池分支分时均充模块设计

采用微控制器对单支蓄电池的运行状态进行检测，根据预先设定充电参数对其进行管理。每次微控制器只对一支蓄电池的端电压参数进行检测，如需要充电（低于设定值）则对其进行充电，否则将当前电池断开，切入下一支。一直到检测完全部蓄电池，即完成一个循环，实现对蓄电池组单支蓄电池均匀充电的实时管理。这种分支分时均匀充电的方法能保证蓄电池组中单支蓄电池不会发生过充电以及过放电的同时，又能保证整组蓄电不会发生过充电及过放电，可以大大提高蓄电池组容量的有效利用率及单支蓄电池的使用寿命。

设计方案中，采用微控制器以模拟人工操作的方式对单只蓄电池运行状态进行循环监测，根据预先设定充电参数对其充电。每次微控制器只对一只蓄电池的端电压、电流等参数进行检测，若未达到额定值则对其进行充电，若达到额定值将当前电池断开，自动切换到下一只，直到检测完整组蓄电池，完成一次循环，系统框架图如图2所示。

图 2 蓄电池组分支分时均充管理框架

图 2 中均充单元模块仍然采用 L4960 并联的方式，但这里不需对 L4960 进行隔离处理，因为在分支分时均充管理中，不会同时对各支蓄电池单体进行充电，也就不会发生干涉现象，所以本控制方案的均充单元模块电路图为图 3 所示。

图 3 L4960 并联的均充单元模块

3 控制器硬件设计

基于 ATmega16L 单片机的电源系统由系统硬件系统和软件系统组成，控制系统框架如图 4所示。

图 4 控制系统框架图

3.1 数据采集部分

为了扩大系统蓄电容量，考虑在蓄电池组电池支数较多的情况下，为了节省单片机的管脚资源，本系统样机由 ATmega16L 的 4 个 I/O 口（PC0-3）和两片 74LS154 组成管脚扩展。两片74LS154 的作用是将 4 个 I/O 口扩展成 32 个 I/O口。根据本系统的蓄电池的实际支数，本电路只用了其中的 6 个 I/O 口。另外，为了不将电路的噪声引入巡检仪中的单片机系统，所以必须将噪声信号与单片机系统隔离开来。线性模拟光藕HCNR201 正好能满足这一要求，同时在电压的测量精度上还具有很高的精度。

3.2 液晶显示

光耦隔离后的电压通过ATmega16L内部ADC转换后，由 LCD1602 液晶实时显示出当前蓄电池的电压值。该液晶的数据线对应接到 ATmega16L的 PB 口，控制端分别接到 ATmega16L 的 PD4-6。

3.3 在线编程及串口通信

ISP 电 路 采 用 标 准 的 十 芯 接 口 ， 与ATmega16L 的 MISO、MOSI、SCK 和 RESET 引脚接，其余接电源和数字地。有了 ISP 电路就可以方便地对 ATmega16L 编程，实现在线修改系统程序的功能。USART 电路是最常用的串行通讯接口电路，用以实现从 PC 机读取系统数据的功能，还可以配合 PC 上其他软件完成更高级的功能。在完成以上三个主要功能的设计后，本设计还要加上必要的保护和报警等电路。

4 控制器软件设计

本系统软件功能分为在线编程（ISP）模块、循环检测模块以及 AD 转换、串行通信（USART）、液晶显示等几个部分，具体程序在此不做表述，如图 5 所示。

图 5 充电功能程序流程图

本系统程序的可操作性很强，所有关键参数都更改设定，如任意阶段的电压上下限，以便系统适合于不同的型号的电池。如 AD转换的线性度，可以运用实验或理论拟合的最佳值作为参数，改善测量范围的 AD 转换线性度。如液晶显示内容与版式，可以通过修改字符串指针和显示位置函数的参数来实现。再如警报的内容、音量、时间等等，只需通过修改警报函数的参数即可。

本程序预留的程序接口很多，为今后优化系统和升级系统留有足够的空间。程序留有 7 个ADC 口，可以测量更多参数，如电流、温度、湿度等等。程序留有两个最长用的外部中断口，便于今后实现编程目的。

5 结束语

风光互补电源系统的蓄电池组采用分支分时均充管理方法能充分考虑到蓄电池单体的差异性，提高了蓄电池组容量的有效利用率及蓄电池组的使用寿命。另外，使用 ATmega16L 单片机作为主控制器来开发风光互补电源的控制系统，使系统稳定性得到提高，使系统的成本得到控制，加速了风光互补电源的产业化研究。

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