小型風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計

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（本科畢業(yè)設(shè)計說明書中 文 題 目 : 小型風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 院 ： 電 力 學(xué) 院系 別 ： 自 動 化專 業(yè) ： 自 動 化班 級 ： 自 動 化 07-2 指 導(dǎo) 教 師 ：摘 要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來越受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了時下的朝陽產(chǎn)業(yè)。本論文詳細(xì)闡明了小型獨立風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計方案，對風(fēng)力發(fā)電機進行了簡單的介紹和對蓄電池的充、放電做了深入的研究。本文的題目是小型風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計，要求是可以在連續(xù)兩天無風(fēng)的情況下持續(xù)提供 10w 的 12v 的直流電，并有缺電報警和輸出保護功能。本文提出的解決方案為，風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電，通過 DC—DC 變換為需要的標(biāo)準(zhǔn)直流電，并且考慮到風(fēng)力的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中并入蓄電池組，通過控制電路的監(jiān)控實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，保證系統(tǒng)在風(fēng)能充足時可蓄能，在兩天無風(fēng)時可以連續(xù)為負(fù)載供電。系統(tǒng)的運行狀況主要采用單片機控制。本論文的重點在于控制電路的設(shè)計，并對各種不同風(fēng)力情況下系統(tǒng)的運行狀況進行了全面而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觥ｊP(guān)鍵詞：發(fā)電機、DC-DC 變換、蓄電池、單片機AbstractAs a clean and renewable energy, Wind power has aroused more and more attention and gradually become a sunrise industry nowadays。This paper spells out the small independent wind power system design, wind generators on a simple presentation and the battery charge and discharge depth study done。This topic is small-scale wind power system design, requirements for two consecutive days in the case of no wind continues to provide the 12v 10w DC, and lack of electricity and output protection alarms， The proposed solution, given the power of wind generator, through the DC-DC conversion for the required standard DC，And taking into account the instability of the wind adding batteries in the system , control circuit monitoring and control by the control system to ensure the system can be sufficient in wind energy storage, in the days when no wind is a continuous load.。Health of the system mainly uses the microcontrollerThis paper focuses on the design of the control circuit, and a variety of wind conditions in the operational status of the system conducted a comprehensive and rigorous analysis。Keywords: generator, DC-DC conversion, battery, MCU目錄第一章 緒論 11.1 課題的目的和意義 11.1.1 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點 11.1.2 課題的目的和意義 21.2 風(fēng)力發(fā)電概述 21.2.1 國外風(fēng)力發(fā)展 21.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的基本情況 31.2.3 風(fēng)力發(fā)電的特點 31.3 本文的主要研究內(nèi)容 .3第二章小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成 52.1 風(fēng)力發(fā)電機組 .52.1.1 小型風(fēng)力發(fā)電機的分類 52.1.2 小型風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 62.2 整流器 .72.3 DC-DC 變換器 82.4 蓄電池 .92.4.1 蓄電池的工作原理 92.4.2 影響鉛酸蓄電池壽命的因素 .112.4.3 閥控式鉛酸蓄電池的使用原則 .122.4.4 鉛酸蓄電池的充電方法 .122.5 控制器 .132.5.1 控制器的作用 .132.5.2 控制器的類型 .132.5.3 控制器的其他功能 .14第三章 供電系統(tǒng)電路的硬件設(shè)計及及軟件實現(xiàn) 143.1 發(fā)電機、蓄電池的選擇 .143.2 設(shè)計實例 .153.3 DC-DC 變換芯片及單片機的選擇 163.3.1 DC-DC 芯片的選擇 .163.3.2 單片機的選擇 .173.4 控制器電路圖的設(shè)計 .213.4.1.工作原理 .213.4.2 系統(tǒng)電路圖組成 .213.5 統(tǒng)軟件的實現(xiàn) 24第四章 結(jié)論 26參 考 文 獻 27致 謝 28內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書1第一章 緒論風(fēng)能是一種清潔的、儲量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。1.1 課題的目的和意義1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點風(fēng)是人類最熟悉的一種自然現(xiàn)象，風(fēng)無處不在。太陽輻射造成地球表面大氣層受熱不均，引起大氣壓力分布不均。在不均壓力作用下，空氣沿水平方向運動就形成風(fēng)。風(fēng)能是一種最具活力的可再生能源，它實質(zhì)上是太陽能的轉(zhuǎn)化形式，因此是取之不盡的風(fēng)能中的風(fēng)向和風(fēng)速在時空分布上較為復(fù)雜，如有海陸差異對氣流運動的影響而形成的季風(fēng)和海陸風(fēng)，在山區(qū)由于熱力原因引起的谷風(fēng)和山風(fēng)，風(fēng)力的隨機性和風(fēng)速的變化多端使得它的利用效率較低，在風(fēng)能的實際利用上仍存在很多技術(shù)困難。盡管如此，風(fēng)能資源具有如下優(yōu)越性：（1）邊遠(yuǎn)地區(qū)由于遠(yuǎn)離電網(wǎng)，同時這些地區(qū)的居民用電和所設(shè)置的微波中繼站、氣象臺、電視調(diào)頻差轉(zhuǎn)臺以及邊防哨所需要的電功率大都在 10 千瓦以下，在這種條件下，由輸電線將電力輸送到邊遠(yuǎn)地區(qū)耗資巨大顯然是不利的。從世界風(fēng)能分布圖上可以看出全世界約有三分之二的地區(qū)具有風(fēng)能利用價值，若合理地利用太陽能、風(fēng)能，建設(shè)獨立的小功率發(fā)電裝置，具有明顯的優(yōu)越性。（2）風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高，不存在建廠房、筑壩、淹地、移民等問題，風(fēng)力發(fā)電機分散安裝，占地面積少。發(fā)電后除折舊費和維護費外，不消耗燃料，無三廢處理問題，其成本接近火電，低于油電、核電和光伏發(fā)電，從綜合經(jīng)濟效益看，具有較強的競爭力。（3）人類在利用礦物燃料的過程中，必然釋放出大量有害物質(zhì)，使人類賴以生存的環(huán)境受到破壞和污染。此外，其他新能源中的水電、核能、地?zé)崮艿?，在開發(fā)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書2利用的過程中，也都存在著一些不能忽視的環(huán)境問題。但風(fēng)能在利用中不會給空氣帶來污染，也不破壞生態(tài)，是一種清潔安全的能源。（4）風(fēng)力發(fā)電在新能源發(fā)電中技術(shù)最為成熟。是一種安全、可靠的能源。綜上所述，風(fēng)力發(fā)電對于改善能源結(jié)構(gòu)、推動生態(tài)環(huán)境建設(shè)，特別是對邊遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)、生活用電等諸多領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場前景。1.1.2 課題的目的和意義風(fēng)能利用的能量密度低且具有隨機性、不穩(wěn)定性和分布的不均勻性，這些給風(fēng)能的利用帶來了許多問題。本文研究的目的是在分析現(xiàn)有的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)為野外無電地區(qū)獨立的小型設(shè)備提供電力。1.2 風(fēng)力發(fā)電概述1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)展國際能源研究報告表明, 如果各國采取有力措施, 風(fēng)力發(fā)電到2010年可提供世界電力需求的10%, 創(chuàng)造 170萬個就業(yè)機會,并在全球范圍內(nèi)減少100多億噸二氧化碳廢氣。風(fēng)能將成為發(fā)展最快的能源, 到2010 年風(fēng)電總裝機容量達到40.00GW, 2020 年達到0.1TW, 到2010年德國新增500萬千瓦, 西班牙新增520萬千瓦, 年生產(chǎn)能力將達到800萬千瓦,可滿足全國電力需求的10%。美國和加拿大是北美利用風(fēng)能最好的國家。在美國的50個州中, 大約有30個州已經(jīng)開始利用風(fēng)能資源。在1998- 2004年期間, 美國風(fēng)力發(fā)電的總裝機容量已經(jīng)超過6740MW, 可以滿足160萬個中等家庭的日常用電需求。隨著技術(shù)的進步和規(guī)模的擴大, 風(fēng)電發(fā)電成本繼續(xù)下降, 估計10年后它完全可以和清潔的燃煤電廠競爭。由于風(fēng)力發(fā)電是可再生潔凈能源, 其環(huán)境效益也十分明顯, 隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟, 發(fā)電成本的進一步降低, 風(fēng)力發(fā)電會越來越被更多的人認(rèn)識和接受。這也是全世界很多國家都熱衷風(fēng)力發(fā)電的主要原因。風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展也使那些本地能源短缺的發(fā)展中國家收益, 如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯達黎加等國是發(fā)展中國家風(fēng)力發(fā)電的佼佼者。中國、印度也在積極發(fā)展風(fēng)電。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書31.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的基本情況我國幅員遼闊, 陸疆總長2萬多千米, 海岸線1.8萬多千米, 是一個風(fēng)力資源豐富的國家, 全國約有2/3的地帶為多風(fēng)帶。風(fēng)能總儲量為32.26億千瓦, 實際可開發(fā)的風(fēng)能儲量為2.53億千瓦, 為可再生能源和新能源利用技術(shù)提供了強大的資源條件。兩大風(fēng)能地帶——西北、華北、東北和東南沿海為風(fēng)能資源豐富區(qū), 跨全國21個省、市、自治區(qū)。到1999年底已開發(fā)微小戶用型風(fēng)力發(fā)電機16萬臺, 并網(wǎng)型風(fēng)電場24座, 總裝機容量26萬千瓦, 其中絕大多數(shù)機組是從丹麥、德國、美國、比利時、瑞典引進的, 最大單機容量為600kW。據(jù)相關(guān)資料報道, 到2020年, 預(yù)計我國將新增發(fā)電能力500GW, 其中 121GW為可再生能源。2010年以前 , 我國計劃新建20座風(fēng)力發(fā)電場, 每座風(fēng)場的發(fā)電能力達到100MW以上, 且達到4000MW 的風(fēng)力發(fā)電總目標(biāo), 并要求風(fēng)力發(fā)電設(shè)備本土化。1.2.3 風(fēng)力發(fā)電的特點風(fēng)力發(fā)電有如下特點（1）可再生，且清潔無污染。（2）風(fēng)速隨時變化，風(fēng)電機組承受著十分惡劣的交變載荷。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。風(fēng)力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一類是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達的地區(qū)，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。本論文討論的是前者，即獨立運行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。1.3 本文的主要研究內(nèi)容本文以小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，對風(fēng)力發(fā)電原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能裝置蓄電池的充放電控制等方面做了較為深入的理論分析和研究，對實現(xiàn)運行及可靠運行具有一定的參考價值。本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排如下。第一章 介紹課題提出的背景、目的和意義，論述國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況，概括總結(jié)風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概況，第二章 介紹了小型風(fēng)力發(fā)電原理及系統(tǒng)的基內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書4本組成，并詳細(xì)介紹各個部分的組成以及原理。第三章 講述了小型風(fēng)力供電系統(tǒng)電路的設(shè)計及各部分器件的選擇，以及部分計算。第四章 本章簡述了小型風(fēng)力供電系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)，及部分編程，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書5第二章小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成本文的獨立運行小型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)，如圖2-1所示，它主要包括風(fēng)力發(fā)電機、整流器、DC-DC變換器、蓄電池以及控制系統(tǒng)幾個部分。圖 2-1 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的框圖2.1 風(fēng)力發(fā)電機組一 般 把 發(fā) 電 功 率 在 10 千 瓦 及 其 以 下 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 稱 作 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 。 2.1.1 小型風(fēng)力發(fā)電機的分類1.按 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 軸 位 置 分 類 按 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 風(fēng) 輪 軸 的 位 置 分 ， 可 分 為 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 和 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā)電 機 。 圖2-2水平軸風(fēng)力發(fā)電機（ 1） 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ： 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個 水 平 軸 旋 轉(zhuǎn) ，風(fēng) 輪 軸 與 風(fēng) 向 平 行 ， 風(fēng) 輪 上 的 葉 片 式 徑 向 安 裝 的 ， 與 旋 轉(zhuǎn) 軸 垂 直 ， 并 與 風(fēng) 輪 的 旋轉(zhuǎn) 平 面 成 一 角 度 （ 稱 為 安 裝 角 ） 。 風(fēng) 輪 葉 片 數(shù) 目 為 1~4 片 （ 大 多 為 2 片 和 3 片 ）， 他 在 高 速 運 行 時 有 較 高 的 風(fēng) 能 利 用 率 ， 但 啟 動 時 需 要 較 高 的 風(fēng) 速 。 （ 2） 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ： 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個 垂 直 軸 旋 轉(zhuǎn) 風(fēng)力發(fā)電機整 流 DC-DC 變換器 蓄電池控制器內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書6圖2-3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng) 輪 軸 與 風(fēng) 向 垂 直 。 其 優(yōu) 點 是 可 以 接 受 來 自 任 何 方 向 的 風(fēng) ， 因 而 當(dāng) 風(fēng) 向 改 變 時 ，無 需 對 風(fēng) 。 2.按 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 功 率 分 按 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 功 率 可 分 為 大 、 中 、 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 。 功 率 在 10 千 瓦 以下 的 稱 為 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ， 功 率 在 10 千 瓦 至 100 千 瓦 的 稱 為 中 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ，功 率 在 100 千 瓦 以 上 的 稱 為 大 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 。 3.風(fēng)力發(fā)電機又分直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩種。1）直流發(fā)電機機①電勵磁式直流發(fā)電機。主要有他勵、自勵和復(fù)勵幾種形式，小型直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于1KW以下的微、小型風(fēng)力發(fā)電裝置，與蓄電池儲能配合使用。這種直流發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速變化時，一般通過調(diào)節(jié)勵磁來保持輸出電壓的恒定。②永磁式直流發(fā)電機。這種發(fā)電機主要是勵磁不可調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)較電勵磁式直流發(fā)電機簡單。系統(tǒng)采用輸出電壓隨風(fēng)速變化的系統(tǒng)，在發(fā)電機和負(fù)載間設(shè)置儲能設(shè)備(如蓄電池)和整流、逆變設(shè)備來變換，以滿足用戶對輸出電壓的要求。2）交流發(fā)電機交流發(fā)電機主要有兩種，一種是同步發(fā)電機，一種是異步發(fā)電機。前者運行于電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速成的轉(zhuǎn)速運行。主要有感應(yīng)發(fā)電機發(fā)電模式、硅整流自勵交流發(fā)電機發(fā)電模式、無刷爪極自勵發(fā)電機發(fā)電模式、永磁發(fā)電機發(fā)電模式。2.1.2 小型風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 組 的 組 成 ： 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 組 一 般 由 下 列 幾 部 分 組 成 ： 風(fēng) 輪 、發(fā) 電 機 、 調(diào) 速 和 調(diào) 向 機 構(gòu) 、 停 車 機 構(gòu) 、 塔 架 及 拉 索 等 ，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書7① 風(fēng) 輪 ： 小 型 風(fēng) 力 機 的 風(fēng) 輪 大 多 用 2－ 3 個 葉 片 組 成 ， 它 是 把 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 化 為 機械 能 的 部 件 。 目 前 風(fēng) 輪 葉 片 的 材 質(zhì) 主 要 有 兩 種 。 一 種 是 玻 璃 鋼 材 料 ， 一 般 用 玻 璃絲 布 和 調(diào) 配 好 的 環(huán) 氧 樹 脂 在 模 型 內(nèi) 手 工 糊 制 ， 在 內(nèi) 腔 填 加 一 些 填 充 材 料 ， 手 工 糊制 適 用 于 不 同 形 狀 和 變 截 面 的 葉 片 但 手 工 制 作 費 工 費 時 ， 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 不 易 控 制 。 國外 小 風(fēng) 機 也 采 用 機 械 化 生 產(chǎn) 等 截 面 葉 片 ， 大 大 提 高 了 葉 片 生 產(chǎn) 的 效 率 和 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 。② 發(fā) 電 機 ： 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 一 般 采 用 的 是 永 磁 式 交 流 發(fā) 電 機 ， 由 風(fēng) 輪 驅(qū) 動 發(fā)電 機 產(chǎn) 生 的 交 流 電 經(jīng) 過 整 流 后 變 成 可 以 儲 存 在 蓄 電 池 中 的 直 流 電 。 ③ 調(diào) 向 機 構(gòu) 、 調(diào) 速 機 構(gòu) 和 停 車 機 構(gòu) ： 為 了 從 風(fēng) 中 獲 取 能 量 ， 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 面 應(yīng) 垂直 于 風(fēng) 向 ， 在 小 型 風(fēng) 機 中 ， 這 一 功 能 靠 風(fēng) 力 機 的 尾 翼 作 為 調(diào) 向 機 構(gòu) 來 實 現(xiàn) 。 同 時隨 著 風(fēng) 速 的 增 加 ， 要 對 風(fēng) 輪 的 轉(zhuǎn) 速 有 所 限 制 ， 這 是 因 為 一 方 面 過 快 的 轉(zhuǎn) 速 會 對 風(fēng)輪 和 風(fēng) 力 機 的 其 他 部 件 造 成 損 壞 ， 另 一 方 面 也 需 要 把 發(fā) 電 機 的 功 率 輸 出 限 定 在 一定 范 圍 內(nèi) 。 由 于 小 型 風(fēng) 力 機 的 結(jié) 構(gòu) 比 較 簡 單 ， 目 前 一 般 采 用 葉 輪 側(cè) 偏 式 調(diào) 速 方 式 ，這 種 調(diào) 速 機 構(gòu) 在 風(fēng) 速 風(fēng) 向 變 化 轉(zhuǎn) 大 時 容 易 造 成 風(fēng) 輪 和 尾 翼 的 擺 動 ， 從 而 引 起 風(fēng) 力機 的 振 動 。 因 此 ， 在 風(fēng) 速 較 大 時 ， 特 別 是 蓄 電 池 已 經(jīng) 充 滿 的 情 況 ， 應(yīng) 人 工 控 制 風(fēng)力 機 停 機 。 在 有 的 小 型 風(fēng) 力 機 中 設(shè) 計 有 手 動 剎 車 機 構(gòu) ， 另 外 在 實 踐 可 采 用 側(cè) 偏 停機 方 式 ， 即 在 尾 翼 上 固 定 一 軟 繩 ， 當(dāng) 需 要 停 機 時 ， 拉 動 尾 翼 ， 使 風(fēng) 輪 側(cè) 向 于 風(fēng) 向 ，從 而 達 到 停 車 的 目 的 。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量較小，一般都是選擇小型風(fēng)力發(fā)電機作為發(fā)電機組。按照空氣動力學(xué)原理分類的話，最常見的是托舉型水平軸風(fēng)力發(fā)電機。目前小型風(fēng)力發(fā)電機主要是低速永磁發(fā)電機，這主要是因為小型風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪是直接禍合在發(fā)電機軸上，省去了升速機構(gòu)，故不用增速齒輪箱增速，這就要求發(fā)電機只有幾百轉(zhuǎn)每分，所以采用低速發(fā)電機。由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須有迎風(fēng)的偏航裝置。個別小型風(fēng)力發(fā)電機還具備抗大風(fēng)自動折尾裝置。本文所使用的小型交流永磁風(fēng)力發(fā)電機是永磁同步發(fā)電機的一種,其運行原理與電勵磁同步發(fā)電機相同。由于用永久磁鋼取代勵磁線圈勵磁，永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，加工及裝配比較容易。一般小型永磁風(fēng)力發(fā)電機的勵磁磁鋼安置在轉(zhuǎn)子上。由于這類發(fā)電機省掉了一般同步發(fā)電機的電刷、滑環(huán)和勵磁繞組,從而節(jié)約了成本。特別是小型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機直接與風(fēng)輪耦合,安置于機組頂端的空中無需經(jīng)常對電刷和滑環(huán)維護,提高了機組運行的可靠性。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書82.2 整流器整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路整流器的主要功能是對風(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經(jīng)過控制器再對蓄電池進行充電。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種，可控整流器主要應(yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。目前在我國小型型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用的是橋式不可控整流方式，如圖 2-13所示。因為它由二極管組成，具有功耗低、電路簡單等特點。圖2-4 三相不可控整流三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對蓄電池充電的直流電能之外，另外一個重要的功能是在外界風(fēng)速過小或者基本沒風(fēng)的時候，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風(fēng)力發(fā)電機的反向供電。2.3 DC-DC 變換器DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。DC/DC 變換器將直流電源能量傳送到負(fù)載并加以控制，得到另一個直流輸出電壓或電流。通過對開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷時間長短控制，即控制從電源端到負(fù)載端傳內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書9送的能量。DC/DC 變換器主要包括 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk 變換器4種。以Buck變換器為例，如圖2-5，通過在功率開關(guān)管的控制端施加周期一定，占空比可調(diào)的驅(qū)動信號，使其工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時，二極管D截止，發(fā)電機輸出電壓整流后通過能量傳遞電感向負(fù)載供電，同時使電感 能量增加；當(dāng)開關(guān)管截止時，電感釋放能量使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，在此階段，電感L把前一段的能量向負(fù)載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。濾波電容C使輸出電壓的紋波進一步減小。顯然，功率管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間越長，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。圖2-5 Buck變換電路DC/DC 變換器的輸入阻抗的大小可以通過控制開關(guān)電源的占空比來改變。這種控制性能正好被用在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過控制發(fā)電機的輸出電流，改變風(fēng)力發(fā)電機的負(fù)載特性，即調(diào)節(jié)了發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，從而控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速用來改變?nèi)~尖速比，這樣就控制了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率。2.4 蓄電池2.4.1 蓄電池的工作原理在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池起著儲存和調(diào)節(jié)電能的作用。其它器件或技術(shù)也有被利用來進行能量存儲的，比如微型水泵、壓縮空氣或飛輪等，但是在小規(guī)模風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，這些儲能方式都不是很經(jīng)濟。近年來，隨著燃料電池和電解槽技術(shù)的發(fā)展，氫氣作為一種能量存儲介質(zhì)進入人們的視野，這是一種比較有前途的技術(shù)方向。但是要大范圍的應(yīng)用，還有很多技術(shù)難題待解決。在本系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)力很大致使產(chǎn)生的電能過剩時，蓄電池將多余的電能儲存起來;反之，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足或負(fù)載用電量大的時候，蓄電池向負(fù)載補充電能，并保內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書10持供電電壓的穩(wěn)定。鉛酸蓄電池由于具有容量大，成本低，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，一直是小型電力系統(tǒng)的首選儲能設(shè)備。蓄電池正負(fù)極板上的活性物質(zhì)分別是二氧化鉛（ 2pbo）和海綿狀鉛（ pb），它們與電解液中的硫酸接觸，負(fù)極板上鉛不斷解離為正二價的鉛離子（ ?2）和電子，鉛離子融入電解液中，電子留在負(fù)極板上。隨著化學(xué)反應(yīng)不斷的進行，負(fù)極板上的負(fù)電荷逐漸增加，對電解液中的鉛離子的吸引力也不斷的加大，使得部分的鉛離子獲得電子沉積到負(fù)極板的表面。當(dāng)離開和沉積到負(fù)極板表面的鉛離子相等，即氧化和還原的速度趨于平衡時，負(fù)極板與電解液間形成穩(wěn)定的電位差(大約-0.358V)。正極板上的二氧化鉛（ 2pbo）在電解液的作用下解離為鉛離子（ ?2pb），既（2pbo）從極板獲得電子還原為（ ?2）進入電解液，同時電解液中的部分 ?2失去電子氧化為 ?4，當(dāng)氧化和還原的速度平衡時，正極板與電解液之間形成 +l.685V的電位差。正、負(fù)極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負(fù)極的電位差有2.04V也就是蓄電池的單體電壓。蓄電池與負(fù)載相接時，是它的放電過程，其化學(xué)反應(yīng)方程式為: pb+ 42SOH+ 2pbo 2 4pbso+ OH2 （2-1）放電過程中，負(fù)極板上的海綿狀鉛( )，正極板上二氧化鉛（ 2pbo)與電解液中的硫酸( 42)反應(yīng)，生成硫酸鉛( 4)。電解液中消耗了硫酸( 4SOH)分子，增加了水( )分子，電解液中的硫酸濃度降低，蓄電池內(nèi)阻逐漸增大，電動勢逐漸降低。蓄電池的充電過程是放電過程的逆過程，是在外電源作用下的電化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為: 4pbso+ 4+ OH2 pb+ 42SOH+ 2pbo （2-2）充電過程中，在外電源的作用下，正極板上的硫酸鉛（ 4s）逐漸恢復(fù)成二氧化鉛（ 2);負(fù)極板上的硫酸鉛（ 4so)逐漸恢復(fù)成海綿狀鉛（ pb），電解液中的硫酸濃度增大，蓄電池內(nèi)阻逐漸減小，電動勢逐漸增大。傳統(tǒng)的開口式鉛酸蓄電池，由于水的蒸發(fā)以及電解液的分解，需要經(jīng)常對電解液的濃度進行檢測，以確定是否對其添加蒸餾水。另外，在電池充電過程中，由于化學(xué)反應(yīng)劇烈，會產(chǎn)生大量有害氣體形成酸霧，污染室內(nèi)空氣，對工作人員會產(chǎn)生職業(yè)危害。而采用閥控式鉛酸蓄電池就會避免這些缺點。閥控式鉛酸蓄電池是相對于傳統(tǒng)的開口式的鉛酸蓄電池來講的。它是一種密封的電池，內(nèi)外氣壓的平衡通過閥門來控制。它具有一系列優(yōu)點。首先是安全，電池的閥門密封可阻止空氣中的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書11氧氣流入。當(dāng)電池過充時，內(nèi)部壓力過大，這時候閥門會自動打開，排出氣體，防止電池內(nèi)部氣壓過大而產(chǎn)生膨脹或爆炸。其次是使用方便，傳統(tǒng)的開口電池不能傾斜安裝使用，而閥控式鉛酸蓄電池就不存在這個問題，它既可立放也可橫放，但是不能倒置。第三是少維護，由于閥控式鉛酸蓄電池密封性能好，水分不易蒸發(fā)，這樣在進行電化學(xué)反應(yīng)的時候?qū)⒎烹姇r產(chǎn)生的水蒸汽完全吸收，所以不需要進行補水作業(yè)，但是閥控式鉛酸蓄電池并不是完全不需要維護，尤其是對電池的充放電維護是必不可少的。由于閥控式鉛酸蓄電池具有顯著的優(yōu)點，所以在小型電力系統(tǒng)中，它漸漸成為主流的儲能器件。2.4.2 影響鉛酸蓄電池壽命的因素l)環(huán)境溫度鉛酸蓄電池的的電能是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)速率是不一樣的。溫度高時，蓄電池內(nèi)部電解液與極板的化學(xué)反應(yīng)加速，電解液濃度下降，減小了電池內(nèi)阻，增加了電池的容量，充放電過程中容易出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象。溫度低時，電解液和極板間的反應(yīng)速度變慢，電解液的濃度升高，加大了電池的內(nèi)阻，減少了電池的容量，縮短了蓄電池的壽命。生產(chǎn)廠家一般要求蓄電池的運行環(huán)境溫度為15一25℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過25℃后，每升高8℃，電池壽命就要縮短一半。2)過度放電蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。蓄電池為負(fù)載供電期間，若控制器突發(fā)故障或者過放控制點設(shè)置過低時，均會可能導(dǎo)致過放現(xiàn)象的發(fā)生。過放現(xiàn)象會減少蓄電池的容量，并且難以恢復(fù)，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致電池失效。蓄電池被過度放電到輸出電壓為OV時，會導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸附到電池的陰極表面，形成電池陰極的“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會阻礙蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的，陰極板上的硫酸鉛越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充放電性能就越差，電池的壽命就越短。3)過度充電蓄電池的充電電壓也是影響其壽命的重要因素。在開路狀態(tài)下，鉛合金和二氧化鉛在硫酸溶液中，各自與電解液建立不同的平衡電極電位。蓄電池的充電電壓過高時，將會出現(xiàn)過充現(xiàn)象，此時正極柵板由于析氧反應(yīng)，水不斷的被消耗， ?H增加，從而導(dǎo)致正極附近的酸度增高，柵板與電解液反應(yīng)加速，析出的氣體由于一部內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書12分排出，不可能全部還原為水，蓄電池內(nèi)部的電解液濃度增加，這樣也會促使柵板的腐蝕加速，活性物質(zhì)減少，導(dǎo)致蓄電池的容量和壽命減少。當(dāng)失水5.5%時，容量降低75%，失水達到25%時，容量基本消失。4)長期浮充電蓄電池長期工作在浮沖狀態(tài)下，只充電不放電，這種工作狀態(tài)會造成蓄電池陽極的鈍化，使電池的內(nèi)阻急劇增大，實際容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)容量，從而導(dǎo)致電池所能提供的后備時間大大縮短，減少了其使用壽命。2.4.3 閥控式鉛酸蓄電池的使用原則使用閥控式鉛酸蓄電池的時候要遵循一些原則，有些原則是鉛酸蓄電池都要遵守的基本原則，有些則是閥控式鉛酸蓄電池所特有的。這樣可以提高蓄電池的使用壽命。1)盡量使閥控式鉛酸蓄電池工作在15℃一35℃之內(nèi)。2)單體閥控式鉛酸蓄電池的應(yīng)浮充電壓設(shè)計為2.3v/節(jié)，48v系統(tǒng)的浮充電壓應(yīng)設(shè)置為55.2V。這些都是在25℃標(biāo)準(zhǔn)情況下得到的值。當(dāng)溫度以25℃為原點進行變化時，必須進行溫度補償。當(dāng)溫度升高時，要降低浮充電壓;反之，則要升高浮充電壓。3)電池隔板壽命在環(huán)境溫度為30℃--40℃時僅為5一6個月。長時間存放的電池每六個月必須充電一次。電池必須存放在干燥涼爽的環(huán)境中。4)電池的周期壽命取決于放電率、放電深度和充電方式，其中最重要的因素是放電深度。放電深度越淺，電池生命周期越長。所以，要盡量避免閥控式蓄電池深度放電。5)禁止不同容量和不同廠家的電池混用，否則會嚴(yán)重降低電池使用壽命。新舊電池也不要混用，否則會降低新電池的壽命。2.4.4 鉛酸蓄電池的充電方法鉛酸蓄電池的充電方法一般有恒流充電法、恒壓充電法和分段充電法等。恒流充電法在充電過程中保持充電電流始終不變，充電電壓自動逐漸升高，該方法的缺點是充電后期水分解多，易使活性物質(zhì)脫落，故較少采用。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書13恒壓充電法在充電過程中充電電壓始終不變，充電電流自動逐漸減少。這種方法有初期電流過大，極板深處的硫酸鉛不易還原的缺陷，故僅在小功率的簡單系統(tǒng)中大量使用。本文中是采用恒壓后的浮充的充電方法，2.5 控制器2.5.1 控制器的作用小型風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)中，通常用蓄電池起儲存和調(diào)節(jié)電能的作用，而蓄電池的正常運行離不開控制器，控制器根據(jù)風(fēng)力的大小以及負(fù)荷的變化，不斷的對蓄電池的工作狀態(tài)進行切換和調(diào)節(jié)，使其在充電、放電或浮充等多種工作情況下運行，從而保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)力很大致使產(chǎn)生的電能過剩時，蓄電池將多余的電能儲存起來；反之，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不足時，蓄電池向負(fù)載補充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定，同時保護蓄電池不受過度充放的損害，控制器通過檢測蓄電池兩端的電壓狀態(tài)，可以發(fā)出蓄電池繼續(xù)放電、減少放電或停止充電的指令。2.5.2 控制器的類型應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制其主要由旁路控制器、多階控制器和脈沖控制器。（1）旁路控制器 旁路控制器的原理是控制器檢測電路監(jiān)控蓄電池端電壓，當(dāng)達到標(biāo)志著電池充滿的電壓閥值時，開關(guān)元件接通負(fù)載將蓄電池旁路，過充電流將開關(guān)元件轉(zhuǎn)移到耗能負(fù)載，將多于的功率變?yōu)闊崮?；?dāng)蓄電池端電壓下降到恢復(fù)充電的電壓時，開關(guān)元件斷開耗能負(fù)載，同時接通蓄電池的充電回路。（2）多階控制器多階控制器的原理是：其核心部件是一個受充電電壓控制的“多階充電信號發(fā)生器”。多階充電信號發(fā)生器根據(jù)充電電壓的不同，產(chǎn)生多階充電信號，控制開關(guān)元件按順序接通，實現(xiàn)對蓄電池組充電電壓和電流的調(diào)節(jié)。此外，還可以將開關(guān)元件換成大功率的半導(dǎo)體器件按，通過線性控制實現(xiàn)對蓄電池充電的平滑調(diào)節(jié)。（3）脈沖控制器內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書14脈沖控制器的控制原理是：其核心器件是一個受充電電壓調(diào)治的“充電脈沖發(fā)生器” ，脈沖控制器以 “斬波”方式工作，對蓄電池進行脈沖充電。開始時脈沖控制器以寬脈沖充電，隨著充電電壓的上升，充電脈沖寬度逐漸變窄，平均充電電流減小，當(dāng)充電電壓達到預(yù)定電壓時，充電脈沖寬度變?yōu)榱恪３潆娊K止。2.5.3 控制器的其他功能控制器除了對蓄電池進行充放電控制之外，還控制輸出保護功能。本文使用的控制器主要的器件是單片機，通過對單片機的編程對蓄電池的充放電進行控制。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書15第三章 供電系統(tǒng)電路的硬件設(shè)計及軟件實現(xiàn)獨立小型風(fēng)力發(fā)電機盡管裝機容量較小，技術(shù)不太復(fù)雜，但為了安全可靠的運行，必須做好風(fēng)力發(fā)電機、蓄電池以及相關(guān)芯片的選型。3.1 發(fā)電機、蓄電池的選擇一、風(fēng)力發(fā)電機的選擇條件風(fēng)力發(fā)電機以風(fēng)作為動力，就要要求風(fēng)力發(fā)電機安裝地點風(fēng)力資源必須滿足一定的條件，根據(jù)經(jīng)驗，風(fēng)力發(fā)電機一般要求當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速在3m/s以上，全年3-sm/20有效風(fēng)累計時數(shù)在3000h左右，全年3- sm/20有效風(fēng)能密度要達到 2/10mw。1 額定風(fēng)速一般把風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生額定輸出功率時的最低風(fēng)速稱為額定風(fēng)速，對風(fēng)能的利用水平而言，具有相同結(jié)構(gòu)形式及功率發(fā)兩臺風(fēng)力發(fā)電機組，額定風(fēng)速較低的性能更好些。我國小型風(fēng)力發(fā)電機組的額定風(fēng)速有 sm/5、 /8和 s/10三種，選擇風(fēng)力發(fā)電機時。要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀?，合理確定風(fēng)力發(fā)電機發(fā)額定風(fēng)速，這樣才能充分的利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力能源，最大限度的發(fā)揮風(fēng)力機發(fā)效率。2 工作風(fēng)速范圍由于風(fēng)力的大小是時刻變化的，風(fēng)力發(fā)電機不可能全部利用，只能利用一個范圍的風(fēng)速，利用風(fēng)速的下限稱為切入風(fēng)速，即風(fēng)能裝置能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)最低風(fēng)速，利用風(fēng)速的上限稱為切出風(fēng)速，這個風(fēng)速下風(fēng)能裝置輸出功率就是風(fēng)力發(fā)電機的最大功率，一般切出風(fēng)速越高，可利用的風(fēng)速范圍就越大，選擇合適的切入風(fēng)速、切出風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電機的基本參數(shù)。二、蓄電池的選擇風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)出的實際功率是受風(fēng)速影響的，不是一個常量，所以，風(fēng)力發(fā)電機和蓄電池的容量選擇都是可用電量來確定的。1、負(fù)載用電量的計算負(fù)載用電量可用公式TPWll?? （3-1）內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書16式中： lW為負(fù)荷的用電量， kwh； lP為計算負(fù)荷，w； T為負(fù)荷的平均利用小時數(shù)，h；2、蓄電池容量的計算蓄電池的容量可根據(jù)公式Q= （3-2）式中： LW為負(fù)荷日消耗量， wh； bU為蓄電池組端電壓，v; cy為蓄電池放電深度，％；三 風(fēng)力發(fā)電機功率的選擇風(fēng)力發(fā)電機實際的輸出功率公式為（3-3）式中： WP為機組的額定輸出功率，w； 1V為實際風(fēng)速， sm/； V為額定風(fēng)速，sm/；3.2 設(shè)計實例1. 設(shè)計目標(biāo)本文設(shè)計的供電系統(tǒng)的要求是：可以在連續(xù)兩天無風(fēng)的情況下持續(xù)提供10w 12v的電流為野外無電地區(qū)獨立運行的小型設(shè)備提供電力。2.負(fù)載用電量計算 TPWll??=10×24×2=480wh3. 蓄電池容量的計算= =50a這里選擇了容量為65 ah電壓為12v的鉛酸蓄電池，其具體的參數(shù)如表：表 3-1標(biāo)準(zhǔn)電壓 12v標(biāo)準(zhǔn)容量 65ah（20HR）外殼材料 ABS塑料內(nèi)阻（25℃） 10 ?m自放電（20℃） 每周＜0.8%浮充壽命 6-9年使用溫度范圍 -20℃—+45℃電池外形尺寸（長*寬*高） 330*171*172cLyW?cbLyUQ8.0124PW??3)(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書17充電方法 循環(huán)使用 浮充使用充電電壓 14.6-15v13.6—13.8v最大電流 19.5A19.5A充電時間 12h（60%DOD）24 （100%DOD）＞48 h4.風(fēng)力發(fā)電機容量的選擇按滿發(fā)時數(shù)每天6小時計算，風(fēng)力發(fā)電機的額定功率選150w就可以滿足條件即：150×6=900 wh大于負(fù)載用電量；本文選用的小型風(fēng)力發(fā)電機是 表 3-2品牌 奧風(fēng)型號 fd-2.2 200W額定功率 200（W）輸出電壓 24（V）額定風(fēng)速 8（m/s）葉片數(shù)目 3 片風(fēng)輪直徑 2.2（m）啟動風(fēng)速 2.5米/ 秒安全風(fēng)速 40米/秒3.3 DC-DC 變換芯片及單片機的選擇3.3.1 DC-DC 芯片的選擇DC-DC變換芯片是介于風(fēng)力發(fā)電機與蓄電池之間的中間的重要的器件，由于風(fēng)速不穩(wěn)定，風(fēng)力發(fā)電機輸出的電壓也隨著變化，這樣對蓄電池充電會對蓄電池的受用壽命有很大的影響，所以，這里采用一個DC-DC變換芯片對蓄電池進行充電。對DC-DC芯片的選擇有以下要求：① 輸出電壓可調(diào)；② 輸出功率與發(fā)電機的功率相匹配；③ 輸入電壓與發(fā)電機的輸出電壓相匹配；根據(jù)以上要求本文選擇了:產(chǎn)品品牌：尖諾 產(chǎn)品型號：JDM150-48S15內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書18輸入特性：電壓范圍 24VDC(額定值) 18-36 VDC 輸出特性：電壓精度：±1 電流限制點：120%（typ） 輸出電壓調(diào)整范圍：±10% 響應(yīng)速度 400us 電壓調(diào)整率(主路)：±0.2% 輸出電流 2-15A任選 負(fù)載調(diào)整率（主路）：±0.4% 輸出電壓：1.8-48V 輸出功率：100-300w 3.3.2 單片機的選擇本文選用了C8051F系列的單片機，其系列單片機的特點為：1、片內(nèi)資源·8-12位多通道ADC?！?-2路12位DAC?！?-2路電壓比較器?！?nèi)部或外部電壓基準(zhǔn)?！?nèi)置溫度傳感器。·16位可編程定時/計數(shù)器列陣可用于PWM等?！?-5個通用16位定時器。·8-64個通用I/O口·8-64K Flash 存儲器?！て瑑?nèi)時鐘源，內(nèi)置電源檢測、看門狗定時器。2、主要特點·工作電壓為2.7-3.6v，典型值為3v。I/O、RST、JTAG引腳均勻許5v電壓輸入。·高速的（20MIPS-25MIPS）與8051全兼容的CIP-51內(nèi)核。本文選用了 C8051F020 器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級 MCU 芯片，具有 64 個數(shù)字 I/O 引腳（C8051F020） 。下面列出了一些主要特性； 1. 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP-51 內(nèi)核（可達 25MIPS） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書192. 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 3. 真正 12 位 （C8051F020） 、 100 ksps 的 8 通道 ADC， 帶 PGA 和模擬多路開關(guān) 4. 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開關(guān) 5. 兩個 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 6. 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器 7. 4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM 8. 可尋址 64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 9. 硬件實現(xiàn)的 SPI、SMBus/ I2C 和兩個 UART 串行接口 10. 5 個通用的 16 位定時器 11. 具有 5 個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列 12. 片內(nèi)看門狗定時器、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內(nèi) VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的 C8051F020 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新 8051 固件。片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源） 、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、 單步及運行和停機命令。 在使用 JTAG 調(diào)試時， 所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。每個 MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）內(nèi)用 2.7V-3.6V 的電壓工作。端口 I/O、/RST 和 JTAG 引腳都容許 5V 的輸入信號電壓。C8051F020 為 100 腳 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書20圖 3-1 C8051F020引腳圖與 8051 完全兼容 C8051F020 系列器件使用 Silicon Labs 的專利 CIP-51 微控制器內(nèi)核。CIP-51與 MCS-51TM 指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x 的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的所有外設(shè)部件，包括 5 個 16 位的計數(shù)器/定時器、兩個全雙工 UART、256 字節(jié)內(nèi)部 RAM、128 字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及 8/4 個字節(jié)寬的 I/O 端口。 CIP-51 采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標(biāo)準(zhǔn)的 8051 中，除 MUL 和 DIV 以外所有指令都需要 12 或 24 個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為 12-24MHz。而對于 CIP-51 內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時間為 1 或 2 個系統(tǒng)時鐘周期，只有 4 條指令的執(zhí)行時間大于 4 個系統(tǒng)時鐘周期。 CIP-51 共有 111 條指令。下表列出了指令條數(shù)與執(zhí)行時所需的系統(tǒng)時鐘周期數(shù)的關(guān)系。表3-3內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書21CIP-51 工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率 25MHz 時，它的峰值性能達到 25MIPS。C8051F020 系列 MCU 對 CIP-51 內(nèi)核和外設(shè)有幾項關(guān)鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴展的中斷系統(tǒng)向 CIP-51 提供 22 個中斷源（標(biāo)準(zhǔn) 8051 只有 7 個中斷源） ，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計一個多任務(wù)實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。 MCU 可有多達 7 個復(fù)位源：一個片內(nèi) VDD 監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器 0 提供的電壓檢測器、一個軟件強制復(fù)位、CNVSTR 引腳及/RST 引腳/RST 引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號輸出到/RST 引腳。 除了 VDD 監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止；使用 MONEN 引腳使能/禁止 VDD 監(jiān)視器。在一次上電復(fù)位之后的 MCU 初始化期間，WDT 可以被永久性使能。MCU 內(nèi)部有一個獨立運行的時鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器，外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許 MCU 從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當(dāng)需要時再周期性地切換到高速（可達 16MHz）的內(nèi)部振蕩器。CIP-51 有標(biāo)準(zhǔn)的 8051 程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括 256 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM，其中高 128 字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用 RAM 的高 128 字節(jié)，用直接尋址訪問 128 字節(jié)的 SFR 地址空間。數(shù)據(jù) RAM 的低 128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前 32 個字節(jié)為 4 個通用寄存器區(qū)，接下來的 16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 C8051F020 中的 CIP-51 還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的 4K 字節(jié)的 RAM 塊和一個可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部存儲器接口（EMIF） 。這個片內(nèi)的 4K字節(jié) RAM 塊可以在整個 64K 外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間中被尋址（以 4K 為邊界重疊）。外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間可以只映射到片內(nèi)存儲器、只映射到片外存儲器、或兩者的組合（4K 以下的地址指向片內(nèi)，4K 以上的地址指向 EMIF） 。EMIF 可以被配置為地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用方式或非復(fù)用方式。 MCU 的程序存儲器包含 64K 字節(jié)的 FLASH。該存儲器以 512 字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的外部編程電壓。從 0xFE00 到 0xFFFF 的 512 字節(jié)被內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書22保留，由工廠使用。還有一個位于地址 0x10000 - 0x1007F 的 128 字節(jié)的扇區(qū)，該扇區(qū)可作為一個小的軟件常數(shù)表使用。C8051F020 系列具有片內(nèi) JTAG 邊界掃描和調(diào)試電路， 通過 4 腳 JTAG 接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該 JTAG 接口完全符合 IEEE 1149.1 規(guī)范，為生產(chǎn)和測試提供完全的邊界掃描功能。3.4 控制器電路圖的設(shè)計3.4.1.工作原理系統(tǒng)由兩個DC-DC變換芯片、兩個電壓采集電路、單片機、放電電路和輸出保護電路組成，原理圖如圖3-2所示，其工作原理如下：充電時單片機通過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實時采集充電時風(fēng)力發(fā)電機輸出的電壓和蓄電池兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)DC-DC芯片的輸出電壓給蓄電池分階段的充電；放電時單片機通過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實時采集放電時蓄電池兩端的電壓從而實時的發(fā)出適合的指令進行放電。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書233.4.2 系統(tǒng)電路圖組成1.充電電路充電主電路其實是一個升降壓斬波電路圖3-3 充電主電路2.電壓檢測電路①、風(fēng)速是不可控的，所以輸出的電壓也是隨著變化的，給蓄電池充電電壓在一定范圍的，所以需要對發(fā)電機發(fā)出的電壓進行檢測傳給單片機來控制，因為發(fā)電機發(fā)出的電壓超出了單片機所能承受的電壓，這里采用了分壓電路如圖3-4所示，1R和 2是分壓電阻， 1D和 2為二極管這里起到保護作用，為了使進入單片機的電壓更加穩(wěn)定這里加入了電容 C，起到濾波作用。圖3-4 電壓檢測1ESGNTULVAPort*力Bin+-u34cl5內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書24這里風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的額定電壓為24 v，而單片機內(nèi)部的模擬比較電壓為2.4 v,所以，1R選擇了19 ?K， 2R選擇了1 K。②、為了監(jiān)控蓄電池兩端的電壓，因蓄電池兩端的電壓在12 左右不可能直接送往單片機的電壓比較器，所以在這里又使用了分壓電路，分壓后的電壓在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)可以直接送到單片機進行比較，這樣來控制蓄電池的充放電。圖3-5 電壓檢測2同樣，圖中 3R和 4為分壓電阻， 3D和 4起到保護單片機的作用， 2C為濾波電容，其中 選擇為49 ?K， R為1 。3、放電控制電路對蓄電池充電是一個復(fù)雜的過程，首先檢測風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電壓是否超出了額定電壓，，如果超出了，則需要一個放電電路來消耗多余的電能，否則，會對蓄電池造成很大的損害。放電電路由一個MOSFET管、一個放電電阻及部分其它電阻組成，其電路圖如圖3-6所示，圖3-6 放電電路圖中 5R為放電電阻，根據(jù)計算 5R選擇3 ?的水泥進行放電。ESGNTULVAPort67Q?MOF內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書254、輸出保護電路輸出保護電路是防止負(fù)載電路短路或電流過大等情況發(fā)生，在這里采用了MAX471芯片來采集負(fù)載輸出電路中的電流的大小送給單片機，通過單片機的判斷來保護輸出電路。其電路圖如圖3-7，圖3-7 輸出保護電路3.5 統(tǒng)軟件的實現(xiàn)本節(jié)主要是介紹了控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，本文對蓄電池的充放電主要是通過對單SHCN1R+23GDI5-67OUT8MAXEPort