太阳能灌溉系统设计

《太阳能灌溉系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能灌溉系统设计（29页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、太阳能灌溉系统设计（全套CAD图纸）全套CAD图纸，联系695132052湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计太阳能灌溉系统设计THE DESIGN OF SOLAR-POWERED IRRIGATION SYSTEN学生姓名：侯文恒学号：200841914412年级专业及班级:2008级机械设计制造及其自动化4班指导老师及职称：康江副教授学部：理工学部湖南?长沙提交日期:2012年5月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行 研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容 外,

2、本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名：年 月曰目录摘要 1关键词11前言 12灌溉系统创意设计与方案 22.1太阳能变频灌溉系统一般组成22.2太阳能变频灌溉系统整体方案33太阳能变频灌溉硬件设施的选择33.1水泵33.2逆变器的选择43.3变频器的选择43.4太阳能电池组件及工作原理 53.5太阳能电池板发电受影响因素73.5.1方位角 73.5.2倾斜角 73.5.3阴影对发电量的影响73.5.4温度影响83.6蓄电池的选择93.6.1 计

3、算93.6.2性能特点94太阳能变频灌溉电路硬件选择104.1处理器的选择104.2处理器与其他单片机相比较114.3产品特性114.4引脚配置图与说明124.5 ATMEGA128 144.6单片机控制部分电路设计155电源电路设计166蓄电池电压检测电路设计167太阳能极板电压检测电路设计178主控板硬件实物图179太阳光跟踪系统189.1太阳能电池板的机械结构189.2 电机的选择 189.2.1步进电机189.2.2伺服电机199.2.3涡轮蜗杆电机199.3 太阳光跟踪 1910市电与光伏电切换2111 PWM的产生 2111.1 软件生成PWM 2111.2 硬件生成PWM 231

4、2 总结.25参考资料26致谢 27附录 27太阳能灌溉系统设计学生:侯文恒指导老师:康江（湖南农业大学东方科技学院，长沙410128）摘 要:本系统主要是针对我国缺水地区农作物灌溉困难而研发的，系统 采用AVR单片机为系统主机，利用太阳能电池板将太阳能转变为电能对太阳能蓄 电池进行充电，再将蓄电池内的低压直流电通过逆变和变频转换成交流高压电输 出,驱动水泵进行灌溉。本系统采用了市电并网技术，可分别适应无阳光、阳光充 裕、阳光不足等情况下的工作，并实现自动切换功能。为了保证系统安全有效地 运行，系统还做了过流、过压、欠压保护的设计。关键词:灌溉系统;太阳能；电池板;蓄电池The Design

5、of Solar-Powered Irrigation SystemStudent:Hou WenhengTutor:Kang JiangOrient Science&Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, ChinaAbstract: This system, which employs AVR microcontroller as its mainframe system, transfers solar energy into electric power through solar pa

6、nel to get the solar battery charged, and then the low-voltage direct current within the storage battery, through invertion and frequency conversion, gets transferred into exchange high-voltage electric to drive the water pump to do irrigation, is mainly developed to overcome difficulties of crop ir

7、rigation in arid land in China. The system, which can also implement automatic switchover function, adopts power grid technology to adapt to the circumstances of no sunlight, sunlight abundance and sunlight shortage etc. Whats more, the system gets designed with over-current, over-voltage and under-

8、voltage production to ensure it operates smoothly, effectively and efficientlyKey words: irrigation systems; solar energy; panels; battery1刖言随着现代科学技术的飞速发展,人类生产活动的扩大，使能源消耗量越来 越大，消耗石油、煤等能源的同时也产生了大量的SO2、CO2、弗利昂等等废气， 使地球的“保护衣”臭氧层受到了很大的破坏,地球受到的太阳辐射较之以 前增加了 6-10%,而由SO2形成的温室效应，使全球温度上升,气候变化异常，大大 影响了农作物及植物的生

9、长，导致了土地沙化，使地球的环境受到了极大地破坏 1。在我国一些干旱地区内风沙恶劣，年降雨量小于30毫米,这样的气候极 不利于植物自然生长，而且由于能源缺乏，使地下水资源无法得到利用。因此造 成更多的土地荒漠化、生态环境逐渐恶化。解决这些困难首先应解决灌溉问题， 帮助作物在自然条件恶劣的状况下能够成活，推广高附加价值的植物品种，为农 民增加收入。例如：JOJOBA是一种生长在沙漠的植物，它的果实含有丰富的，高 质量油脂，是一种利用贫瘠土壤的油料植物2。但是，植物幼苗的前期生长大 约两年内需要灌溉，保证成活率，以便形成有价值的生产群落.因此，推广种 植JOJOBA就需要在干燥，贫瘠的地区采用太阳

10、能小型滴灌系统.一旦植物渡过 幼苗期，即可将滴灌系统转移到新开辟的种植地区.所以太阳能变频灌溉系统可 以开发长期以来因为无法解决灌溉问题而没有利用的荒地，为解决农民增收和 保护环境创造必要条件3。“太阳能变频灌溉系统”亦称“太阳能光电水泵系统”，是利用太阳电池 将太阳能直接转换为电能，然后将太阳能所发出的直流电经变频后驱动各类电动 机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。它具有低排放、无污染、节能 性好、自动化程度高、稳定可靠、供水量与蒸发量适配性好等许多优点。联合国 国际开发署、世界银行、亚太经社会等国际组织部先后充分肯定了它的先进性与 合理性，目前在这些国际组织的支持下，全世界已有数万

11、台不同规格的光伏水泵 在不同地区和国家运行，为许多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益，加速 了这些地区的脱贫步伐4。太阳能光电水泵系统涉及多个学科领域，不能简单地 理解为常规的“电机+水泵”，是涉及光、机、电、电力电子、计算机及多机群控， 甚至气象与地质等多个学科的交叉，当代大学生引进该类实验，可以在学校就认 识世界能源及其控制技术发展的潮流及方向，掌握并研究该类技术，为日后祖国 的新能源技术及控制系统的研发打下扎实的理论基础，并锻炼了实际动手能力5。2灌溉系统创意设计与方案2.1太阳能变频灌溉系统一般组成太阳能变频灌溉系统一般由太阳能滴灌系统主要由太阳能电池板、阳光 跟踪器、灌溉控制器、水

12、泵控制器、水泵、过滤器、输水管线、控制阀门、灌水 器组成。从整体上可以分为两部分即检测装置、控制系统。 检测装置的作用 是实时检测太阳能变频灌溉系统的工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定 信息进行比较后，对执行机构进行调整。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即太阳能变频灌溉系统的全部 控制由一台微型计算机完成。另一种是分散式控制，即采用多台微机来分担太阳 能变频灌溉系统的控制，如当采用上、下两级微机共同完成太阳能变频灌溉系统 的控制时,主机常用于负责系统的管理、通讯、计算，并向下级微机发送指令信息； 作为下级从机，各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理,实现给 定的运动,

13、并向主机反馈信息。2.2 太阳能变频灌溉系统整体方案图1整体设计框图Fig 1 The frame of design对于太阳能变频灌溉系统来说，主要考验的是太阳能光伏发电、电池充 电、电池放电、水泵的供电及市电的切换。3太阳能变频灌溉硬件设施的选择3.1水泵水泵选型依据，应根据工艺流程，给排水要求，从五个方面加以考虑，既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等流量是选水泵的 重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力。如设计院工艺设计中能算出泵正常、最小、最大三种流量。选择泵时， 以最大流量为依据,兼顾正常流量，在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1

14、倍作为最大流量。装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据，一般要用放大5%?10% 余量后扬程来选型6。液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质，物理性质 有温度c密度d,粘度u,介质中固体颗粒直径和气体的含量等，这涉及到系统的扬 程，有效气蚀余量计算和合适泵的类型:化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性 和毒性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。装置系统的管路布置条件指的是送液高度送液距离送液走向，吸如侧最 低液面，排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数 量等，以便进行系梳扬程计算和汽蚀余量的校核。操作条件的内容很多，如液体的操作T饱和蒸汽力

15、？、吸入侧压力PS（绝 对）、排出侧容器压力PZ、海拔高度、环境温度操作是间隙的还是连续的、泵的 位置是固定的还是可移的7。 综合各方面因素，我们选择了 40WZB-50-1.1型 水泵。该水泵各项要求基本上满足我们的要求，在价格方面也能够满足我们在成 本方面的要求。水泵采用铸铁制成，旋涡式优质青铜叶轮，经过精细加工，使得该 泵具有特高的压力。特点:效率高、振动小、扬程高、移动和维修方便适用于高 层供水使用。逆变器其实就是为直流-交流变换技术，直流-交流变换是实现直流电能 到交流电能的转换，简称逆变，或者DC/AC变换。众所周知，蓄电池和太阳能电池 等都属于直流电源，当需要由这些电源向交流负载

16、供电时，必须经过DC/AC转换; 此外,有相当比部分的用电负载对供电质量有特殊要求8。难于实现公共电网或 通用交流电源(其中心频率为50HZ)直接向这些负载供电，于是在电网和负载之 间插入变换装置，电能通过这些变换电源向交流负载供电时最普遍的方式。在光 伏发电系统中，光伏电池矩阵输出直流电能。在独立光伏系统中，当负载需要交流 供电时，必须采用DC/AC变换电路;在光伏并网系统中，光伏电池的能量同样需要 DC/AC变换电路才能供给电网。因而，直流-交流变换技术是光伏发电系统中重要 的电能变换形式。逆变电路的分类方法有很多，当逆变电路输出的交流电能直接用于负载 时称为无源逆变，多用于独立光伏发电系

17、统中；凡输出电能馈向公共交流电网时, 则称为有源逆变，多用于光伏并网系统中。按照输出交流电的相数,可分为单相逆 变器和三相逆变器。由于下面我面我们选择了三相水泵功率为1.1KW,故逆变器的选型计算 如下：(1)(2)(3)我们取平均水平转换效率3.3变频器的选择变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式 来控制交流电动机的电力控制设备。主要由整流、滤波、逆变:直流变交流）、制 动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改 变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到 节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能,如过流

18、、过压、过载保护 等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电 路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路 的滤波是电容11。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，直流回路滤 波是电感。由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流 器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的 “逆变器”。 运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压 信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 电压、电流检测电路: 与主回路电位隔离检测

19、电压、电流等。 驱动电路：驱动主电路器件的电路 9。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时， 为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。之 所以在系统中加入变频器为了提高系统的稳定性，由于水泵的起动会引起大电流 的冲击，对电路上其他元器件都可能造成影响，甚至损耗其他组件,而通过变频器 的条件，可以实现水泵匀速加速起动，避免了水泵大电流对电路的冲击，也能够延 长水泵的使用寿命。由于选用的水泵为三相水泵，所以变频器选用的是单相220V 输入，三相380V输出，主电路如图所示。3.4太阳能电池组件及工作原理太阳

20、能电池组件的种类较多，根据太阳能电池片的类型不同可分为晶体硅（单、多晶硅）太阳能电池组件、非晶硅薄膜太阳能电池组件及砷化镓电池组件 等;按照封装材料和工艺的不同可分为环氧树脂封装电池板和层压封装电池组件; 按照用途的不同可分为普通型太阳能组件和建材型太阳能电池组件。其中建材型 太阳能电池组件又分为单面玻璃透光型电池组件、双面夹胶玻璃电池组件和双面 中空玻璃电池组件。图2变频器主电路图Fig 2 The frequency converter circuit diagram由于晶体硅太阳能电池片的光电转换效率高，单晶硅可以达到将近20%, 多晶硅也有17%左右，而且晶体硅的成本也是相对低的，所以

21、在现实生活中的使 用最广，现在市场上面晶体硅太阳能电池片制作的电池组件应用占到市场份额的 85%以上。光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受 光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应10。 严格来讲，包括两种类型:一类是发生在均匀半导体材料内部;一类是发生在半导 体的界面。虽然它们之间有一定相似的地方，但产生这两个效应的具体机制是不 相同的。通常称前一类为丹倍效应，而把光生伏打效应的涵义只局限于后一类情 形14。当两种不同材料所形成的结受到光辐照时，结上产生电动势。它的过程先 是材料吸收光子的能量,产生数量相等的正?负电荷，随后这些电荷分别迁移到

22、结 的两侧，形成偶电层。光生伏打效应虽然不是瞬时产生的，但其响应时间是相当短 的。1839年,法国物理学家A. E.贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构 成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生 伏打效应。1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就 把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会产生光生伏打效应。光生伏打 效应使得PN结两边出现电压，叫做光生电压。使PN结短路，就会产生电流。3.5太阳能电池板发电受影响因素3.5.1方位角图3太阳能电池板Fig.3 Solar Panels角度，向西偏

23、设定为正角度。一般情况下，方阵朝向正南即方阵垂直面与 正南的夹角为0时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南北半球30度时， 方阵的发电量将减少约10%15%;在偏离正南北半球60。时，方阵的发电量将减 少约20%30%。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因 此方阵的方位稍微向西偏一些时,在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季 节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。方阵设 置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置 时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效 率、设计规划、建设目的等许多因

24、素都有关系。如果要将方位角调整到在一天 中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的 场合,希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。方位角一天中负荷的峰值时刻24小时制-12X15+经度-116 10月9日 北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同 的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。3.5.2倾斜角倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一 年中发电量为最大时的最佳倾斜角度11。一年中的最佳倾斜角与当地的地理 纬度有关,当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样,在设计中也要 考虑到屋顶的倾斜角

25、及积雪滑落的倾斜角斜率大于50%-60%等方面的限制条 件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的 情况，因此,特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外, 还要进一步考虑其它因素。对于正南方位角为0度，倾斜角从水平倾斜角为 0度开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增 加倾斜角其日射量不断减少12。特别是在倾斜角大于5060以后，日射量 急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。方阵从垂直放置到 1020的倾斜放置都 有实际的例子。对于方位角不为0度的情况，斜面日 射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近

26、的倾斜角度附近。以上所 述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和 倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。3.5.3阴影对发电量的影响一般情况下，在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到 的。因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时 的发电量比无阴影的要减少约10%20%。针对这种情况，我们要对理论计算值进 行校正。通常，在方阵周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的 周围会存在阴影，因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影。如果实在无法 躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对发电量的影响降低到最

27、 低程度。另外，如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近 后,前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响13。有一个高为的竹竿， 其南北方向的阴影长度为，太阳高度仰角为A,在方位角为B时，假设阴影的倍率 为R,则：此式应按冬至那一天进行计算，因为，那一天的阴影最长。例如方阵的 上边缘的高度为，下边缘的高度为,则:方阵之间的距离a XR。当纬度较高时, 方阵之间的距离加大，相应地设置场所的面积也会增加。对于有防积雪措施的方 阵来说，其倾斜角度大，因此使方阵的高度增大，为避免阴影的影响，相应地也会 使方阵之间的距离加大。通常在排布方阵阵列时，应分别选取每一个方阵的构造 尺寸，将其高

28、度调整到合适值，从而利用其高度 差使方阵之间的距离调整到最 小。具体的太阳电池方阵设计,在合理确定方位角与倾斜角的同时，还应进行全 面的考虑，才能使方阵达到最佳状态16。3.5.4温度影响AM的意思是air-mass定义是:光线通过大气的实际距离比上大气的垂 直厚度(4)(5)100mW/c m2其实就是1000W/ m2，是标准测试太阳能电池的光线入射强度。Module at 25oC就是在25oC的温度下工作。因为太阳能电池板效率会 随温度升高而有一定下降。你还要关注一个NOCT的值。这个说明它在使用时会升高的温度，再乘上它的递减系数就可以得出他工作时的电压电流和输出功率了基本参数标准测试

29、条件：（AM1.5）辐照度1000W/m2,电池温度25C绝缘电压：N600V边框接地电阻：W10hm迎风压强：2400Pa填充因子：73%短路电流温度系数：+0.4mA/C开路电压温度系数：-60mV/ C工作温度：-40C+90C太阳能电池的理想工作温度为25摄氏度，电池板的功率随着温度的升高 而降低的。不过一般温度不超过45摄氏度都可以正常使用。如果温度过高还会 影响电池的寿命太阳能电池板采用硅基材料，很脆，稍微的施力，电池板就碎了，你可以使 用厚点的透明的有机玻璃来承受力量，但是，这样会降低电池的吸入阳光的强度, 影响发电效率。太阳能电池板工作时，自身温度不高，但其大多采用深蓝色的氮化

30、硅膜， 在夏天时，吸热厉害，所以，表面温度有时也会很高。综上，我们从负载的要求出发，考虑到成本及各方面因素，选择了湖南本 地生产的太阳能电池板功率为190W,共八块！3.6蓄电池的选择3.6.1计算由于本系统采用太阳能电池板发点后直接对负载供电，多余的部分则对 蓄电池进行充电,等到无阳光时，使用蓄电池对负载供电的模式!容量计算如下：(6)逆变器转换效率为90%,变频器的转换效率为95%(7)水泵功率为1.1KW(8)按每天太阳能电池板有效工作10小时计算，则多余的电量为(9)由上，我选择了性能优良主要用于通信领域、太阳能光伏储能系统、UPS 不间断电源、航海设备、变电所操作及直流电源、报警系统

31、、消防和保安系统、 控制设备的6GFMJ-200型蓄电池，该电池总容量为(10)3.6.2性能特点这款蓄电池采用铅钙锡多元合金，涂膏式极板，低至27%左右的活性物质 利用率，采用专用的高孔率高孔径、高湿弹性的超细玻璃纤维隔板,极群实行紧装 配，电解液采用超细纳米二氧化硅凝胶电解液,采用精密定重量注酸方式和先进、 环保的内化成工艺，电池具有寿命长、循环性能好、内阻低、大电流放电性能强、 耐热耐过充等特点。实物图如下：图4太阳能蓄电池Fig.4 Solar batteries1长寿命。电池正极采用高锡合金板栅，采用厚极板设计,活性物质利用 率低至27%,采用纳米二氧化硅凝胶电解液，电池具有比普通阀

32、控电池更长的浮 充寿命。2耐过放电能力强。电池使用特殊的具有高孔率高孔径、高湿弹性的超 细玻璃纤维隔板结合紧装配工艺，使得电池具有较强的耐过放电性能。5次短路 容量恢复性能达到95%以上。3循环能力强。极板高温、高湿固化，超高的装配压力，采用纳米二氧化 硅凝胶电解液，延缓正极活性物质循环使用过程中活性物质的软化，大大提高电 池循环耐久性能，特别是具有对于小负载小电流使用时，正极板栅腐蚀层参与反 应后的抗钝化（阻挡层）能力。4大电流性能高。采用涂膏式极板，电池极板间距小，极群紧装配，提高电 池大电流放电能力。5安全可靠。专利技术的端子密封结构和高温固化密封胶,保证电池端子 处不爬酸,确保使用安全

33、可靠。6免维护。由于采用贫液式设计，内部体系产生的气体全部复合还原成水, 所以不需要补水操作，实现电池的免维护性26。7多种安装方式。由于特殊隔板吸附电解液，因此电池内无游离酸，保证 电池可实现如立式、卧式等多种方位安装。4太阳能变频灌溉电路中央控制电路的设计4.1处理器的选择单片机按CPU的处理能力分类目前有4位、8位、16位、32位,位数越 高的单片机在数据处理能力和指令系统方面就越强,AVR、51、PIC都属于8位机。8位单片机也是目前应用最广泛的单片机，在各个领域上都可以看到它的身影。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研制开发的一种新型的8位单片机,AVR单片 机分低档的ATti

34、ny系列、中档的AT90S系列、高档的ATmega系列，所以推荐初 学者选择学习的芯片型号是ATmega48/88/128或者ATmega16;不推荐使用中档的 AT90S系列，因为它们都是比较早期的产品，现在它们早已经停产了。 AVR单片 机全部型号个别老型号除外都支持ISP在线编程（烧写）、芯片可以反复擦写，这 样学习AVR就变得非常的方便，设计者可以通过下载线直接在目标电路板上对芯 片进行编程、调试，而不需要把芯片放在专用的编程器或者仿真器上烧写与调试。 51单片机也有一部分型号支持ISP在线编程，如AT89S51. AT89S52等。PIC单片 机也是部分支持ISP，但是它有很多型号是

35、OPT 一次性烧写，这些的确为难了广大 初学者31。4.2处理器与其它单片机相比较AVR与51、PIC单片机相比具有一系列优点，用通俗的说法主要体现在这 几个方面：在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；所有AVR单片机的 FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程烧写,入门费用非 常少；片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功 能，使得电路设计变得非常简单；每个IO 口作输出时都可以输出很强的高、低 电平，作输入时IO 口可以是高阻抗或者带上拉电阻；片内具有丰富实用的资源, 如AD模数器、DA数模器，丰富的中断源、SPI、USART、TWI通信口

36、、PWM等等；片 内采用了先进的数据加密技术，大大的提高了破解的难度；片内FLASH空间大、 品种多，引脚少的有8脚,多的有64脚等各种封装部分芯片的引脚兼容51系列，代换容易，如 ATtiny2313 兼容 AT89C2051,ATmega8515/162 兼容 AT89S51 等4.3产品特性1它是一种高性能、低功耗的8位AVR?微处理器2先进的RISC结构131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周 期,32个8位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器。3非易失性程序和数据存储器32K字节的系统内可编程Flash擦写寿命: 1

37、0,000次具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内 编程真正的同时读写操作1024字节的EEPROM擦写寿命：100,000次,2K字节片 内SRAM,可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。4JTAG接口与IEEE 1149.1标准兼容符合JTAG标准的边界扫描功能, 支持扩展的片内调试功能，通过J TAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定 位的编程。两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个 具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，具有独立振荡器 的实时计数器RTC,四通道PWM, 8路10位ADC,8个单端通道,T

38、QFP封装的7个 差分通道2个具有可编程增益（1x, 10x,或200x）的差分通道；面向字节的两线 接口可编程的串行USART ,可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立 片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器31。5特殊的处理器特点。上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的 RC振荡器，片内/片外中断源。66种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 Standby 模式以及扩展的Standby模式。7上电复位：电源电压低于上电复位门限VPOT时，MCU复位。外部复位: 引脚RESET上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU复位。看门狗复位: 看门

39、狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生。掉电检测复位:掉电检测复位功 能使能，且电源电压低于掉电检测复位门限VBOT时MCU即复位JTAGAVR复位: 复位寄存器为1时MCU复位。4.4引脚配置图与说明1VCC数字电路的电源2GND 地3端口 APA7-PA0端口 A做为A/D转换器的模拟输入端。端口 A为8位 双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性， 可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路 拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A处于高阻状 态。4端口 BPB7-PB0端口 B为8位双向I/O 口，具有可

40、编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时， 若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系 统时钟还未起振，端口 B处于高阻状态。端口 B也可以用做其他不同的特殊功能, 请参见芯片手册中P55页。5端口 CPC7-PC0端口 C为8位双向I/O 口,具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时， 若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系 统时钟还未起振，端口 C处于高阻状态。如果J TAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5TDI、PC3

41、TMS与PC2TCK的上拉电阻被激活。除去移出数据的TAP态外,TD0 引脚为高阻态。端口 C也可以用做其他不同的特殊功能，请参见芯片手册中P58 页。6端口 DPD7-PD0端口 D为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。 其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时， 若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使 系统时钟还未起振，端口 D处于高阻状态。端口 D也可以用做其他不同的特殊功 能，请参见芯片手册中P60页。7RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统 复位。门限时间见芯片手册中P35页Table

42、 15。持续时间小于门限间的脉冲不 能保证可靠复位。8XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。9XTAL2反向振荡放大器的输出端。10AVCC AVCC是端口 A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应 直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。11AREF A/D的模拟基准输入引脚。ADC的参考电压源VREF反映了 ADC 的转换范围。若单端通道电平超过了 VREF，其结果将接近0x3FF。VREF可以是 AVCC、内部2.56V基准或外接于AREF引脚的电压。AVCC通过一个无源开关与 ADC相连。片内的2.56V参考电压由能隙基准源VBG通过内部放

43、大器产生。无论 是哪种情况,AREF都直接与ADC相连,通过在AREF与地之间外加电容可以提高 参考电压的抗噪性。VREF可通过高输入内阻的伏特表在AREF引脚测得。由于VREF的阻抗很高，因此只能连接容性负载。如果将一个固定电源接到AREF引脚, 那么用户就不能选择其他的基准源了，因为这会导致片内基准源与外部参考源的 短路。如果AREF引脚没有联接任何外部参考源,用户可以选择AVCC或2.56V作 为基准源。4.5 atmega128为了获得最高的性能以及并行性,AVR采用了 Harvard结构（如图8）,具 有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执 行一条指

44、令的同时读取下一条指令 在本文称为预取。这个概念实现了指令的单 时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的Flash 32。快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个 时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU操作。这些附加的功能寄存器即为16 位的X、Y、Z寄存器ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑 运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更 新以反映操作结果。程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从 而直接寻址整个地址空间。程序存储器空间分为两个区：引导程序区Boot区和 应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读

45、/写保护。用于写应用程 序区的SPM指令必须位于引导程序区。在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器PC保存于堆栈之中。堆 栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM的大小。在复位例程里用户首 先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O空间，可以进行读写访问。数据SRAM 可以通过5种不同的寻址模式进行访问。AVR存储器空间为线性的平面结构。AVR有一个灵活的中断模块。控制 寄存器位于I/O空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表 里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断 向量地址越低，优先级越高I/O存储器空间包含64个可以直接寻址的地址

46、，作 为CPU外设的控制寄存器、SPI,以及其他I/O功能。映射到数据空间即为寄存 器文件之后的地址0x20 - 0x5F。图5 atmega32结构方框图Fig 5 Atmega32 with square machine system4.6单片机控制部分电路设计如图4是单片机控制部分电路模块,atmega128单片机、电源、复位电路、 JATG接口便构成了一个最小的系统。5 电源电路设计单片机要正常工作,必须得有电源的供电,Atmega128单片机需要5V的供 电。唯一的供电来源是太阳能极板，但是由于太阳能极板输出电压的不稳定性以 及电压过大会烧坏单片机，所以不能将太阳能极板和单片机直接连

47、接，必须得经 过一个电源电路将太阳能极板的输出电压转换成稳定的5V电压后，输送给单片 机供电。本论文电源电路设计采用的是电源管理芯片LM2931,LM2931电源管理芯是一种低压降型稳压器，特别适用于低噪音，低功耗的应用和电池供电系统。它内部具有短路保护和过热、过载保护，工作的温度范围为40C.1250c,最高 输入电压可达60V,并具有稳定的5v电压输出，可以满足一片Atmega128和小量 外围器件的供电需要。图6处理器电路原理图Fig6 The Schematics of Processor太阳能极板的正端经过电容的滤波后 传送给LM2931芯片，芯片经过快速的内部电压调整后输出5V电压

48、,为了保证送给 单片机电压的稳定性，输出电压须再经过电容的滤波。由于大容量的电解电容一 般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，而一些小容量电容 则刚刚相反，由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。图7电源电路原理图Fig7 The Schematics of Power所以,为了让低频、高频信号都可以很好的被滤掉，就采用一个大电容再 并上一个小电容的方式。常使用的小电容为0.1uf的瓷片电容。6蓄电池电压检测电路设计在独立的太阳能应用产品中，蓄电池是整个系统的重要组成部分,对蓄电 池的保护也至关重要，所以电路中必须设计有蓄电池两端电压的检测电路，来检测蓄电池电压的大小，从而控制器

49、有效地工作。为了保证准确性,整个控制器的 基准零电位点需用蓄电池的负极。蓄电池电压检测电路如图图8电压检测电路图Fig8 Voltage Detection Circuit Diagrams7太阳能极板电压检测电路设计本系统设计的是太阳能充电控制器，太阳能极板是唯一的供电来源，所以 对太阳能极板的电压的采样成为本控制器的一个重要的环节，通过对太阳能极板 两端电压的检测不仅可以判断出白天黑夜，更便于控制器发出是否对蓄电池充电 的控制，提高对蓄电池的保护33。太阳能极板电压检测电路如图所示。图9太阳能极板电压检测电路Fig 9 Solar Cell Voltage Detection Circui

50、t8主控板硬件实物图下图为实物图;具体的设计的原理图和PCB见附图。图10控制板实物图Fig.10 Physical Map Panel9太阳光跟踪系统9.1太阳能电池板的机械结构太阳能电池板安放在一个可控制跟踪阳光变化的活动平台上面，我们设计的单轴的支架上面，由一个电机通过齿轮传动来带动太阳能电池进行旋转，以保证 太阳能电池可以跟踪阳光使其一直处于最佳工作状态。图11太阳能架Fig.11 The Solar Shelf9.2电机的选择9.2.1步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收 到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步 距角”

51、，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控 制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机 转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特 种电机，利用其没有积累误差精度为100%的特点，广泛应用于各种开环控制。但 在本设计中不追求速度，故不选用！9.2.2伺服电机伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收 到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动 机两大类,其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而 匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U

52、/V/W三相电形成电磁 场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动 器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于 编码器的精度(线数)。但在本设计中不追求很高的精度，如选用还需要配备伺服 器，从成本上考虑也不选用！9.2.3涡轮蜗杆电机蜗轮减速电机具有很高的科技含量，有斜齿轮与蜗轮蜗杆结合一体传动， 提高该机力矩与效率。该系列产品规格齐全，转速范围广，通用性好，适应各种安 装方式，性能安全可靠寿命长,实施了国际标准要求。机体表面凹凸具有散热作用, 吸振强，低温升，低噪音。该机密封性能好,对工作环境适应性强，可在腐蚀、潮湿 等恶劣环境中连续

53、工作，并具有防腐特点，能长时间贮存。该机传动精度高，具有 自锁功能，特别适应在有频繁启动的场合工作，可连接各类减速机及配置各类型 电机驱动，可安装在90度传动操作位置。该电机关键零部件采用了高耐磨材料， 并经过特种热处理，具有加工精度高，传动平稳、体积小承载能力大、寿命长等特 点。该减速机可配置各种类电机，形成了机电一体化，完全保证了产品使用质量特 征。同时该电机在经济上很有优势，又能满足本次设计的要求，带自锁的功能能够 很好的保证太阳能电池板转动的稳定性,还节能，所以我选用这种电机！9.3太阳光跟踪为了使太阳能电池能够充分的吸收太阳能，使其在不同的日照强度、温度 条件下始终输出最大功率，从而

54、提高太阳能电池的效率，可以对太阳能电池进行 最大功率点跟踪MPPT,让其工作在最大功率点上，本文采用了一种电导增量法的 控制方法，通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗和导抗变化量，并根据比较结果 进行相应的调制来完成对太阳能电池的最大功率点跟踪控制。在最大功率点处：(11)在最大功率点左边:(12)在最大功率点右边：(13)而，因此可以通过检测太阳能电池的输出电压和电流并通过计算来判断 的符号，从而判断电压应该增加还是减小，以实现太阳能电池最大功率点的跟踪 控制。通常为了使负载获得最大的功率，只需使负载电阻等于供电系统的内阻, 但是在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且

55、 受环境温度及负载的影响，因而处在不断变化中，从而不可能用上述简单的方法 获得最大输出功率。因此本文在太阳能电池和负载之间增加一个DC/DC变换器, 通过改变DC/DC变换器中功率开关管的占空比，来控制太阳能电池工作在最大功 率点，从而实现最大功率点跟踪控制。最大功率点跟踪控制的原理如图所示。图12最大功率点跟踪控制的原理Fig.12 imum power point tracking control principle将检测到的太阳能电池的输出电压Upv和输出电流Ipv信号输入到MPPT 算法模块，相乘得出太阳能电池输出的功率，然后利用电导增量法经过算法运算, 输出一个调制信号，该调制信号与

56、恒定频率的三角波信号相比较，产生控制功率 开关器件S的开关信号,通过不断调节功率开关器件的占空比来达到太阳能电池 最大功率点跟踪的目的。10市电与光伏电切换当蓄电池电压低于水泵正常工作所需电压时蓄电池电压检测电路会发送 信号给主机，主机对该信号进行处理后，将光伏供电切换成市电，此时太阳能电池 板继续给蓄电池充电，当蓄电池完成90%的充电量时，蓄电池电压检测电路再次 发送信号给主机，主机控制蓄电池进行供电，在转换的期间市电对蓄电池进行充 电,直到水泵正常运行后再断开市电！采用与市电结合的方式后，可以实现连续灌溉，即当阳光充裕时，灌溉系 统所需电源全部由太阳能光伏发电承担；当阳光不足时，则由市电与光伏电交替 承担!切换流程图如下：图13切换流程图Fig.13 Switching flow chart11 PWM的产生11.1软件生成PWM软件PWM产生是通过软件给一个或几个I/O 口赋值为高电平然后延迟一 定时间后转换为低电平以此循环，延迟时间决定该脉冲信号的频率，这样做的好 处就是程序设计简单，对于初学者来说简单明了，这样我们使用的循环能根据开 发者要求立刻跳出，能方便快捷的对脉冲个数进行控制，如果要改变占空比则改 变两个延迟的时间。具体操作如下，如下程序GPIO 017 口发送了 100个频率为 1K的脉冲#incl