基于太陽(yáng)能電源的圖像采集系統

隨著(zhù)能源危機的加劇，新能源的利用已經(jīng)成為各個(gè)國家長(cháng)遠的發(fā)展戰略。光伏能源以其可再生性和無(wú)污染的優(yōu)勢，被公認為今后解決能源緊缺的有效能源之一[1-2]。在供電條件不足，又需要圖像監控的場(chǎng)合，利用太陽(yáng)能為監控設備供電，不僅減少了架設電網(wǎng)的費用，而且提高了能源的利用率[3]。
在太陽(yáng)能充電的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)策略上，近年來(lái)出現了各種MPPT控制算法。參考文獻[4-6]中提到常用的固定電壓法CV(Constant Voltage)和擾動(dòng)觀(guān)察法PO(Perturbation and Observation)具有控制思路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)，但也存在各自的缺陷。
本文針對擾動(dòng)觀(guān)察法在外界環(huán)境或負載突變時(shí)，因快速擾動(dòng)造成功率振蕩和誤判的缺點(diǎn)，提出了固定電壓法結合擾動(dòng)觀(guān)察法的MPPT控制方法[7]。
在圖像采集部分，由于CMOS圖像傳感器具有價(jià)格低廉、重量輕、功耗小等優(yōu)勢，采用美國Omnivision公司開(kāi)發(fā)的CMOS彩色圖像傳感器芯片OV7620進(jìn)行圖像采集設計[8]，給出了基于太陽(yáng)能電源的圖像采集設計方案。
1 系統架構
基于太陽(yáng)能光伏電源的圖像采集系統的結構框圖如圖1所示。系統主要包括太陽(yáng)能電池板、防雷擊電路、電壓/電流采集電路、BUCK充電電路、驅動(dòng)電路、蓄電池、AVR單片機、OV7620攝像頭電路和串口電路。
本文重點(diǎn)研究了BUCK充電電路中MPPT控制算法的實(shí)現，以及基于太陽(yáng)能光伏充電的圖像采集系統的實(shí)現。系統的核心控制器AVR采用高性能、低功耗的ATmega16A單片機。

2 系統硬件設計
2.1 光伏電池充電控制
AVR單片機首先對采集到的太陽(yáng)能電池板充電電壓、電流信號進(jìn)行A/D轉換，得到的數字信號通過(guò)控制器進(jìn)行MPPT算法處理。
BUCK電路中的開(kāi)關(guān)管和續流二極管設計成相似的結構，并用一片內部自帶死區產(chǎn)生的驅動(dòng)芯片進(jìn)行信號的驅動(dòng)放大。
為防止瞬變的高電壓破壞蓄電池，在輸出電壓接到蓄電池之前加上了2片具有高浪涌能力的功率緩沖芯片MBR20100。圖2是光伏電池板對蓄電池的BUCK充電電路硬件原理圖。

2.2 圖像采集電路設計
OV7620攝像頭將拍攝的模擬圖像進(jìn)行抗混疊濾波、放大、A/D轉換以及圖像的開(kāi)窗等預處理，從而轉換為數字圖像數據?？刂破魍ㄟ^(guò)幾個(gè)同步信號按照圖像采集的時(shí)序采集數字圖像數據。
為了盡量減少模擬電路與數字電路之間的地線(xiàn)干擾，在設計中用磁珠將模擬地和數字地隔離開(kāi)。圖像采集及主控制器硬件電路原理圖如圖3所示。
3 系統的軟件設計
3.1 系統的軟件流程
系統的軟件流程圖如圖4所示。

系統由上位機指令啟動(dòng)，實(shí)時(shí)采集電池板電壓數據和數字圖像數據。當檢測到電池板電壓大于10 V時(shí)，延遲3分鐘對電池板電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監測；若3分鐘后電池板電壓仍大于10 V，則進(jìn)入充電狀態(tài)。當采集到蓄電池電壓小于14.7 V時(shí)，啟動(dòng)電流采集電壓/電流信號并根據該信號通過(guò)固定電壓法和雙向擾動(dòng)觀(guān)察法相結合的最大功率跟蹤算法調整輸出的脈寬信號；當檢測到蓄電池電壓大于14.7 V時(shí)，則進(jìn)入浮充狀態(tài)防止過(guò)充。
攝像頭的初始化利用AVR兩線(xiàn)串行接口TWI上I2C協(xié)議的三相寫(xiě)周期對0V7620的功能寄存器進(jìn)行配置。通過(guò)配置相應的寄存器可以使OV7620工作于不同模式，例如要將OV7620設置為16 bit數據格式、320×240輸出格式和連續掃描模式，需通過(guò)如下3個(gè)函數進(jìn)行設置：
I2C_WritePhase(0x42,0x13,0x00);
I2C_WritePhase(0x42,0x14,0x24);
I2C_WritePhase(0x42,0x28,0x20)。
寫(xiě)寄存器的過(guò)程主要是三相傳輸，首先是寫(xiě)允許指令0x42，接著(zhù)傳輸目標寄存器的地址，最后是要寫(xiě)入的數據。
圖像數據的采集根據同步信號VSYNC、HREF、PCLK協(xié)調動(dòng)作來(lái)完成。
上位機采用VC++軟件編寫(xiě)圖像采集界面，通過(guò)串口發(fā)送啟動(dòng)命令并開(kāi)始接收320×240的圖像數據。
3.2 MPPT控制策略
當太陽(yáng)能電池板的輸出功率達到最大值時(shí)，其對應的電壓即最大功率點(diǎn)輸出電壓，固定電壓法是將輸出電壓穩定在一個(gè)固定值上。電池板的輸出功率會(huì )隨光強和溫度的變化而變化，因而該方法的控制精度低。
擾動(dòng)觀(guān)察法是通過(guò)將本次的電池板輸出功率與上次相比較來(lái)確定增加或減少輸出電壓，進(jìn)而實(shí)現MPPT。它存在一個(gè)缺點(diǎn)，即在功率追蹤的過(guò)程中，光強的變化和快速擾動(dòng)等因素都可能導致功率振蕩和誤動(dòng)作，使MPPT控制達不到預期效果。
為克服上述缺點(diǎn)，本文提出一種新型的MPPT控制方法，系統先利用固定電壓法將太陽(yáng)能電池板的輸出功率鎖定到最大功率點(diǎn)（輸出電壓在30 V～38 V內）附近，以保證跟蹤的快速性。在此基礎上，再采用小步長(cháng)的雙向擾動(dòng)觀(guān)察法追蹤太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)，進(jìn)一步提高對光伏陣列的利用效率。
與一般的MPPT算法不同，當外界環(huán)境或負載發(fā)生突變時(shí)由固定電壓法實(shí)現MPPT控制，從而有效地避免了因外界因素引起的誤動(dòng)作。而擾動(dòng)觀(guān)察法主要對最大功率點(diǎn)附近的穩態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，擾動(dòng)步長(cháng)可遠小于一般擾動(dòng)觀(guān)察法的步長(cháng)，并且按照接近最大功率點(diǎn)的方向逐步減少，這樣不僅可以提高控制的精度，而且能有效地減少系統在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現象。本文采用的MPPT算法流程圖如圖5所示。
在雙向擾動(dòng)觀(guān)察法中，系統實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能電池板的電壓電流數據，計算雙向擾動(dòng)(PWM+△PWM或PWM-△PWM)后的功率值(Pi或Pj)，并與擾動(dòng)前的功率值Pnow比較，根據比較結果來(lái)確定下一步的擾動(dòng)方向：當Pi>Pnow時(shí)，繼續按PWM+△PWM擾動(dòng)；當Pj>Pnow時(shí)，繼續按PWM-△PWM擾動(dòng)；當Pnow>Pi且Pnow>Pj時(shí)，調整擾動(dòng)步長(cháng)△PWM=0.5△PWM。當擾動(dòng)步長(cháng)小于系統設定的微小量ε時(shí)，說(shuō)明已找到太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)。
4 實(shí)驗結果
按照太陽(yáng)能光伏電源圖像采集系統的設計方法，系

從采集的波形圖像來(lái)看，兩個(gè)MOS管的驅動(dòng)波形平穩并且達到了良好的互補，兩管的交替導通能夠很好地完成控制器設定的充電策略。電池板的輸出功率達到最大時(shí)占空比不再變化，此時(shí)測試的充電電壓為30.5 V，充電電流為1.92 A，蓄電池輸入電壓為14.67 V，輸入電流為3.64 A，效率達到91.18%，因此該系統采用的MPPT控制算法是一種可行的控制策略。
本文設計了用于圖像監控的太陽(yáng)能電源圖像采集系統，傳輸方式上系統采用有線(xiàn)傳輸，適用于近距離傳輸的場(chǎng)合。今后可利用SPI接口在本系統上嘗試遠程圖像無(wú)線(xiàn)傳輸。在光伏充電策略中提出了一種新型的MPPT控制策略，使得光伏發(fā)電的穩定性和準確性得到了很大的改善。實(shí)驗證明，該系統工作穩定可靠。
參考文獻
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