無線傳感器網(wǎng)絡太陽能電源管理電路設計

【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)在我國的大力發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢之一——無線傳感器網(wǎng)絡,在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進程中扮演著越來越重要的角色,被人們越來越廣泛的應用于日常生活中的數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等方面。通常無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點大致由傳感器電路、微控制器電路、無線通信電路、電源供電電路這四部分構成。在節(jié)點電路中,電源通常是電池供電方式,供電電路往往決定著無線傳感器節(jié)點的工作壽命周期,是節(jié)點電路中的重要組成部分。目前,若采用大容量的干電池作為無線傳感器節(jié)點的電源,干電池電量會很在運行一端時間后消耗殆盡。因此采用能量有限的干電池供電方式,則會導致更換電池的工作會造成人力和維護的成本很大。然而,若無線傳感器節(jié)點采用太陽能供電的方式,對于那些在戶外工作的無線傳感器節(jié)點,該方式能常年持續(xù)供電,不用更換電池,同時太陽能作為綠色能源,具有環(huán)保節(jié)能,無污染,易維護的特點。目前人們廣泛的在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電源電路中采用太陽能供電的方式。 對于太陽能電源管理電路,它包含由太陽能電池板模塊,充放電管理電路和蓄電池模塊這三部分,對它進行電路設計的關鍵問題有下述兩個方面。從電路功能的角度,在充電方面,電源管理電路需要實時監(jiān)測電池的充電電流和電池端電壓,避免因為過度充電而導致電池損壞,發(fā)生漏液等現(xiàn)象；在放電方面,需要對電池作放電保護,在線監(jiān)測電池端電壓,以防止因為過度放電而導致電池損壞。從能量充分利用的角度,太陽能電源管理電路還要能實時跟蹤太陽能電池板的最大功率點(MPPT),達到最大限度的充分利用太陽能電池板輸出能量。太陽能電池板的輸出能量經(jīng)過DCDC轉換后用于給電池和超級電容進行充電,DCDC電路的輸出能量可以通過電源管理電路進行合理的存儲,以達到對系統(tǒng)的輸入能量和輸出能量都進行最大限度的利用。 本文設計了一種能源利用率較高的太陽能電源管理電路,該電源管理電路采用電池和超級電容兩級能量存儲機制來實現(xiàn)對太陽能電池板輸出能量的合理分配,達到對電池的最優(yōu)充電保護,以保證該系統(tǒng)能夠長壽命工作,而不需要更換電池。 本文還提出一種通過控制DCDC變換器輸出最大電流的方法跟蹤太陽能電池板的最大功率點,在該方法基礎上將模糊邏輯控制理論應用于太陽能電源管理電路進行智能化充放電管理。建立了DCDC電路的數(shù)學模型,通過Matlab理論推導證明了通過控制得到最大輸出電流的方法跟蹤最大功率點的可行性。針對上述模型,采用STM8L型超低功耗單片機控制Sepic變換器電路構成電源管理電路。較好的實現(xiàn)了跟蹤3W小功率電池板的最大功率點,對儲能元件蓄電池的恒流恒壓充電控制以及過充過放保護控制。實驗結果證實了通過采樣最大輸出電流的方法跟蹤最大功率點在理論上的合理性和正確性,實現(xiàn)了太陽能電源管理電路的最優(yōu)充電和放電控制。論文中設計的電源管理電路應用在基于無線傳感器網(wǎng)絡的介質損耗在線測量項目中,電源管理電路轉換的效率達到80%以上,電源管理電路的靜態(tài)工作電流小于1mA,在不同的溫度和光照強度下,電源管理電路可以智能地根據(jù)環(huán)境條件對系統(tǒng)進行最大功率點跟蹤和動態(tài)的電源管理,實驗結果證實電路成本低廉,且穩(wěn)定性、可靠性很高。 【關鍵詞】：線傳感器網(wǎng)絡(WSN) 最大功率點跟蹤(MPPT) 模糊邏輯 DCDC STM8L
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP212.9;TN929.5;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 課題研究背景及意義12-13
• 1.2 課題國內外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 課題主要研究目的15
• 1.4 課題主要研究內容15-17
• 1.5 小結17-18
• 第2章 電源管理電路設計參數(shù)分析18-29
• 2.1 無線傳感器節(jié)點能耗分析18
• 2.2 能量存儲模塊分析18-23
• 2.3 太陽能電池板模塊分析23-25
• 2.4 電源管理控制電路模塊分析25-29
• 2.4.1 微控制器選型分析26-27
• 2.4.2 DCDC電路拓撲選型分析27-29
• 第3章 電源管理電路的工作原理29-42
• 3.1 概述29
• 3.2 系統(tǒng)能量流動原理29-31
• 3.3 最大功率點跟蹤原理31-39
• 3.3.1 太陽能電池板數(shù)學模型31-37
• 3.3.2 基于最大輸出電流的MPPT原理37-39
• 3.4 儲能元件的充電原理39-42
• 3.4.1 蓄電池的充電原理39-41
• 3.4.2 超級電容的充電原理41-42
• 第4章 電源管理電路硬件設計42-56
• 4.1 電源管理電路硬件系統(tǒng)結構42
• 4.2 DCDC轉換電路設計42-50
• 4.3 微控制器電路設計50-52
• 4.4 AD采樣電路設計52-54
• 4.5 電源路徑管理電路54-56
• 第5章 電源管理電路軟件設計56-62
• 5.1 MPPT控制算法設計56-57
• 5.1.1 MPPT控制算法概述56
• 5.1.2 MPPT控制算法設計56-57
• 5.2 鉛酸電池充電控制算法設計57-59
• 5.3 電源管理控制算法設計59-62
• 第6章 電源管理電路實驗數(shù)據(jù)和成果62-65
• 6.1 MPPT實驗數(shù)據(jù)62
• 6.2 充電實驗數(shù)據(jù)62-63
• 6.3 研究成果63-65
• 第7章 總結和展望65-67
• 7.1 總結65-66
• 7.1.1 創(chuàng)新點65
• 7.1.2 工作總結65-66
• 7.2 展望66-67
• 參考文獻67-72
• 作者簡介及科研成果72-73
• 后記和致謝73

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