基于太陽能電源的圖像采集系統(tǒng)

隨著能源危機(jī)的加劇，新能源的利用已經(jīng)成為各個國家長遠(yuǎn)的發(fā)展戰(zhàn)略。光伏能源以其可再生性和無污染的優(yōu)勢，被公認(rèn)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(jiān)控的場合，利用太陽能為監(jiān)控設(shè)備供電，不僅減少了架設(shè)電網(wǎng)的費(fèi)用，而且提高了能源的利用率[3]。
在太陽能充電的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)策略上，近年來出現(xiàn)了各種MPPT控制算法。參考文獻(xiàn)[4-6]中提到常用的固定電壓法CV(Constant Voltage)和擾動觀察法PO(Perturbation and Observation)具有控制思路簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在各自的缺陷。
本文針對擾動觀察法在外界環(huán)境或負(fù)載突變時，因快速擾動造成功率振蕩和誤判的缺點(diǎn)，提出了固定電壓法結(jié)合擾動觀察法的MPPT控制方法[7]。
在圖像采集部分，由于CMOS圖像傳感器具有價格低廉、重量輕、功耗小等優(yōu)勢，采用美國Omnivision公司開發(fā)的CMOS彩色圖像傳感器芯片OV7620進(jìn)行圖像采集設(shè)計[8]，給出了基于太陽能電源的圖像采集設(shè)計方案。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
基于太陽能光伏電源的圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括太陽能電池板、防雷擊電路、電壓/電流采集電路、BUCK充電電路、驅(qū)動電路、蓄電池、AVR單片機(jī)、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控制算法的實現(xiàn)，以及基于太陽能光伏充電的圖像采集系統(tǒng)的實現(xiàn)。系統(tǒng)的核心控制器AVR采用高性能、低功耗的ATmega16A單片機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 光伏電池充電控制
AVR單片機(jī)首先對采集到的太陽能電池板充電電壓、電流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號通過控制器進(jìn)行MPPT算法處理。
BUCK電路中的開關(guān)管和續(xù)流二極管設(shè)計成相似的結(jié)構(gòu)，并用一片內(nèi)部自帶死區(qū)產(chǎn)生的驅(qū)動芯片進(jìn)行信號的驅(qū)動放大。
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(shè)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(zhuǎn)換以及圖像的開窗等預(yù)處理，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)?？刂破魍ㄟ^幾個同步信號按照圖像采集的時序采集數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。
為了盡量減少模擬電路與數(shù)字電路之間的地線干擾，在設(shè)計中用磁珠將模擬地和數(shù)字地隔離開。圖像采集及主控制器硬件電路原理圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)的軟件流程
系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)由上位機(jī)指令啟動，實時采集電池板電壓數(shù)據(jù)和數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到電池板電壓大于10 V時，延遲3分鐘對電池板電壓進(jìn)行實時監(jiān)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(dāng)采集到蓄電池電壓小于14.7 V時，啟動電流采集電壓/電流信號并根據(jù)該信號通過固定電壓法和雙向擾動觀察法相結(jié)合的最大功率跟蹤算法調(diào)整輸出的脈寬信號；當(dāng)檢測到蓄電池電壓大于14.7 V時，則進(jìn)入浮充狀態(tài)防止過充。
攝像頭的初始化利用AVR兩線串行接口TWI上I2C協(xié)議的三相寫周期對0V7620的功能寄存器進(jìn)行配置。通過配置相應(yīng)的寄存器可以使OV7620工作于不同模式，例如要將OV7620設(shè)置為16 bit數(shù)據(jù)格式、320×240輸出格式和連續(xù)掃描模式，需通過如下3個函數(shù)進(jìn)行設(shè)置：
I2C_WritePhase(0x42,0x13,0x00);
I2C_WritePhase(0x42,0x14,0x24);
I2C_WritePhase(0x42,0x28,0x20)。
寫寄存器的過程主要是三相傳輸，首先是寫允許指令0x42，接著傳輸目標(biāo)寄存器的地址，最后是要寫入的數(shù)據(jù)。
圖像數(shù)據(jù)的采集根據(jù)同步信號VSYNC、HREF、PCLK協(xié)調(diào)動作來完成。
上位機(jī)采用VC++軟件編寫圖像采集界面，通過串口發(fā)送啟動命令并開始接收320×240的圖像數(shù)據(jù)。
3.2 MPPT控制策略
當(dāng)太陽能電池板的輸出功率達(dá)到最大值時，其對應(yīng)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(wěn)定在一個固定值上。電池板的輸出功率會隨光強(qiáng)和溫度的變化而變化，因而該方法的控制精度低。
擾動觀察法是通過將本次的電池板輸出功率與上次相比較來確定增加或減少輸出電壓，進(jìn)而實現(xiàn)MPPT。它存在一個缺點(diǎn)，即在功率追蹤的過程中，光強(qiáng)的變化和快速擾動等因素都可能導(dǎo)致功率振蕩和誤動作，使MPPT控制達(dá)不到預(yù)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(tǒng)先利用固定電壓法將太陽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(nèi)）附近，以保證跟蹤的快速性。在此基礎(chǔ)上，再采用小步長的雙向擾動觀察法追蹤太陽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(dāng)外界環(huán)境或負(fù)載發(fā)生突變時由固定電壓法實現(xiàn)MPPT控制，從而有效地避免了因外界因素引起的誤動作。而擾動觀察法主要對最大功率點(diǎn)附近的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，擾動步長可遠(yuǎn)小于一般擾動觀察法的步長，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(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn)象。本文采用的MPPT算法流程圖如圖5所示。
在雙向擾動觀察法中，系統(tǒng)實時采集太陽能電池板的電壓電流數(shù)據(jù)，計算雙向擾動(PWM+△PWM或PWM-△PWM)后的功率值(Pi或Pj)，并與擾動前的功率值Pnow比較，根據(jù)比較結(jié)果來確定下一步的擾動方向：當(dāng)Pi>Pnow時，繼續(xù)按PWM+△PWM擾動；當(dāng)Pj>Pnow時，繼續(xù)按PWM-△PWM擾動；當(dāng)Pnow>Pi且Pnow>Pj時，調(diào)整擾動步長△PWM=0.5△PWM。當(dāng)擾動步長小于系統(tǒng)設(shè)定的微小量ε時，說明已找到太陽能電池板的最大功率點(diǎn)。
4 實驗結(jié)果
按照太陽能光伏電源圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計方法，系

從采集的波形圖像來看，兩個MOS管的驅(qū)動波形平穩(wěn)并且達(dá)到了良好的互補(bǔ)，兩管的交替導(dǎo)通能夠很好地完成控制器設(shè)定的充電策略。電池板的輸出功率達(dá)到最大時占空比不再變化，此時測試的充電電壓為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(dá)到91.18%，因此該系統(tǒng)采用的MPPT控制算法是一種可行的控制策略。
本文設(shè)計了用于圖像監(jiān)控的太陽能電源圖像采集系統(tǒng)，傳輸方式上系統(tǒng)采用有線傳輸，適用于近距離傳輸?shù)膱龊?。今后可利用SPI接口在本系統(tǒng)上嘗試遠(yuǎn)程圖像無線傳輸。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(wěn)定性和準(zhǔn)確性得到了很大的改善。實驗證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。
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