基于單片機(jī)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源控制器設(shè)計(jì)＊

揭子堯，吳 楨，李德寶，覃禹智，陳 海

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)主要是在機(jī)翼上裝設(shè)光伏電池，在機(jī)身和副翼內(nèi)裝設(shè)儲(chǔ)能電池，通過(guò)能源控制器的作用為無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)施和航電系統(tǒng)供能，完成航行工作。其中，有代表性并且續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)有Helios、Zephyr和Sky-Sailor等[1-5]。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)現(xiàn)在還是新秀，它面臨著許多新的技術(shù)關(guān)卡和需要解決的技術(shù)問(wèn)題。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)尋求“永久航行”，針對(duì)其對(duì)續(xù)航可靠性的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能能源控制器。該控制器可使無(wú)人機(jī)電源在光伏電池與鋰電池間穩(wěn)定、可靠地切換。控制器主要由AT89C51單片機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度檢測(cè)、自動(dòng)切換電源等功能，具有供電連續(xù)、穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且AT89C51單片機(jī)體積小、低功耗、控制能力強(qiáng)，可以在充分考慮天氣變化、光照強(qiáng)度變化的前提下使太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)完成長(zhǎng)時(shí)間的航行。

1 電氣控制總體設(shè)計(jì)

此無(wú)人機(jī)機(jī)身內(nèi)部設(shè)置能源控制器、儲(chǔ)能電池和動(dòng)力執(zhí)行單元，機(jī)翼上覆蓋光伏電池板，能源控制器由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、光照檢測(cè)電路、單片機(jī)和用于控制光伏電池向儲(chǔ)能鋰電池充電的開(kāi)關(guān)控制電路組成，光伏電池經(jīng)緩沖電路后分兩路輸出，一路輸出至動(dòng)力執(zhí)行單元，另一路輸出至儲(chǔ)能電池，儲(chǔ)能電池向動(dòng)力執(zhí)行單元供電[6-8]。電氣控制總體情況如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器電源電路

控制器正常工作電壓為5 V，控制器采用12 V的鋰電池供電，鋰電池電壓不穩(wěn)定，而且電壓過(guò)高，因此，需要對(duì)電源進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。該控制器采用三端穩(wěn)壓器LM7805，其IN端輸入電壓在（15±9）V時(shí)均可使OUT端輸出+5 V的穩(wěn)定電壓[9]。因此，采用LM7805能很好地滿足控制器工作電壓。控制器電源電路如圖2所示。

圖1 電氣控制總體圖

圖2 控制器電源電路圖

2.2 光照檢測(cè)電路

光伏電池的取樣效果對(duì)控制器運(yùn)行起著十分重要的作用，是判斷光照強(qiáng)弱的關(guān)鍵。當(dāng)光照充足，光伏電池電壓高于一定值時(shí)，可根據(jù)鋰電池的狀態(tài)決定充電與否；當(dāng)光照不足，光伏電池電壓低于一定值時(shí)，則根據(jù)鋰電池的狀態(tài)決定負(fù)載工作與否。此

處采用的硅光電二極管BPW34光照強(qiáng)度傳感器具有良好的光譜靈敏的特性。光照強(qiáng)度檢測(cè)電路如圖3所示，其工作過(guò)程為：硅光電二極管BPW34感應(yīng)環(huán)境光照強(qiáng)度輸出短路電流，然后該短路電流經(jīng)由LM358等元件組成的放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后由單片機(jī)AT89C51控制ADC0809，將LM358輸出電壓轉(zhuǎn)換為環(huán)境光照強(qiáng)度，將此光照強(qiáng)度值反映到地面監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)觀察光照強(qiáng)度[10]。

圖3 光照檢測(cè)電路圖

2.3 開(kāi)關(guān)控制電路

開(kāi)關(guān)控制電路原理如圖4所示，電路通過(guò)緩沖驅(qū)動(dòng)芯片7407放大光耦TIL 117的輸入電流，采用光耦TIL 117隔離單片機(jī)AT89C51與開(kāi)關(guān)控制部分之間電路，以消除開(kāi)關(guān)控制部分對(duì)單片機(jī)AT89C51的干擾，增加控制器的穩(wěn)定性；開(kāi)關(guān)控制是通過(guò)繼電器G2R-14-DC5實(shí)現(xiàn)的，其中，MOSFET9013為G2R-14-DC5供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流，采用二極管1N4001避免繼電器G2R-14-DC5感應(yīng)電壓損壞MOSFET9013。電路工作過(guò)程是：當(dāng)單片機(jī) AT89C51管腳22輸出低電平時(shí)，光耦TIL 117輸出電流，使MOSFET9013導(dǎo)通，然后繼電器G2R-14-DC5線圈中產(chǎn)生電流，從而開(kāi)關(guān)K1閉合；反之，則開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)。開(kāi)關(guān)K1連接儲(chǔ)能電池，如果在某一時(shí)間間隔內(nèi)2次檢測(cè)的光照強(qiáng)度均小于預(yù)設(shè)的光照強(qiáng)度下限，并且開(kāi)關(guān)K1為開(kāi)，則閉合開(kāi)關(guān)K1，此時(shí)無(wú)人機(jī)有儲(chǔ)能電池供電；如果在某一時(shí)間間隔內(nèi)2次檢測(cè)的光照強(qiáng)度均大于預(yù)設(shè)的光照強(qiáng)度上限，并且K1為關(guān)，則打開(kāi)K1，此時(shí)無(wú)人機(jī)由光伏電池供電。

圖4 開(kāi)關(guān)控制電路圖

3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

控制器中單片機(jī)程序主要包含以下部分：①光照強(qiáng)度檢測(cè)。將采集的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓后，由ADC0809將LM358輸出電壓轉(zhuǎn)換為環(huán)境光照強(qiáng)度。②開(kāi)關(guān)控制。對(duì)檢測(cè)的光照強(qiáng)度和能維持光伏電池正常工作電流的光照強(qiáng)度上下限進(jìn)行比較，從而控制開(kāi)關(guān)關(guān)合。③數(shù)據(jù)顯示。采集的光照強(qiáng)度通過(guò)液晶顯示屏LM016L呈現(xiàn)。

3.2 光照檢測(cè)部分

環(huán)境光照強(qiáng)度檢測(cè)部分主要包括以下2步：①根據(jù)ADC0809的控制方法采集電壓信號(hào)；②再由ADC0809將

LM358輸出電壓轉(zhuǎn)換為環(huán)境光照強(qiáng)度。

實(shí)現(xiàn)環(huán)境光照強(qiáng)度檢測(cè)的程序如下所示：

sbit START=P2^2;//啟動(dòng)信號(hào)輸入端

sbit OE=P2^3;//輸出允許端

sbit END=P3^5;//轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端

sbit CLK=P3^6;//時(shí)鐘信號(hào)輸入端

START=0;//開(kāi)始轉(zhuǎn)換

OE=0;//不允許輸出

if(END==1)//若轉(zhuǎn)換結(jié)束

{START=1;//停止轉(zhuǎn)換

OE=1;//允許輸出

AD=P0;//讀取采集的電壓信號(hào)

OE=0;//不允許輸出

intensity=AD*1.96*4.16667;}//將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為光照強(qiáng)度

3.3 開(kāi)關(guān)控制部分

開(kāi)關(guān)控制部分的工作原理流程如圖5所示。

圖5 開(kāi)關(guān)控制流程圖

開(kāi)關(guān)控制的程序如下所示：

if(state==0)//如果開(kāi)關(guān)為開(kāi)

{On=0;//開(kāi)計(jì)數(shù)變量置0

If(intensity>=UpLim)//若光強(qiáng)不小于上限

Off=Off+1;}

if(State=1)//如果開(kāi)關(guān)為關(guān)

{Off=0;//關(guān)計(jì)數(shù)變量置0

if(intensity>LowLim)//若光強(qiáng)大于下限

On=0;

if(intensity<=LowLim)//若光強(qiáng)不大于下限

On=On+1;}

if(On=2500)

{State=0;}//開(kāi)關(guān)閉合

if(Off>=2500)

{state=1;}//開(kāi)關(guān)斷開(kāi)

3.4 控制器測(cè)試分析

為了測(cè)試該太陽(yáng)能能源控制器的功能，將控制器搭載至小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)上對(duì)控制器各個(gè)功能進(jìn)行了15次測(cè)試，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間的考察和地面觀察平臺(tái)的數(shù)據(jù)反饋，記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，該控制器能完成開(kāi)關(guān)控制、數(shù)據(jù)顯示等各項(xiàng)功能，且運(yùn)行效果很好。

表1 控制器測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，該能源控制器具有光照檢測(cè)、根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)切換電源、數(shù)據(jù)顯示等功能，能延長(zhǎng)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。將來(lái)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高續(xù)航能力[11]，因而對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)會(huì)提出更高的要求，諸如提高硅電池陣轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量比功率、無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)輕型化設(shè)計(jì)、研究太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)新型布局等。

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