Design of the Efficient Control System of Automatic Meteorological Station*

YIN Jing，TANG Huiqiang，JIANG Qian

(1.Forecast Meteorological Disaster Warning and Assessment Collaboration Innovation Center of Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.School of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

Design of the Efficient Control System of Automatic Meteorological Station*

YIN Jing2*，TANG Huiqiang1，2，JIANG Qian2

(1.Forecast Meteorological Disaster Warning and Assessment Collaboration Innovation Center of Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.School of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

The small power of solar power control system is introduced for automatic meteorological station．On the basis of detecting of battery and solar characteristics，the system can adjust the charging voltage and current to detecting the optimum charging strategy to make full use of the solar energy instantly．At the same time it has the ability to power detection，information storage and processing，real time monitoring，display and quick charging for lithium polymer battery，etc．The paper analyzes the system structure，work principle and work efficiency，the experimental results show that the highest power generation efficiency reaches up to 95%．The system can satisfy the demand of automatic meterological station．

solar power;power detection;real time monitoring;lithium battery

自动气象站是一种主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成的能自动采集气象数据的设备。一般采用大容量的蓄电池或锂电池供电。在野外，自动气象站的电源通常来自太阳能电池，通过控制器对充电电池充电。一般而言，太阳能电池的有效输出时间每天只有5 h左右。而高效的太阳能控制系统的设计能够充分利用太阳能为负载供电、为锂电池快速充电。

本文设计的电池充电方案，能有效克服因过充或欠充影响电池使用寿命、效率低下、不能及时检测等缺点。

1　控制系统设计方案

自动气象站太阳能充电效率与太阳能电池效率、控制器效率和充电效率有关。由于光伏电池的制作材料不同，内部禁带宽度不同、对各种光波长光的响应不同等原因，其光电转换效率η也不同。目前按常规工艺生产的光伏电池其效率大约只有10%～18%左右，即便通过改善电池的工艺手段和流程，其实际效率也只能达到20%左右［1］。论文从提高电池充电效率角度出发，为自动气象站设计了高效控制系统。

控制系统框图如图1所示，系统硬件由电力主电路和控制电路两部分组成。电力主电路主要包为DC/DC降压变换电路［2］，控制电路主要包括电压采集、电流采集、电池电量采集、驱动输出、显示电路等。充电电池采用大容量锂聚合物电池，内置了充放电保护电路，具有较高的安全性。在外界光照条件不好的阴雨天或雾霾天气，由锂电池向负载供电;在光照条件良好的晴天，由经过控制电路的太阳能电板为负载供电并给锂电池充电。充电控制电路以LTC4008芯片为核心，通过编程设置电池的最大充电电流为3 A，充电电压为12．6 V。充电过程中，单片机通过对太阳能电池板电压、电流、锂电池电压、负载电流等参数的循环检测、判断、控制驱动电路实现对锂电池充电的智能控制。控制系统中各检测参数，可通过LCD显示，若出现异常将会报警，方便用户查询数据，分析异常原因。

图1　系统框架图

2　主要单元电路设计

2．1MPPT控制策略及实施方法

针对光伏电池的输出特性为非线性特征，要提高发电系统的整体效率，就必须改变系统负载特性，使发电系统工作在最大功率点附近，即最大功率点跟踪(MPPT)［3］。

MPPT算法可分为3大类:基于参数选择方式的间接控制法，基于采样数据的直接控制法和基于现代控制理论的人工智能控制法。间接控制法没有真正实现在线实时跟踪与控制，相对误差较大，现代控制法虽控制精度较高，但控制算法实现过程较为复杂，工程代价较高，故论文采用被测参数较少，控制结构简单，控制算法较易实现［4］的方法。通过控制Buck变换电路的占空比D，调节光伏电池的输出电压，从而实现MPPT控制，稳态时负载端电压VL与光伏电池输出端电压VPV满足VL=DVPV，控制流程图如图2所示。

图2　占空比控制流程图

设计中采用无锡光合太阳能有限公司的太阳能电池板GHM－20，最佳工作电压17．5 V，最佳工作电流1．14 A，开路电压21．5 V，短路电流1．29 A，最大功率20 W。根据反复实验可得，最佳占空比的初始值为85%，能较快实现快速跟踪。然后通过电压电流采样电路(如图3所示)检测出光伏电池的输出电压、输出电流，由于采用的C8051F020内置A/D转换器，能检测的电压范围为0～2．43 V，故需要分压。电流检测采用霍尔传感器ACS712，按照输出电压与输入电流的线性关系I=(VOUT－VQ)/185，得到电流值，计算出输出功率。然后在初始占空比的基础上加一个正向扰动量，再次检测输出功率。如果PN＞PN－1，则增加占空比D，若PN＜PN－1，则减小占空比D。如此循环，直到输出功率在光伏电池输出的最佳功率的很小范围内，即认为实现了最大功率点跟踪。

图3　电压电流采样电路

2．2充电方法及电路设计

2．2．1充电策略

因为一天之中太阳能电池输出最佳时间只有5 h左右，所以要提高电池的充电效率，则需在最短的时间内将锂聚合物电池充满。目前常见的充电方法有:恒流－恒压充电、急充电、分段充电和脉冲充电法等［5］。在此提出一种基于恒流－恒压充电模式的改进充电法，在恒流－恒压充电模式的基础上，结合软件控制实现对锂聚合物电池的快速充电，充分利用太阳能。在锂聚合物电池的电压达到安全充电电压前，通过增加充电器输出电压与电池间的压差将充电电流维持在最大，同时实时检测电池端电压，在电池电压达到安全电压上限或电池温度达到50℃时，转入恒压充电阶段。针对所选用的3节串联的10．8 V电池，最高电压为12．6 V，充电控制策略流程如图4所示。

图4　充电过程流程图

2．2．2充电控制电路

充电模块采用美国凌特公司生产的充电控制芯片LTC4008及外围电路组成，如图5所示。LTC4008内部集成了热敏电阻检测输入电路、控制单元及MOSFET栅极驱动器等，适用于电压28 V以下的电池，对锂电池采用恒压/恒流方式充电［6］。

图5　充电控制电路

(1)充电电流的设定。

其中VREF为芯片内部参考电压，VREF=1．19 V，设置RSENSE=0．033 Ω，RPROG=26．7 kΩ，可得充电电流最大值ICHARGE(MAX)=3A。

充电电流通过在RPROG与地之间连接MOSFET场效应管，栅极通过C8051F020施加的PWM驱动电压进行编程。CPROG用来降低RPROG开关所造成的纹波，ITH端的补偿电容在启动条件下提高稳定性防止过充电流，充电电流的大小与开关的占空比成正比。

(2)充电电压的设定。

(3)电感器的选择。

开关电路允许在较高的工作频率使用较小的电容和电感，但是频率过高会由于MOSFET的栅极电荷损耗，导致效率降低。由可得电感纹波电流ΔIL会随频率的升高而减小，并随输入电压UIN增加而增大，电感值大一些有利于减小纹波电流，经反复试验，电感取值27μH。

(4)MOSFET场效应管和二极管的选择。

开关电源的损耗除了部分来自电感和电容，大部分来自MOSFET和二极管的传导损耗和开关损耗。选择低导通电阻、可快速切换的MOSFET和低导通压降、快速恢复的二极管可有效减小开关器件的损耗［7］。在本设计中采用飞思卡尔的FDC645N、Si4431DY和安森美半导体的MBRS130T3，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断。

充电过程中，当温度超过50℃时，充电器会暂停充电，直至电池温度降至50℃以内，再自动恢复充电。在充电过程中，随着电池充电接近终止电压12．6 V，充电电流开始减小。当电流降至满充电电流的10%时，芯片指示电池进入恒压充电状态。当ACP/SHDN脚为低电平，充电过程结束。

2．3电池电量检测电路

为了进一步提高电池的使用安全性，采用Dallas公司推出的高精度锂电池监测芯片DS2762。该芯片集数据采集、信息存储、安全保护于一身，还具有功能强大、体积小、硬件电路简单等优势。它可实时对锂电池的电流、电压、剩余电量和充放电情况进行监测，并把采集的数据存储供与单片机处理［8］。

图6　电量监测电路

以DS2762为核心的电量监测系统的硬件结构如图6所示。锂电池电量监测系统由电池监测芯片、51系列单片机、液晶显示模块组成。DS2762芯片通过一根双向数据线实现与单片机的通讯，内部集成了A/D转换器和数字温度传感器，检测系统通过单片机对DS2762发出采集电池的温度、电压的控制命令，待数据采集完毕将测量值存入相应的寄存器。此外，DS2762利用片内电流累加寄存器的值对电池的剩余电量进行计算，可通过单片机读取。同时该芯片具有两种工作模式:工作方式和睡眠方式。在正常工作模式时，可实现检测电池电量参数，而在睡眠模式时，将停止检测行为。

3　实验测试

3．1降压转换效率测试

降压转换器分别在15 V DC、19 V DC输入，12．6 V输出时，实验所记录的充电电流与转换效率，效率最高可达95%，具体见表1。

表1　降压转换效率测试

3．2充电器能输出电压纹波测试

经测试，充电器输出的噪声电压小于10 mV，如图7所示，能达到预期的充电效果。

图7　充电器输出噪声电压

4　结语

本文介绍的自动气象站用高效发电系统以太阳能为能源，利用智能充电管理外围电路简单的特点，结合电量检测芯片，能够为锂聚合物电池快速充电，能实时检测并存储电池电量，检查故障。实验证明该控制系统能够满足自动气象站的正常工作运转。同时，太阳能作为可再生能源，在使用该系统的同时为环保做出了贡献。

［1］赵争鸣，陈剑，孙晓英．太阳能光伏发电最大功率点跟踪．［M］．北京:电子工业出版社，2012:14－15．

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［3］崔岩，蔡炳煌，李大勇．太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究［J］．太阳能学报，2006(6):535－540．

［4］叶秋香，郑建立．光伏电池最大功率跟踪器的研究与开发［J］．东华大学学报(自然科学版)，2007(1):78－83．

［5］孙艳玲，罗友，张东清．一种基于单片机实时显示太阳能充放电控制器设计［J］．电子器件，2010(4):435－439．

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印晶(1989－)，男，汉族，江苏泰兴人，南京信息工程大学信息与控制学院硕士研究生，主要研究方向为智能仪器，798429938@qq．com;

唐慧强(1965－)，男，汉，浙江嘉兴人，南京信息工程大学信息与控制学院，教授，博/硕导，主要研究方向为仪器仪表、物联网，thq@nuist．edu．cn。

EEACC:8250;771010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．039

自动气象站用太阳能高效控制器的设计*

印晶2*，唐慧强1，2，蒋钱2
(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044; 2.南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)

介绍了供自动气象站用的小功率太阳能电源控制系统，能够在检测电池及太阳能特性的基础上，及时调整充电电压及电流来确定优化的充电策略，以充分利用太阳能。同时系统具有信息存储、实时监测和显示等特点，实现锂电池的快速充电。论文分析了系统的构成、工作原理和工作效率，实验表明，其发电量的利用效率最高可达95%，系统能够满足自动气象站的用电需求。

太阳能;电量检测;实时监测;锂电池

TM914．4;TH851

A文献标识码:1005－9490(2015)01－0184－05

2014－03－06修改日期:2014－04－10

项目来源:国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ170003)