无线传感器网络太阳能电源管理电路设计

【摘要】：随着物联网在我国的大力发展,物联网的神经末梢之一——无线传感器网络,在物联网的发展进程中扮演着越来越重要的角色,被人们越来越广泛的应用于日常生活中的数据采集、工业控制等方面。通常无线传感网络的节点大致由传感器电路、微控制器电路、无线通信电路、电源供电电路这四部分构成。在节点电路中,电源通常是电池供电方式,供电电路往往决定着无线传感器节点的工作寿命周期,是节点电路中的重要组成部分。目前,若采用大容量的干电池作为无线传感器节点的电源,干电池电量会很在运行一端时间后消耗殆尽。因此采用能量有限的干电池供电方式,则会导致更换电池的工作会造成人力和维护的成本很大。然而,若无线传感器节点采用太阳能供电的方式,对于那些在户外工作的无线传感器节点,该方式能常年持续供电,不用更换电池,同时太阳能作为绿色能源,具有环保节能,无污染,易维护的特点。目前人们广泛的在无线传感器网络节点的电源电路中采用太阳能供电的方式。 对于太阳能电源管理电路,它包含由太阳能电池板模块,充放电管理电路和蓄电池模块这三部分,对它进行电路设计的关键问题有下述两个方面。从电路功能的角度,在充电方面,电源管理电路需要实时监测电池的充电电流和电池端电压,避免因为过度充电而导致电池损坏,发生漏液等现象；在放电方面,需要对电池作放电保护,在线监测电池端电压,以防止因为过度放电而导致电池损坏。从能量充分利用的角度,太阳能电源管理电路还要能实时跟踪太阳能电池板的最大功率点(MPPT),达到最大限度的充分利用太阳能电池板输出能量。太阳能电池板的输出能量经过DCDC转换后用于给电池和超级电容进行充电,DCDC电路的输出能量可以通过电源管理电路进行合理的存储,以达到对系统的输入能量和输出能量都进行最大限度的利用。 本文设计了一种能源利用率较高的太阳能电源管理电路,该电源管理电路采用电池和超级电容两级能量存储机制来实现对太阳能电池板输出能量的合理分配,达到对电池的最优充电保护,以保证该系统能够长寿命工作,而不需要更换电池。 本文还提出一种通过控制DCDC变换器输出最大电流的方法跟踪太阳能电池板的最大功率点,在该方法基础上将模糊逻辑控制理论应用于太阳能电源管理电路进行智能化充放电管理。建立了DCDC电路的数学模型,通过Matlab理论推导证明了通过控制得到最大输出电流的方法跟踪最大功率点的可行性。针对上述模型,采用STM8L型超低功耗单片机控制Sepic变换器电路构成电源管理电路。较好的实现了跟踪3W小功率电池板的最大功率点,对储能元件蓄电池的恒流恒压充电控制以及过充过放保护控制。实验结果证实了通过采样最大输出电流的方法跟踪最大功率点在理论上的合理性和正确性,实现了太阳能电源管理电路的最优充电和放电控制。论文中设计的电源管理电路应用在基于无线传感器网络的介质损耗在线测量项目中,电源管理电路转换的效率达到80%以上,电源管理电路的静态工作电流小于1mA,在不同的温度和光照强度下,电源管理电路可以智能地根据环境条件对系统进行最大功率点跟踪和动态的电源管理,实验结果证实电路成本低廉,且稳定性、可靠性很高。 【关键词】：线传感器网络(WSN) 最大功率点跟踪(MPPT) 模糊逻辑 DCDC STM8L
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.9;TN929.5;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 课题国内外研究现状13-15
• 1.3 课题主要研究目的15
• 1.4 课题主要研究内容15-17
• 1.5 小结17-18
• 第2章 电源管理电路设计参数分析18-29
• 2.1 无线传感器节点能耗分析18
• 2.2 能量存储模块分析18-23
• 2.3 太阳能电池板模块分析23-25
• 2.4 电源管理控制电路模块分析25-29
• 2.4.1 微控制器选型分析26-27
• 2.4.2 DCDC电路拓扑选型分析27-29
• 第3章 电源管理电路的工作原理29-42
• 3.1 概述29
• 3.2 系统能量流动原理29-31
• 3.3 最大功率点跟踪原理31-39
• 3.3.1 太阳能电池板数学模型31-37
• 3.3.2 基于最大输出电流的MPPT原理37-39
• 3.4 储能元件的充电原理39-42
• 3.4.1 蓄电池的充电原理39-41
• 3.4.2 超级电容的充电原理41-42
• 第4章 电源管理电路硬件设计42-56
• 4.1 电源管理电路硬件系统结构42
• 4.2 DCDC转换电路设计42-50
• 4.3 微控制器电路设计50-52
• 4.4 AD采样电路设计52-54
• 4.5 电源路径管理电路54-56
• 第5章 电源管理电路软件设计56-62
• 5.1 MPPT控制算法设计56-57
• 5.1.1 MPPT控制算法概述56
• 5.1.2 MPPT控制算法设计56-57
• 5.2 铅酸电池充电控制算法设计57-59
• 5.3 电源管理控制算法设计59-62
• 第6章 电源管理电路实验数据和成果62-65
• 6.1 MPPT实验数据62
• 6.2 充电实验数据62-63
• 6.3 研究成果63-65
• 第7章 总结和展望65-67
• 7.1 总结65-66
• 7.1.1 创新点65
• 7.1.2 工作总结65-66
• 7.2 展望66-67
• 参考文献67-72
• 作者简介及科研成果72-73
• 后记和致谢73

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