無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)—本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：電源系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必不可少的部分，本文介紹應(yīng)用太陽能給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，是實(shí)現(xiàn)持續(xù)電力供應(yīng)的可行方法之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，先由太陽能電池板采集光能再通過充電控制電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。利用放電保護(hù)電路，最大限度地延長鋰電池的壽命。由于電源能量來自太陽能，因此非常適合野外布置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用。引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有著廣泛的應(yīng)用。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成單元, 通常散布于一定的區(qū)域內(nèi)協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測對(duì)象的信息。而電源系統(tǒng)又是

2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必不可少的部分，本文介紹應(yīng)用太陽能給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，是實(shí)現(xiàn)持續(xù)電力供應(yīng)的可行方法之一，蓄電池是太陽能供電裝置中的重要部件，需配有充放電保護(hù)電路，延長電池的使用壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，采集光能并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在鋰電池中。通過鋰電池充電管理芯片組成充電控制電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。利用超低功耗鋰電池電壓檢測芯片組成放電保護(hù)電路，最大限度地延長鋰電池的壽命。由于電源能量來自太陽能，因此非常適合野外布置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用一、太陽能介紹能源是人類生存發(fā)展必須具有的基本資源。從古至今人類獲得能源的途徑，可分為地上能源

3、、地下能源與天上能源等三個(gè)階段。地上能源主要是植物能源，水能、風(fēng)能等，在人類農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)階段主要是植物能源，到了現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)階段，主要是煤石能源。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)以來，各國對(duì)能源的消耗以日俱增，能源短缺已成為人類社會(huì)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，面對(duì)石油這些不可再生的資源，必須在其耗盡之前尋找到替代能源，否則未來世界將會(huì)因此不斷爆發(fā)能源危機(jī)。太陽能作為新能源與可再生能源的重要組成部分，有著煤炭、石油、天然氣等化石能源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)： (1)儲(chǔ)量豐富：太陽能是取之不盡、用之不竭的。 (2)應(yīng)用廣泛：太陽能不存在分布的偏集性，只要有陽光的地方就可以就地利用，有利于解決偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村、海島等地區(qū)

4、的能源供應(yīng)問題。 (3)綠色環(huán)保：太陽能利用過程中，不需要燃料、不產(chǎn)生噪聲，沒有廢氣、廢水、廢渣等的排放。 (4)經(jīng)濟(jì)性：雖然目前太陽能發(fā)電的成本仍為常規(guī)發(fā)電的幾倍，但隨著太陽能利用技術(shù)的發(fā)展，其利用成本已大大下降。一般來說，太陽能利用的初期投入成本比較高，但由于太陽能無污染、無噪聲、取之不盡、分布廣泛的特點(diǎn)，從長期來看，其使用成本要小的多。 鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，太陽能的開發(fā)利用具有巨大的市場前景，不僅能帶來很好的社會(huì)和環(huán)境效益，還具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益二、太陽能供電系統(tǒng)工作原理太陽能供電系統(tǒng)工作原理：白天把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并通過太陽能電源過充放電控制器將電能存儲(chǔ)在蓄電池中，根據(jù)需要再供給各種直流負(fù)載使

5、用，如果配以逆變器，則可以向交流負(fù)載提供交流電力。太陽能電源可分為直流供電系統(tǒng)和交直流供電系統(tǒng)兩種三、太陽能供電系統(tǒng)的基本組成一套基本的太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、過充放電控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成。各部分的功能如下：1太陽能電池板太陽能電池板的作用是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。一般根據(jù)用戶需要，將若干太陽電池板按一定方式連接，組成太陽能電池方陣，再配上適當(dāng)?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成。2過充放電控制器控制器為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。

6、如果用戶使用直流負(fù)載，通過控制器還能為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電（由于天氣的原因，太陽能電池方陣發(fā)出的直流電壓和電流不是很穩(wěn)定）。3逆變器逆變器的作用是將太陽能電池和蓄電池提供的低壓直流逆變成220V交流電，供交流負(fù)載使用。4蓄電池組蓄電池組是將太陽能電池直流電貯藏起來，供負(fù)載使用。白天太陽能電池給蓄電池充電，（同時(shí)太陽能電池還給負(fù)載供電），晚上負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高。四、太陽能供電系統(tǒng)簡介由于太陽能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)往往因?yàn)殇囯姵爻浞烹姽芾聿缓侠恚瑢?dǎo)致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電

7、系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)管理鋰電池的充電過程并進(jìn)行有效的能量儲(chǔ)存，通過對(duì)電池電壓的監(jiān)測避免鋰電池過度放電，達(dá)到延長鋰電池壽命的目的。該系統(tǒng)中，太陽能電池板產(chǎn)生的能量通過充電管理電路被存儲(chǔ)在鋰電池中，同時(shí)對(duì)鋰電池提供充電保護(hù)，防止過充；由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì)逐漸降低，因此需要放電保護(hù)電路對(duì)放電電壓進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)電池電壓下降到一定程度時(shí)切斷放電電路，避免鋰電池過放電。由于電源單元本身應(yīng)盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高效率的轉(zhuǎn)換電路，為節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。 電源單元是傳感器節(jié)點(diǎn)能源供給部分，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，因此節(jié)點(diǎn)的電源設(shè)計(jì)非常重要。電源單元主要

8、由電池、電源管理模塊及外圍電路構(gòu)成。電源設(shè)計(jì)首先要考慮的是低功耗。由于負(fù)載的功耗與電壓的平方成正比，因此在保證系統(tǒng)可靠工作時(shí)盡量選用較低的工作電壓。傳感器、MCU、無線射頻模塊等節(jié)點(diǎn)組成部分都有低工作電壓選擇余地，如+33 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的電源系統(tǒng)。圖1： 太陽能電池板 MCU的ADC通道 節(jié)點(diǎn)負(fù)載 DC-DC轉(zhuǎn)換單元 供電控制單元 鋰電池 充電控制單元 3.3V 5V有圖可看出，太陽能電池板產(chǎn)生的能量通過充電控制單元被存儲(chǔ)在蓄電池中；供電管理單元通過對(duì)電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測選擇合適的供能方案。由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì)逐漸降低，對(duì)ADC采樣等會(huì)造成影響。此外各種器件的工作電壓

9、也不一致，為了保證系統(tǒng)可靠地工作，需要一個(gè)穩(wěn)定的供電電壓。由于電源單元本身應(yīng)盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高效率的DCDC轉(zhuǎn)換單元為節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。五、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）、太陽能電池板太陽能電池板是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，大部分太陽能電池板的主要材料為“硅”，但因制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。對(duì)于太陽能電池板，主要用來采集太陽能，選取時(shí)主要考慮太陽能板的最大輸出電壓和輸出電流 一般給鋰電池充電的電壓要大于4.2太陽能板的輸出電流決定了充電時(shí)間。常用的太陽能板主要有單晶

10、和多晶電池板兩種，單晶板和多晶板的區(qū)別在于最高效率的單晶電池片比最高效率的多晶電池片效率高約。由于單晶的有刀角而并非完整的正方角在使用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多晶而且市場數(shù)量明顯少于多晶 同功率的單晶電池板價(jià)格要比同功率的多晶板高些本文采用的是輸出電壓為輸出電流為的單晶太陽能電池板尺寸為主要是考慮到野外安裝時(shí)如果太陽能電池板的體積太大不容易安裝（二）、充電控制單元 所謂的充電控制單元就是用來連接太陽能電池板和鋰電池。其功能主要是有效地將收集到的能量存儲(chǔ)在鋰電池中，同時(shí)提供對(duì)鋰電池充電過程中的過壓過流保護(hù)，防止因過充對(duì)鋰電池造成的損害,CN3063芯片可以用于太陽能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片該芯片內(nèi)部的

11、位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適用于太陽能電池等電流輸出能力有限的靠電壓源供電的鋰電池充電的應(yīng)用。充電控制單元如圖二圖2 充電控制單元電路圖 當(dāng)太陽能電池板輸入電壓大于低電壓檢測閾值和鋰電池端電壓時(shí),CN3063開始對(duì)鋰電池進(jìn)行充電CHRG引腳輸出低電平時(shí),紅色亮表示充電正在進(jìn)行,當(dāng)充滿電后DONE引腳輸出低電平時(shí)綠色亮表示充電完畢。3（三）、鋰電池1、鋰電池介紹鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應(yīng)：Li+

12、MnO2=LiMnO2該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，放電。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。2、鋰電池的選擇首先作為太陽能電源中的儲(chǔ)能單元，選擇鋰電池主要是因?yàn)殇嚕有驍?shù)3，原子量6.941，是最輕的堿金屬元素。為了提升安全性及電壓，科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了納米等級(jí)的細(xì)小儲(chǔ)存格子，可用來儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，也會(huì)因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的儲(chǔ)存格，使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而避免爆炸。這就解決了太陽能露

13、天使用時(shí)儲(chǔ)能單元不會(huì)被空氣氧化，所以選擇鋰電池使得更好的儲(chǔ)存太陽能。3、鋰電池充電示意圖（四）、放電保護(hù)電路和系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)對(duì)于放電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的放電保護(hù)電路是使用一路ADC來不斷檢測電池電壓當(dāng)電池電壓降低到一定程度時(shí)切斷放電電在理論上是很容易實(shí)現(xiàn)的。但是在某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要定時(shí)查詢?cè)撀稟DC的數(shù)值，這在一定程度上也增加了系統(tǒng)的功耗。電路分析：當(dāng)電池端電壓下降到過度放電低電壓檢測閾值時(shí)，LBO引腳輸 出低電平,NMOS管截止,PMOS管柵極為高電平,PMOS管截止,放電回路被切斷,起到了保護(hù)鋰電池過度放電的作用當(dāng)太陽能板自動(dòng)對(duì)鋰電池充電，充電電壓達(dá)到高電壓檢測閾值時(shí),

14、LBO輸出高電平,NMOS管導(dǎo)通,PMOS管柵極為低電平,PMOS管導(dǎo)通,放電回路重新被打開,如果某節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)時(shí)配置為上電后自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，那么該節(jié)點(diǎn)將會(huì)自動(dòng)加入到原來的網(wǎng)絡(luò)中。鋰電池過度放電低電壓檢測閾值計(jì)算公式如下其中RTH為該芯片設(shè)定的閾值,大小為1.135,LBI為引腳偏置電流范圍為-100100,一般取即可。因?yàn)樵撔酒ぷ麟娏髟?.8所以對(duì)于電阻和的選型需要注意應(yīng)當(dāng)選擇阻值大一些的電阻。選用為2M為1M這樣流過電阻的電流在級(jí)功耗很低。由于鋰電池電壓范圍為3.64.2，如果選擇的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作電壓為3.3，那么需要根據(jù)輸入輸出的電壓差來選擇適當(dāng)?shù)腖DO芯片同時(shí)還需要考慮L

15、DO的靜態(tài)電流和效率。供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)有兩個(gè)功能: 一是為了不使鋰電池深度放電, 需要對(duì)其放電門限進(jìn)行設(shè)置; 二是獲取當(dāng)前電池的電壓以決定節(jié)點(diǎn)采取的功耗模式。對(duì)于放電門限的設(shè)置，選擇了由MAX680 及MAX8211構(gòu)成的鋰電池放電門限，電路圖如圖所示根據(jù)以上電路可知, 當(dāng)鋰電池電壓下降到由 R1 和 R5所決定的門限電壓時(shí),MAX8211就會(huì)截止MAX680的供電電壓, 最后使IRF541處于關(guān)閉狀態(tài)而斷開供電電池與負(fù)載電路。IRF5 41 功率開關(guān)的導(dǎo)通電流小于0. 5 mA ,關(guān)閉漏電流僅為 8A 以下。該電路的啟動(dòng)門限 V u 和截止門限V1與外加電阻 R5 ,R6 和R7之間的關(guān)系可

16、由下式給出:R5 = R6 ( V 1 / 1. 1 5 - 1) R7 = 1. 15R5 / ( V u - V 1 )為了能夠執(zhí)行有效的電源管理,需要了解電池能量的儲(chǔ)存情況,并根據(jù)任務(wù)需求和自身能量狀態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)和通信策略。設(shè)計(jì)中采用L M4041 電壓基準(zhǔn)芯片,有微處理器采樣其端電壓,并計(jì)算電池的實(shí)際電壓值以供程序處理,其原理圖如圖所示U4為LM4041-1. 2,該芯片為微功耗精密穩(wěn)壓管。電阻 RS負(fù)責(zé)提供穩(wěn)壓電流I L和負(fù)載電流I Q。RS的取值應(yīng)滿足流過穩(wěn)壓管的電流I Q不超過I Qmi n和I Q max。RS的計(jì)算公式如下:RS = ( V S - V R ) / ( I

17、L + I Q )式中:當(dāng)V S取4. 2 V,V R 取1. 2 V,I L+ IQ約為120 A ,計(jì)算出RS取值約為27 k。在實(shí)現(xiàn)過程中, 使用ADC0測量穩(wěn)定電壓V Q ,選用電池供電電壓作為ADC的參考電壓V ref。當(dāng)PC0置 0 時(shí)Q 3導(dǎo)通, A DC0的讀數(shù)為A DC_Data。ADC_DATA與參考電壓V ref的關(guān)系如下所示式中:VQ為固定值1. 2 V ; A D C_ FS為輸入滿量程的測量值,是一個(gè)常數(shù)如1 0 b的A D C為1 0 24。由式可以計(jì)算出V Ref也就得到電池的實(shí)際電壓 5, 8（五）、電源輸出模塊MCU的工作電壓一般為2.73.3V,傳感器工作

18、電壓有3V和5V。由于M CU與傳感器所需電壓不一致,而且鋰電池的供電電壓為3.74. 2V , 這就需要進(jìn)行 DCDC裝換。1、逆變器的工作原理逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220V 50Hz正弦或方波）。應(yīng)急電源，一般是把直流電逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時(shí)間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互差120電角度的三相交流電壓2、逆變器原理圖3、各部分功能1) 輸入電路： 為主逆變電路提供可確保其正常工作的直流電壓。 2) 輸出電路： 對(duì)主逆變電路輸出的交流電的質(zhì)量（包括波形、頻率、電壓電流幅值相位等）進(jìn)行修正、補(bǔ)償、調(diào)理，使之能滿足用戶要求。 3) 控制電路： 為主逆變電路提供一系列的控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，配合主逆變電路完成逆變功能。在逆變電路中，控制電路與主逆變電路同樣重要。 4) 輔路電路： 將輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。包括多種檢測電路 5) 保護(hù)電路： 輸入過電壓、欠壓保護(hù)；輸出過電壓、欠壓保護(hù)；過載保護(hù)；過流和短路保護(hù)；過熱保護(hù)等。 6) 主逆變電路： 由半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的變換電路，分為隔離式和非隔離式兩大類。如