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,具有江南app下载平台666 ,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

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

无线传感器网络能量收集技术分析    杜冬梅;何青;张志;

太阳能光伏系统用VRLA电池技术性能探讨    毛贤仙,项文敏,唐征

无线传感器网络能量管理研究    彭爱平;郭晓松;蔡伟;谭立龙;

无线网络传感器能量收集管理技术    胡冠山;姚彦青;

光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究    雷元超,陈春根,沈骏,黄跃杰,陈国呈

太阳能电池工程简化模型的参数求取和验证    孙园园;肖华锋;谢少军;

新型占空比直接控制的光伏MPPT研究    潘雷雷;李国丽;胡存刚;

带MPPT控制的光伏充电控制器的设计    王章权;裘杨杰;

基于模糊控制的最大功率点跟踪    曹旭;叶建华;傅培洋;

一种改进的硅太阳能电池非线性工程数学模型    廖志凌;刘国海;梅从立;

无线传感器节点能量管理系统的研究    赵清华

三相光伏并网发电系统的建模与仿真    陶晓峰;谢君;

用太阳能“蓄压”的山村农户供水装置    陈鸣;

纵谈蓄电池之优劣    陈义;刘祖明;宋欣;李承晴;邵俊刚;

管式胶体储能电池在离网式发电系统中的运用    屠文军;

太阳能半导体照明系统控制器的研究与设计    马磊;刘德明;黄黎蓉;文锋;

太阳电池的负载匹配理论与负载变换技术    王康模;陈长缨;于志刚;刘兴华;刘小冲;赵俊;

ITO/Si/Al结构太阳电池pn结光电特性仿真研究    施敏;王强;孙玲;

基于电流单参量控制的MPPT系统的设计    洪岳;陈长缨;王康模;邓韡;傅倩;

基于MATLAB的光伏模块输出特性及MPPT的建模与仿真    王雨;胡仁杰;

光伏模拟器的设计及仿真验证    杨文燮;胡仁杰;卢志伟;

基于OIF-Elman网络的光伏电源最大功率点跟踪方法研究    苏刚;龚威;潘雷;高瑞;王贝贝;

一种基于dp/dv=0的最大功率跟踪控制策略    荣延泽;刘士荣;毛军科;李松峰;

非均匀辐射条件下光伏阵列建模及运行稳定性分析    张渊明;孙彦广;张云贵;

光伏并网逆变系统MPPT算法仿真与研究    刘鑫;石景波;

一种农用无线传感器网络能耗优化管理研究    饶頔;杜尚丰;李道亮;马道坤;

基于动态电容充电的光伏阵列Ⅰ-Ⅴ测试仪    张国荣;瞿晓丽;苏建徽;刘宁;董康;

基于ARM的太阳能交通诱导屏实现    陈昌龙;徐家栋;

一种新型的最大功率跟踪实现方法在太阳能充电器中的应用    岳新苗;吴捷;张先勇;

无线传感器网络能量收集技术分析    杜冬梅;何青;张志;

独立光伏发电系统最大功率点跟踪控制    孙亚宁;

光伏跟踪系统智能控制方法的研究    徐晓冰

考虑分布式发电的配电网综合负荷建模方法研究    钱军

能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究    高艺

光伏发电关键技术及电动汽车充电站可靠性研究    于蓉蓉

太阳能电动车关键技术研究    李春芳

电力塔无线传感器网络监测系统关键技术研究    陈少华

微电源并网同步检测与定功率输出控制技术研究    龚宇雷

无线传感器网络能量优化路由算法研究    江海峰

小型光伏系统及其关键问题研究    胡义华

分布式能源系统中能源与环境耦合特性及优化集成模型研究    林世平

用于矿灯充电的独立光伏系统研究    毛娟

太阳能光伏发电单相并网逆变器研究    李本元

太阳能LED照明系统控制器的设计    杜守增

光伏发电系统自适应控制研究    李亭

基于DSP的单级式光伏并网系统的研究    耿兴华

三相光伏并网发电系统研究    雷家宁

风光联合发电系统建模与设计    陈丽

模糊控制在光伏最大功率追踪预测中的应用与研究    陈亚峰

户用光伏逆变电源系统研究    王恩

光伏水泵系统控制策略研究    陈广华

无线传感器网络能量收集技术分析    杜冬梅;何青;张志;

负极添加剂对牵引型蓄电池充电接受能力的影响    颜克球

光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析    王菊芬,李宣富,杨海平,易良廷

太阳能光伏系统用VRLA电池技术性能探讨    毛贤仙,项文敏,唐征

无线传感器网络的通信能量有效性的研究    周建华;支晓繁;钟亦平;

低功耗射频唤醒无线传感器网络设计    唐云建;梁山;冯会伟;黄超;

无线传感器网络能量有效性的研究    吴光斌,梁长垠

无线传感器网络低功耗设计综述    张大踪;杨涛;魏东梅;

压电式能量获取装置的研究现状    方科;李欣欣;杨志刚;程光明;阚君武;

无线传感器网络能量管理研究    彭爱平;郭晓松;蔡伟;谭立龙;

太阳能光伏并网发电系统的研究    赵为

超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研究    唐西胜

蓄电池光伏充放电控制器的设计    黄原

水情遥测系统中的太阳能电源    王义忠;

太阳能电源的应用及发展前景    郗选金;

电子简讯    

宁波太阳能电源向得可增购太阳能电池丝网印刷生产线    

太阳能电源的应用和展望    岳静 ,黄文轩

太阳能电源在水情遥测自动化系统中的应用    施继祥;栗满田;井秀玲;

室外传感器网络节点的微太阳能电源系统电池驱动设计    李珂;马骋;熊剑平;贾惠波;

新颖的太阳能电源    卞书成

太阳能电源的维护    汪力明

卫星用的集成太阳能电源/天线-SOLANT    寇艳玲;

浅析太阳能电源在灯塔的应用    董吉友;

一种节能型的观片灯    杨祺;高新竹;

“KDQ——Ⅱ型太阳能电源调节器”设计原理    张佑荣;黄良深;

太阳能电源系统在黑河水量调度之信息采集与传输系统中的应用    赵宽业;李宪忠;

太阳能电源照亮京山无电户    通讯员 张开福

太阳能电源与智能建筑节能减排论坛在京举行    记者 何建昆

“寒冬”中抢抓机遇捷报频传    通讯员 刘虹

石狮钟表制造荣获六项发明专利    记者 周进文　通讯员 王金国

借签约新奥光伏 泰豪正式进军光伏产业    本报记者 张兰

无线传感器网络太阳能电源管理电路设计    王大美

多功能太阳能电源系统研究与设计    张伟

智能型爆闪式特种信号灯的开发    林君

接触网在线监测系统供电及数据传输技术研究    马红国