1 前言
能源问题越来越为人们所关注，作为一种具有绿色、安全、清洁等优点的太阳能被认为是最具发展潜能的新科技能源之一，目前其在太空研究领域得到广泛应用，同时也成为宇宙飞船、太空站等太空设备的后续能量来源。
太阳能的利用在国内来说，其应用领域正在不断向大众化迈进。如今的一些路灯都实现了太阳能跟风能结合供电，大城市绿化带、风景区等亦是如此。现在的农业也在朝自动化、无公害等方向发展，太阳能这一新兴能源在农业方面也得到了应用，比如说太阳能诱虫灯。人类生活用电也不例外，在太阳光照充足的偏远地区，通过当前的水、火电网进行电能输送成本实在太高，而且偏远地区的住房分散，这样要实现输电就更加麻烦了。但是利用充足的太阳能来供电，这样就可大大节约用电成本，使用更加方便。
目前太阳能的应用主要是通过太阳能硅光电板将太阳能转换为电能以供人类所需。硅光电池的生产工序复杂，所以生产成本很高，以至于太阳能电池板的售价偏高，市场价大概在5元/W。然而，由于太阳能电池板的转换效率现在只能达到20%左右，这样就造成了5元钱买不到1瓦特的功率，太阳能的利用成本也就显得更加高了。
针对以上的问题，国内外业界内有不少人士根据太阳能电池板的转换特性做过不少的研究，总结出来了几种实现提高电池板转换效率的方法：恒压法、扰动观察法、电导增量法[1]，这三种方法各有优缺
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点。根据所要达到的目的，比较三种方案的可行性，最终来确定系统方案。本次设计综合考虑各种因素，选取了扰动观察法来实现提升太阳能电池板的转换效率。
目前国内外在太阳能领域的研究成绩各有千秋，有已经成功面市的各类产品，淘宝上的MPPT[2]（Maximum Peak Power Tracking）控制器，其售价在几百到几千元不等，性能的话据卖家介绍能提升不少的效率，具体我也没做过测试。除了这种成品控制器外，各大半导体生产厂商也有属于自己的MPPT控制器IC。比如说美国德州仪器半导体的MPPT控制IC：SM72442[3]，通过输出四路PWM（脉冲宽度调制）波来控制转换电路的输出，集成了12位的A/D（模拟-数字）转换器，8个模拟通道，能够使转换效率提高到99.5%。NXP（恩智浦）半导体推出的MPT612[4]是一款基于低功耗的ARM7TDMI-S 32位RISC处理器的MPPT集成电路，支持包括I2C、UART、SPI和SSP在内的多种串行接口，其采用的是正在申请专利的MPPT算法，也带有8通道的10位A/D转换器，能够将转换效率提升到98%。除了这些MPPT控制器外，也还有一些普通的控制器，但是普通的控制器只能做到将效率提升到50%左右，这样的效果不是很明显，当然其售价也要便宜很多，目前MPPT控制器也正在逐步替代普通控制器。
结合所学专业与MPPT控制算法来实现本次毕业设计，原理图与PCB图的设计采用Protel 99 SE[5]软件；场效应MOSFET管IRFZ48N[6]作为接受PWM控制的开关管；采用51单片机[7]STC89C52RC作为主控芯片，控制输出PWM信号、A/D转换以及液晶显示；由于这款
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单片机内部没有集成A/D转换模块，所以外部扩展A/D转换器TLC2543[8]；电压采样使用电阻分压，电流采样使用电流检测模块ACS712ELC[9]-20A。此次毕业设计所设计制作的MPPT控制器的转换效率只能提升20%左右，总体来说还是可以实现MPPT的这种转换思想，但是也还存在着不足的地方。
现在在效率方面的提升也只是局限于其它环境条件不变得情况，如光强、温度等，其成本的话也还是有蛮高的，接下来要向多方面努力改进。还要思考一个问题：在节约成本以及降低复杂度的前提下，还存不存在更好的方案？要去改变大环境的温度，这对于现阶段人类科技程度来说不怎么可能实现，所以为了再次提升太阳能电池板的转换效率，只能往光照强度方向去花功夫。虽然说在一天当中太阳光照的强度是不会变的，但是我们可以让太阳能电池板接收的光照一直保持在最强状态。现在太阳能电池板的安装是固定的，也就是说其在一天当中所接收的光强并不是最强的，因为太阳一直在移动。所以，我们可以思考下一步考虑来设计“最强光强点跟踪”器，就是让太阳能电池板跟随太阳移动（只要在原地进行旋转即可），让其一直处于最强光强接收状态，这样也可以大大提升太阳能的利用率。话虽如此，但是在设计一个新的系统的同时，也应当考虑到新系统是否能最终给人们带来更好的价值，这个就需要去综合各个方面考虑了。不过有好的想法是非常值得赞扬的，可以当作个人爱好去将它实现，科技就是在不断创新中发展的，人类进步也离不开创新思维，我们应当好好利用自己所学的知识，努力创新，大胆创新！
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2 系统方案论证
本次毕业设计的课题就是太阳能最大功率点跟踪，根据MPPT思想，设计一个控制器，能够使太阳能电池板以最大功率输出，从而达到提升转换效率的目的。
系统方案的论证关键应当建立在太阳能电池板的特性基础上，只有在知道太阳能电池板的特性的情况下，才能找准系统设计的方向，然后再根据方向寻找路径。当然，路径也许不止一条，找到最便捷的路径才是我们最终的目标。 2.1太阳能电池板特性
I（A）3.01000W/m2800W/m2600W/m2400W/m2200W/m2M21.52.02.5M11.0（5101520）U25V
图2.1.1 常温下太阳能电池板在不同光照下的输出伏安特性曲线
系统方案的设计要依据太阳能电池板的特性来进行，如图2.1.1和图2.1.2所示分别为太阳能电池板在不同光照强度下的输出电压-电流以及功率关系曲线图。这是一块标示功率为50W电池板，从图2.1.1可以看出来，在同一光照强度下，在一个电压范围内其电流基本上保
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持不变，然而在某个值之后其电流下降剧烈，根据功率的定义式：
P（W）=U（V）*I（A） （2.1.1）
50P(W)1000W/m2800W/m2600W/m2400W/m2200W/m210203040（U510152025V）
图2.1.2 常温下太阳能电池板在不同光照下的输出功率曲线
结合公式（2.1.1）与图2.1.1可以得出一个结论：在常温下，某个光照强度时太阳能电池板的输出总存在一个最大功率点。图2.1.2描述太阳能电池板输出功率与输出电压的关系，体现了最大功率点。
I（A）（U-IVmp5101520Voc25UV3.0IscImp2.52.01.51.01020S=1000W/m2304050P-UPW图2.1.3 太阳能电池板特性曲线
这次设计所使用的电池板的各种参数：开路电压Voc=22.6V，短路电流Isc=2.92A，最大功率点电压Vmp=18.5V，最大功率点电流
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