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南京信息工程大学本科学位论文 毕业论文(设计) 题 目 小型风力发电机扇叶朝向控制系统 学生姓名 赵 阳 学 号 20091305085 院 系 电子与信息工程学院 专 业 电子信息工程 指导教师 张秀再 二○ 一三年五月二十日 南京信息工程大学本科学位论文 目 录 1 引言 ........................................................... 1 2 方案提出及论证.................................................. 2 3 系统总体设计 ................................................... 2 3.1 系统结构框图..................................................2 3.2 各功能模块硬件电路 ............................................3 3.2.1 单片机主控模块 ............................................3 3.2.2 风向检测模块 ..............................................5 3.2.3 扇叶控制装置 ..............................................9 3.2.4 电机及驱动模块 ............................................9 3.2.5 液晶显示模块 .............................................14 4 系统软件设计 .................................................. 18 4.1 主程序.......................................................18 4.2 定时器程序...................................................19 4.3 霍尔传感器模块程序设计 .......................................20 4.4 电机模块程序设计 .............................................21 5 系统调试及运行结果分析 ........................................ 22 6 结束语 ........................................................ 22 参考文献： ...................................................... 23 南京信息工程大学本科学位论文 致 谢 ........................................................ 24 ABSTRACT ........................................................ 25 附录Ⅰ：系统硬件电路图 .......................................... 26 附录Ⅱ：系统实物图 .............................................. 27 南京信息工程大学本科学位论文 小型风力发电机扇叶朝向控制系统 赵 阳 南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044 摘要：本文设计了一种基于单片机的小型风力发电机扇叶朝向控制系统，该系统由风向传感器模块、液晶显示模块、驱动模 块和扇叶朝向控制装置组成。系统以 MSP430F149 单片机作为控制核心，利用风向传感器测量风向信息传输给单片机，单 片机根据风向信息控制步进电机调节扇叶朝向来风方向，并且风向信息由 LCD 显示。该系统可以提高风力发电机的工作效 率，具有一定的实用意义。 关键词：风力发电机；风向传感器；MSP430 单片机；扇叶朝向控制 1 引言 21 世纪，能源的高效利用，是各国发展建设广泛关注的问题之一。电力能源???作为人们日常生活工作 的必需能源， 越来越受到大家的重视

， 如何产生更多的电能而不污染环境是现在很多国家研究的问题之一。 到目前为止，全球风能资源极为丰富，总量约为 2.74×109 兆瓦，其中能够利用的风能为 2×107 兆 瓦。中国对于风能有很大的储量，分布面很广，开发还有其可利用的潜力，非常之巨大。近 20 年来，德 国、美国、丹麦、中国等国家投入了大量的人力、物力和财力研究可以商业运营的风力机，取得突破性的 进展。可利用率从原来的 50％提高到 98％，风能利用系数超了 40％。风能作为一种可再生能源逐步在发 电领域得到广泛应用? ?，是人类公认的可再生清洁能源，不产生任何的环境污染，可利用率高。但是如何 更大限度的利用自然风能，产生电能，是各国在能源利用领域正在深入研究的方向。 现在，德国、丹麦、美国等大多数国家采用水平轴风力发电机，以三叶式居多，也有韩国等国采用涡 轮式等垂直轴型风力发电装置，根据各自国家的地形地貌还有风向特征来选择。我国风能资源丰富，可开 发利用的风能储量约 10 亿 kW，其中，陆地上风能储量约 2.53 亿 kW（陆地上离地 10m 高度资料计算） ，海 上可开发和利用的风能储量约 7.5 亿 kW，共计 10 亿 kW。 我国“三北” （东北、华北、西北）地区风能丰富带，包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、青海、 西藏和新疆等省/自治区近 200km 宽的地带，风功率密度在 200～300W/m2 以上，有的可达 500W/ m2 以上， 可开发利用的风能储量约 2 亿 kW，约占全国可利用储量的 79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有 破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场。 我国东南沿海地区风能丰富。东南沿海受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达海峡时，由于狭管效 应使风速增大。冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，是我国风能最佳丰富区。我国 有海岸线约 1800km，岛屿 6000 多个，这是风能大有开发利用前景的地区。? ? 同时，沿海及其岛屿的风能也十分丰富，年有效风功率密度在 200W/m2 以上，风功率密度线平行于海 岸线，沿海岛屿风功率密度在 500W/m2 以上，如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马 公、东沙等，可利用小时数约在 7000～8000 小时。这一地区特别是东南沿海，由海岸向内陆是丘陵连绵， 1 3 2 南京信息工程大学本科学位论文 风能丰富地区仅在距海岸 50km 之内。 内陆局部风能丰富地区在两个风能丰富带之外，风功率密度一般在 100W/m2 以下，可利用小时数 3000 小时以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，如鄱阳湖附近较

周围地区风能就 大，湖南衡山、湖北的九宫山、河南的嵩山、山西的五台山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为 大。 我国海上风能资源也十分丰富， 10m 高度可利用的风能资源约 7 亿多 kW。 海上风速高， 很少有静风期， 可以有效利用风电机组发电容量。海水表面粗糙度低，风速随高度的变化小，可以降低塔架高度。海上风 的湍流强度低，没有复杂地形对气流的影响，可减少风电机组的疲劳载荷，延长使用寿命。一般估计海上 风速比平原沿岸高 20%，发电量增加 70%，在陆上设计寿命 20 年的风电机组在海上可达 25 年到 30 年，且 距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能 源? ?。 目前国内主要采用三叶式水平轴风力发电机，常用测风仪器包括三杯式风速风向仪、风向标、超声波 传感器、热敏风速风向传感器等测风向仪器进行测风，并由控制系统控制风力发电机的扇叶朝向与来风方 向一致，实现最大效率的利用风能资源。 4 2 方案提出及论证 对于小型风力发电机?5?的扇叶朝向控制系统，有如下两种设计方案： 方案一： 采用超声波风向测量传感器作为测量风向模块，以 AT89S52 单片机作为主控模块， 单片机根据所测风 向控制永磁性步进电机，驱动扇叶转向与来风方向一致，并由 LCD 显示方向信息。 方案二： 采用霍尔元件构成风向传感器，以 MSP430 单片机作为主控模块，单片机根据所测风向控制永磁性步 进电机，驱动控制装置使扇叶转向与来风方向一致，并由 LCD 显示方向信息。 上述两个方案都符合设计的需求， 但实际实施过程中， 方案一中超声波风向传感器虽然测量精度较高， 但是体积较大，成本较高，不适合本次小型风力发电机?6?的扇叶朝向控制系统的搭建，同时 AT89S52 单片 机处理数据能力有限。而方案二中以霍尔元件作为风向传感器的主要构成器件，成本较低，体积较小，轻 便，通过 M SP430 作为主控模块处理数据能力强，实施性大大提高。 综上所述，本系统的设计采用方案二。 3 系统总体设计 3.1 系统结构框图 根据设计方案，该系统包括风向检测模块、单片机控制模块、电机驱动模块、扇叶朝向控制装置、液 2 南京信息工程大学本科学位论文 晶显示模块等几个部分。系统总体的结构框图如图 3-1 所示： 图 3—1 系统结构框图 3.2 各功能模块硬件电路 3.2.1 单片机主控模块 该系统所使用的单片机为 MSP430F149。单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作， 完成特定的功能。硬件实现上采用模块化设计，每一模块实现一个特定功能，

最后再将各个模块搭接在一 起。这种设计方法可降低系统设计的复杂性。 MSP430?7?是德州公司开发的一类具有 16 位总线的带 FLASH 的单片机，由于其性价比和集成度高， 已 经得到了广泛的应用。它采用 16 位的总线，外设和内存统一编址，有 64k 的寻址范围，同时也支持存储 器的外部扩展。同时，MSP430 单片机的中断可以统一管理，包括很多种类的片上外围模块，片内包括硬件 乘法器、两个 16 位定时器、12 位的模数转换器、两个外部时钟、6 路 P 口、一个比较器、两路 USART 通 信端口、一个看门狗、一个 DCO 内部振荡器和一个看门狗，支持 8M 的时钟。因为是 FLASH 类型的，所以 能够在线对 MSP430F149 单片机进行各种调试和下载，同时 JTAG? ?口直接和 FET(FLASH EMULATION TOOL)的相连，不用其他的仿真工具，很便于使用和掌握。与此同时，此款单片机还能够在非常低的功耗 模式下工作，辐射向环境和人体的量比较小，有很不错的可靠性能，有强电干扰的时候不会被影响其正常 运行，可以在工业级的运行环境下运行，比较合适做自动控制类的设备。 MSP430 单片机最小系统硬件设计比较简单，主要包括电源、时钟晶振和下载口电路?9?。 1. 时钟及晶振电路 单片机基础时钟主要是由低频晶体振荡器、高频晶体振荡器、数字控制振荡器（DCO）以及锁频环等 模块构成。 低频时钟源由外接晶体振荡器， 而无需外接两个振荡电容器， 较常使用的晶体振荡器是 32768Hz。 高频时钟源也由外接晶体振荡器产生，但是需要外接两个振荡电容器，较为常用的晶振频率是 8MHz。DCO 是数字可控的的 RC 振荡器，但是频率较低并且产生的时钟频率只能在一个范围内，没有确定值。 在硬件的基础上，MSP430 通过软件对寄存器的设置来选择主系统时钟，子系统时钟和辅助系统时钟。 根据系统需要，本设计使用的是高频时钟源，外接了 16MHz 的晶体振荡器。 8 3 南京信息工程大学本科学位论文 图 3-2 mcu 电路图 2. JTAG 接口电路 MSP430F149 的 JTAG 下载电路对应单片机接口为 54 至 58 管脚，JTAG 是利用边界扫描技术， MSP430F149 内部有逻辑接口给 JTAG 使用，内部有若干个寄存器连接到 MSP430F149 的内部数据地 址总线上，通过地址线可以访问到 MSP430F149 的所有资源，包括 FLASH、RAM 及其他寄存器。 下载口连接如图 3-3 所示： 图 3-3 JTAG 下载口电路图 4 南京信息工程大学本科学位论文 该系统使用的是 MSP430UIF USB 型 MSP430仿真器，可自由升级，支持全系列 MSP430单片机， 支持 JTAG 和 BSL，是功能最好的仿真器。该仿真器具有以下功能： 1）对 MSP430FLASH 全系列单片机进行编程和在线仿真； 2）USB 口

取电，不需要外接电源，并能给目标板或用户板提供 3.3V 电源； 3）支持 IAR430、AQ430、HI-TECH、GCC 以及 TI 一些第三方编译器集成开发环境下的实时仿 真、调试、单步执行、断点设置、存储器内容查看修改等； 4）支持 JTAG、SBW（2 Wire JTAG）接口； 5）完全兼容 TI 原厂 MSP-FET430UIF 开发工具，在布线与布板中充分优化，保证了良好的兼容 性和稳定性。 3. 电源模块 因为 MSP430 单片机需要的是+3.3V 直流电压，所以在核心板上接电的时候需要将外接+5V 电压 转成+3.3V 电压，故需要一个电源模块进行电压转换，方便实用。 具体电源模块的电路如图 3—4 所示。AMS1117 是一种正向低压降稳压器，是便携式计算机和电 池供电的最佳选择，芯片内部集成有过热保护和限流电路。输出需要至少连接一个 22μF 的电容以确 保 AMS117 的稳定性。在实际应用时，引入+5V 电压，通过电容 C1、C2 进行滤波（C1 滤除高频波， C2 滤除低频波） ，然后由 AMS117_3.3 进行电平转换，将+5V 电压转换为+3.3V 电压。 U1 +3.3V +5V + C1 C2 22μF 470uF 3 IN OUT 2 C4 AMS117-3.3V C3 104 10uF C5 220uF GND 1 图 3—4 电源模块电路图 3.2.2 风向检测模块 该系统的设计采用霍尔元件作为风向检测????模块的主要器件。 霍尔元件是应用霍尔效应的半导体，是一种基于霍尔效应的磁传感器 [11] ，已发展成一个品种多样的磁 传感器产品族， 并已得到广泛的应用。 用它们可以检测磁场及其变化， 可在各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。 在 1879 年的时候，美国物理学家霍尔发现了金属具有霍尔效应。当电流通过金属箔片时，将磁场于电流 流向方向的垂直方向施加，这时，横向电位差便表现在金属箔片的两个侧面之间。半导体具有比金属箔片 更为明显的霍尔效 应，与此同时，铁磁金属可以在居里温度下表现出非常强烈的霍尔效应。 5 南京信息工程大学本科学位论文 对于水汽、灰尘、油污以及盐雾的腐蚀或者污染，霍尔器件比起其他的元器件有更强的抵抗性，可以 说完全不怕这些元素的污染和腐蚀。并且，霍尔器件结构非常牢固，使用寿命长，重量轻，体积也很小， 安装非常方便。与此同时，霍尔器件使用时功耗非常小，耐震动，频率可高达 1MHZ，优点非常多。 以感应方式分类的话，可将霍尔开关分为单极性、双极性还有全极性霍尔开关三种。单极性霍尔开关 的感应方式：当有磁场的一个磁极靠近它时，输出低电位电压（低电平）或关的信号，当磁场磁极离开它 的时候，则输出