基于STC8A8K的海浪發電模擬實驗平臺設計

田 園，陸金金，柳麗川，陳余慶

（大連海事大學船舶電氣工程學院，遼寧大連 116026）

0 引言

如何高效利用海浪資源日益受到各個國家的重視［1］。隨著波能轉換技術的日趨成熟，轉換效率逐步提高，海浪發電裝置顯現出它越來越大的商業價值和生態價值［2］。人們設計了多種海浪發電裝置，例如，往復式海浪發電系統、擺錘杠桿式海浪發電系統、活塞式海浪發電系統等［3-4］。

海洋環境變化莫測，威力巨大，直接將設備拿到海洋中進行測試，步驟復雜、操作煩瑣，工作人員也面臨著安全問題［5］。這無疑會增加人力、物力上的成本，也會降低產品開發的效率。在此背景下，設計一種基于STC單片機和同步帶滑臺的海浪發電模擬實驗平臺，作為海浪發電設備的測試平臺，主要應用于活塞式海浪發電系統性能的測試。它具有制作簡單、操作簡便、實驗現象明顯等優點，同時可幫助學生加深對電磁感應現象的理解，更好地掌握單片機相關理論知識，又能激發學生開發新能源的興趣。將基礎理論知識應用到實際中，可鞏固學生對理論知識的理解，提升學生的科研素養、實踐能力和創新意識。

1 實驗平臺設計

1.1 硬件平臺搭建

根據法拉第電磁感應定律［6］，磁鐵在線圈中運動，閉合線圈中產生磁通量的變化，就會使線圈產生感應電動勢。活塞式海浪發電系統，一般將線圈安裝在海中的固定支架上，永磁體安裝在浮在海面的浮子上，浮子利用海浪的上下起伏，帶動鋁合金永磁體做垂直運動，使固定線圈中的的磁通量發生變化，產生交流電［7-8］，如圖1 所示。

圖1 活塞式海浪發電系統原理圖

實驗平臺由模擬海中固定支架和浮子機械結構，以及運動控制系統組成。如圖2 所示，線圈安裝在固定支架A 上，永磁體安裝在活動支架B（模擬浮子）上。運動控制系統主要由步進電動機、同步帶滑臺和運動控制板組成，運動控制板是本文的主要內容。實驗平臺工作時，運動控制板控制步進電機帶動同步帶滑臺上的“浮子”運動，來達到模擬海浪運動的目的。具體結構如圖2 所示。

圖2 海浪模擬平臺實物圖

由于永磁體和線圈較重，如要帶動永磁體在豎直方向上運動，就需要步進電動機有很強的帶負載能力。步進電動機運動精度較高，帶負載能力相對較弱，在此進行一個調整，將永磁鐵和線圈全部橫放，海浪模擬器只需帶動永磁體在水平方向上運動，同樣可以達到模擬海浪運動進行發電的目的。即降低了對設備帶負載能力的要求，同時又降低了能耗。

為驗證實驗平臺發電的有效性，同時設計了能量收集模塊，能量收集模塊示意圖如圖3 所示，實物圖如圖4 所示。包括整流板和充電管理板，整流板上只有整流電路，如圖4（a）所示。充電管理板由電池充電電路和以STM32 為核心的充電控制電路組成，如圖4（b）所示。

圖3 能量收集模塊示意圖

圖4 能量收集模塊實物圖

由于充電管理板需要電池來供電，電池在供電的同時充電，所以至少需要兩塊電池，一塊電池供電的時候，就給另一塊電池充電。本系統只有2 塊電池，但是可以給多塊電池輪流充電，只需要一塊電池給能量收集板供電即可。

整流電路對海浪發電裝置產生的交流電進行整流、濾波，然后將直流電輸入電池充電電路。由于主、副電池的最大充電電壓是4.2 V，電池充電電路會將5 V的直流電穩壓到4.2 V，同時會配合充電保護芯片對主、副電池進行充電保護。主、副2 塊電池交替給充電管理板供電。充電電路交替給主、副2 塊電池充電［9］。

1.2 運動控制板的電路設計

運動控制板以單片機為核心，外圍電路由驅動芯片、OLED 顯示屏和光電開關等元器件組成。其中單片機選用STC8A8K。

由于STC8A8K單片機的I／O口的拉電流較小，不能直接連接步進電機驅動器。在單片機和步進電動機驅動器之間加了74HC573 芯片，作為驅動芯片來放大電流［10-11］。

OLED顯示屏帶IIC接口，只需要2 個端口（數字量端口或者I／O 端口）可以和單片機進行通信，用來顯示運動頻率、運行時間等信息。光電開關反饋滑臺的位置，用來檢測是否超出運動范圍。運動控制板的實際電路圖如圖5 所示。

圖5 運動控制板實物圖

2 軟件設計

2.1 設計原理

本節主要闡述運動控制信號的原理、OLED 屏幕和光電開關按照廠家提供的說明和例程進行程序的編寫，這里不再進行贅述。運動控制信號均為TTL 電平，共有2 路，第1 路是高／低電平DIR，用于控制步進電動機的正／反轉方向。第2 路是頻率可調的脈沖信號PUL，用于控制步進電動機的轉速。

脈沖信號PUL利用定時器產生，在定時器的溢出中斷服務程序中改變PUL 輸出引腳的電平狀態就能產生脈沖信號。改變定時器定時時間就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變滑臺運動速度。

在本系統支持的范圍內，滑臺可以做變速運動來模擬各種情況的海浪運動。現在來模擬行程為L、周期為T近似正弦波的海浪運動。一個運動周期包括一“往”一“返”兩個動作，兩個動作除運動方向不同外，其他全部相同。為敘述簡便，在此只分析“往”這一單程運動。單程運動時，滑臺要做變速運動，即前半段要進行加速運動，后半段進行減速運動，然后改變方向。其速度變化規律如圖6 所示。

圖6 速度隨時間變化規律圖

用變頻脈沖可使速度實現上述的變化。變頻脈沖產生方式：將單程運動時間T／2 分割成2n個時間片，定時器0 定時單個時間片的時長，定時器1 產生脈沖。每一個時間片結束時定時器0 都會產生一個中斷，在其中斷服務程序中改變定時器1 的定時時間，實現不同時間片內PUL信號頻率的改變，即前n個時間片脈沖頻率逐次增加，第n個時間片內輸出的脈沖頻率達到最高，后n個時間片脈沖頻率逐次減少，實現步進電機的加速減速功能，每經過2n個時間片改變一次運動方向。如圖7 所示。

圖7 脈沖頻率變化示意圖

其中fi（i＝1，2，…，2n）為第i個時間片內定時器1 向外輸出的脈沖頻率。

2.2 編程實現

本系統步進電機轉動一圈需要N個脈沖，N值可以由驅動器調節。步進電機轉動一圈帶動滑臺運動Smm，S值由所使用的同步帶滑臺型號決定。

單程運動行程：

要求速度隨時間近似成正弦變化，所以脈沖頻率也要隨時間近似成正弦變化。可得第i個時間片內輸出PUL信號的頻率：）

將式（3）中的fi進行求和，可得：

當L、T、Δt、S和N確定時，聯立式（2）和式（4）可解出A，將A代入式（3）可以求出fi（i＝1，2，…，2n）。

本系統的晶振頻率fOSC＝24 MHz，機器周期Ti＝12／fOSC＝0.5 μs。由于一個完整的脈沖周期需要2 次進入中斷改變輸出引腳的電平狀態，所以脈沖輸出頻率

式中，Num為定時器需要的計數個數。n值越大，滑臺運動的v-t曲線越接近正弦曲線。過大的值單片機無法及時響應，所以要選取大小。此處取n＝20 并將數據：L＝75 mm，T＝1 s，S＝75，N＝1 000。代入式（2）～（5）中，并求出了相應的fi和Num。

由于STC8A8K單片機采用的是16 bit定時器，所以計數個數Num按照四舍五入取整數，理論上第2n個Num應取無窮大，實際上這里只能取最大值65 535。利用數組將上述的Num賦值給定時器1 作為計數個數，就能輸出頻率近似成正弦變化的脈沖。

3 實驗結果與分析

直接使用5 V的直流電源給電池充電，電池能夠正常充電的話，說明電池充電管理系統的充電功能是正常的。使用模擬海浪發電裝置經過整流電路板產生的5 V直流電源給電池充電，進行聯合調試。測試過程如下：

充電之前使用萬用表先測試一下電池的電壓，電壓為3.91 V。圖8 給出了電池充電的全過程。圖8（a）是充電前的電池電壓。圖8（c）是充電剛開始的狀態。一段時間后，黃燈亮表示電池已經充滿。如圖8（d）所示。此時使用萬用表測量電池電壓為4.00 V，如圖8（b）所示。

圖8 電池充電過程

經過測試可見，電路板的充電功能是正常的，充電指示燈正常發綠光。一段時間后電池充滿電，電池充電完畢指示燈正常發黃光。

為驗證實驗平臺的有效性，進一步在實驗室進行了電路的聯調。實驗室中模擬波動周期為2 Hz 的海浪來推動裝置進行運動，同時由充電裝置收集電能。單片機輸出脈沖頻率變化范圍如圖9（a）所示，實驗結果得出定子線圈實際產生的感應電動勢的峰值約為7 V，如圖9（b）所示。

圖9 頻率和電壓變化曲線

發出的交流電經電源管理部分轉化為直流電，如圖10 所示。經充電管理板對額定電壓為3.7 V 的電池進行充電驗證，電池的初始電壓為3.4 V，每充電1 h左右，取下來測量一次電壓，如圖11 所示，充電9 h后，電池電壓為3.85 V，每小時電池電壓改變大約為0.05 V。

圖10 整流后輸出的直流電壓

圖11 電池電壓變化

4 結語

相比風能與太陽能技術，波浪能具有獨特的優勢［12］。波浪能能量密度高，是風能的4～30 倍［13］。可作為太陽能發電的一種有效補充，波浪能不受光照影響，具有成本低，無污染，節約能源等諸多的優點［14-15］。

本文介紹了一種采用微型化思路來降低發電成本的海浪發電及能量收集實驗平臺。平臺采用STC8A8K作為核心控制芯片，輔以充電電路板，整流電路板等相關外圍電路以及自制的相應的模擬浮子運動的硬件。通過編寫相應程序完成對步進電動機的控制實現模擬海浪發電。通過在實驗測試，得到了相應的線圈在空載時的輸出電壓及整流電壓等有效數據，證明了實驗平臺的設計有效性。通過該實驗平臺，可使學生了解完整的單片機控制過程，步進電動機的運動特性以及海浪發電的原理，使學生對理論知識有了更直觀的認識。