基于MSP430单片机的智能风力检测与发电控制系统

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当前的不可再生资源有限，因此对清洁安全的绿色新能源开发已迫在眉睫，风力

发电有造价低廉，不分昼夜的优势，得到了广泛的运用。但目前大部分风力发电

靠自然风力推动尾翼或人工控制风轮至最大风向，效率低、效果差。鉴于此需求，

实现了一套智能风力发电自动控制系统。

: H3 m. ~" U6 t1.1 研究的背景及意义

当前的不可再生资源有限，因此对清洁安全的绿色新能源开发已迫在眉睫，风能

和太阳能成为目前新能源开发的最佳选择。相比于太阳能发电容易受日照影响而

影响发电效率且难以广泛应用的不足，风力发电有造价低廉，不分昼夜的优势。

在我国的沿海地区及部分高原地区，风力发电已经得到了广泛的运用，风力发电

成为当地居民的主要电力来源。

1.2风力发电控制系统的现状

经考察，目前绝大部分小型风力发电机靠自然风力推动尾翼或者人工控制风轮至

最大风能方向，而大型的风力发电机对风轮的调整通常比较困难，往往需要人为

的对其风轮进行调整，才能达到最大的发电效率。前者方法虽然简单，但是该方

法对风速的响应过快，旋转过于频繁，对于力矩较小的风力发电机可能影响不是

特别的大，但是在力矩较大的大型发电机上若采用此方法，机械结构会很容易造

成严重的磨损，故而大大降低了风力发电机的使用寿命，也大大增加了发电机的

维护费用，甚至对发电机会造成严重的安全隐患；而人工控制方式效率较低。

鉴于对当前大型风力发电机风轮方向调整上的技术难点，本参赛项目尝试设计一

套专门应用于大型风力发电机风轮方向调节及风速检测的智能风力发电自动控制

系统，以期最大限度的改善上述问题。

1.3本智能风力检测与发电控制系统概述

本系统基于TI公司MSP430单片机对智能风力检测与发电系统的设计与实现进行

了研究。系统主要功能阐述如下：可主动检测最大风速方向，及时调整风轮到最

佳发电位置，实现风能的最大化利用；提供当前风速显示，在风速超过预设值时

提供警报，以防止风速过大对发电机造成损坏；提供手动与自动调整控制方式的

切换，在维修或出现紧急情况时可以人为的对风轮进行调整；该系统还能够记录

存储该区域较长时间范围内的风力、风向、温度等气象信息供分析研究，从而形

成高效发电控制与气象信息监测为一体的多功能系统。

此系统设计方案充分利用TI公司MSP430单片机内部集成的各种功能模块，包括定

时器模块、时钟模块、ADC模块、串口传输模块等，较好地解决了当前风力发电由

风向捕捉而引入的机械磨损问题，优势大、成本低、具有很高的实用价值和市场推

广前景。

2 系统功能指标要求2.1 功能指标要求

(1) 风向检测：

可以对当前的风向进行实时检测，并在液晶显示器上提供实时的更新显示；

(2) 风速检测：

能够对当前的风速进行实时检测，并在液晶显示器上提供实时的更新显示；

(3) 风向自动跟踪：

能够调整发电机的叶轮角度，并对最大风向进行实时跟踪；

(4) 风速报警：

当风速超过预设值时，能够提供警报；

(5) 温度检测：

显示能够对当前的温度进行检测并在液晶屏上进行实时更新显示；

(6) 信息记录：

能够记录较长时间能的风速，风向，及温度信息；

(7) 手动与自动切换：

可以提供手动和自动跟踪功能的切换，并且加入紧急制动装置。

2.2 系统设计要求

(1) 高可靠性

产品、系统在规定的条件下、规定的时间内、完成规定功能的能力称为可靠性。如果

系统的可靠性不能达标，那么系统出故障的几率就会增大，造成的损失也同样会增大。

这种损失不仅包括经济上和信誉上的损失，而且可能会对人身安全产生威胁甚至会产

生更加严重的损失。

本设计中提高单片机系统可靠性的方法主要包括以下几个方面：使用可靠性高的元器

件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施等。

(2) 异常处理能力

无论可靠性多高的系统或装置都可能会发生特殊情况，特殊情况的产生通常有两个原

因，一是系统所处环境超出系统安全标准外；二是系统本身出现故障，在工业应用中，

如果对异常情况不能很好的处理，同样可能造成严重的损失，因此在系统出现特殊情

况时必须有特殊的处理方式。

在本系统设计中，为了提高对紧急情况的处理能力，在控制方式上加入了手动控制和

自动控制的切换，并可以紧急制动，同时，当风速高于设定安全标准时能够提供报警。

(3) 性价比

性价比是系统设计所要考虑的重要因素。在本智能风力检测与发电系统中，以低廉的

造价实现了风力检测、环境参数测量、数据存储与显示等多种功能。本系统在满足性

能要求前提下，大大降低了成本。MSP430除体积小，功耗低等特点外，最大的优势

在于高性价比。是本系统采用MSP430单片机的重要因素之一。

3 系统设计方案论证3.1 主控芯片的选择

单片机具有结构简单，体积小，成本低廉的优点，在控制领域得到广泛应用，因此本

系统主要以单片机为核心进行设计，目前常用的单片机有C51、AVR、PIC、MSP430，

在设计时，我们从如下5个方面将这四种单片机做了一下简单的对比：

(1) 指令集：C51单片机是8位单片机，采用CISC复杂指令集，共111条指令，其余

三种是RISC精简指令集，AVR单片机有118条指令，PIC单片机至少有33条，而

MSP430单片机则只有简洁的27条，可见MSP430单片机在指令集上的优势，所以

其速度比其他单片机都要快很多；

(2) 运算速度：一般51单片机的1个机器周期需12个时钟周期，PIC系列单片机1个

机器周期需4个时钟周期，而MSP430单片机的机器周期只需一个时钟周期即可，

因此在执行指令的速度上MSP430单片机可达1MIPS/MHz；

(3) 功耗：C51单片机本身的电源电压是5V，正常情况下消耗的电流为24mA，在

待机状态下，其耗电电流仍为3mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，

但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50μA的电流。PIC系列单片机在功

耗方面较51而言稍低一些，待机电流2.5 μA ，正常工作状态的电流需1mA/MHz；

AVR单片机在低功耗方面做的也很出色，掉电方式下电流可低至nA级别，但其正常

工作时需要500μA/MHz的工作电流；低功耗性能最好是MSP430系列单片机，保证

系统正常工作仅仅需要330μA/MHz的电流，其在低功耗上表现的非常出色；

(4) 片内资源：MSP430系列单片机是业界片内资源最丰富的单片机，集成有D/A转

换模块，可以将数字信号直接转换输出。将SPI、I2C、UART等常用通信协议集成到

内部，可以与I2C接口，UART接口、SPI接口的器件直接无缝链接进行通信。简化了

硬件设计上的复杂度。MSP430内部硬件乘法器、DMA数据传输以及比较器的整合，

让其他类型的单片机在该领域无法望其项背。虽然PIC单片机和AVR单片机的内部也

集成相关的片内外设资源，但整体的功能远不如MSP430单片机完善；

(5) 开发环境：51单片机的开发环境不支持在线调试，程序加载完成后才能进行调

试，不能逐步分析问题，如果程序稍微复杂，将会使调试难度加大。而其他类型的

单片机，内部包含FLASH型程序存储器，并支持JTAG技术，使开发工具变得简便，

并且支持在线编程调试。尤其是MSP430单片机的集成软件调试平台，调试时可以

控制程序的运行，查看芯片内部的CPU资源和存储的数据，从而给复杂程序的编译

带来了很大的方便。

综上分析，MSP430单片机与其他类型的单片机相比有着更突出的优势，在MSP430单

片机中，我们选择了MSP430F1611，其内部集成12位ADC模数转换器，能轻易实现对

两个绝对值型编码器产生信号的采集，能保证精度需求，提高集成性，同时其成本价

格低，性价比高，可靠性强。

3.2 风向检测模块

风具有方向性及发散性，方向没有固定值，且变化快、变化范围大、变化值随机。目前

在气象仪器中，采集风向主要还是靠风向标带动传感器，通过采集传感器信号来采集风

速。能够进行角度测量的传感器有角度传感器、电位器、增量型旋转编码器、绝对值型

旋转编码器等。本项目在设计该功能模块时，考虑了以下几个要求：

(1) 方向要能够360度测量；

(2) 能够连续的旋转；

(3) 角度应该和信号能成线性对应关系，并且有固定的零点；

(4) 信号能够方便的被单片机采集并量化。

角度传感器不符合要求(1)，电位器不符合要求(2)，增量型旋转编码器不符合要求(3)和(4)，

而绝对值型旋转编码器正好符合上述所有要求，所以此部分采用了绝对值型旋转编码器和

风向标的结合来实现。

3.3 风向自动跟踪与调节模块

此功能是本系统关键之一，也是一个难点，为了使发电机的风轮能够跟踪风速的最大方向，

必须随时对叶轮进行调节，在调节叶轮时，我们尝试了如下两种方法：

(1) 采用步进电机记步调节

系统检测风向后，主控芯片将当前最大风向和当前叶轮进行对比，算出电机的最佳旋转方向

和需要选转的角度，再将角度转化为步进电机需要旋转的步数，从而达到角度的调节。但是

在采用此方法后，出现了下面几点问题：

Ø 在系统初始化时需要设置电机的初始位置；

Ø 步进电机在工作时可能会产生丢步的现象，误差会随时间加长而增大；

Ø 在实际应用中，步进电机的扭力可能不足，且抖动明显；

(2) 上部加入反馈，采用反馈调节

系统检测风向后，主控芯片将当前最大风向和当前叶轮进行对比，算出电机的最佳旋转方向

和需要选转的角度，同时在电机上部再加上一个绝对值型旋转编码器采集当前叶轮的角度，

作为一个调节反馈，采用此方法后，解决了方法(1)中的前两个问题。

但由于经费问题，以及考虑该系统仅作为原理展示，我们依然采用了步进电机，在实际应用

中须采用力矩电机，以解决方法(1)中的第三个不足。

3.4 风速检测模块

常见的风速探头有两种，一种是扇叶式，一种是风杯式。扇叶式风速探头适合于对一个方向

上的风速进行较准确的捕捉，而风杯式则更适合捕捉方向不确定的最大风向，在本系统中，

由于风向是不确定的，所以选择了风杯式风速探头。

3.5 风速报警模块

考虑到在实际应用中，若风速大于发电机的设计值，发电机很容易造成损坏甚至产生危险，

为了方便展示，在本系统中加入了一组LED灯来提供警报。在风速大于安全值时，该灯便会

点亮，以表示警报。

3.6 温度检测模块

该模块设计中，我们考虑到成本问题和精度要求，采用了Dallas公司生产的单总线数字温度

传感器DS18B20，这是一款比较常用的集成温度测量模块，具有接口电路简单、低成本、

低功耗、测量精度高、可靠性高等特点。

3.7 信息记录模块

该部分我们考虑了两种设计方案：

(1) 在系统板上集成存储芯片，直接使用I2C或SPI和单片机通信

该方案中，因为MSP430F1611内部集成SPI和I2C通信模块，因此存储器可以采用I2C或SPI

直接和单片机进行通信，不需要再添加其它外部芯片，但是存储容量小，且不易将数据转存，

数据通用性差。

(2) 采用USB设备，使用SD卡进行存储，间接使用I2C或SPI和单片机通信

此方案仅需外加SD卡控制芯片即可实现方案一的所有功能，考虑到实际使用中的方便性，

于是采用该方案。

3.8 手动与自动切换模块

在反复推敲后，我们认为为了保证系统在实际使用中的可靠性，应该在系统中加入自动与手动

的切换功能，并且加入了较底层的紧急制动装置，以保证该系统能够处理各种特殊情况。当使

用者按下手动自动切换后，系统立刻进行紧急制动，单片机放弃发电机叶轮的控制，此时，可

以通过控制台上的按钮进行人工操作。此操作适用于测试安装，电机检查，及紧急情况。

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