李亞輝，王 琪,2，李榮敏,2，王 珂, 羅光亮

● （1. 江蘇科技大學(xué) 張家港校區(qū)，江蘇 張家港215600；2. 蘇州理工學(xué)院 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港215600）

基于MSP430單片機(jī)的太陽能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

李亞輝1，王 琪1,2，李榮敏1,2，王 珂1, 羅光亮1

● （1. 江蘇科技大學(xué) 張家港校區(qū)，江蘇 張家港215600；2. 蘇州理工學(xué)院 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港215600）

太陽能作為清潔能源得到了人們廣泛的認(rèn)同，然而，能夠隨心所欲利用太陽能，并將其作為不同需求的電能輸出，還是一個(gè)新的課題。本文基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)制作了一套太陽能自動(dòng)跟蹤發(fā)電裝置。為便于攜帶，確定了裝置整體結(jié)構(gòu)可拆卸方案；同時(shí)，進(jìn)行了跟蹤算法的設(shè)計(jì)；選用了大容量鉛酸蓄電池以及多通道的USB可調(diào)電壓輸出接口（DC：0-12V），極大方便了當(dāng)前家庭數(shù)碼產(chǎn)品的使用及其他應(yīng)用。裝置通過使用，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

太陽能發(fā)電；自動(dòng)跟蹤；MSP430單片機(jī)；多功能；便攜

1 跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 跟蹤方案選擇

當(dāng)前國內(nèi)外主流的太陽能跟蹤發(fā)電裝置，其從跟蹤軸數(shù)上可分為：?jiǎn)屋S式和雙軸式，從跟蹤所用方式上可分為：時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)的太陽跟蹤裝置幾種[6-9]。因太陽在南北方向每日變化角度很小，所以俯仰軸對(duì)整個(gè)太陽能充電系統(tǒng)的效率影響并不大，并且考慮制作成本，俯仰軸完全可以按季節(jié)手動(dòng)調(diào)整，同時(shí)對(duì)比以上幾種跟蹤裝置在制作成本及靈敏度方面的差別，以及考慮到光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實(shí)現(xiàn)的顯著優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目最終確定采用：?jiǎn)屋S光電式跟蹤方案。

1.2 跟蹤裝置硬件組成

本系統(tǒng)包括太陽能電池板、光敏傳感器、智能光伏控制器、鉛酸蓄電池、MSP430單片機(jī)、BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)、渦輪蝸桿減速電機(jī)、花鍵結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)主軸及 LM2596-ADJ降壓電源模塊等。光敏傳感器通過傳感器支架對(duì)稱地分布在旋轉(zhuǎn)主軸兩側(cè)。位于基座內(nèi)部的MSP430單片機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)采集來自光敏傳感器輸送的電壓信號(hào)，借助單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)兩個(gè)光敏傳感器采集到的光強(qiáng)值進(jìn)行分析比較，如果兩個(gè)傳感器采集到的光強(qiáng)差小于程序設(shè)定的某個(gè)閥值，則不對(duì)電池板進(jìn)行方向調(diào)整，如果大于這個(gè)閥值：若左側(cè)光強(qiáng)值大于右側(cè)，則將太陽能電池板向左方向轉(zhuǎn)動(dòng)，若右側(cè)光強(qiáng)值大于左側(cè)，則將太陽能電池板向右方向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使太陽能電池板始終達(dá)到正對(duì)太陽的效果，如圖1所示。

1.3 跟蹤裝置整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖并綜合考慮裝置整體外形美觀及便攜性能良好的實(shí)際要求，課題組對(duì)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了獨(dú)立自主地設(shè)計(jì)，并最終確定裝置類向日葵形整體跟蹤結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2 跟蹤裝置設(shè)計(jì)

2.1 光敏傳感器電路

光敏二極管是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。在本系統(tǒng)中光敏二極管處于反接狀態(tài)，在沒有光照時(shí)，電阻很大，暗電流很小，隨著光照強(qiáng)度的增加，暗電流增大，電阻減小，如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化，因此將負(fù)載電阻的電壓值直接聯(lián)到單片機(jī) AD端口便可通過單片機(jī)采集到的電壓值來推算出當(dāng)前兩傳感器的光照強(qiáng)度，如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 裝置總體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)圖

圖3 傳感器檢測(cè)電路

2.2 MSP430單片機(jī)

MSP430是一款16位單片機(jī)，其顯著優(yōu)點(diǎn)是超低功耗，這是課題組選用此款單片機(jī)的主要原因，除此之外，其配備的12位ADC模塊能夠快速精準(zhǔn)地將所測(cè)得的模擬電壓值進(jìn)行數(shù)字化[10-11]。同時(shí)借助高效的開發(fā)環(huán)境IAR可以使程序的開發(fā)變得更加快捷方便。

2.3 BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)

BTS7960的芯片內(nèi)部為一個(gè)半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960.IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。IN=1且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能[12]。根據(jù)以上工作原理，只需控制單片機(jī)的引腳輸出特定頻率和脈沖個(gè)數(shù)的PWM波便可實(shí)現(xiàn)對(duì)減速電機(jī)進(jìn)行特定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，如圖4所示。

圖4 BTS7960全橋驅(qū)動(dòng)電路

2.4 渦輪蝸桿減速電機(jī)

渦輪蝸桿減速電機(jī)具有很大的傳動(dòng)比，同時(shí)電機(jī)具備良好的自鎖性能?？紤]到本系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載較大，同時(shí)比較渦輪蝸桿減速電機(jī)與同等轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)價(jià)格差異，以及考慮裝置整體結(jié)構(gòu)的便攜性能設(shè)計(jì)要求，最終課題組選用減速箱輸出軸方向與馬達(dá)軸是垂直布置的渦輪蝸桿減速電機(jī)。這一設(shè)計(jì)方案既降低了裝置設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也使裝置整體結(jié)構(gòu)體積減小，便攜性能得到增強(qiáng)。

2.5 USB可調(diào)電壓輸出接口

為了便于對(duì)數(shù)碼產(chǎn)品充電，本裝置特別添加了標(biāo)準(zhǔn)通用USB口，并且借助LM2596-ADJ DC/DC降壓電源模塊，可將輸出電壓調(diào)至用戶所需范圍（1.25V～12V），如圖 5所示。

圖5 USB接口電路圖

3 跟蹤系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測(cè)定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一定閥值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整太陽能電池板的位置，直到使太陽光線與電池板垂直，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高度角和方位角的跟蹤[13-14]。裝置自動(dòng)跟蹤子程序工作流程如圖6所示

裝置自動(dòng)跟蹤模式開啟后，單片機(jī)根據(jù)光敏傳感器反饋的電壓值計(jì)算出此時(shí)太陽相對(duì)于發(fā)電裝置的大致位置。如果此時(shí)太陽處在太陽能電池板的前方位置，單片機(jī)則調(diào)用相應(yīng)的位置校正跟蹤子程序，對(duì)太陽進(jìn)行間歇性自動(dòng)跟蹤；如果系統(tǒng)檢測(cè)到太陽此時(shí)不在電池板前方位置，則單片機(jī)執(zhí)行自動(dòng)尋光子程序，從而將電池板旋轉(zhuǎn)到太陽的前方位置，再執(zhí)行位置校正跟蹤序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的閉環(huán)自動(dòng)跟蹤。

圖6 自動(dòng)跟蹤子程序流程圖

4 便攜多功能設(shè)計(jì)

4.1 便攜可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置設(shè)計(jì)之初，我們充分考慮了便攜性能，因此，我們對(duì)旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行了部分花鍵結(jié)構(gòu)的加工，以實(shí)現(xiàn)主軸與基座的可拆卸連接，除此之外裝置的多個(gè)部件均可在短時(shí)間內(nèi)完成拆卸和組裝，極大方便了用戶的遠(yuǎn)程運(yùn)輸和日常搬運(yùn)攜帶，如圖7所示。

圖7 花鍵主軸部分結(jié)構(gòu)圖

4.2 跟蹤模式獨(dú)立控制

為了便于對(duì)發(fā)電裝置的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制，我們特地將自動(dòng)跟蹤模塊開關(guān)與電源總開關(guān)、USB直流電壓輸出開關(guān)進(jìn)行獨(dú)立分離設(shè)計(jì)，以便于用戶對(duì)自動(dòng)跟蹤功能進(jìn)行自主選擇控制，如圖8所示。

圖8 獨(dú)立控制開關(guān)及USB電壓輸出接口

4.3 充放電電壓表及顯示檢測(cè)電路

為了便于觀測(cè)裝置各部分電壓及系統(tǒng)的調(diào)試及故障報(bào)警，課題組特別添加了充放電電壓顯示表、四位數(shù)碼管及蜂鳴器電路，分別用于顯示裝置此時(shí)的太陽能充電電壓及USB端口輸出電壓。同時(shí)，數(shù)碼管可以顯示當(dāng)前陽光強(qiáng)度等級(jí)以及太陽相對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)的位置。蜂鳴器則會(huì)在開機(jī)以及跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鳴響，同時(shí)兼具故障報(bào)警功能。

4.4 裝置實(shí)物圖

圖9展示了太陽能跟蹤發(fā)電裝置的具體實(shí)物圖，裝置整體為類向日葵結(jié)構(gòu)，自上而下分別是可進(jìn)行快速拆裝的太陽能電池板、旋轉(zhuǎn)主軸、光敏傳感器、基座等部件，其中基座包括充放電控制及自動(dòng)跟蹤控制模塊，通過基座上安裝的兩個(gè)電壓表可直觀顯示當(dāng)前太陽能電池板的充電電壓及USB端口的輸出電壓。

5 結(jié)論與展望

通過實(shí)際測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)跟蹤太陽電池板功率增加時(shí)段為日出至10時(shí)和14時(shí)至日落。固定方向太陽電池板全天工作在輻射強(qiáng)度1000W/m2時(shí)，只有3小時(shí)左右，而自動(dòng)跟蹤的太陽池板達(dá)到了6小時(shí)，大大增加了充電功率。

目前的資源體系仍舊以不可再生資源為主，但在社會(huì)不斷快速發(fā)展的今天，資源緊缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀正在逐步制約經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而太陽能資源因?yàn)楸旧淼臒o污染，以及可再生等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)越來越受到人們的重視。今后太陽能的利用范圍必然會(huì)更加廣闊，利用太陽能發(fā)電也必然是太陽能利用的主要方面，而這種適合家用、旅行，特別船舶航行等方面需要的小型太陽能自動(dòng)跟蹤發(fā)電系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、較高的穩(wěn)定性并且對(duì)太陽能的利用效率高等的特點(diǎn)，也必然會(huì)有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]Tom Williams. World directory of Renewable Energy[M], 1998.

[2]孫迎光. 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[J]. 新能源與工藝,2002, 3(3): 19-33.

[3]徐宏偉. 船用太陽能光伏接線盒設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電設(shè)備,2010(5): 17-19, 37.

[4]聶佳芹, 王學(xué)強(qiáng)等. 當(dāng)今世界太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向[J]. 吉林電力, 2000, 4(4): 30-100.

[5]余海. 太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J]. 新能源研究與利用, 2004, 7(3): 34-37.

[6]Pawlenko et al. Solar Tracking System: United States Patent, US7252084B2[P]. 2007-8-7.

[7]薛建國等. 基于單片機(jī)的太陽能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 長春師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 6(7): 23-100.

[8]張常年, 趙紅怡, 呂原. 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研制[J]. 電子工程師-計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2001, 5(12): 12-19.

[9]陳桂蘭等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2001, 9(8): 39-90.

[10]楊金煥, 葛亮, 陳煥等. 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)[J]. 能源工程, 2003(5): 58-111.

[11]王宜用, 董紅海, 孫學(xué)斌等. 自補(bǔ)償戶用發(fā)電系統(tǒng)[J].能源研究與利用, 2004(6): 43-145.

[12]B P Edwards. Computer Based Sun Following System[J].Solar Energy, 1998, 2l(6): 49-498．

[13]Soteris A, Kalogirou. Design and construction of a one-axis solar tracking system[J]. Solar Energy, 1996,57(6): 465-469．

[14]Greg Paula. New processors transform motion control[J].Mechanical Engineering, 1997, 7(4): 79-80．

瓦錫蘭新版本發(fā)動(dòng)機(jī)通過型式認(rèn)可

船舶業(yè)領(lǐng)先的方案與服務(wù)供應(yīng)商瓦錫蘭日前宣布，RT-flex58T D版本 ER-3發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成功地通過了其在許可生產(chǎn)廠商日本聯(lián)合柴油機(jī)公司（DU）的型式認(rèn)可試驗(yàn)（TAT）。

據(jù)悉，RT-flex58T D ER-3發(fā)動(dòng)機(jī)是RT-flex58T D發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化版本，可以降低功率的同時(shí)提高燃油的經(jīng)濟(jì)性。該機(jī)是為了滿足巴拿馬最大型散貨船運(yùn)行需要重新設(shè)計(jì)而成，通過型式認(rèn)可標(biāo)志著它已經(jīng)滿足所有船級(jí)社的要求。

瓦錫蘭RT-flex58T D ER-3發(fā)動(dòng)機(jī)為二沖程共軌發(fā)動(dòng)機(jī)，具有很高的行程缸徑比。縮小的缸徑有助于在沒有負(fù)面影響滿足運(yùn)行可靠性的情況下減少更多的額定功率。新版本發(fā)動(dòng)機(jī)將為較低功率船舶提供低航速，與普通型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)配套巴拿馬型散貨船相比，可以減少油消耗高達(dá)20%。在最大持續(xù)功率為12210千瓦時(shí)，6缸R(shí)T-flex58T D ER-3發(fā)動(dòng)機(jī)可以很好地與RT-flex58T D版本5缸和6缸機(jī)的功率范圍匹配，同時(shí)提供延伸的額定功率范圍，降低絕對(duì)航速和燃油耗。

Design of Automatic Solar Tracking Device based on MSP430 Microcontroller

LI Ya-hui1, WANG Qi1,2, LI Rong-min1,2, WANG Ke1, LUO Guang-liang1
(1. Jiangsu University of Science and Technology Zhangjiagang Campus, Jiangsu Zhangjiagang 215600, China; 2.Suzhou Institute of technology, Mechatronics and Power Engineering School, Jiangsu Zhangjiagang 215600, China)

Solar energy has been widely recognized by people as clean energy. However, the arbitrary use of solar energy to meet the different electricity output needs is still a new research field. A multi-functional portable solar power device which is based on the MSP430 microcontroller has been independently designed in this paper. The overall detachable structure program has been selected so that it is convenient to carry the device. The tracking algorithm has been programmed accordingly. The selection of large-capacity lead-acid batteries and multiple adjustable voltage output USB interface (DC: 0V-12V) greatly facilitates the use of daily digital products and other applications. The actual use verifies the practicality of the design.

solar power; automatic tracking; MSP430 microcontroller; multi-function; portable

TN710，TK513.4

A

0 前言

長期以來，太陽能作為清潔能源倍受歡迎，它的開發(fā)利用一直是人類社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)[1-5]。隨著人們生活水平的日益提高，家庭數(shù)碼產(chǎn)品（例如筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、照相機(jī)等等）的普及率也隨之增高。但是，難免會(huì)遇到意外斷電，或是外出郊游、船舶航行中遇到數(shù)碼產(chǎn)品電量不足的情況，如果此時(shí)陽光燦爛，有一個(gè)多功能便攜式太陽能發(fā)電裝置將會(huì)彌補(bǔ)這個(gè)空缺，同時(shí)，賦予自動(dòng)跟蹤功能后，整個(gè)太陽能充電系統(tǒng)的使用將會(huì)變得更加便捷和高效。

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2012179）和江蘇科技大學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（113032253）

李亞輝（1990-），男，研究生。研究方向：機(jī)電一體化控制技術(shù)。