張朝陽(yáng)，徐敬龍

(吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化的高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)能源的需求量也越來(lái)越大，而煤、石油等傳統(tǒng)化石能源正日益枯竭，而且容易引起霧霾等嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題．相比之下，太陽(yáng)能則是一種取之不竭的可再生能源，具有清潔、無(wú)污染、分布廣泛、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)．利用太陽(yáng)能發(fā)電已是未來(lái)能源開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)．目前大多數(shù)的太陽(yáng)能電池板都采用類似于太陽(yáng)能熱水器的“A”形方式，不利于太陽(yáng)光的充分利用，限制了太陽(yáng)能發(fā)電的推廣應(yīng)用．基于此設(shè)計(jì)一種基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易太陽(yáng)能電池板角度控制系統(tǒng)，使得太陽(yáng)能電池板平面與太陽(yáng)光線始終在一定誤差內(nèi)保持垂直，提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率．

1 太陽(yáng)能電池板角度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由光線探測(cè)、微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和太陽(yáng)能采集裝置等模塊組成．

(1)太陽(yáng)能采集裝置.搭建平行陣列采集裝置，它由聚光電池陣列、架體等組成．若干聚光電池經(jīng)過(guò)串并聯(lián)后平行排列在電池板上，構(gòu)成電池陣列．通過(guò)加裝折射式聚光器如菲涅爾透鏡，可以使較大面積的太陽(yáng)光會(huì)聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，形成“焦帶”或“焦斑”，并將太陽(yáng)能電池置于這種“焦斑”或“焦帶”上，可以獲得更多的電能輸出．這樣，不僅對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚焦，而且對(duì)電池組件起到了保護(hù)作用[1-3]．平行陣列在跟蹤過(guò)程中對(duì)于太陽(yáng)光線垂直于電池板的精度要求不高，有較大的容錯(cuò)率，整體成本較低．

(2)光線探測(cè)模塊.采用光強(qiáng)比較法，其原理是光強(qiáng)度發(fā)生變化，光敏電阻的阻值隨之變化．可以使用多個(gè)光敏電阻構(gòu)成探測(cè)陣列，微控制器會(huì)根據(jù)陣列不同的響應(yīng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，使得太陽(yáng)光垂直照射到平面上．該方法具有測(cè)量精度高、電路簡(jiǎn)單、成本低廉和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)．

本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為MG42-5的光敏電阻器[2-4]，其最高工作電壓為20 V，額定功率5 mW，亮電阻≤20 kΩ，暗電阻≥2 mΩ．系統(tǒng)光線探測(cè)模塊的圓筒式光電傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 光敏探測(cè)模塊

它主要由8個(gè)光敏電阻和一個(gè)不透光的空心圓筒及底座組成．在圓筒的外側(cè)，東、南、西、北四個(gè)方向上分別對(duì)稱固定4只光敏電阻．其中M1、M3對(duì)稱安裝在圓筒的東西兩側(cè)，用來(lái)粗略的檢測(cè)太陽(yáng)光在水平面的垂直投影線偏轉(zhuǎn)角；M2、M4 則對(duì)稱安裝在圓筒的南北兩側(cè)，用來(lái)粗略檢測(cè)太陽(yáng)的視高度即仰角．在圓筒內(nèi)側(cè)，東、南、西、北四個(gè)方向上也分別對(duì)稱布置4只光敏電阻，用來(lái)精確檢測(cè)太陽(yáng)由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度和太陽(yáng)的仰度[4-6]．圓筒的高度決定測(cè)量的精度，相同直徑的圓筒，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，到達(dá)圓筒底部的光線夾角越小，即精度越高．但是太高的精度則導(dǎo)致跟蹤裝置不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，消耗電能．經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，采用的圓筒直徑為1 cm時(shí)，高度應(yīng)為5 cm．當(dāng)處理器采樣到對(duì)稱光敏電阻的大小不等，則太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向阻值小的一側(cè)，直到對(duì)稱電阻大小相等，即此時(shí)太陽(yáng)光垂直或近似垂直于太陽(yáng)能電池板．在此基礎(chǔ)上，光敏電阻只需外加一個(gè)上拉電路，即可把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給微控制模塊[6]．

(3)微控制模塊.本設(shè)計(jì)的微控制芯片采用MPC82G516單片機(jī)實(shí)現(xiàn)[7-10]．它是一種自帶AD轉(zhuǎn)換器的64K字節(jié)存儲(chǔ)器的8位微處理器芯片，可以反復(fù)擦除、燒寫(xiě)1 000 多次，可以很好的滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其外圍電路及引腳連接如圖2所示．

圖2 單片機(jī)引腳分布及最小系統(tǒng)電路圖

(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.本設(shè)計(jì)采用ULN2003作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，成本低，而且穩(wěn)定．步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示．本設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能電池板的角度調(diào)節(jié)正是依靠于支架上水平軸步進(jìn)電機(jī)和仰角軸步進(jìn)電機(jī)的合理轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[11-12]．

2 太陽(yáng)能電池板的角度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體程序設(shè)計(jì)思想是首先光線探測(cè)模塊通過(guò)光電傳感器完成太陽(yáng)光線相關(guān)參數(shù)采集，并傳送給微控制模塊，微控制器將接收到的光線參數(shù)信息經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送控制指令，分別驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板的水平軸和仰角軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池板角度的調(diào)節(jié)，使電池板平面與太陽(yáng)光線的夾角維持90°，提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率．系統(tǒng)整體流程圖如圖4所示．

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖4 系統(tǒng)整體流程圖

由于探測(cè)模塊特殊的結(jié)構(gòu)，不同方向的陽(yáng)光照射會(huì)使各個(gè)光敏電阻發(fā)生不同變化．通過(guò)上拉電壓，就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)電壓信號(hào)，再通過(guò)控制芯片即單片機(jī)內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)一步運(yùn)算處理得到較為精確的數(shù)字量光線參數(shù)．探測(cè)、辨別部分程序如下：

unsigned char ADC (uchar channel)

{

unsigned char AD_finished; //存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志

unsigned char ADC_DATA=0;//存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

ADCTL=(0XE0|channel);//選擇A/D當(dāng)前通道

P1M0|=1;P1M1&=0XFE;//配置P1.0為只輸入模式

AUXR&=0XBF; //ADRJ=0:ADCH包含高八位；ADCL包含低2位

Delay1ms(); //使輸入電壓達(dá)到穩(wěn)定

Delay1ms();

Delay1ms();

ADCTL|=0x08;//令A(yù)DCS=1,啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

AD_finished=0;

while(AD_finished==0) //等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束

{//0001,0000,ADCI==1測(cè)試A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束

AD_finished=(ADCTL&0x10);

}

ADC_CONTR&=0x7F;//令A(yù)DCON=0,關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換

return(ADC_DATA); //返回A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

}

3 數(shù)據(jù)測(cè)量和系統(tǒng)調(diào)試

對(duì)各個(gè)獨(dú)立模塊進(jìn)行模擬測(cè)量，即通過(guò)給定相關(guān)參數(shù)，觀察、測(cè)量、記錄各模塊的相應(yīng)變化，現(xiàn)得結(jié)果如下：

(1)光的強(qiáng)度在AM1.5時(shí)，通過(guò)施加不同入射方向的光信號(hào)，比較探測(cè)模塊的靈敏度，發(fā)現(xiàn)、入射方向接近90°時(shí)，探測(cè)模塊靈敏度最高，見(jiàn)表1．

表1 AM1.5下不同角度測(cè)量數(shù)據(jù)

(2)外加電源并給出相應(yīng)控制信號(hào)，測(cè)試微控制模塊的相應(yīng)功能．經(jīng)調(diào)試，達(dá)到了信號(hào)輸出0.1 s以內(nèi)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)0.5 s以內(nèi)的延時(shí)要求，見(jiàn)表2．

表2 不同控制信號(hào)下電機(jī)反應(yīng)時(shí)間

(3)輸入確定角度信號(hào)，測(cè)量雙軸轉(zhuǎn)向支架的朝向角．經(jīng)過(guò)對(duì)支架的傳動(dòng)連接部分的校對(duì)，達(dá)到3°的精度要求，見(jiàn)表3．

表3 AM1.5下不同角度測(cè)量數(shù)據(jù)

(4)把各個(gè)模塊組合成一個(gè)整體，并進(jìn)行實(shí)際情況下的綜合調(diào)試．選擇陽(yáng)光充足的晴朗天氣，把系統(tǒng)置于陽(yáng)光下，觀察、測(cè)量電池板與太陽(yáng)光入射方向夾角，在不同時(shí)段對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)記錄．經(jīng)過(guò)多次不同情況下的調(diào)試，本系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn)在誤差5%以內(nèi)對(duì)太陽(yáng)光線入射角度的有效追蹤，電池板發(fā)電效率明顯高于固定電池板，見(jiàn)表4．

表4 不同時(shí)間下板固定和移動(dòng)的測(cè)試數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)出基于51單片機(jī)的太陽(yáng)能電池板角度控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)模擬仿真和實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，角度調(diào)節(jié)精度±5°，完成太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)光的智能跟蹤，提高了電池板的發(fā)電效率．

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