趙佐權，于松濤，齊世清，韓冰心

基于MCU的節(jié)能高效的太陽能追日系統(tǒng)

趙佐權，于松濤，齊世清，韓冰心

（東北大學秦皇島分校 控制工程學院，河北 秦皇島066004）

為進一步提高太陽能光伏板轉換效率，設計一種節(jié)能高效的太陽能追日系統(tǒng)。系統(tǒng)結合太陽光強檢測和太陽軌跡計算追日的各自優(yōu)勢，采用太陽軌跡法對追日系統(tǒng)進行粗調，采用太陽光強變化檢測法對系統(tǒng)進行細調。利用直流電機和減速器的配合，控制太陽能板在東西方位上實現(xiàn)追日；利用由直流電機做驅動力的電動推桿控制太陽板在南北高度上實現(xiàn)追日。測試數據表明，系統(tǒng)提高了太陽能光伏板的轉換效率，節(jié)能達30%以上。

追日系統(tǒng)；光強檢測；太陽能軌跡法；轉換效率

0　引言

太陽能作為一次清潔能源，應用越來越廣泛，是未來主要能源之一。太陽能光伏電池轉換效率較低[1]，太陽能光伏板一般固定方位安裝，不能充分利用太陽能。設計一種雙軸跟蹤系統(tǒng)，可進一步提高太陽能轉換效率。

在本裝置中，單片機通過對采集到的信號進行分析，輸出控制信號分別作用在直流電機和電動推桿上以此控制裝置的雙軸跟蹤追日。當單片機控制直流電機的轉動時，通過減速器增大轉矩，轉速器與軸承+齒輪相連，驅動本裝置系統(tǒng)在東西方向上實現(xiàn)追日。當單片機控制電動推桿伸長或者縮短時，通過推桿長度的變化，改變太陽能板的傾斜角度來實現(xiàn)南北方向上追日。太陽能追日系統(tǒng)整機采用低功耗設計，傳動裝置中加減速器，整機功耗很低。

1　機械裝置設計

本裝置在機械結構上主要由金屬支架、電動推桿、齒輪+軸承、減速器、直流電機等組成，裝置結構示意圖如

圖1　追日裝置結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of tracking device structure

1.1傾斜角度驅動裝置設計

在傾斜角度的控制中，主要是通過一個電動推桿來驅動。

電動推桿是一種將電動機的正反旋轉運動轉變?yōu)橥茥U的直線往復運動的電力驅動裝置，主要由驅動電機、減速齒輪、滑座、安全開關、撥桿、螺桿、彈簧、導軌、外殼及推桿等組成。電機的轉動通過大小齒輪減速后帶動安裝于內管的小螺桿，帶動與之連接一起的做軸向運行螺母，螺母帶動推桿運動，當直線運動至所設定的行程時螺母觸角壓住限位開關斷開電源，電機停止運動。一般電動推桿標準行程在，100，150，200，250，300，350，400mm，特殊行程也可根據不同應用條件要求設計定做。電動推桿可以根據不同的應用負荷而設計不同推力的電動推桿，一般其最大推力可達6000N，空載運行速度為4mm～35mm/s，電動推桿以24V/12V 直流永磁電機為動力源，把電機的旋轉運動轉化為直線往復運動。在本作品中，電動推桿的行程為250mm，最大推力為900N，空載速度為4mm/s，驅動電機為12V。電動推桿結構示意圖如圖2所示。

在安裝時，將電動推桿的軸頭連接到太陽能板的底部，底部連接到裝置的主軸上。通過電動推桿長度的變化來改變太陽能板的傾斜角度。

圖2　電動推桿結構示意圖Fig.2　Schematic diagram of electric pushrod structure

1.2轉動角度驅動裝置的設計圖1所示。

在此部分功能設計上主要分為三部分：南北方向傾斜角度的控制裝置設計、東西方向上轉動角度的控制裝置設計、上下連接傳動的控制裝置設計。

本裝置上，東西方向上通過一個540直流電機和一個減速器來驅動。

減速器[2]主要是由幾個大小不同的齒輪相互咬合而成。在兩個齒輪嚙合的部位，受大小相同，方向相反的切向力，并且滿足一下的關系：

（齒輪B的半徑x切向力）/（齒輪A的半徑x切向力）

= 齒輪B的半徑/齒輪A的半徑

= 齒輪B的齒數/齒輪A的齒數

= 齒輪A的轉速/齒輪B的轉速

= 齒輪B的扭矩/齒輪A的扭矩

由上面的關系得，小齒輪轉的快，大齒輪轉的慢；小齒輪的轉矩小，大齒輪的轉矩大。通過這樣的結構可以增大直流電機的轉矩，驅動更大的負載；可以降低直流電機的轉速，以較慢的速度更好的追日。減速器的結構示意圖如圖3所示。

本設計中，直流電機作為驅動源，通過減速器將驅動力的轉矩放大后，驅動整個裝置在東西方向上轉動。由于驅動力僅由一個用電量極少的540直流電機提供，所以可以節(jié)約太陽能板產生的能量。

圖3　減速器結構示意圖Fig.3　Schematic diagram of the struc ture of the reducer

1.3上下連接裝置的設計

本裝置中上下連接部分的設計，主要通過一個軸承+齒輪來實現(xiàn)。

軸承+齒輪是由一個內嵌于齒輪的軸承組成，軸承的外沿與齒輪的內沿固定。齒輪通過5個螺絲與上方的轉動裝置固定。軸承的內沿與下方固定裝置的鐵柱固定。齒輪+軸承的作用主要是連接下方固定裝置和上方轉動裝置，使減速器的轉動不影響的固定裝置，并且由于軸承的使用使上方的轉動裝置受到的摩擦力更小，使裝置的轉動更靈活，使裝置更節(jié)約能量。齒輪+軸承結構示意圖如圖4所示。

圖4　軸承+齒輪結構示意圖Fig.4　Schematic diagram of the structure of bearing and gear

2　電控裝置設計

如圖5所示，該裝置電動裝置部分主要由控制器模塊，光強檢測模塊，直流電機驅動模塊，電動推桿驅動模塊，電源模塊，電子羅盤模塊等組成。

圖5　電控裝置組成Fig.5　Electric control device

圖6　BH1750FVI內部結構圖Fig.6　BH1750FVI interna l structure diagram

2.1光強檢測

檢測光強時，采用BH 1750FV I[3-5]光強傳感器。BH 1750FV I光強傳感器的內部結構框圖如圖6所示。

太陽光經過光敏二極管PD將光照強度轉化為PD電流，PD電流經過集成運算放大器AMP將PD電流轉化為PD電壓。ADC是16位的模數轉化器，將PD電壓轉化成為0-65535的數字量。Logic + IC Interface的作用是將ADC轉化器轉化后的數字量放入寄存器中，方便控制器通過I2C協(xié)議讀取到光強信息。OSC為內部振蕩器，為內部電路的工作提供時鐘。

BH 1750FV I光強傳感器與單片機接口電路如圖7所示。

模塊的兩個引腳SCL、SDA與單片機的P1?0、P1?1相連，通過I2C協(xié)議與單片機進行通信，讀取的16位的值即為光照強度。

圖7　光強模塊接口電路Fig.7　Intensity module interface circuit

2.2電動推桿驅動

因為控制電動推桿伸長或縮短時，只需要將電壓正反接，因此設計電動推桿驅動電路如圖8所示。

電動推桿通過單片機P0?2（DDTG1）、P0?3 （DDTG2）控制。當DDTG1高電平時、DDTG2低電平時：三極管U 19導通，LED燈D 3、限流電阻R27、三極管U19所在的回路導通，R27電壓近似為5V即繼電器控制端電壓為5V，繼電器銜鐵吸合，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，S-與OUT12V連接，電動推桿的一端接入12V電源的正極。三極管U 20不導通，LED燈D 4、限流電阻R28、三極管U 19所在的回路短路，繼電器兩端電壓為0V，不工作。S+與DOGND相連，電動推桿的另一端接入12電源的地，此時電動推桿縮短。

圖8　電動推桿驅動電路[5]Fig.8　Electric push rod drive circuit[5]

同理當DDTG1為低電平時、DDTG2為高電平時，電動推桿伸長；當DDTG1為低電平時、DDTG2為低電平時，電動推桿停止運動。

圖9　全橋電路示意圖Fig.9　Schematic diagram of the whole bridge circuit

2.3直流電機驅動[6-10]

直流電機采用540電機。為了更好地控制電機正反轉，直流電機驅動電路由兩個半橋驅動芯片IR2104和四個大功率場效應管IRF3205做成的全橋驅動電路。全橋電路示意圖如圖9所示。

橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。

當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極。該流向的電流將驅動電機順時針轉動。

當Q2管和Q 3管導通時，電流就從電源正極經Q3從右至左穿過電機，然后再經Q 2回到電源負極。該流向的電流將驅動電機逆時針轉動。直流電機驅動電路如圖10所示。

圖10　直流電機驅動電路Fig.10　DC motor drive circuit

場效應管U 6，U 9，U 12，U 13，電機組成全橋電路，全橋電路的控制有兩個。

當PWM 1輸入PWM波，PWM 2輸入低電平時，U 9、電機、U12通路工作，電機正轉。

當PWM 2輸入PWM波，PWM 1輸入低電平時，U 6、電機、U 13通路工作，電機反轉。

2.4方位檢測

方位檢測主要通過霍尼韋爾HMC5883模塊來實現(xiàn)。

霍尼韋爾HMC5883L磁阻傳感器電路是三軸傳感器并應用特殊輔助電路來測量磁場。通過施加供電電源，傳感器可以將量測軸方向上的任何入射磁場轉變成一種差分電壓輸出。磁阻傳感器是由一個鎳鐵（坡莫合金）薄膜放置在硅片上，并構成一個帶式電阻元件。在磁場存在的情況下，橋式電阻元件的變化將引起跨電橋輸出電壓的相應變動。通過分析輸出電壓的變化即可得航向。

與單片機接口電路如圖11所示。

如圖所示：模塊的兩個引腳SCL、SDA與單片機的P0?4、P0?5相連，通過I2C協(xié)議與單片機進行通信。

除以上三個模塊以外，電子時鐘模塊用DS1302模塊，風力檢測用壓力傳感器模塊，顯示屏用OLED。

圖11　方向檢測接口電路Fig.11　Direction detection interface circuit

3　程序設計

單片機通過BH1750FV I模塊獲取太陽能板四個角的太陽光強，分別記為I左上，I左下，I右上，I右下。

在控制東西方向上旋轉時：

當I左-I右＞閾值1時，單片機控制直流電機順時針旋轉一個單位；

當I右-I左＞閾值1時，單片機控制直流電機逆時針旋轉一個單位；

當I左-I右＜閾值1時或I右-I左＜閾值1時，電機停轉，靜止不動。

在控制南北方向上傾斜時：

當I上-I下＞閾值2時，單片機控制電動推桿收縮一個單位；

當I下-I上＞閾值2時，單片機控制電動推桿伸長一個單位；

當I上-I下＜閾值2時或I下-I上＜閾值1時，電動推桿停止，靜止不動。

由現(xiàn)場試驗得，該裝置按照5%的占空比輸出時，太陽能板每隔8分鐘左右東西方向上動作一次，每隔12分鐘南北傾斜角度上改變一次。因此設計程序時將每次轉動次數限制再一次以內，保證了由于陰天，有遮擋物時裝置可以正常的追日，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

程序流程簡圖如

圖12　程序流程簡圖Fig.12　Flow diagram

4　測試與結果

為了更好地體現(xiàn)本作品相對于固定式的優(yōu)勢，我們使用了同一廠家，同一批次的兩塊功率為50W的太陽能板。一塊太陽能板采用固定式按照最佳的傾斜角度進行安裝，另一塊太陽能板安裝在追日裝置上。兩塊太陽能板分別通過兩個功率100W阻值10Ω的水泥電阻進行放電，通過電流傳感器WCS2705模塊檢測太陽能板的放電電流。由于該電路為純電阻電路，太陽能板產生的能量約等于兩個水泥電阻產生的熱量，比較水泥電阻產生的熱量即可得結果。

在秦皇島市，從早上6：47到下午5：57進行試驗。在實驗過程中，MCU每一分鐘檢測一次兩個太陽能板的放電電流，并通過串口發(fā)給電腦的上位機記錄下來。實驗結束后，得到670組電流數據。表1為每十分鐘讀取的一次電流的簡表（單位：ma）。通過MATLAB對所的到670組數據以時間（單位：分鐘）為橫坐標，以電流（單位：ma）為縱坐標繪制曲線，如圖13所示。

由公式圖12所示。

當單片機剛開始上電時，各個模塊初始化，光強檢測傳感器開始工作。系統(tǒng)首先根據光強追蹤太陽到太陽，之后進入循環(huán)。對采集到的光照強度的分析控制直流電機和電動推桿動作，直流電機每動作一次太陽能板轉動2°左右，電動推桿每動作一次，太陽能板傾斜角度改變一度左右。延時5～7分鐘后從新檢測太陽光強，進入循環(huán)。

得MATLAB中求取總功率的公式為：

通過計算得兩種模式下產生總的能量分別是：固定式W1=661023.0焦耳，追日式W2=915328.0焦耳。所以本作品比傳統(tǒng)固定式的效率提高了

表1　部分實驗數據Tab.　1 Experim ental data

圖13　固定式和追日式電流對比曲線Fig.13　Comparison　of　fixed　and　current　curve　tracking

通過合理真實的實驗證明了本作品可以大大的提高太陽能板對太陽光的接受率。

由實際的測試數據知，

（1）從上午10點左右到下午2：30左右，固定式和追日式收集的光能的效率幾乎完全一樣。

（2）在早上6：47之前，追日式收集太陽光能的效率依舊遠大于固定式收集的光能

針對以上兩種現(xiàn)象，在以后的系統(tǒng)改進中可以將追日式系統(tǒng)在中午前后的四個小時進行停機休息，以此來節(jié)省能源，實現(xiàn)節(jié)能高效的利用太陽能的目的。

4　分析與展望

[1] 魯瑾，李清巖. 新能源材料:硅基太陽能電池材料[J]. 新型工業(yè)化，2014，（12）:36-45.

LU Jin，LI Qingyan. New energy material: silicon solar battery materials [J].The Journal of New Industrialization，2014，（12）:36-45.

[2] 余國權. 基于CATIA和ADAMS的減速器參數化設計及仿真[D].大連理工大學，2006.

YU Guoquan. The design and simulation of reducer parameterization based on CATIA and ADAMS [D]. Dalian University of Technology，2006.

[3] 云中華，白天蕊.基于BH1750FVI的室內光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)用，2012，（6）:27-29. YUN Zhonghua，BAI Tianrui.Indoor light intensity measuring instrument based onBH1750FVI[J]. Microcontroller & Embedded Systems，2012，（6）:27-29.

[4] 劉燮，吳蘇晨，王瑞林. 基于BH 1750的LCD屏幕亮度自動調節(jié)設計與實現(xiàn)[J]. 硅谷，2013，（13）:24-26+31. LIU Xie，WU Suchen，WANG Ruilin.Thedesign and implementation of Automatic ad justment of the LCD screen brightness based on BH 1750 [J]. Silicon Valley，2013，（13）:24-26+31.

[5] 王建，毛騰飛，陳英革.基于BH1750芯片的測光系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].常熟理工學院學報，2011，（2）:117-120. WANG Jian，MAO Tengfei，CHEN Yingge. The design and implementation of metering system based on BH1750 chip [J]. Journal of Changshu Institute of Technology，2011，（2）:117-120.

[6] 梁英進. 用S8050替換C2500三極管[J]. 家電檢修技術，2006，（3）:61. LIANG Yingjin.W ith S8050 replacement C2500 transistor [J]. Technology for Overhauling Electrical HomeAppliance，2006，03:61.

[7] 游志宇，杜楊，張洪，董秀成. 基于場效應管的直流電機驅動控制電路設計[J]. 國外電子元器件，2008，（2）:3-6. YOU Zhiyu，DU Yang，ZHANG Hong，DONG Xiucheng. Design of the dc motor drive control circuit based on the field effect tube.[J]. Foreign electronic components，2008，（2）:3-6.

[8] 胡發(fā)煥，邱小童，蔡咸健. 基于場效應管的大功率直流電機驅動電路設計[J]. 電機與控制應用，2011，（4）:21-24. HU Fahuan，QIU Xiaotong，CAI Xianjian. Design of the high power dc motor drive circuit based on field effect tube[J].Electric Machines & Control Application，2011，（4）:21-24.

[9] 謝少華，瞿遂春. 基于Matlab的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真研究[J]. 新型工業(yè)化，2015，（3）:28-34. XIE Shaohua，QU Suichun.Simulation study on control system of Brushless DC Motor based on Matlab[J].The Journal of New Industrialization，2015，（3）:28-34.

[10] 王超. MOSFET/IGBT半橋驅動芯片IR2111的應用研究[J]. 機電工程技術，2008，08:57-59. WANG Chao. The app lication and research of MOSFET/IGBT driver chip IR2111 [J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology，2008，（8）：57-59.

Solar Tracker Based on MCU Energy Efficient

ZHAO Zuo-quan, YU Song-tao, QI Shi-qing, HAN Bing-xin
(Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao Hebei 066004)

In order to further improve the conversion efficiency of solar photovoltaic panels, design an energy-efficient solar tracker. System combined with sun light intensity detection and the sun trajectory calculation zhuiri respective advantage, the solar trajectory method of tracker for the coarse by sun light intensity change detection method to fine tune the system. Use DC motor and reducer w ith and control the solar panel in the east-west direction realize zhuiri; use by a DC motor driven electric putter control solar panels at the height of the north and south implementation of chasing the sun. Test data show that the system can improve the conversion efficiency of solar photovoltaic panels, energy saving is more than 30%.

Solar tracker; Light intensity detection; Trajectory; Conversion efficiency

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.09.008

ZHAO Zuo-quan, YU Song-tao, QI Shi-qing, et al. Solar Tracker Based on MCU Energy Efficient[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(9): 44-51.

趙佐權（1992-），男，本科生，從事自動控制；齊世清（1963-），男，副教授，從事智能檢測技術與自動控制，過程控制系統(tǒng)；

于松濤（1994-），男，本科生，從事自動控制；韓冰心（1995-），女，本科生，從事自動控制。

本文引用格式：趙佐權，于松濤，齊世清，等.基于MCU的節(jié)能高效的太陽能追日系統(tǒng)[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（9）：44-51