徐崢 吳丹 張萌藝 汪勇立 鄭英

摘 要：迄今為止，人類正面臨著燃料枯竭的問(wèn)題。所以積極開(kāi)發(fā)利用新資源迫在眉睫。太陽(yáng)能是一種新型可再生的資源，具有清潔無(wú)污染、便于采集利用、儲(chǔ)量無(wú)限、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，但是太陽(yáng)能又因空間分布不斷變化、光照強(qiáng)度分布不均、時(shí)間間斷性等不可避免的問(wèn)題，使得我們不能更好地開(kāi)發(fā)以及利用太陽(yáng)能。因此提高太陽(yáng)能利用率顯得尤其重要。太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能夠有效的解決太陽(yáng)能利用率的問(wèn)題。本文論述了太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)，在有限的面積的前提下，充分提高太陽(yáng)能電池板利用效率。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；自動(dòng)跟蹤；光敏電阻；驅(qū)動(dòng)

現(xiàn)階段市場(chǎng)上使用的跟蹤系統(tǒng)有單軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器、步進(jìn)式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤、單軸液壓式自動(dòng)跟蹤、極軸式跟蹤等等。本文主要介紹基于msp430單片機(jī)的太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，光電追蹤與單片機(jī)控制的有效結(jié)合提高太陽(yáng)光跟蹤的精確度。

1 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換端，數(shù)據(jù)處理控制端，機(jī)械裝置端三大部分；又可以細(xì)分為光強(qiáng)檢測(cè)模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，太陽(yáng)能充電模塊，人為開(kāi)關(guān)控制模塊，電源模塊等8個(gè)模塊如圖1。

光強(qiáng)檢測(cè)模塊接收到太陽(yáng)光的強(qiáng)弱把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊再將模擬電信號(hào)編碼為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送給數(shù)據(jù)控制模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)控制模塊處理數(shù)字信號(hào)輸出控制指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，來(lái)調(diào)整機(jī)械裝置端實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤的控制。

1.1 光強(qiáng)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性，就是電阻器件。當(dāng)光敏電阻兩端通有電流而無(wú)光照射，光敏電阻呈高阻態(tài)，回路中僅有微弱的暗電流通過(guò)；當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照射時(shí)，因光敏電阻光導(dǎo)材料吸收光能而生成電子——空穴對(duì)，這時(shí)電子移向正極，空穴移向負(fù)極，它的阻值急劇減少，電流迅速增大。光電流的大小變化控制電路中的電壓電流變化。當(dāng)光照射停止時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻又恢復(fù)原值，電路中只有微弱暗電流通過(guò)。亮電流與暗電流的差值稱為光電流，通常光電流越大越好，表明光敏電阻敏感度好。

采用四個(gè)光敏電阻設(shè)計(jì)成四個(gè)相同的分壓電路如圖2，四路電路高低電位相連，共用一個(gè)5V電源供電。四個(gè)光敏電阻的感光區(qū)分別側(cè)著朝向東南西北四個(gè)方向，保證四個(gè)側(cè)向偏轉(zhuǎn)角度相同。四個(gè)運(yùn)放輸出端為采樣電壓。

1.2 太陽(yáng)能充電模塊

考慮到太陽(yáng)能電池板在面對(duì)不同光強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生的電壓在15V～22V區(qū)間內(nèi)變化，太陽(yáng)能電池通過(guò)7805降壓模塊把電能儲(chǔ)存到電鋰電池（5V）。防止充電過(guò)程中電流回流的情況，所以有必要在降壓模塊與鋰電池中間添加一個(gè)二極管起到保護(hù)電路的作用。為更直觀的觀察太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)光之間的角度關(guān)系，可以在降壓模塊后面連接一組小功率發(fā)光燈泡。當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射在太陽(yáng)能電池板上時(shí)，電池板會(huì)產(chǎn)生最大的功率，經(jīng)過(guò)降壓模塊后改變的只是電壓值而功率不變，所以此時(shí)的小燈泡應(yīng)是最亮的。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的主控芯片是L298N，該芯片可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，工作電壓是4.5～7V。芯片的4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍為+2.5～46V。輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。一個(gè)L298N可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，控制2個(gè)電機(jī)接入的高低電位。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)如表3。

BF37GB12—5直流電機(jī)的額定工作電壓為12V，額

定功率為3W，數(shù)據(jù)上滿足L298N的控制參數(shù)。整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要提供12V和5V兩個(gè)電源，因此將12V電源分為兩條通道，一條直接將12V送給芯片的4腳VS，提供電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電壓，另一條通過(guò)一個(gè)7805降壓模塊提供給芯片使能端ENA，ENB和芯片工作端VSS。

1.4 其他模塊設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分：雙軸控制系統(tǒng)控制太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)平面360°和縱面180°的三維空間轉(zhuǎn)動(dòng)控制，相較于單軸系統(tǒng)縱面180°的二維平面轉(zhuǎn)動(dòng)控制，雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)可以使太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍更廣，提高太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)光之間的垂直精度。

（2）AD轉(zhuǎn)換模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)中自帶AD12模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)采樣通道進(jìn)行采樣。

（3）電源模塊：電源選用12V的可充電鋰電池，在接入電路前接一個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)人為可控，也可確保電路的安全。

2 軟件部分

2.1 系統(tǒng)工作流程

由單片機(jī)對(duì)光電檢測(cè)模塊進(jìn)行四路模擬電壓的采樣，然后對(duì)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行兩兩比較，為了降低功耗，且太陽(yáng)能板在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)效率的影響不大，所以當(dāng)同一組中兩個(gè)數(shù)值差在0.1V范圍內(nèi)時(shí)從單片機(jī)的I/O口不輸出控制電壓，只有同一組中兩個(gè)數(shù)值差大于0.1V時(shí)單片機(jī)的I/O口輸出控制電壓，由此控制電機(jī)轉(zhuǎn)向數(shù)值大的那邊，如圖4。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

（1）經(jīng)測(cè)試光敏電阻阻值變化區(qū)間為230Ω～15kΩ，無(wú)光照顯15kΩ高阻態(tài)，強(qiáng)光照為230Ω。

（2）采樣端輸出電位變化區(qū)間為0.1V～4.75V。

（3）實(shí)物現(xiàn)象觀察

a.實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試：在實(shí)驗(yàn)室中采用白熾燈模擬太陽(yáng)光線，改變白熾燈的位置系統(tǒng)裝置能夠快速準(zhǔn)確追蹤光源位置，白熾燈與太陽(yáng)能板之間垂直角度的測(cè)量誤差在10°以內(nèi)。不過(guò)接在太陽(yáng)能電池下的小燈泡亮度一直很微弱，我們猜測(cè)可能是白熾燈的光照能量不夠。

b.外表環(huán)境實(shí)時(shí)測(cè)試：選擇天氣晴朗的一天，將太陽(yáng)能裝置放在平穩(wěn)空曠地方，使初始方向背向太陽(yáng)。搭接好線路接通電源，系統(tǒng)裝置同樣快速準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)方向，挪動(dòng)裝置底座位置太陽(yáng)能板會(huì)自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光，此時(shí)的垂直角度測(cè)量誤差在15°以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明該套系統(tǒng)裝置可以穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的自動(dòng)跟蹤。

3.2 平衡誤差

在考慮到能耗和市場(chǎng)價(jià)格的便利，低速直流電機(jī)相較于伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)直流電機(jī)的價(jià)格要便宜很多。對(duì)于直流電機(jī)存在的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，利用單片機(jī)在方位角度轉(zhuǎn)動(dòng)中設(shè)定了一個(gè)0.3V預(yù)留電壓差，在控制一個(gè)電機(jī)的一對(duì)電位差的絕對(duì)值小于一定范圍時(shí)我們將此時(shí)的電位差等同于為零，電機(jī)轉(zhuǎn)軸仍然保持靜止。此種方法既避免了電機(jī)時(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)所帶來(lái)的機(jī)械能和熱能的損耗，也消除了直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性帶來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。

4 結(jié)論

從程序的編寫到功能的基本實(shí)現(xiàn)，一路坎坷。在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)也不斷的解決問(wèn)題，越來(lái)越發(fā)覺(jué)制作實(shí)物相比整體設(shè)計(jì)要難一些，實(shí)際制作過(guò)程中會(huì)遇到多種多樣的問(wèn)題，要通過(guò)不斷的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)來(lái)解決。光的方位檢測(cè)，單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理和電機(jī)的方向驅(qū)動(dòng)共同構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能更強(qiáng)。

5 未來(lái)發(fā)展方向

現(xiàn)在市場(chǎng)上的很多太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)備都是一對(duì)一的控制模式，即一個(gè)光控制系統(tǒng)控制一個(gè)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光的跟蹤。所以未來(lái)方向可以考慮將光檢測(cè)系統(tǒng)與太陽(yáng)能板的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái)，通過(guò)中間的軟件控制將一個(gè)光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的光的方位信號(hào)告知給多個(gè)太陽(yáng)能板驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)控制多組太陽(yáng)能板的方位調(diào)試。這種方法很好的運(yùn)用到了自動(dòng)控制學(xué)中的一控多的思想，也大大減少了太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)跟蹤的價(jià)格成本。

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