張　皓/遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院

光伏太陽能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“產(chǎn)品式”實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)

張皓/遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文根據(jù)光伏發(fā)電中太陽能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的原理，鑒于當(dāng)前高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的知識(shí)系統(tǒng)性不足。設(shè)計(jì)了以市場(chǎng)產(chǎn)品為原型適用于電子課程教學(xué)的一種太陽能監(jiān)測(cè)控制實(shí)訓(xùn)裝置。重點(diǎn)描述了該實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)過程，并介紹了該裝置在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中的實(shí)施方法。這種實(shí)訓(xùn)理念不但增強(qiáng)了學(xué)生環(huán)保、產(chǎn)品意識(shí)，同時(shí)對(duì)高職院校相關(guān)專業(yè)開發(fā)類似的教學(xué)裝置也提供了參考依據(jù)，使其滿足企業(yè)對(duì)人才的需求。

太陽能；控制系統(tǒng)；產(chǎn)品式；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

高職院校傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備多以“模塊式”實(shí)訓(xùn)裝置為載體開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作，這種方式從教師傳授知識(shí)角度上實(shí)現(xiàn)起來比較容易，從學(xué)生接受知識(shí)角度上來看也比較有針對(duì)性、直接性，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的細(xì)化程度較強(qiáng)，學(xué)生也比較容易理解，但是也存在著很大的不足：與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐脫節(jié)，無法與市場(chǎng)產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后無法直接從事企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，產(chǎn)品意識(shí)缺乏。從實(shí)訓(xùn)教學(xué)上來說，這種實(shí)訓(xùn)設(shè)備目的性較單一，知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)、課程與課程之間較孤立，缺乏聯(lián)系，沒有形成學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

針對(duì)以上問題，本文從教學(xué)產(chǎn)品角度和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，模擬市場(chǎng)上的光伏太陽能監(jiān)測(cè)控制器，設(shè)計(jì)與開發(fā)了光伏太陽能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備。從理念上打破了傳統(tǒng)的“模塊式”實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的缺陷，提升學(xué)生的產(chǎn)品意識(shí)，擬補(bǔ)了目前課程、學(xué)科分離嚴(yán)重、實(shí)訓(xùn)課知識(shí)點(diǎn)分散化、系統(tǒng)性嚴(yán)重不足的缺陷。同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)的環(huán)保產(chǎn)品也具有一定的社會(huì)價(jià)值。

一、控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

光伏太陽能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的核心設(shè)計(jì)是太陽能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文以太陽能電池板為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于我國(guó)宏晶公司生產(chǎn)的STC12C605AS2單片機(jī)為核心控制器的太陽能自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，通過主控器件自動(dòng)的調(diào)整控制太陽能電池板的位置，使太陽能電池板始終與太陽光照射方向垂直，從而使太陽能設(shè)備能夠達(dá)到最大的采熱效率。

1.太陽能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制策略

本文采用了光電監(jiān)測(cè)與記憶監(jiān)測(cè)相結(jié)合的控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制。所謂記憶監(jiān)測(cè)就是在正常天氣條件下，從早上7:00至下午18: 00時(shí)間段內(nèi)，統(tǒng)計(jì)兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)并記錄存儲(chǔ)下來；每隔一定的時(shí)間Δ t統(tǒng)計(jì)該時(shí)間段內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)所走過的步數(shù)并根據(jù)時(shí)間先后記錄下來。在天氣好時(shí)，系統(tǒng)采用光電監(jiān)測(cè)模式，當(dāng)遇到陰天或天氣狀況不好造成光電傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)小于設(shè)定的閥值時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換到記憶監(jiān)測(cè)模式運(yùn)行，并從EEPROM存儲(chǔ)器中按序讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)，從而來控制步進(jìn)電機(jī)工作。這樣我們就能夠保證所采用的數(shù)據(jù)為最新、最優(yōu)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)的效果將達(dá)到最優(yōu)，可使系統(tǒng)不存在累積誤差，精度較高，使系統(tǒng)避免監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)主要由七個(gè)主要部分組成：STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、光電檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路、時(shí)鐘電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、外接鍵盤和報(bào)警電路。

最終制定出控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

圖1　

二、控制子系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2單片機(jī)是以8051為內(nèi)核的一種新一代單片機(jī)。其功能強(qiáng)大，集成度高，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換與PWM脈寬控制，技術(shù)成熟，被我國(guó)目前廣大高校作為單片機(jī)教學(xué)的首選芯片。本文設(shè)計(jì)的太陽能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是采用了該款芯片作為系統(tǒng)主控制器組成最小系統(tǒng)。下面就該裝置以下三個(gè)的主要子系統(tǒng)介紹其軟硬件設(shè)計(jì)過程。

1.光電檢測(cè)與放大子系統(tǒng)

硬件設(shè)計(jì)原理：光電傳感器接收太陽光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此模擬電信號(hào)經(jīng)過放大器的放大進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)采集來的信號(hào)進(jìn)行分析比較，得出結(jié)果最終控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向來達(dá)到太陽能電池面板垂直于入射光線。光電傳感器選為光敏電阻，根據(jù)系統(tǒng)需要，設(shè)計(jì)合理的光敏電阻放置位置以及其擋光板，以接收陽光。這里利用4個(gè)光敏電阻以東西南北四個(gè)方向排列。硬件電路上運(yùn)算放大器采用LM358雙運(yùn)放集成電路，它的內(nèi)部包含兩組形式完全相同的運(yùn)算放大器，電路原理圖如圖2所示：

圖2　

軟件設(shè)計(jì)原理：利用光敏電阻在光照時(shí)電壓發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，則輸出電壓相同，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻電壓減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度完全相同。南北方向的兩個(gè)光敏電阻同理。

2.雙軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

本文采用雙軸步進(jìn)電機(jī)控制，就是在水平方向控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在垂直方向控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。本系統(tǒng)通過單片機(jī)按太陽垂直角和俯仰角的大小，產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)。按照不同的控制命令，使兩個(gè)方向上的步進(jìn)電機(jī)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止等動(dòng)作。系統(tǒng)由于采用 STC系列單片機(jī)，電路簡(jiǎn)單可靠，結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于不同方向的步進(jìn)電機(jī)控制，不需改變硬件電路，通過修改軟件，用程序改變相序，即能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的多種控制，靈活方便，通用性強(qiáng)，成本低。

在硬件電機(jī)驅(qū)動(dòng)上，直接利用STC12C5A60S2單片機(jī)的推挽強(qiáng)輸出方式即可輸出大電流驅(qū)動(dòng)三相三相制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。本系統(tǒng)采用PWM方式可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，電路原理圖如圖：

圖3　

SER0為電機(jī)1控制水平方向運(yùn)動(dòng)，SER1為電機(jī)2控制垂直方向運(yùn)動(dòng)。CH為電機(jī)輸入端

3.時(shí)鐘控制系統(tǒng)

這里我們使用DS1302時(shí)鐘芯片來計(jì)算時(shí)間。太陽相對(duì)地球的位置變化緩慢，所以不需要監(jiān)測(cè)裝置時(shí)刻運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，DS1302開始計(jì)時(shí)，每十分鐘向單片機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，控制單片機(jī)對(duì)光電檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描存儲(chǔ)。假定太陽光強(qiáng)的有效時(shí)間為早上7：00點(diǎn)到下午18：00點(diǎn)，當(dāng)時(shí)鐘芯片計(jì)時(shí)滿10個(gè)小時(shí)后，控制單片機(jī)回到早上7點(diǎn)鐘的時(shí)刻位置，以便于第二天的運(yùn)行。

三、控制系統(tǒng)的測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

1.控制系統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試

把整個(gè)控制系統(tǒng)置于陽光下并接通電源，第一次要通過手動(dòng)調(diào)整監(jiān)測(cè)裝置，使得太陽能板與太陽光線大致處于垂直狀態(tài)，隨后系統(tǒng)將根據(jù)天氣狀況自動(dòng)選擇監(jiān)測(cè)模式。在光照強(qiáng)度適合的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)采用光電模式進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)；在使用紙板遮住太陽光以后，系統(tǒng)自動(dòng)切換到記憶模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)；一旦遮擋物撤去，系統(tǒng)又恢復(fù)到光電監(jiān)測(cè)模式，使得太陽能電池板始終垂直于太陽光線。超過監(jiān)測(cè)時(shí)段后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)停止?？刂蒲b置如圖4所示，四個(gè)光敏電阻輸出電壓如表1所示：

圖4　

表1　光敏電阻輸出電壓測(cè)試

2.實(shí)訓(xùn)實(shí)施過程

本實(shí)訓(xùn)課程實(shí)施時(shí)可利用本學(xué)期該課程隨堂實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)訓(xùn)周兩階段時(shí)間共同完成，教師根據(jù)學(xué)生人數(shù)，3—5個(gè)學(xué)生一個(gè)小組。在隨堂實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)階段，教師首先需要提供給學(xué)生該實(shí)訓(xùn)裝置實(shí)訓(xùn)任務(wù)書、光伏太陽能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路原理設(shè)計(jì)圖、實(shí)訓(xùn)裝置所需電子元器件、15×18cmPCB板兩片、5×7cmPCB板兩片、3×5cmPCB板1片、1p～20p單排母座接插件若干、面包線若干。教師按照事先設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)電路原理設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)PCB。在PCB制作過程中，布線時(shí)無需進(jìn)行繁瑣的元器件引腳連接，只需將各元器件引腳利用單排母座引出，讓學(xué)生利用面包線插接單排母座，從而自由連接各元器件，方便學(xué)生快速搭接、修改電路，這使得學(xué)生可以更加靈活進(jìn)行子電路的調(diào)試、實(shí)驗(yàn)，極大的提高了學(xué)習(xí)效率。最后將各個(gè)元器件和單排母座焊接在制作完成的PCB板上。在綜合實(shí)訓(xùn)周，學(xué)生需要完成整個(gè)系統(tǒng)的PCB繪制設(shè)計(jì)，并焊接所有元器件，可利用手機(jī)電筒模擬太陽光，正確調(diào)試運(yùn)行整個(gè)控制系統(tǒng)。

3.實(shí)訓(xùn)裝置可完成的實(shí)驗(yàn)

(1) 聲光報(bào)警實(shí)驗(yàn)（2）帶記憶功能實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制實(shí)驗(yàn)（3）1602液晶顯示實(shí)驗(yàn)（4）步進(jìn)機(jī)PWM、PID控制實(shí)驗(yàn)（5）光電傳感器與雨滴傳感器實(shí)驗(yàn)（6）按鍵設(shè)置實(shí)驗(yàn)（7）四路放大器與比較器電路LM358控制實(shí)驗(yàn)（8）與非門74LS00芯片控制實(shí)驗(yàn)（9）光伏太陽能電池板監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)（10）PCB制作實(shí)驗(yàn)

四、結(jié)束語

通過這種實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式有利于學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的理解掌握，訓(xùn)練了學(xué)生對(duì)PCB板的制作，鍛煉了學(xué)生的焊接、調(diào)試能力，同時(shí)由于學(xué)生最終的實(shí)訓(xùn)成果是一個(gè)完整的產(chǎn)品，雖然它不是真正意義上可推向市場(chǎng)的產(chǎn)品，但這種實(shí)訓(xùn)方式大大增加了學(xué)生的產(chǎn)品意識(shí)，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠更加貼近適應(yīng)企業(yè)的工作崗位，縮短適應(yīng)周期。同時(shí)由于這種實(shí)訓(xùn)裝置涵蓋了大部分的相關(guān)學(xué)科知識(shí)，使學(xué)生將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)能夠有效的統(tǒng)一聯(lián)系起來，形成完善的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，最終達(dá)到學(xué)以致用的目的。

[1] 易良廷, 楊海平, 龍燕. MSP430單片機(jī)在移動(dòng)太陽能燈檢測(cè)和控制中的應(yīng)用. 中國(guó)照明電器, 2005(03): 153-155

[2] 綦慧, 田衛(wèi)娟. 基于FPGA的太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn). 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, 13(33): 174-176

[3] 倪玉峰, 閆闈, 劉建成, 行鴻彥.一種新穎的太陽能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計(jì). 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011(03): 121-124

[4] 龔艷麗.一種基于向日蔡式仿生日光跟蹤系統(tǒng)的研究. 電子科技大學(xué)碩士論文, 2012

[5] 李軍編著. 51系列單片機(jī)高級(jí)實(shí)例開發(fā)指南. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2005

[6] 邱開金.科學(xué)開展生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)[N].中國(guó)教育報(bào).2008-3-4（9）.