巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 智能機(jī)械與機(jī)器人研究所 李 健 龔智強(qiáng)

太陽光強(qiáng)檢測與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 智能機(jī)械與機(jī)器人研究所 李 健 龔智強(qiáng)

光強(qiáng)檢測與跟蹤在太陽能板充電裝置中有著重要意義,能讓充電效率獲得最大值.文章以單片機(jī)為核心,采用光敏電阻和ADC作為光強(qiáng)檢測電路,利用驅(qū)動(dòng)芯片控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)了一種太陽光強(qiáng)檢測與跟蹤系統(tǒng),使太陽能板能正對(duì)陽光獲得最佳充電效果.

檢測與跟蹤;光敏電阻;ADC;步進(jìn)電機(jī)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源危機(jī)、生態(tài)環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,給經(jīng)濟(jì)社會(huì)帶來嚴(yán)重危害,因此必須尋找新的清潔的、可再生能源來替代傳統(tǒng)能源[1].太陽能作為一種清潔無污染的能源,發(fā)展前景非常廣闊,已經(jīng)和風(fēng)能成為各國競相開發(fā)的綠色能源[2].利用太陽能板來吸收太陽光的輻射能量,將其轉(zhuǎn)化為電能,再將這些電能進(jìn)行儲(chǔ)存,在這整個(gè)轉(zhuǎn)化過程中決定所產(chǎn)生能量大小的因素主要是:光照強(qiáng)度、光照面積和光照時(shí)間[3].由于太陽在一天之中不停的旋轉(zhuǎn),如果安裝放置的太陽能板固定不動(dòng),那么就不能接收最強(qiáng)的光照,獲得最大的能量轉(zhuǎn)化效率,為此設(shè)計(jì)一種太陽光強(qiáng)檢測與跟蹤系統(tǒng),讓太陽能板跟隨太陽旋轉(zhuǎn)具有非常實(shí)用的價(jià)值.

本文利用單片機(jī)、傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和步進(jìn)電機(jī)等設(shè)計(jì)了一種小型的光強(qiáng)檢測與跟蹤系統(tǒng),讓太陽能板能始終與光線方向垂直,獲得最大的充電效率.

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

預(yù)期設(shè)計(jì)制作的系統(tǒng)模型如圖1所示,利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽能板旋轉(zhuǎn),同時(shí)由一個(gè)跟太陽能板平面平行的傳感器檢測光強(qiáng),檢測到最大光強(qiáng)方向后,電機(jī)停止旋轉(zhuǎn).電機(jī)只在向南的半圓內(nèi)帶動(dòng)太陽能板左右往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)記錄和比較檢測的光強(qiáng)值,從而找到最佳方位.

圖1 系統(tǒng)模型圖

圖2 系統(tǒng)組成框圖

光強(qiáng)檢測與跟蹤系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示.核心控制器件選用的是價(jià)格低廉的STC89C52單片機(jī),利用光敏電阻檢測光強(qiáng),將光信號(hào)變成電信號(hào)后由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字量,根據(jù)此數(shù)字量反映的光強(qiáng),單片機(jī)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽能板旋轉(zhuǎn)直至找到光強(qiáng)最大值的方向再停止轉(zhuǎn)動(dòng).

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制單元

如圖3,系統(tǒng)選用了價(jià)格低廉的STC89C52作為核心控制器,它負(fù)責(zé)控制ADC0809的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程,并接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量,同時(shí)根據(jù)數(shù)字量反映的光強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.單片機(jī)的引腳資源分配為:P0口接收ADC的數(shù)字量;P2.0、P2.1接ADC通道選擇引腳的低兩位(預(yù)期采用多路傳感器檢測,實(shí)際只用了一路);P2.2接ADC啟動(dòng)和地址鎖存引腳;P2.3接ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志引腳;P2.4接ADC允許輸出引腳;P2.5給ADC提供工作時(shí)鐘;P1口的低四位接驅(qū)動(dòng)芯片的四位輸入.

2.2 光強(qiáng)檢測電路

如圖4,利用光敏電阻和ADC0809組成光強(qiáng)檢測電路,其原理為:當(dāng)光敏電阻接收的光照越強(qiáng),其阻值越小,這樣ADC的模擬量輸入通道0送入的電壓越低,啟動(dòng)ADC后,轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出的八位數(shù)字量的值就越小.反之,數(shù)字量越大.此處只選用了一路模擬量IN0,故ADC的三位通道選擇引腳CBA應(yīng)為000.

圖3 核心控制器

圖4 光強(qiáng)檢測電路

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

如圖5,單片機(jī)引腳不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),所以選用了驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003.單片機(jī)的IN1-IN4給驅(qū)動(dòng)芯片送脈沖,再通過驅(qū)動(dòng)芯片的OUT1-OUT4控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和方向.

此外,系統(tǒng)需要的電源可由太陽能板經(jīng)過穩(wěn)壓電路提供.

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖6 程序流程圖

硬件電路搭建好后,根據(jù)預(yù)期的要求進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫.程序流程圖如圖6.在程序中,單片機(jī)控制電機(jī)只會(huì)在向南的平面內(nèi)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng),不會(huì)朝一個(gè)方向一直旋轉(zhuǎn)下去.在來回轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),AD進(jìn)行采樣,當(dāng)光照強(qiáng)時(shí),采樣值會(huì)變小,通過保存前后幾組采樣值并進(jìn)行大小比較,找到最小值的位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)太陽能板充電效果最佳.

4.結(jié)論與展望

通過硬件電路和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)后,進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試和改進(jìn),最后基本達(dá)到了預(yù)期的效果.但系統(tǒng)功能較為簡單,還有值得增加和改進(jìn)之處,比如增加豎直方向的電機(jī),讓太陽能板既能水平方向旋轉(zhuǎn),也能做俯仰運(yùn)動(dòng),能更精確的跟蹤太陽光[4];增加日期和時(shí)間及其顯示電路,根據(jù)時(shí)間更好的確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向;增加充電電壓和電流采樣及其顯示電路,更直觀地將充電情況展現(xiàn)出來.

[1]武風(fēng)波,張會(huì)可.太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016年06期.

[2]喻瑞波,薛曉.全自動(dòng)太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014年15期.

[3]鄧奕,余振洪.光強(qiáng)檢測在光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國新通信,2014年02期.

[4]何燕陽.太陽能電池板追日自動(dòng)跟蹤方案的研究[J].蚌埠學(xué)院學(xué)報(bào),2015年06期.

Design of Solar Intensity Detection and Tracking System

Li Jian, Gong Zhi-qiang

(Institute of intelligent machines and Robotics,College of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Anhui Hefei, 238000)

Light intensity detection and tracking are important in solar panel charging system, which can maximize the charging efficiency. A solar light intensity detection and tracking system is designed which based on the single chip as the core controller, photosensitive resistance and ADC as the light intensity detection circuit, and the driver chip to control the stepper motor rotation. It can get the best charging effect to the sun.

detection and tracking;photosensitive resistance;ADC;stepper motor

李健(1985-),男,安徽巢湖人,碩士,實(shí)驗(yàn)師,研究方向:電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì).