李慧彤，肖東岳

（南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南南陽(yáng)，473004）

0 引言

目前光伏發(fā)電遇到的瓶頸是許多太陽(yáng)能電池板不能實(shí)時(shí)追蹤太陽(yáng)，光照利用率低。同時(shí)，太陽(yáng)能電池板輸出的直流電不能徑直投入到人們的生產(chǎn)生活中。為應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題，將自動(dòng)追蹤技術(shù)，光伏逆變技術(shù)和單片機(jī)控制結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了光伏逆變太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)。

1 光伏逆變太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光伏逆變太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本設(shè)計(jì)把4個(gè)光敏電阻安裝在東南西北四個(gè)方向上，電阻檢測(cè)太陽(yáng)的方位并輸出相應(yīng)的電壓值。再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)以此來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，使太陽(yáng)能電池板一直追蹤太陽(yáng)的方向。系統(tǒng)中穩(wěn)壓電路的作用是將蓄電池的電壓穩(wěn)定在5V，滿足單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、舵機(jī)的需求。除此之外，該系統(tǒng)還可以進(jìn)行光伏逆變。

2 系統(tǒng)各單元硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件設(shè)計(jì)方案

光伏逆變自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的控制硬件設(shè)計(jì)主要包括：以STC12C5A60S2為核心控制器的主控電路設(shè)計(jì)，光敏電阻的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，舵機(jī)追蹤的電路設(shè)計(jì)，OLED顯示屏的外圍電路設(shè)計(jì)，逆變電路的設(shè)計(jì)，以及時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)[1]。具體硬件設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 電源模塊電路設(shè)計(jì)

蓄電池輸出的電壓在8V左右，要給ADS1118模數(shù)芯片、單片機(jī)、舵機(jī)和顯示屏供電，就需要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓至5V。降壓電路將太陽(yáng)能電池板輸出的12V電壓降至5V輸出，給蓄電池和逆變器供電。電源部分還能實(shí)現(xiàn)供電智能切換，當(dāng)光伏電壓在4.5V以上，由太陽(yáng)能電池板供電；小于4.5V時(shí)，自動(dòng)切換由蓄電池供電。

2.3 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中利用4個(gè)光敏電阻來(lái)采集光強(qiáng)信息。將R1，R2，R3，R4光敏電阻分別置于電池板的北西南東4個(gè)方位。當(dāng)太陽(yáng)能電池板垂直于太陽(yáng)時(shí)，4個(gè)光敏電阻阻值相同，電路輸出為零，舵機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。若陽(yáng)光發(fā)生傾斜，光敏電阻的電壓值不同，出現(xiàn)電位高低差，然后光敏電阻將產(chǎn)生的電位差通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

2.4 模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。電路中運(yùn)用被稱為最小型的ADS1118模數(shù)轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換部分將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，但單片機(jī)只能分析數(shù)字信號(hào)，所以經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的后輸出數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)[2]，單片機(jī)接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.5 舵機(jī)追蹤電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的自動(dòng)追蹤采用的是舵機(jī)和二軸云臺(tái)。單片機(jī)通過(guò)PWM調(diào)制的方式控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)運(yùn)用的舵機(jī)是雙軸型的，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的的太陽(yáng)追蹤[3]。

2.6 OLED顯示電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用的是OLED顯示屏，0.96的尺寸使電路更加的精簡(jiǎn)[4]。顯示屏能顯示光敏電阻的檢測(cè)值，蓄電池電壓和太陽(yáng)能電池板的電壓。

3 系統(tǒng)各單元軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

程序執(zhí)行時(shí)，首先將數(shù)據(jù)初始化，以進(jìn)入等待工作的狀態(tài)，最后在主函數(shù)里循環(huán)執(zhí)行每一模塊的程序。比如該系統(tǒng)最先由光敏電阻檢測(cè)太陽(yáng)方位，進(jìn)行電位差比較后輸出信號(hào)。這一過(guò)程完畢后系統(tǒng)就判斷是否中斷，若繼續(xù)工作，則信號(hào)傳輸?shù)较聜€(gè)模塊，隨之元件的初始化數(shù)據(jù)被改變。主程序流程圖如圖3所示。

3.2 自動(dòng)追蹤程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)追蹤程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換和傳送。程序設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化，首先光敏電阻判斷是否有電位差，若有電位差則轉(zhuǎn)換成角度值[5]，若無(wú)則繼續(xù)檢測(cè)。函數(shù)中主要是讀取ADS1118模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，然后單片機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理完畢后傳給舵機(jī)，舵機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)刻追隨太陽(yáng)。自動(dòng)追蹤的流程圖如圖4所示。

3.3 供電智能切換程序設(shè)計(jì)

供電智能切換程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是兩電源間的連接和自動(dòng)切換。為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板和蓄電池間的連接，加入了繼電器。當(dāng)太陽(yáng)能電池板有足夠電能時(shí)，由太陽(yáng)能電池板為系統(tǒng)供電。但在光照不足時(shí)，無(wú)法輸出足夠的電壓，此時(shí)繼電器閉合，切換由蓄電池為系統(tǒng)供電。同時(shí)蓄電池也為太陽(yáng)能電池板充電，這樣就實(shí)現(xiàn)了不間斷供電。根據(jù)實(shí)際情況，程序設(shè)置了6.5V作為臨界值，其邏輯關(guān)系如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

功能測(cè)試時(shí)，用手機(jī)的電筒模擬太陽(yáng)光。打開(kāi)系統(tǒng)電源，用電筒照射光敏電阻，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板按照光的照射移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的自動(dòng)追蹤，總裝置圖如圖6所示。調(diào)試后，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)對(duì)太陽(yáng)方位的雙向追蹤、蓄電池和太陽(yáng)能電池板供電的智能切換、直流電逆變成交流電三大功能。達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，實(shí)用性強(qiáng)。但目前本設(shè)計(jì)仍容易受天氣等外部環(huán)境的影響，在未來(lái)的設(shè)計(jì)中可嘗試使用混合型的跟蹤系統(tǒng)，彌補(bǔ)光電式跟蹤在陰雨天不能正常工作的問(wèn)題。

圖5 供電切換程序流程圖

圖6 總實(shí)物圖