陸麗梅

（廣東省廣州市白云工商高級(jí)技師學(xué)院，廣東 廣州510420）

0 引言

改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消費(fèi)量隨之不斷攀升，2010年中國已成為世界上最大的能源消費(fèi)國。煤炭、石油等一次性能源的枯竭使風(fēng)電、光伏等可再生能源快速發(fā)展。中國國家電網(wǎng)能源研究所（SGERI）研究指出，2015年-2050年再生能源將提供66%的發(fā)電量，其中太陽能風(fēng)能占41%[1]。太陽能具有環(huán)保，效率高無枯竭危險(xiǎn)，在使用上對(duì)地理位置要求較低等優(yōu)勢(shì)。在政策扶持和國內(nèi)市場(chǎng)需求被激發(fā)的情況下，近年我國在利用太陽能的光伏發(fā)電方面發(fā)展迅速。在應(yīng)用分布上，目前光伏發(fā)電36%集中在通信和工業(yè)應(yīng)用，51%在農(nóng)村邊遠(yuǎn)山區(qū)的應(yīng)用，小部分應(yīng)用于太陽能商品如計(jì)算器、手表等。除此以外，光伏的應(yīng)用呈多樣化趨勢(shì)，與扶貧、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等相結(jié)合。但我國光伏設(shè)備效率低，成本較高，難于普及到普通居民的家庭中。為此，設(shè)計(jì)了一種光照自動(dòng)尋向太陽能供電系統(tǒng)，其效率高，成本低，體積小，輸出功率能滿足家庭日常供電，具有很廣的推廣價(jià)值。

1 光照自動(dòng)尋向太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求

壞電器。本供電系統(tǒng)特別面向農(nóng)村山區(qū)的用電設(shè)計(jì)，以通過太陽能發(fā)電提供供電補(bǔ)充。因此需要與其他供電系統(tǒng)銜接，保證供電不間斷。為此，需要實(shí)現(xiàn)供電自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。

1.2 自動(dòng)檢測(cè)電壓的功能

我國的人均月用電量低還表現(xiàn)在供電電壓的不足、電路電壓不穩(wěn)定，線路電壓不足或不穩(wěn)定。因此，系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)檢測(cè)電壓功能，當(dāng)檢測(cè)到家庭電壓不足時(shí)能自動(dòng)切換到蓄電池供電，保證家庭供電的穩(wěn)定。

1.3 經(jīng)濟(jì)節(jié)能

邊遠(yuǎn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)滯后，主要都是以農(nóng)作務(wù)及家畜養(yǎng)殖為主，收入低，本設(shè)計(jì)成本低，包括太陽能板及所有電路成本不到800元，所以合適邊遠(yuǎn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)滯后地區(qū)使用。

1.4 便捷移動(dòng)方便應(yīng)急使用

滿足很多事故現(xiàn)場(chǎng)的用電，如地震、礦難、戶外運(yùn)動(dòng)等。適用各種救急現(xiàn)場(chǎng)斷電的使用。

本設(shè)計(jì)尺寸小（45 mm×60 mm×20 mm），重量輕（質(zhì)量為3 kg），輸出電壓種類齊，有5 V電壓可供手機(jī)、節(jié)能燈供電；有12 V電壓供音箱喇叭等設(shè)備供電；220 V可供電機(jī)、照明等用電，滿足各種應(yīng)急場(chǎng)合解決用需求。

1.1 實(shí)現(xiàn)供電轉(zhuǎn)換保證家庭不斷電的供電

我國農(nóng)村邊遠(yuǎn)山區(qū)經(jīng)常停電，人均月用電量不到8千瓦時(shí)[2]，經(jīng)常斷電除了給人帶不為便，還會(huì)損

2 光照自動(dòng)尋向太陽能供電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成方框圖

本供電系統(tǒng)主要由控制中央處理器、太陽能板、太陽能板驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、逆變電路、充電電路[3]、智能檢測(cè)電路、保護(hù)電路等組成。具有光線全天候追蹤、智能充電、智能檢測(cè)、安全保護(hù)、電量指示、自動(dòng)檢測(cè)充電、自動(dòng)超載保護(hù)等現(xiàn)代化的智能管理功能[4]，并在自動(dòng)光照尋向太陽能供電的基礎(chǔ)上增加了手操作等控制形式。其構(gòu)成原理如圖1所示。太陽能板四方的四個(gè)光敏傳感器采集太陽光線通過電位轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)的PA1-PA4口，以判斷送出信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，控制太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)面向太陽光線最強(qiáng)的方向。太陽能板吸收的光能轉(zhuǎn)換成電能給蓄電池充電，同時(shí)電源電路輸出DC＋5VUSB、＋12VJACK電壓，逆變器將12VJACK電壓逆變220 V50 Hz交流輸出。同時(shí)檢測(cè)電路檢測(cè)蓄電池電量、溫度進(jìn)行時(shí)實(shí)監(jiān)控，并將檢測(cè)信號(hào)送到單片機(jī)的PB4/PA6腳進(jìn)行檢測(cè)控制，如果電池電量充足，則切斷電路停止給蓄電池充電；如果溫度過高則電路進(jìn)入自我保護(hù)，切斷220V 50Hz交流輸出。

圖1 光照自動(dòng)尋向太陽能供電系統(tǒng)組成方框圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理及控制電路

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)IC采用的型號(hào)為UL N2003，它是大電流驅(qū)動(dòng)陣列，多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如下圖2。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

電機(jī)控制電路由霍爾傳感器、磁鐵、電機(jī)組成，其構(gòu)成如下圖3。

圖3 電機(jī)控制電路

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主IC使用ULN2003，單片機(jī)給出的4路脈沖信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)IC為5線4相的步進(jìn)電機(jī)掃描，使電機(jī)內(nèi)線圈交替得電，從而步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)某一方光線最強(qiáng)時(shí)，單片機(jī)將發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)命令，直到轉(zhuǎn)軸上的磁鐵與光線最強(qiáng)位置點(diǎn)上的霍爾傳感器靠近時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，至使太陽能板轉(zhuǎn)到相對(duì)最佳位置點(diǎn)上。

2.3 太陽光線采集電路

太陽光線的采集板的四個(gè)方位放置個(gè)光敏電阻用于采集東、南、西、北的不同光線強(qiáng)度值，四個(gè)光敏電路串聯(lián)在100 K電阻電路中，當(dāng)光敏電阻受不同強(qiáng)度光線照射后，其阻值的變化便影響電流的變化，把電流再轉(zhuǎn)換成電壓值，通過MCU的四路ADC掃描后會(huì)自動(dòng)比較出四路分壓點(diǎn)的最大電壓值，即太陽光線最強(qiáng)的方位，MCU最終會(huì)給出一個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的命令，經(jīng)過判斷各方位霍爾傳感器的有效和無效來進(jìn)行定位達(dá)到自動(dòng)追蹤的目的，若要更精確的跟蹤太陽光線可設(shè)多路方位處理。其電路原理圖如下圖4。

圖4 4路太陽光線的采集原理圖

2.4 電源逆變電路

逆變電路主要由2SJ471和2SK2956對(duì)管組成，其附屬電路由Q502、Q503構(gòu)成控制信號(hào)幅度放大，使單片機(jī)5 V的幅度控制信號(hào)放大到12 V驅(qū)動(dòng)2SJ471、2SK2986對(duì)管。當(dāng)Q502的b極為高電平，Q503的b極為低電平時(shí)則對(duì)管Q504、Q507導(dǎo)通，反則Q506、Q505導(dǎo)通，當(dāng)單片機(jī)輸出50 Hz的高低變化電平時(shí)，在對(duì)管的輪流導(dǎo)通影響下，逆變變壓器的初級(jí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)來回逆轉(zhuǎn)的變化電流，那么次級(jí)就能得到一個(gè)交變的高電壓。經(jīng)測(cè)試該逆變電路的短路電流為5 A，空載時(shí)電壓為300 V/AC左右。電源逆變電路原理如下圖5。

圖5 逆變電路原理圖

2.5 超載保護(hù)電路

逆變的超載保護(hù)電路已由圖7提供，輸出級(jí)設(shè)有電流互感器，超過正常負(fù)載時(shí)，MCU的PB0腳會(huì)變成高電位，從而使繼電器工作來斷開電源進(jìn)行保護(hù)。由于逆變器的短路電流接近5 A，因此，超負(fù)載時(shí)會(huì)在T502初級(jí)產(chǎn)生很大的電流，那么T502的次級(jí)電壓就會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)D501整流后，此時(shí)分壓點(diǎn)在PA6腳上的電平將由低到高發(fā)生變化，經(jīng)單片機(jī)檢測(cè)到后使PB0送出高電平，那么Q500管就會(huì)截止，J500便失電斷開，逆變停止，此時(shí)為保護(hù)狀態(tài)避免了器件的燒毀，如需再次使用逆變則必須拔掉超負(fù)荷電器，重新復(fù)位。

2.6 系統(tǒng)溫控電路

在整個(gè)系統(tǒng)中，工作時(shí)會(huì)由于時(shí)間的增加而稍微發(fā)熱，為了在夏天保險(xiǎn)起見。因此使用了LM358來進(jìn)行溫度控制，當(dāng)逆變變壓器的熱敏電阻R408和充電變壓器的熱敏電阻R407的任意一個(gè)阻值發(fā)生變化時(shí)就會(huì)與R405兩端的電壓進(jìn)行比較，如果LM358的同相端電壓大于反向端的電壓時(shí)，1腳輸出為高電平，為避免在臨界溫度點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)現(xiàn)象，所以加了R402反饋，使IC翻轉(zhuǎn)具有適當(dāng)?shù)臏罅浚瑥亩敵鲆粋€(gè)穩(wěn)定的控制信號(hào)，此時(shí)Q400導(dǎo)通，集電極的電壓由高到低的變化讓單片機(jī)檢測(cè)后送出散熱風(fēng)扇M400的轉(zhuǎn)動(dòng)指令，為了節(jié)能，經(jīng)定時(shí)器兩分鐘計(jì)時(shí)后風(fēng)扇停止，即達(dá)到了溫度的控制。下圖6為系統(tǒng)的溫控電路原理圖。

圖6 系統(tǒng)的溫控電路原理圖

2.7 系統(tǒng)充電電路

系統(tǒng)充電電路的原理如下圖7。

圖7 系統(tǒng)的充電電路

充電電路主要由太陽能板和市電來完成。當(dāng)充電開關(guān)鎖定時(shí)，單片機(jī)會(huì)判斷有無市電輸入。有則會(huì)選擇市電充電，Q300導(dǎo)通后J300得電即使用T500整流后的電壓充電，沒有市電輸入則采用太陽能板來充電，當(dāng)電瓶充滿電后，檢測(cè)點(diǎn)PB3腳會(huì)得到一個(gè)檢測(cè)信號(hào)，此時(shí)單片機(jī)給出停止充電命令，充電停止。如果光電耦合檢測(cè)點(diǎn)A、B的兩個(gè)信號(hào)送入與門IC74HC08進(jìn)行與運(yùn)算時(shí)得出1，那么此時(shí)的備用電瓶缺電，單片機(jī)給出充電指令，對(duì)電瓶充電，LED001充電指示亮，反之則不充電。

2.8 電量顯示電路

電量的顯示采用LM3914 IC對(duì)電量分別進(jìn)行等份電壓指示總共用了4個(gè)綠色LED燈來顯示，當(dāng)滿電時(shí)，LM3914 的 18、17、15、13 腳分別低于供電電壓3 V左右，此時(shí)LED燈顯示為綠色，如果缺電時(shí)，則各輸出引腳接近電源電壓，LED燈全滅，系統(tǒng)此時(shí)會(huì)斷開對(duì)逆變器的供電，提醒充電。電量顯示電路圖如下圖8。

圖8 電量顯示電路圖

2.9 電源輸出電路

本作品設(shè)有4個(gè)USB接口，其中兩個(gè)為太陽能板和兩個(gè)電瓶USB接口。通過7805穩(wěn)壓模板對(duì)電源穩(wěn)壓到5 V接入到各USB口供電，閉合S101時(shí)，LED101、102燈便發(fā)光照明。下圖9為電路原理圖。

圖9 USB及照明電路圖

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序采用C語言進(jìn)行編程，其程序設(shè)計(jì)如下圖10。

圖10 系統(tǒng)主程序

4 系統(tǒng)調(diào)試與仿真

4.1 仿真效果圖

利用proteus進(jìn)行ADC光線采集比較的仿真，效果如圖11所示。

圖11 在proteus中，ADC光線采集比較的仿真效果

4.2 實(shí)物圖

本設(shè)計(jì)將控制中央處理器、太陽能板、太陽能板驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、逆變電路、充電電路、智能檢測(cè)電路、控制開關(guān)、保護(hù)電路及輸入輸出電路裝入PC材料盒子中，圖中的電路板都是用萬能板進(jìn)行電路連接、焊接、調(diào)試等功能檢測(cè)再進(jìn)行電路的PCB設(shè)計(jì)并發(fā)工廠制作，下圖12為組裝好的萬能板的實(shí)物圖；圖13為太陽能光板，用H36云臺(tái)做支架，牢固，美觀；圖14為進(jìn)行太陽能采集測(cè)試圖；圖15為逆變電路性能測(cè)試圖。

圖12 整體電路

圖13 太陽能板及云臺(tái)

圖14 太陽能采集測(cè)試

圖15 逆變電路測(cè)試

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)組裝從設(shè)計(jì)到制作，檢測(cè)調(diào)試成功經(jīng)歷三個(gè)多月時(shí)間，系統(tǒng)在一個(gè)裝有四個(gè)燈炮、一個(gè)冰箱、100 W功放機(jī)、1000 W熱水器實(shí)驗(yàn)室試用了2個(gè)月，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常。在廣州夏季，實(shí)驗(yàn)室利用本系統(tǒng)供電，2個(gè)月電表只轉(zhuǎn)動(dòng)0.2千瓦時(shí)，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最初目的，后期還需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行包裝如把電路設(shè)計(jì)成PCB板，并發(fā)給廠家制作PCB板及設(shè)計(jì)LOGO等。期待本產(chǎn)品能進(jìn)入邊遠(yuǎn)山區(qū)的家庭及應(yīng)急場(chǎng)合作急救之用。