基于MSP430單片機的太陽能發(fā)電裝置設計

李亞輝，王 琪,2，李榮敏,2，王 珂, 羅光亮

● （1. 江蘇科技大學 張家港校區(qū)，江蘇 張家港215600；2. 蘇州理工學院 機電與動力工程學院，江蘇 張家港215600）

基于MSP430單片機的太陽能發(fā)電裝置設計

李亞輝1，王 琪1,2，李榮敏1,2，王 珂1, 羅光亮1

● （1. 江蘇科技大學 張家港校區(qū)，江蘇 張家港215600；2. 蘇州理工學院 機電與動力工程學院，江蘇 張家港215600）

太陽能作為清潔能源得到了人們廣泛的認同，然而，能夠隨心所欲利用太陽能，并將其作為不同需求的電能輸出，還是一個新的課題。本文基于MSP430單片機設計制作了一套太陽能自動跟蹤發(fā)電裝置。為便于攜帶，確定了裝置整體結構可拆卸方案；同時，進行了跟蹤算法的設計；選用了大容量鉛酸蓄電池以及多通道的USB可調電壓輸出接口（DC：0-12V），極大方便了當前家庭數(shù)碼產品的使用及其他應用。裝置通過使用，驗證了設計的實用性。

太陽能發(fā)電；自動跟蹤；MSP430單片機；多功能；便攜

1 跟蹤系統(tǒng)總體設計

1.1 跟蹤方案選擇

當前國內外主流的太陽能跟蹤發(fā)電裝置，其從跟蹤軸數(shù)上可分為：單軸式和雙軸式，從跟蹤所用方式上可分為：時鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置幾種[6-9]。因太陽在南北方向每日變化角度很小，所以俯仰軸對整個太陽能充電系統(tǒng)的效率影響并不大，并且考慮制作成本，俯仰軸完全可以按季節(jié)手動調整，同時對比以上幾種跟蹤裝置在制作成本及靈敏度方面的差別，以及考慮到光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)的顯著優(yōu)點，本項目最終確定采用：單軸光電式跟蹤方案。

1.2 跟蹤裝置硬件組成

本系統(tǒng)包括太陽能電池板、光敏傳感器、智能光伏控制器、鉛酸蓄電池、MSP430單片機、BTS7960電機驅動、渦輪蝸桿減速電機、花鍵結構旋轉主軸及 LM2596-ADJ降壓電源模塊等。光敏傳感器通過傳感器支架對稱地分布在旋轉主軸兩側。位于基座內部的MSP430單片機會實時采集來自光敏傳感器輸送的電壓信號，借助單片機的AD轉換模塊對兩個光敏傳感器采集到的光強值進行分析比較，如果兩個傳感器采集到的光強差小于程序設定的某個閥值，則不對電池板進行方向調整，如果大于這個閥值：若左側光強值大于右側，則將太陽能電池板向左方向轉動，若右側光強值大于左側，則將太陽能電池板向右方向轉動，最終使太陽能電池板始終達到正對太陽的效果，如圖1所示。

1.3 跟蹤裝置整體結構

根據(jù)系統(tǒng)整體結構圖并綜合考慮裝置整體外形美觀及便攜性能良好的實際要求，課題組對發(fā)電裝置結構進行了獨立自主地設計，并最終確定裝置類向日葵形整體跟蹤結構，如圖2所示。

2 跟蹤裝置設計

2.1 光敏傳感器電路

光敏二極管是將光信號變成電信號的半導體器件。在本系統(tǒng)中光敏二極管處于反接狀態(tài)，在沒有光照時，電阻很大，暗電流很小，隨著光照強度的增加，暗電流增大，電阻減小，如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化，因此將負載電阻的電壓值直接聯(lián)到單片機 AD端口便可通過單片機采集到的電壓值來推算出當前兩傳感器的光照強度，如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

圖2 裝置總體結構概念設計圖

圖3 傳感器檢測電路

2.2 MSP430單片機

MSP430是一款16位單片機，其顯著優(yōu)點是超低功耗，這是課題組選用此款單片機的主要原因，除此之外，其配備的12位ADC模塊能夠快速精準地將所測得的模擬電壓值進行數(shù)字化[10-11]。同時借助高效的開發(fā)環(huán)境IAR可以使程序的開發(fā)變得更加快捷方便。

2.3 BTS7960電機驅動

BTS7960的芯片內部為一個半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960.IN引腳用于確定哪個MOSFET導通。IN=1且INH=1時，高邊MOSFET導通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時，低邊MOSFET導通，OUT引腳輸出低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調節(jié)MOS管導通和關斷的時間，具有防電磁干擾的功能[12]。根據(jù)以上工作原理，只需控制單片機的引腳輸出特定頻率和脈沖個數(shù)的PWM波便可實現(xiàn)對減速電機進行特定轉速和轉角的控制，如圖4所示。

圖4 BTS7960全橋驅動電路

2.4 渦輪蝸桿減速電機

渦輪蝸桿減速電機具有很大的傳動比，同時電機具備良好的自鎖性能?？紤]到本系統(tǒng)的旋轉驅動負載較大，同時比較渦輪蝸桿減速電機與同等轉矩的步進電機價格差異，以及考慮裝置整體結構的便攜性能設計要求，最終課題組選用減速箱輸出軸方向與馬達軸是垂直布置的渦輪蝸桿減速電機。這一設計方案既降低了裝置設計成本，同時也使裝置整體結構體積減小，便攜性能得到增強。

2.5 USB可調電壓輸出接口

為了便于對數(shù)碼產品充電，本裝置特別添加了標準通用USB口，并且借助LM2596-ADJ DC/DC降壓電源模塊，可將輸出電壓調至用戶所需范圍（1.25V～12V），如圖 5所示。

圖5 USB接口電路圖

3 跟蹤系統(tǒng)算法設計

光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當偏差超過一定閥值時，執(zhí)行機構調整太陽能電池板的位置，直到使太陽光線與電池板垂直，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤[13-14]。裝置自動跟蹤子程序工作流程如圖6所示

裝置自動跟蹤模式開啟后，單片機根據(jù)光敏傳感器反饋的電壓值計算出此時太陽相對于發(fā)電裝置的大致位置。如果此時太陽處在太陽能電池板的前方位置，單片機則調用相應的位置校正跟蹤子程序，對太陽進行間歇性自動跟蹤；如果系統(tǒng)檢測到太陽此時不在電池板前方位置，則單片機執(zhí)行自動尋光子程序，從而將電池板旋轉到太陽的前方位置，再執(zhí)行位置校正跟蹤序，從而實現(xiàn)對太陽的閉環(huán)自動跟蹤。

圖6 自動跟蹤子程序流程圖

4 便攜多功能設計

4.1 便攜可拆卸結構設計

裝置設計之初，我們充分考慮了便攜性能，因此，我們對旋轉主軸進行了部分花鍵結構的加工，以實現(xiàn)主軸與基座的可拆卸連接，除此之外裝置的多個部件均可在短時間內完成拆卸和組裝，極大方便了用戶的遠程運輸和日常搬運攜帶，如圖7所示。

圖7 花鍵主軸部分結構圖

4.2 跟蹤模式獨立控制

為了便于對發(fā)電裝置的自動跟蹤系統(tǒng)進行獨立控制，我們特地將自動跟蹤模塊開關與電源總開關、USB直流電壓輸出開關進行獨立分離設計，以便于用戶對自動跟蹤功能進行自主選擇控制，如圖8所示。

圖8 獨立控制開關及USB電壓輸出接口

4.3 充放電電壓表及顯示檢測電路

為了便于觀測裝置各部分電壓及系統(tǒng)的調試及故障報警，課題組特別添加了充放電電壓顯示表、四位數(shù)碼管及蜂鳴器電路，分別用于顯示裝置此時的太陽能充電電壓及USB端口輸出電壓。同時，數(shù)碼管可以顯示當前陽光強度等級以及太陽相對于發(fā)電系統(tǒng)的位置。蜂鳴器則會在開機以及跟蹤系統(tǒng)運行時鳴響，同時兼具故障報警功能。

4.4 裝置實物圖

圖9展示了太陽能跟蹤發(fā)電裝置的具體實物圖，裝置整體為類向日葵結構，自上而下分別是可進行快速拆裝的太陽能電池板、旋轉主軸、光敏傳感器、基座等部件，其中基座包括充放電控制及自動跟蹤控制模塊，通過基座上安裝的兩個電壓表可直觀顯示當前太陽能電池板的充電電壓及USB端口的輸出電壓。

5 結論與展望

通過實際測試我們發(fā)現(xiàn)，自動跟蹤太陽電池板功率增加時段為日出至10時和14時至日落。固定方向太陽電池板全天工作在輻射強度1000W/m2時，只有3小時左右，而自動跟蹤的太陽池板達到了6小時，大大增加了充電功率。

目前的資源體系仍舊以不可再生資源為主，但在社會不斷快速發(fā)展的今天，資源緊缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀正在逐步制約經濟的發(fā)展，而太陽能資源因為本身的無污染，以及可再生等優(yōu)點將會越來越受到人們的重視。今后太陽能的利用范圍必然會更加廣闊，利用太陽能發(fā)電也必然是太陽能利用的主要方面，而這種適合家用、旅行，特別船舶航行等方面需要的小型太陽能自動跟蹤發(fā)電系統(tǒng)由于其結構簡單、價格低廉、較高的穩(wěn)定性并且對太陽能的利用效率高等的特點，也必然會有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]Tom Williams. World directory of Renewable Energy[M], 1998.

[2]孫迎光. 太陽能光伏發(fā)電技術[J]. 新能源與工藝,2002, 3(3): 19-33.

[3]徐宏偉. 船用太陽能光伏接線盒設計[J]. 機電設備,2010(5): 17-19, 37.

[4]聶佳芹, 王學強等. 當今世界太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展動向[J]. 吉林電力, 2000, 4(4): 30-100.

[5]余海. 太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J]. 新能源研究與利用, 2004, 7(3): 34-37.

[6]Pawlenko et al. Solar Tracking System: United States Patent, US7252084B2[P]. 2007-8-7.

[7]薛建國等. 基于單片機的太陽能電池自動跟蹤系統(tǒng)的設計[J]. 長春師范學院學報, 2005, 6(7): 23-100.

[8]張常年, 趙紅怡, 呂原. 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研制[J]. 電子工程師-計算機應用, 2001, 5(12): 12-19.

[9]陳桂蘭等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制[J]. 電子技術應用, 2001, 9(8): 39-90.

[10]楊金煥, 葛亮, 陳煥等. 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最佳化設計[J]. 能源工程, 2003(5): 58-111.

[11]王宜用, 董紅海, 孫學斌等. 自補償戶用發(fā)電系統(tǒng)[J].能源研究與利用, 2004(6): 43-145.

[12]B P Edwards. Computer Based Sun Following System[J].Solar Energy, 1998, 2l(6): 49-498．

[13]Soteris A, Kalogirou. Design and construction of a one-axis solar tracking system[J]. Solar Energy, 1996,57(6): 465-469．

[14]Greg Paula. New processors transform motion control[J].Mechanical Engineering, 1997, 7(4): 79-80．

瓦錫蘭新版本發(fā)動機通過型式認可

船舶業(yè)領先的方案與服務供應商瓦錫蘭日前宣布，RT-flex58T D版本 ER-3發(fā)動機已經成功地通過了其在許可生產廠商日本聯(lián)合柴油機公司（DU）的型式認可試驗（TAT）。

據(jù)悉，RT-flex58T D ER-3發(fā)動機是RT-flex58T D發(fā)動機的優(yōu)化版本，可以降低功率的同時提高燃油的經濟性。該機是為了滿足巴拿馬最大型散貨船運行需要重新設計而成，通過型式認可標志著它已經滿足所有船級社的要求。

瓦錫蘭RT-flex58T D ER-3發(fā)動機為二沖程共軌發(fā)動機，具有很高的行程缸徑比?？s小的缸徑有助于在沒有負面影響滿足運行可靠性的情況下減少更多的額定功率。新版本發(fā)動機將為較低功率船舶提供低航速，與普通型號的發(fā)動機配套巴拿馬型散貨船相比，可以減少油消耗高達20%。在最大持續(xù)功率為12210千瓦時，6缸RT-flex58T D ER-3發(fā)動機可以很好地與RT-flex58T D版本5缸和6缸機的功率范圍匹配，同時提供延伸的額定功率范圍，降低絕對航速和燃油耗。

Design of Automatic Solar Tracking Device based on MSP430 Microcontroller

LI Ya-hui1, WANG Qi1,2, LI Rong-min1,2, WANG Ke1, LUO Guang-liang1
(1. Jiangsu University of Science and Technology Zhangjiagang Campus, Jiangsu Zhangjiagang 215600, China; 2.Suzhou Institute of technology, Mechatronics and Power Engineering School, Jiangsu Zhangjiagang 215600, China)

Solar energy has been widely recognized by people as clean energy. However, the arbitrary use of solar energy to meet the different electricity output needs is still a new research field. A multi-functional portable solar power device which is based on the MSP430 microcontroller has been independently designed in this paper. The overall detachable structure program has been selected so that it is convenient to carry the device. The tracking algorithm has been programmed accordingly. The selection of large-capacity lead-acid batteries and multiple adjustable voltage output USB interface (DC: 0V-12V) greatly facilitates the use of daily digital products and other applications. The actual use verifies the practicality of the design.

solar power; automatic tracking; MSP430 microcontroller; multi-function; portable

TN710，TK513.4

A

0 前言

長期以來，太陽能作為清潔能源倍受歡迎，它的開發(fā)利用一直是人類社會關注的熱點[1-5]。隨著人們生活水平的日益提高，家庭數(shù)碼產品（例如筆記本電腦、數(shù)碼相機、手機、照相機等等）的普及率也隨之增高。但是，難免會遇到意外斷電，或是外出郊游、船舶航行中遇到數(shù)碼產品電量不足的情況，如果此時陽光燦爛，有一個多功能便攜式太陽能發(fā)電裝置將會彌補這個空缺，同時，賦予自動跟蹤功能后，整個太陽能充電系統(tǒng)的使用將會變得更加便捷和高效。

江蘇省產學研前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2012179）和江蘇科技大學科技創(chuàng)新項目（113032253）

李亞輝（1990-），男，研究生。研究方向：機電一體化控制技術。