基于MC9S12XS128單片機太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)

張光輝，王世航，楊 起，葛德俊

南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031

1 太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)背景

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽能作為一種清潔能源無疑受到各國的普遍重視。在相同條件下，光照強度越大，太陽能電池輸出功率越大。因而增大太陽能電池受光面的光照強度，就可增大太陽能電池輸出功率。除了提高太陽光電池本身的轉(zhuǎn)換效應和提高蓄電池充放電效應外，對太陽的自動跟蹤是太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段，因此在太陽能的利用過程中實施太陽跟蹤是很有必要的。

2 基于單片機MC9S12XS128 太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)

2.1 概述

目前本設計僅通過簡單的計算公式得到的數(shù)據(jù)，對東西向進行每小時一次的角度改變，南北向進行每天一次的角度改變，再通過單片機的判斷進行每晚的東西向回歸控制以及每半年的南北向跟蹤方向的改變控制。

2.2 系統(tǒng)工作電源

本系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的大小，適應性地采用兩種供電方式，分為工作電源獨立式、工作電源集中共用式（除電源的供給不同外，其他部分大體一致）。

系統(tǒng)主要由光強傳感器（主要部件為光敏電阻）、信號處理器（S12 單片機），蓄電池（12V ～4V）等組成，對于只有少量太陽能電池板的發(fā)電設備（如家庭、移動通信基站等），采用獨立式，獨立式系統(tǒng)是系統(tǒng)工作電源有自身的蓄電池和太陽能電板供電。

為了使跟蹤系統(tǒng)不影響正常的太陽能電池板向外供電，此系統(tǒng)的獨立電源的蓄電池可以采用獨立的成本低的實用性小太陽電池板對其充電。這樣可以消除跟蹤系統(tǒng)對主要太陽能電板發(fā)電供電的影響和防止對昂貴的工業(yè)發(fā)電板資源的占用。

系統(tǒng)主要由光強傳感器（主要部件為光敏電阻）、處理器（S12 單片機）、共用工作電源等；對于多套太陽能板（如發(fā)電站）構(gòu)成的大中型光伏發(fā)電站采用集中共用式。集中供電系統(tǒng)是全部或者多個工作單體共用一個工作電源；集中供電系統(tǒng)可以大大減少設備成本，方便控制管理。

工作電源集中共用式的電源由外電源穩(wěn)定集中地按需供應和切斷，使得工作電源得到合理利用，防止出現(xiàn)工作電能浪費和電能不足的情況，因為不需要每個單體都配上蓄電池和充電獨立太陽能電池板，增強了可靠性，降低了設備成本。

3 系統(tǒng)電路控制

單片機控制模塊是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、控制、數(shù)據(jù)通信的核心。系統(tǒng)電源給單片機控制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、分頻電路、驅(qū)動電路的芯片的工作提供穩(wěn)定的工作電壓。 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的功能是將太陽光強轉(zhuǎn)換成對應的電壓的模擬信號轉(zhuǎn)化成單片機可以處理的數(shù)字信號。分頻電路是為了給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供合適的工作頻率。驅(qū)動電路是根據(jù)單片機的指令來驅(qū)動電機按規(guī)定的方向和轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。

實時時鐘模塊（主動跟蹤）：根據(jù)當前日期、時間點以及當?shù)氐慕?jīng)緯度信息，推算出每個時刻太陽的方位角，初略的調(diào)整好太陽能電池板的轉(zhuǎn)向位置。并時間階段設置模式識別，晚上休眠，白天正常工作。

光電傳感器（精確調(diào)整）：利用多個光敏電阻合理分布制作而成的光電傳感器，檢測各個光敏電阻所在方位的太陽光強，綜合分析各個光敏電阻返回的電壓值以得到太陽光精確的照射角。

風力、雷電監(jiān)測傳感器：由于太陽能電池板放置在樓頂天臺上且不斷變化著傾斜角，刮大風和雷電會對設備照成嚴重損壞，因而要對現(xiàn)場的風力及雷電情況進行監(jiān)測，當遇到狂風及雷電天氣時關(guān)閉系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的安全。

本系統(tǒng)總電路圖

4 主控芯片MC9S12XS128

本系統(tǒng)采用Freescale 公司生產(chǎn)的16 位微控制器MC9S12XS128，包括一個 16 位中央處理單元（ CPU12X）、128KB 程序 Flash 、8KB RAM、8KB 數(shù)據(jù)Flash，此外還集成了2 個異步串行通信接口（SCI）、1 個串行外設接口（SPI）、一個8 通道輸入捕捉/輸出比較(IC/OC)、定時器模塊PIM、16 通道12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、一個8 通道脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM），等等。該單片機具有速度快、功能強、功耗低、體積小等優(yōu)點。5.PCF8563 時鐘芯片模塊本系統(tǒng)設計要求能夠?qū)r間進行記錄，并且單片機能讀取到程序設定的即時時刻，因此要選用一款計時芯片為系統(tǒng)提供時間的提取和記錄。在本跟蹤系統(tǒng)中，選用的是pcf8563 計時芯片。

5 結(jié)論

通過使用人機交互，本作品可同時實現(xiàn)實時控制和定時控制，人機界面使操作簡單，控制方便，更加人性化。全新的全景式傳實現(xiàn)了對太陽的全方位跟蹤，不用考慮地理位置和天氣變化等外界因素所帶來的干擾，具有防風、防雨、防閃電功能；而且系統(tǒng)設計了自動檢測模塊，同時結(jié)合機械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)良方案，使系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定。

[1]馮垛生，等編著.太陽能發(fā)電技術(shù)與應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]趙爭鳴，劉建政，等編著.太陽能光伏發(fā)電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[3]張鵬，王興君，王松林.光線自動跟蹤在太陽能光伏系統(tǒng)中的應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(14).