光強(qiáng)檢測(cè)在光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄧奕 余振洪

【摘要】 在光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，光強(qiáng)檢測(cè)作為一個(gè)重要環(huán)節(jié)直接決定自動(dòng)跟蹤的效果。本文以Atmaga8作為光強(qiáng)檢測(cè)控制核心，利用TSL2560T光強(qiáng)傳感器對(duì)太陽(yáng)能電池板的光強(qiáng)進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，光強(qiáng)檢測(cè)模塊能夠采集精確的光強(qiáng)值，使得太陽(yáng)能電池板始終朝向光強(qiáng)最大的方向，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的效果。

【關(guān)鍵詞】 光強(qiáng)檢測(cè) 單片機(jī)控制 TSL2560T 自動(dòng)跟蹤

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，太陽(yáng)能作為一種綠色環(huán)保的新型能源，由于其零排放，無(wú)污染而廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。太陽(yáng)能是利用太陽(yáng)能電池板來(lái)吸收光線的輻射能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，再將電能進(jìn)行儲(chǔ)存。在整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)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[2]。這些主要因素直接影響光伏發(fā)電的質(zhì)量。由于太陽(yáng)能電池板一般都是整裝固定在地面或者固定在欄桿上，而太陽(yáng)卻處于不停運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因而光線強(qiáng)弱不停的發(fā)生變化[3]。所以研究和設(shè)計(jì)光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，即太陽(yáng)能電池板會(huì)跟隨著太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡而轉(zhuǎn)動(dòng)，始終讓太陽(yáng)能電池板的光照面積最大化，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

一、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)原理

光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，該系統(tǒng)將光電跟蹤方式與太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式相結(jié)合，以單片機(jī)控制器作為控制核心，通過(guò)Modbus總線協(xié)議接收來(lái)自光強(qiáng)檢測(cè)模塊輸出的光強(qiáng)值。太陽(yáng)能電池板是安裝在二維電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)架上[5]，光強(qiáng)檢測(cè)模塊放置于太陽(yáng)能電池板的正中央，兩者保持平行。根據(jù)光強(qiáng)值的大小，控制二維電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤?；诠鈴?qiáng)檢測(cè)對(duì)整個(gè)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的重要性，本文主要對(duì)光強(qiáng)檢測(cè)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。

二、光強(qiáng)檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

光強(qiáng)檢測(cè)是光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是根據(jù)檢測(cè)到的光強(qiáng)值來(lái)判斷二維電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。在設(shè)計(jì)光強(qiáng)檢測(cè)模塊時(shí)，其基本出發(fā)點(diǎn)就是要合理的利用現(xiàn)有工藝條件，采用單片機(jī)控制技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)采集的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行接收和處理，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)再通過(guò)Modbus總線協(xié)議傳輸給光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制器。

2.1 器件選型

本設(shè)計(jì)選用ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)Atmaga8作為主控芯片，其價(jià)格低廉，具有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及通訊接口，并且內(nèi)置EEPROM[4]。

作為光強(qiáng)檢測(cè)，光強(qiáng)傳感器的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。本設(shè)計(jì)采用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可編程的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL256x。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該芯片是第二代周圍環(huán)境光強(qiáng)度傳感器。

2.2 原理圖設(shè)計(jì)

光強(qiáng)檢測(cè)原理圖如圖3所示，將TSL2560T的引腳SCL連接于Atmaga8的PC5，引腳SDA連接于單片機(jī)的PC4。單片機(jī)只需要以PC4和PC5來(lái)模擬SMBus總線就可以讀取TSL2560T的ADC寄存器中的光強(qiáng)值。TSL2560T中有兩個(gè)轉(zhuǎn)換通道，分別為通道0和通道1，其中通道0是轉(zhuǎn)換可見(jiàn)光和紅外線的通道；通道1僅僅只轉(zhuǎn)換紅外線。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)只是跟隨著可見(jiàn)光光強(qiáng)值最大的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，如此，通道1是作為一個(gè)補(bǔ)償?shù)耐ǖ?，補(bǔ)償?shù)敉ǖ?中的紅外線，最后可以唯一得到可見(jiàn)光的光強(qiáng)值。

為了實(shí)現(xiàn)將采集到的光強(qiáng)值正常傳輸給光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制器，本設(shè)計(jì)采用傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸可靠性高的Modbus總線協(xié)議。485通信芯片選擇為SP3485E，3.3V供電。其中R4為匹配電阻，在遠(yuǎn)距離傳輸或者位于485總線上的最后一個(gè)從機(jī)時(shí)才使用。R3和R5分別為下拉電阻和上拉電阻，保證485總線的初始狀態(tài)。光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)難免處于比較惡劣的環(huán)境下，為防止單片機(jī)程序跑飛，本設(shè)計(jì)外置一個(gè)看門狗芯片X5043來(lái)保證光強(qiáng)檢測(cè)模塊的正常高效工作，其原理圖如圖4所示。

三、軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，首先需要對(duì)看門狗芯片進(jìn)行初始化，然后讀取光強(qiáng)傳感器的參數(shù)值，最后通過(guò)Modbus總線協(xié)議傳輸給光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制器。

單片機(jī)通過(guò)對(duì)引腳PC4和PC5通用I/O口（一根時(shí)鐘線，一根數(shù)據(jù)線）進(jìn)行SMBus讀寫協(xié)議模擬，SMBus和I2C協(xié)議的區(qū)別就是協(xié)議中應(yīng)答（ACK）不一樣，所以可以依照I2C協(xié)議進(jìn)行參考。SMBus協(xié)議的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序，由開(kāi)始位和停止位來(lái)控制。開(kāi)始位為時(shí)鐘信號(hào)的高電平，將數(shù)據(jù)線的電平由高到低，標(biāo)志著數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始。停止位為時(shí)鐘信號(hào)的低電平，將數(shù)據(jù)線的電平由低拉到高，標(biāo)志著數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。在寫數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送器件的地址，然后發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)。光強(qiáng)傳感器芯片的寫操作過(guò)程包括：先發(fā)送器件的地址，然后寫命令碼，命令碼是往寄存器地址00H-0FH中寫的數(shù)據(jù)，其以字節(jié)、字或者塊為單位進(jìn)行寫操作。在讀數(shù)據(jù)時(shí)，需要先寫器件地址，然后寫命令代碼，再寫入一次器件地址，最后才是讀取通道寄存器的數(shù)值。

看門狗X5043芯片是以SPI接口協(xié)議進(jìn)行初始化，初始化為1.4s，在1.4s之內(nèi)引腳CS如果沒(méi)有接受來(lái)自單片機(jī)的上升沿或者下降沿，RST引腳就輸出一個(gè)低電平的脈沖給單片機(jī)復(fù)位。本文Modbus總線協(xié)議在485通信接口的基礎(chǔ)上，以ASCII碼通信格式來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。讀取和傳輸光強(qiáng)值的程序流程圖如圖5所示。

四、總結(jié)

本文重點(diǎn)研究和設(shè)計(jì)了一種光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的光強(qiáng)檢測(cè)模塊，其主要是基于Atmaga8單片機(jī)和TSL2560T光強(qiáng)傳感器，采用Modbus總線協(xié)議，精確采集太陽(yáng)（或者模擬光源）的光強(qiáng)值，使得太陽(yáng)能電池板始終朝向光強(qiáng)最大的方向，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的效果。通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證，結(jié)果證明本方案比目前廣泛使用的光敏電阻等光強(qiáng)檢測(cè)的方案要實(shí)用和優(yōu)越，通過(guò)本方案得到的光強(qiáng)值精度高，效果好，在極其惡劣的環(huán)境條件下也能正常穩(wěn)定地運(yùn)行。