基于單片機(jī)控制的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倉思雨，孫建明，王忠軍，張?zhí)m紅

（鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

近年來，由于石油和煤炭等能源短缺及其對(duì)環(huán)境的污染問題，可再生能源發(fā)電技術(shù)廣受各國政府和研究人員的重視。在所有可再生能源中，太陽能具有儲(chǔ)量豐富、無污染、分布范圍廣等諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)電技術(shù)正得到迅速的發(fā)展。太陽能的有效應(yīng)用將大大緩解化石能源危機(jī)，解決環(huán)境污染問題。太陽能雖然環(huán)保、儲(chǔ)量豐富，但也存在密度低、間歇性、空間分布不斷變化的缺點(diǎn)，在太陽能電池板價(jià)格居高不下的情況下，研制具有實(shí)用價(jià)值的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板時(shí)刻跟蹤太陽最強(qiáng)光，充分利用太陽能，是降低太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本、提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率的有效途徑［1－3］。

1 太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)原理

太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中太陽能電池板時(shí)刻保持與太陽最強(qiáng)光線垂直，跟蹤系統(tǒng)原理用圖1來說明。圖1中平面α為太陽能電池板平面，n為電池板法線方向，l為太陽最強(qiáng)光方向，xoy為水平面，yoz為垂直面。要使電池板平面α與太陽最強(qiáng)光l垂直，則應(yīng)將n方向旋轉(zhuǎn)到和l方向平行。

根據(jù)歐幾里得幾何知識(shí)，在三維空間中，假設(shè)有一條直線和一個(gè)平面，要使直線和平面垂直，可通過對(duì)平面的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。平面的旋轉(zhuǎn)可由水平方向旋轉(zhuǎn)和垂直方向旋轉(zhuǎn)疊加而得。

圖1 太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)原理圖Fig.1 Rotation principle diagram of sun automatic tracking system

將平面α在yoz垂直面方向上沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一角度，其值為θ11與θ21的夾角角度，用θ1表示；然后在xoy水平面方向上沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一角度，其值為垂直面α1和垂直面α2的夾角，用θ2表示，θ1和θ2分別為：

這樣，法線就和l方向平行，即平面α和l方向垂直。

根據(jù)上述分析，當(dāng)檢測到太陽最強(qiáng)光線時(shí)，調(diào)整太陽能電池板的水平方向朝向和垂直方向朝向，就可使太陽能電池板跟蹤太陽最強(qiáng)光。

2 太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和基于單片機(jī)的太陽自動(dòng)跟蹤控制器組成。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了完成對(duì)太陽最強(qiáng)光的實(shí)時(shí)跟蹤，太陽能電池板的支架必須使用兩個(gè)電機(jī)，并且在兩個(gè)平面內(nèi)同時(shí)旋轉(zhuǎn)。雙平面太陽跟蹤機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要部件包括底座、支柱、水平面旋轉(zhuǎn)支架、水平面旋轉(zhuǎn)電機(jī)、垂直面旋轉(zhuǎn)支架、垂直面旋轉(zhuǎn)電機(jī)。太陽能電池板安裝于垂直面旋轉(zhuǎn)支架的上平面處。水平面旋轉(zhuǎn)電機(jī)能夠沿水平面作圓周運(yùn)動(dòng)，通過大齒輪帶動(dòng)安裝于垂直面旋轉(zhuǎn)支架的太陽能電池板在水平面旋轉(zhuǎn)，改變電池板在水平面的方位角；垂直面旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿垂直面作圓周運(yùn)動(dòng)，通過大齒輪帶動(dòng)安裝于垂直面旋轉(zhuǎn)支架的太陽能電池板在垂直面旋轉(zhuǎn)，改變電池板在垂直面的俯仰角，就可以達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤太陽最強(qiáng)光的效果。

2.2 基于單片機(jī)的自動(dòng)跟蹤控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)組成

以單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在室外全天候持續(xù)運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)對(duì)水平面與垂直面旋轉(zhuǎn)的兩臺(tái)電機(jī)的控制，工作環(huán)境較差，普通的單片機(jī)無法勝任這種工作要求，選擇飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128。該單片機(jī)包括最多可提供8通道8位或4通道16位的脈寬調(diào)制器及8位／10位／12位分辨率可選的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、高性能、高可靠性要求的機(jī)電系統(tǒng)的控制［4］。

圖2 雙平面太陽跟蹤機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of dual plane sun tracking machine structure

圖3 自動(dòng)跟蹤控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of automatic tracking controller structure

圖3中通過光檢測電路對(duì)太陽最強(qiáng)光位置進(jìn)行檢測，檢測信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送單片機(jī)內(nèi)部的A／D模數(shù)模塊，經(jīng)CPU處理后，輸出控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)水平面與垂直面旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的自動(dòng)跟蹤；時(shí)鐘模塊自動(dòng)計(jì)算時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)跟蹤與太陽能電池板的復(fù)位。

2.2.2 光檢測電路

太陽跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵在于太陽最強(qiáng)光位置的檢測，因此光檢測電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，此處采用擋光容器與光敏電阻組成光檢測器。

光檢測器結(jié)構(gòu)如圖4所示，用擋光材料設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑6厘米、高度6厘米的圓桶形擋光容器，容器上方開一方口，6個(gè)光敏電阻置于圓桶形擋光容器的不同位置。擋光容器的作用是實(shí)現(xiàn)聚光保護(hù)，使光敏電阻免受環(huán)境散射光的影響，實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。光敏電阻R1、R2置于圓桶形容器外側(cè)頂部，R3～R6置于圓桶形容器的內(nèi)側(cè)底部。安裝時(shí)圓桶形擋光容器底部與太陽能電池板平面平行，安裝于太陽能電池板上方即可。

圖4 光檢測器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Light detector structure diagram

光檢測電路如圖5所示，其中R1～R6為光敏電阻，R7～R12為采樣電阻。

圖5 光檢測電路Fig.5 Light detection circuit

光敏電阻R1、R2放在容器外側(cè)互差180°位置處，用來粗調(diào)太陽能電池板的位置。設(shè)它們的采樣電路輸出電壓信號(hào)分別為u1、u2，當(dāng)通過調(diào)整電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使u1～u2近似為零時(shí)，太陽最強(qiáng)光近似垂直照射在電池板上。

R3～R6置于容器內(nèi)部互差900的4個(gè)方向上，當(dāng)太陽最強(qiáng)光線方向與電池板法線方向有夾角時(shí)，光敏電阻反應(yīng)出光照照度差，經(jīng)單片機(jī)處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩兩相對(duì)的兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)太陽最強(qiáng)光垂直于圓桶形容器上方的方孔面，即電池板與太陽最強(qiáng)光線垂直。光敏電阻位置向孔深方向增加，檢測精度會(huì)提高。

2.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖6所示。旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用兩相4線步進(jìn)電機(jī)，直流12V供電，50齒，8拍工作方式，步距角0.9度。采用ST公司生產(chǎn)的高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)并口PB0～PB3輸出信號(hào)經(jīng)L298N的放大，用于驅(qū)動(dòng)垂直面電機(jī)，PB4～PB7輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)水平面電機(jī)，PA0～PA1、PA2～PA3分別輸出信號(hào)用于控制垂直面與水平面電機(jī)的運(yùn)行或停止。二極管D1～D8及D9～D16用于續(xù)流。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of motor drive module

L298N的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，該芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)H橋電路。VSS（9腳)為芯片工作電源輸入端，接＋5V，VS（4腳)為電機(jī)電源輸入端，接＋12V。IN1～I(xiàn)N4（引腳5、7、10、12)是輸入端，OUT1～OUT4（引腳2、3、13、14)是輸出端。ENA、ENB分別為IN1和IN2、IN3和IN4的使能端，均為高電平有效。根據(jù)圖7，當(dāng)ENA和ENB均為有效狀態(tài)時(shí)，OUT1～OUT4輸出電平與IN1～I(xiàn)N4輸入電平是一一對(duì)應(yīng)的，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)編碼如表1所示。每個(gè)L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。

圖7 L298N的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Circuit diagram of motor drive module

2.2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖8所示。系統(tǒng)初始化后，首先檢測有無按鍵閉合，若有根據(jù)閉合鍵值進(jìn)行時(shí)間設(shè)置或電機(jī)輸出位置調(diào)整；對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行時(shí)間設(shè)置后，可為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間，以便實(shí)現(xiàn)定時(shí)跟蹤與復(fù)位。光檢測信號(hào)經(jīng)調(diào)理輸入主控芯片，再經(jīng)計(jì)算判斷，獲得電機(jī)需要調(diào)整的位置，并輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。但為了保護(hù)設(shè)備，同時(shí)為第2天跟蹤做好準(zhǔn)備，當(dāng)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，限位開關(guān)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送脈沖，單片機(jī)響應(yīng)此操作，使自動(dòng)跟蹤裝置不再轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整由程序調(diào)節(jié)每拍之間的延時(shí)來實(shí)現(xiàn)。

表1 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)編碼Table 1 Encoding of motor rotation state

3 結(jié)束語

本文利用歐幾里得幾何知識(shí)分析研究了太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)原理，據(jù)此設(shè)計(jì)了太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和以飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128為控制核心的自動(dòng)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)。

圖8 自動(dòng)跟蹤控制器軟件流程圖Fig.8 Software flow chart of automatic tracking controller

將制作的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)放于室外陽光下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，太陽能電池板可始終跟隨太陽最強(qiáng)光轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)跟蹤太陽。

所設(shè)計(jì)的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使太陽能電池板高精度自動(dòng)跟蹤太陽，可大大提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場前景。

［1］張麗麗，王建民.太陽位置光電模擬信號(hào)檢測跟蹤的實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（9)：40－43.

［2］張河新，郎龍軍，李建朝，等.太陽能自動(dòng)跟蹤傳感器的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè))，2010（3)：27－29.

［3］王尚文，高偉，黃樹紅.混合雙軸太陽自動(dòng)跟蹤裝置的研究［J］.可再生能源，2007，25（6)：10－13.

［4］張陽，吳嘩，騰勤.MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.