基于單片機(jī)控制太陽能智能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李仁浩，龔思敏，楊 帆，劉 松，李小兵

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330031；2.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330031)

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基于單片機(jī)控制太陽能智能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李仁浩1，龔思敏2，楊 帆1，劉 松1，李小兵1

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330031；2.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330031)

基于MC9S12XS128單片機(jī)，采用光電跟蹤原理和傳感器定位跟蹤方式，設(shè)計(jì)高精度太陽智能跟蹤系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括LCD顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、光電傳感器模塊、風(fēng)力傳感模塊、無線通信模塊、液壓驅(qū)動(dòng)模塊等。該系統(tǒng)通過人工智能和自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)全景式、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的自動(dòng)追蹤。該太陽能跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、功能全面、系統(tǒng)穩(wěn)定以及具有自我保護(hù)功能，既可以保證系統(tǒng)追光的精確性，又可以滿足不同地域和環(huán)境的使用要求。

太陽能；跟蹤系統(tǒng)；單片機(jī)控制；智能化

0 引言

隨著化石燃料日益匱乏，對(duì)新型可再生能源的開發(fā)是世界各個(gè)國家迫在眉睫的工作，特別是對(duì)于太陽能這一自然能源的利用，在很多國家都已初具規(guī)模，諸如甘肅敦煌市西部的太陽能發(fā)電站，全球最大的西班牙安達(dá)索爾太陽發(fā)電站裝機(jī)總?cè)萘?0 MW[1]等大型發(fā)電站的建成。如此大規(guī)模的太陽能發(fā)電站，提高太陽光的追蹤精度能極大地提高發(fā)電效率。

市場上為提高追蹤精度普遍采用單片機(jī)控制，單片機(jī)常見的太陽能追蹤系統(tǒng)多采用光感或者根據(jù)緯度、季節(jié)主動(dòng)視日跟蹤的方式[2-3]，如基于PID控制的太陽能跟蹤系統(tǒng)[4]，基于西門子S7-1200PLC的雙軸伺服太陽能跟蹤系統(tǒng)[5]，基于STM32的太陽自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)[6]，以STM32 單片機(jī)為控制核心結(jié)合光電轉(zhuǎn)換裝置和GPS 模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的精確跟蹤[7]。而單一采用這兩種方式的任何一種或者是二者的簡單結(jié)合，都難以達(dá)到光伏系統(tǒng)的精度要求，在聚光發(fā)電系統(tǒng)中這一點(diǎn)尤為突出。

本文設(shè)計(jì)一種基于MC9S12XS128單片機(jī)的高精度太陽智能跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)采用光電跟蹤原理，基于傳感器定位跟蹤方式，有效提高太陽能的利用率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

MC9S12XS單片機(jī)是16位單片機(jī)，內(nèi)部集成包括串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換、脈沖調(diào)制、輸入捕捉等外設(shè)，通過軟件設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)各種功能。同時(shí)MC9S12XS具有PLL超頻功能，能得到更高的單片機(jī)處理頻率。用MC9S12XS作為整個(gè)太陽能追蹤系統(tǒng)的控制中樞，能滿足復(fù)雜多變的控制要求。主要根據(jù)系統(tǒng)所在地的經(jīng)度、緯度及實(shí)時(shí)時(shí)間，通過相應(yīng)天文算法計(jì)算出太陽高度角及方位角。系統(tǒng)通過亮度檢測判斷實(shí)時(shí)天氣狀況，采用光電跟蹤和定時(shí)跟蹤相結(jié)合以及間隙工作的控制方式，通過控制水平、俯仰兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，以液壓驅(qū)動(dòng)控制調(diào)整太陽能電池板的位置，提高自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度。在系統(tǒng)實(shí)際開啟運(yùn)行后利用LCD顯示器和鍵盤實(shí)現(xiàn)控制和輸出顯示。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要由LCD顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、光電傳感器模塊、風(fēng)力傳感模塊、無線通信模塊、液壓驅(qū)動(dòng)模塊等組成。

2.1 LCD顯示模塊

采用5110顯示器來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，該顯示器具有價(jià)格低廉、易驅(qū)動(dòng)、顯示大小適中、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。通過單片機(jī)引腳給不同信號(hào)，將相應(yīng)字符轉(zhuǎn)換成ASCLL碼值，可以實(shí)現(xiàn)LCD顯示。人機(jī)交互界面需要數(shù)據(jù)通信，按鍵采用輕觸式按鍵向單片機(jī)發(fā)出一些數(shù)據(jù)信息。按鍵使單片機(jī)產(chǎn)生中斷來控制LCD顯示，通過按鍵可以輸入系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，并能夠?qū)ο到y(tǒng)工作模式進(jìn)行切換、運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)試、環(huán)境參數(shù)設(shè)定。

2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

采用DS1302芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，該芯片是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，可對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行記時(shí)，并且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5 V，電路原理圖如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘電路原理圖

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路由3 V電源供電，晶振Y1為32.768 kHz，接在X1和X2端口上作為基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。REST為復(fù)位/片選信號(hào)，通過REST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送，在VCC≥2.5 V前，REST保持低電平。SCLK為低電平時(shí)，才能將REST置為高電平。IO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)。

2.3 光電傳感器模塊

為了能夠感知太陽方位的變化，采用光電傳感器對(duì)太陽光線進(jìn)行方位測量，如圖3所示。在A、B、C、D端分別放置4個(gè)光敏電阻R1、R2、R3、R4，并且置A、B、C、D端為+5 V的高電位，另設(shè)E、F端與兩根桿子相連，E、F為數(shù)據(jù)采集端，其中A、C桿和B、D桿不相交。用單機(jī)對(duì)E、F端進(jìn)行AD8位數(shù)據(jù)模數(shù)采集，采用數(shù)字濾波方法，準(zhǔn)確讀出E、F兩端電壓，就能判斷出太陽方位。通過如上配置，引接單片機(jī)AD通道基準(zhǔn)電壓為V1=5 V，設(shè)置采樣分辨率為8位，采樣最大值為255，另設(shè)采集AD值為X，可知采集點(diǎn)電壓為V2=(X/255)×V1。讀取采集電壓，與設(shè)定值對(duì)比，標(biāo)定出太陽光線位置。

圖3 光電傳感器原理圖

信息處理主要原理是比較信號(hào)1、信號(hào)2 與2.5 V的大小，用4個(gè)結(jié)果來辨別當(dāng)前太陽所處太陽能板的方向，然后通過單片機(jī)發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)豎直液壓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)信號(hào)1電位為2.5 V左右時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)，使太陽能板達(dá)到最佳水平入射角。然后再次比較信號(hào)2與2.5 V的大小，再使單片機(jī)發(fā)出命令驅(qū)動(dòng)俯仰液壓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制太陽板俯仰，直到信號(hào)2電位為2.5 V左右為止，通過程序不斷循環(huán)測定傳感器上電位差的變化來實(shí)現(xiàn)太陽能板的位置，此時(shí)太陽能板達(dá)到最佳位置，太陽光便能垂直照射在太陽能電池板上。而以上電位信號(hào)都是由MAX232微控制器轉(zhuǎn)換之后，把結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)比較，從而識(shí)別太陽在跟蹤系統(tǒng)所處位置。每隔1 min循環(huán)一次以上過程。

2.4 風(fēng)力傳感模塊

為使太陽能追蹤器在雷雨天氣得到保護(hù)，采用風(fēng)力傳感器對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)遇到強(qiáng)風(fēng)雷電天氣時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，保證整個(gè)系統(tǒng)安全。如圖4所示，風(fēng)力帶動(dòng)齒輪箱旋轉(zhuǎn)，左側(cè)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，再用單片機(jī)A/D模數(shù)進(jìn)行采集，得到電壓值，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定后，將極限值作為極限參數(shù)保存下來，若AD值超過極限標(biāo)定值，則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

圖4 風(fēng)力傳感器模塊

2.5 無線通信模塊

為了能夠?qū)崟r(shí)跟蹤系統(tǒng)，了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，采用無線藍(lán)牙通信技術(shù)，利用PC機(jī)對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，通過S12單片機(jī)驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)串口通信。只需要在PC端安裝驅(qū)動(dòng)，并插上適配器就能和單片機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行通信。通過無線模塊實(shí)現(xiàn)太陽能跟蹤系統(tǒng)與后天PC機(jī)的雙向數(shù)據(jù)通信，將跟蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)PC機(jī)，管理員可在后臺(tái)PC機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，還能遠(yuǎn)程控制跟蹤系統(tǒng)。

2.6 液壓驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓設(shè)備，動(dòng)力源為液壓電機(jī)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由水平轉(zhuǎn)動(dòng)和豎直轉(zhuǎn)動(dòng)組成，水平轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置為液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)通過減速齒輪進(jìn)行減速帶動(dòng)機(jī)構(gòu)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，豎直轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)為液壓缸，通過兩邊液壓缸的升降帶動(dòng)太陽板豎直轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5所示，當(dāng)系統(tǒng)判斷裝置應(yīng)水平順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)通過控制電磁閥4通3閉控制液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，從而控制裝置順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)判斷太陽能板應(yīng)左側(cè)向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過控制電磁閥1通2閉來控制左側(cè)液壓缸上升右側(cè)液壓缸下降，從而實(shí)現(xiàn)控制太陽能板左邊上升。

圖5 液壓驅(qū)動(dòng)模塊圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 MC9S12XS外設(shè)固件初始化

系統(tǒng)運(yùn)用MC9S12XS單片機(jī)的ATD、TIM、PWM、IO等外設(shè)，編程時(shí)先對(duì)這些外設(shè)寄存器進(jìn)行基本配置，配置之后就能初始化系統(tǒng)。其中主要包括：PLL超頻設(shè)置BusCLK_80M()，采用80 MHz主頻，主要設(shè)置SYNR和REFDV兩個(gè)寄存器值為SYNR =0xc0 | 0x09，REFDV=0x80 | 0x01，配置之后單片機(jī)得到穩(wěn)定80 MHz的工作頻率。

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換通道設(shè)置AD_Init()，其主要配置A/D采集分辨率為8位并且采樣前不放電，A/D采集長度為6位和采樣周期為4個(gè)周期，核心程序如下：

void AD_Init()

{ ATD0DIEN = 0x00;

ATD0CTL0 = 0x0F; //反轉(zhuǎn)通道為通道0

ATD0CTL1 = 0x00; //采樣前不放電，8位分辨率

ATD0CTL2 = 0x40; //快速清零，禁止外部中斷

ATD0CTL3 = 0xB0; //右對(duì)齊，序列長度為6

ATD0CTL4 = 0x03; //采樣時(shí)間為4個(gè)周期

ATD0CTL5 = 0x30; //掃描模式，從0通道開始

}

IO口配置IO_Init()，對(duì)液晶顯示屏和撥碼開關(guān)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)要用大量IO口，因此根據(jù)實(shí)際需求合理配置IO口。

中斷配置及處理，中斷源包括按鍵中斷，定時(shí)器中斷和斷電保護(hù)中斷。按標(biāo)準(zhǔn)配置之后合理設(shè)置相關(guān)中斷優(yōu)先級(jí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)就能處理各種復(fù)雜的實(shí)時(shí)事件，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

配置以上模塊之后，在主函數(shù)mian()中進(jìn)行集中初始化，并在主循環(huán)中進(jìn)行太陽自動(dòng)跟蹤控制。核心程序如下：

void mian(void)

{ AD_Init(); //AD轉(zhuǎn)換初始化

IO_Init(); //IO初始化

LCD_Init(); //液晶顯示器初始化

BusCLK_80M(); //設(shè)置頻率

Interrupt_Priority_Set();//中斷設(shè)置

EnableInterrupts; //開總中斷

While(1)

{Auto_follow();} //自動(dòng)追蹤函數(shù)

}

3.2 軟件控制流程

由于太陽光線變化緩慢，為節(jié)省電量和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)500 ms采集1次數(shù)據(jù)，1 min控制一次液壓機(jī)構(gòu)修正。并且實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊標(biāo)定數(shù)據(jù)能夠?qū)π拚D(zhuǎn)角度進(jìn)行對(duì)比，從而達(dá)到濾波作用，使控制效果更佳，控制流程圖如圖6。

圖6 控制流程圖

3.3 自動(dòng)追蹤原理

采用液壓驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)太陽能光伏板的方位，分為水平面方位控制和豎直面方位控制。根據(jù)光線方向?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)移跟蹤的思路是在太陽能板的上面放置4片小型光敏電阻，由于光敏電阻接收到的光能隨太陽照射角度改變而改變，所以當(dāng)太陽光照射角度隨時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此光敏電阻采集及送出的電壓大小會(huì)變化。電路采樣此4片小型光敏電阻輸出的電壓，以確定太陽的移動(dòng)方向。

4 結(jié)論

基于單片機(jī)控制的太陽能智能跟蹤控制系統(tǒng)，采用MC9S12XS128單片機(jī)控制，程序和結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉且功能強(qiáng)大?？刂葡到y(tǒng)主要由光敏傳感器、信號(hào)放大系統(tǒng)、核心控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)模塊、太陽能電池板、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊等組成。光敏傳感器為4個(gè)光敏電阻嵌入的空心半邊球，保證追蹤精度，4個(gè)光敏電阻負(fù)責(zé)采集8位數(shù)據(jù)模數(shù)采集，并采用數(shù)字濾波方法，準(zhǔn)確讀出E、F兩端電壓，通過5110顯示器顯示系統(tǒng)采集的電壓值，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行人工監(jiān)測的目的，再分析就能判斷出太陽方位，然后通過單片機(jī)控制雙軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)將太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直于太陽光入射的方向面。此外，還采用風(fēng)力傳感器使太陽能追蹤器能在雷雨天氣中得到保護(hù)，采用無線藍(lán)牙通信技術(shù)利用PC機(jī)對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，采用DS1302芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、功能全面，系統(tǒng)穩(wěn)定，具有自我保護(hù)功能，既可以保證系統(tǒng)追光的精確性，又可以滿足光伏設(shè)備在不同天氣、不同海拔、不同緯度的使用要求，使設(shè)備最大可能地利用太陽光源，發(fā)揮最大的發(fā)電效率。

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Design of Solar Energy Automatic Tracking System Based on Single-chip Microcomputer Control

LI Ren-hao1,GONG Si-min2,YANG Fan1,LIU Song1,LI Xiao-bing1

(1.School of Mechatronics Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China; 2.School of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

High-precision solar energy automatic tracking system based on MC9S12XS128 single chip microcomputer was designed by optoelectronic tracking principle and sensor positioning and tracking method.The control system was made of LCD module,real-time clock module,photoelectric sensor module,wind sensor module,wireless communication module and hydraulic module,etc.The system can make panoramic stable and accurate tracking by the artificial intelligence and automation control.The solar energy automatic tracking system has the advantages of simple structure,low price,complete function,system stability and self protection function.Not only can guarantee the accuracy of the system equipment,the system can also meet the using requirements of different areas and environments.

solar energy; tracking system; single chip microcomputer control; intelligent

2014-03-25 收修改稿日期：2014-11-26

TK513.4

A

1002-1841(2015)04-0051-03

李小兵(1979—)副教授，博士，主要研究領(lǐng)域方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。E-mail：lixiaobing@ncu.edu.cn