基于單片機ADμC812的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設計?

彭喜英，趙強松

（中原工學院 信息商務學院，河南 鄭州 450007）

0 引言

目前，光伏發(fā)電技術已成為新能源利用的一種重要的方法［1］。本文所采用的光線自動跟蹤的方式，是使太陽能電池板的朝向能夠跟隨太陽位置的變化而變化，即保持太陽能電池板表面與太陽光垂直，可以使轉換效率提高30%以上［2］。設計跟蹤平臺的時候，要考慮到復雜多變的光線照射情況，比如晝夜更替情況，當太陽落山時，該跟蹤平臺將跟蹤太陽而朝向西邊，太陽落下則停止工作；當第二天早上太陽升起時，需要跟蹤平臺的傳感探測單元能夠檢測到太陽光線的變化，快速復位。為了解決上述問題，本文采用光、機、電一體化技術，提出了通過單片機控制步進電機的太陽跟蹤系統(tǒng)方式，從而達到了自動跟蹤的目的。

1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)結構

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)由單片機、傳感器、步進電機等組成，其結構框圖如圖1所示。當太陽光照射到光敏電阻上時，測量到太陽光線和電池陣列的位置偏差，并經傳感器把該信號送給前置放大器放大，然后經電壓跟隨器傳給單片機。單片機將對采樣進來的電壓信號進行判斷，電壓有增大和減小兩種可能，如電壓增大，則讓電池板繼續(xù)轉動，一旦電壓減小，單片機將立即發(fā)出信號，讓電機反轉，實現電池板對太陽的跟蹤。

2 自動跟蹤系統(tǒng)的設計

2.1 傳感器光敏二極管的設計

光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見光的測量。光敏電阻CDS是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器。本文所設計的電路系統(tǒng)中，光敏電阻分別與滑動變阻器和2個5kΩ的電阻共同構成惠斯通電橋。為了精確檢測天空光線的變化，本系統(tǒng)采用4路這樣的電橋同時采集信號到單片機中。

圖1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)結構框圖

光敏電阻的排列如圖2所示。理論上來說，4個光敏電阻放在暗筒外側與放在內側的效果差不多。但是，當太陽高度角比較小時，如早晨和傍晚，把光敏電阻放在外側仍可以檢測到光線的變化，而若是放在內側，則4個光敏電阻都處在黑暗中無法檢測到早晨和傍晚的光線，所以把4個光敏電阻放在外側。

圖2 光敏電阻的排列

2.2 跟蹤控制器的設計

光敏元件對太陽光線做出的反應是性能參數的改變（比如光敏電阻值有了變化），跟蹤控制器設計的工作重點是如何將這些參數的變化轉化為控制信號并輸出達到控制驅動平臺轉動的目的［3］。跟蹤控制器的機械傳動機構見圖3。

圖3 跟蹤控制器的機械傳動機構

本機構采用光敏元件比較式跟蹤器和雙軸跟蹤的辦法，利用步進電機雙軸驅動，通過對跟蹤機構進行水平、俯仰兩個自由度的控制［4］實現對太陽的實時跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種需要跟蹤太陽的裝置，機械傳動機構是跟蹤的執(zhí)行機構，為了保證機械精度和傳動效率，本系統(tǒng)選用UC3717步進電機作為驅動芯片，該電機是二相步進電動機，步距角為0.9°，其驅動波形為二相八拍。同時步進電機運轉速度、方向、跟蹤的控制由ADμC812單片機承擔。

3 跟蹤系統(tǒng)電路設計

3.1 單片機系統(tǒng)

ADμC812單片機具有嵌入式閃存工藝和全智能的在線編程功能，數據采集性能得到了很大的提高，開發(fā)時間及成本減少。該芯片與8052兼容，工作頻率最大可達16MHz，內含有3個定時器，并具有32條可編程輸入/輸出端口，9個中斷源。此芯片包含的8通道12位高精度A/D轉換器，采樣速率可達200kaps。由于ADμC812的上述特點，可以驅動電機運轉，并能夠根據用戶需要開發(fā)不同功能。

3.2 傳感器光敏電阻檢測電路

傳感器檢測電路如圖4所示。我們采用差點放大器作為電壓前置放大器，它將橋臂電阻的變化轉化成電壓信號并放大，再經電壓跟隨器741送入單片機ADμC812的端口。ADμC812在芯片內集成了高性能的自校準多通道A/D轉換器和2個12位DAC，可以直接對數據進行處理。電壓跟隨器的低輸出阻抗的特性可以提高信號的帶負載能力，減少信號受A/D負載的影響。把CDS1所在橋臂的滑動變阻器的電阻調至100kΩ，當CDS1的電阻也為100kΩ時，電橋的電壓差為0V。此跟蹤系統(tǒng)內部裝有一個定位開關，當單片機檢測到電橋輸出電壓為0V時，次定位開關是開的狀態(tài)，說明此時光線由無到有，感光器將會開始自動跟蹤太陽；如果定位開關是關的狀態(tài)，說明這時光線是由有到無，跟蹤系統(tǒng)會自動復位到定位開關處。

3.3 驅動電路的設計

驅動電路利用ADμC812單片機的P1.2端輸出脈沖中斷，產生脈沖信號，為驅動步進電機電路產生驅動信號。步進電機驅動器需要慎重選擇，它的優(yōu)劣直接制約著電機伺服系統(tǒng)的性能。步進電機主要由環(huán)形分配器、信號處理器、推動級、功率放大器等部分組成。功率步進電機工作時，還需要有多種保護電路。

圖4 傳感器檢測電路

步進電機工作時，必須通過專用的步進電機驅動器驅動，不能直接接到交直流電源上。本文所采用的驅動芯片是UC3717［5］，它內部包括控制邏輯輸入端、電流傳感器和含有內置式保護二極管的單穩(wěn)態(tài)輸出端。二相步進電機驅動系統(tǒng)由2片UC3717和一些外部元件組成。UC3717還附加了許多保護功能，以確保電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如檢測到負載開路或者短路、電動機接地或短路連接、電源過電壓、邏輯電源欠電壓、過熱關斷等現象，輸入就會被禁止，故障信息通過診斷引腳輸出。

驅動電路如圖5所示。管腳8是UC3717的換相輸入端，內置施密特觸發(fā)電路，可以產生換相延時，有效控制電機繞組電流方向，并能避免換相時的端子電流干擾。Phase端用于控制步進電機繞組電流的正反方向，由以74LS194為核心的邏輯電路產生，用于提供驅動電路所需的脈沖及二相八拍驅動波形。74LS194邏輯電路如圖6所示。

圖5 驅動電路

4 軟件流程

系統(tǒng)軟件主要實現對光線角度的控制和光強數據的處理。初始化模塊實現步進電機的復位，借助觸發(fā)開關對控制端口發(fā)送信號，單片機接收后立即停止發(fā)送驅動脈沖信號。這種工作模式主要應對系統(tǒng)工作異常和無太陽光線時，使系統(tǒng)能夠自動復位。感光器跟蹤太陽的子程序流程圖如圖7所示。

圖6 74LS194邏輯電路

程序開始后，先進行AD轉化，然后由單片機處理信號。如果東西方向或南北方向的2個光敏電阻接受的光照強度不同，那么電機將會動作直到光照強度相同，即模擬硅板與太陽光垂直。一般情況下，先是東西方向步進電機動作，使東西方向的2個光敏電阻接受的光照強度一致，然后，南北方向的光敏電阻動作，使南北方向的光敏電阻接收的光照強度一致。

5 結語

本文所設計的自動跟蹤平臺能實現精確的定位、跟蹤，自動跟蹤精度較高、可靠性強，即使是在天氣變化異常情況下，系統(tǒng)工作也不發(fā)生混亂，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖7 感光器跟蹤太陽的子程序流程

［1］徐靜.自動跟蹤式獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究［D］.杭州：杭州電子科技大學，2009：21-25.

［2］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］.微計算機信息，1999，15（4）：80-81.

［3］胡濤，程明霄.UC3717對二相步進電機的控制［J］.計算機仿真，1995（5）：10-12.

［4］Badran O O.Study in industrial applications of solar energy and the range of its utilization in Jordan［J］.Int J Renew Ener，2001（2）：485-490.

［5］金晶晶.太陽光線自動跟蹤裝置［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學，2007：41-46.