低功耗太陽實(shí)時(shí)跟蹤裝置的設(shè)計(jì)

尚冬梅 劉琳靜 韓娟

摘 要：為了充分、全面利用太陽能資源，采用太陽跟蹤的方法能夠直接獲取更多的光能，設(shè)計(jì)了一種低功耗太陽跟蹤裝置，該裝置以TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心，通過光電傳感器作為前向通路，完成對太陽光源具體方位的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)，單片機(jī)對舵機(jī)的PWM控制，實(shí)現(xiàn)對太陽的實(shí)時(shí)跟蹤功能。通過USB接口與上位機(jī)的通信，該裝置完成了對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、回放和保存功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)測試結(jié)果證明了該裝置的準(zhǔn)確性和低功耗特性。

關(guān)鍵詞：低功耗；MSP430F149；太陽能；跟蹤裝置；光電傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.048

1 引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染影響的加劇，可再生能源的利用日益受到廣泛關(guān)注?？墒窃谔柲軕?yīng)用中轉(zhuǎn)換率低始終是人類全面利用太陽能的一大障礙，其中到達(dá)地面的太陽能密度太低，是一個基本原因，其峰值也不過每平方米一千瓦左右。由于太陽是按照一定的軌跡運(yùn)動的，其空間分布不均，因此，對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤是直接提高太陽能利用率的一種有效方法。在太陽能發(fā)電中，相同條件下，一般采用跟蹤技術(shù)能夠提高發(fā)電效率30%以上[1]。所以，就必須對太陽進(jìn)行跟蹤，跟蹤方法主要有光電跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤[2]。光電跟蹤靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便，本文設(shè)計(jì)出一種利用光電傳感器作為光信號的采集器件，控制舵機(jī)角度，從而改變電池板的角度，使得電池板平面始終在垂直在太陽光的位置上。

2 硬件設(shè)計(jì)

低功耗太陽跟蹤裝置主要包括主控制器電路、光信號采集電路、舵機(jī)驅(qū)動電路、電源電路、USB轉(zhuǎn)RS232電路五個模塊。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

主控芯片選擇TI公司生產(chǎn)的16位MSP430F149單片機(jī)，外部電路是由光敏三極管作為光電傳感器件將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大器電路處理，通過內(nèi)部12位AD采集，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的送入單片機(jī)，根據(jù)光強(qiáng)信號的變化找尋到光強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)后，單片機(jī)對舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行控制，直到找到最強(qiáng)光源處，同時(shí)通過USB接口將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)[3]。主控制器電路完成控制并協(xié)調(diào)各個外圍設(shè)備工作的功能。其主要是通過軟件編程，按需要從外設(shè)獲取信號并處理信號，最終實(shí)現(xiàn)控制作用。

（1）光信號采集電路。光信號采集電路就是通過光敏三極管將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的電路，如圖3所示。光敏三極管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似，不同之處是光敏三極管有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，光敏三極管實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于在基極和集電極之間接光敏二極管，由于光敏三極管具有半導(dǎo)體三極管的放大作用，當(dāng)有光照射時(shí)，光敏三極管產(chǎn)生的光電流就是將光敏二極管的光電流放大了。為了采集效果好一些，進(jìn)行簡單的運(yùn)放處理電路后，再經(jīng)過由TLC2202搭接的電壓跟隨器，使得電壓信號輸入到單片機(jī)的AD進(jìn)行采樣[4]。為了更好的控制，在電池板上放置三個不同位置但在同一直線上的光敏三極管，分為左中右三組。

（2）舵機(jī)和電源電路。采用的是SH14-M數(shù)字舵機(jī)，從主控芯片產(chǎn)生的PWM信號作為控制舵機(jī)方向的控制信號。舵機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)到185度，控制精度最大為256，實(shí)際過程中，將185度分為250份，每份0.74度，控制所需寬度為0.5ms-2.5ms，寬度2ms。DIV：2ms/250=8us。

電源電路需要有三個供電電源，分別是單片機(jī)的3.3V供電、舵機(jī)的7.4V供電和光信號采集電路的5V供電。輸入為12V電壓，電容進(jìn)行穩(wěn)壓濾波后，再接入中等功率的集成MOSFET的開關(guān)電源芯片TPS5430，TPS5430在輸出5V時(shí)能提供3A的最大負(fù)載電流。7.4V電壓是由LM2596穩(wěn)壓芯片及其外圍電路完成的。3.3V穩(wěn)壓集成芯片TSP76433將TPS5430的5V電壓穩(wěn)壓到3.3V供電。在系統(tǒng)供電時(shí)，肖特基二極管D1和D2可以有效防止電池電流輸入穩(wěn)壓集成芯片，一則可以保護(hù)穩(wěn)壓集成，二則可以減小一部分電流，實(shí)現(xiàn)更低功耗[5]。

（3）USB轉(zhuǎn)RS232電路。MSP430單片機(jī)有RS232接口，波特率可設(shè)。但USB接口現(xiàn)在飛速發(fā)展，現(xiàn)在每一臺計(jì)算機(jī)都有USB接口。并且用串口編上位機(jī)軟件比較容易實(shí)現(xiàn)。MSP430單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信，USB轉(zhuǎn)RS232是必要的。我們采用了USB轉(zhuǎn)RS232芯片CP2102。

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序是整個軟件的靈魂，起主導(dǎo)作用。主程序的設(shè)計(jì)直接影響整個設(shè)計(jì)的進(jìn)程。主程序主要通過調(diào)用子程序來完成控制命令的。通過軟件控制語句，函數(shù)等，將這些子程序鏈接起來，組成整個軟件的骨架。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序后，首先對采集到的三路電壓信號進(jìn)行比較，然后找出其中的最大值，如果是中間值最大，則不進(jìn)行操作，如果是左路值最大，則調(diào)節(jié)PWM波的占空比使舵機(jī)向左旋轉(zhuǎn)一度，相反，如果是右路值最大，則調(diào)節(jié)占空比使舵機(jī)向右旋轉(zhuǎn)一度，依次循環(huán)，一直到中間的光敏器件測到的數(shù)據(jù)最大為止。

4 系統(tǒng)測試及誤差分析

本系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩方面。硬件方面，選用了低功耗的芯片，并且MCU的外設(shè)通過降低芯片工作電壓及優(yōu)化電路設(shè)計(jì)來降低功耗。軟件方面，由于MCU的睡眠模式和空閑模式具有可編程性，我們使MCU進(jìn)入休眠模式和空閑模式來降低功耗，如將空閑的I/O管腳拉低，采集數(shù)據(jù)的時(shí)候間隔采樣等。如果到達(dá)采集時(shí)間MSP430F149會定時(shí)被喚醒，若沒有，則直接進(jìn)入低功耗模式。

以MSP430F247為控制核心，用特殊算法對兩個感光三極管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及分析，通過控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)光源的定位和追蹤，能快速穩(wěn)定的指向點(diǎn)光源。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003（03）：10-12.

[2]周希正，李明.太陽能槽式聚光單軸跟蹤的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（122）：20-21.

[3]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002：34-50.

[4]默少麗，鄧鵬.基于MSP430的低功耗便攜式測溫儀設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2008，34（03）：18-20.

[5]李莉.低功耗數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16（01）：249-255.

作者簡介：尚冬梅（1985-），女，陜西人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：電工電子、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電。