基于單片機(jī)的太陽能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉正宇 李俊橋 孟凡星 劉向南

摘要

當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加重，各個國家在新能源研究和開發(fā)方面的投入也越來越多。其中太陽跟蹤技術(shù)是提高太陽能利用效率的一種新技術(shù)和發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)使用高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代STC12C5A60S2單片機(jī)，內(nèi)部自集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），比傳統(tǒng)8051速度快8-12倍，適用于針對強(qiáng)干擾場合的電機(jī)控制采用四象限法，將光敏電阻放置于SG-PSP-A1.8W-SPC A級多晶硅太陽能電池板上對光信號進(jìn)行精確采集處理，將模擬電壓信號傳送到單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器兩兩比較電壓值，結(jié)合太陽高度和太陽方向角智能算法，輸出PWM波驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動，一直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 太陽能 追光系統(tǒng)

1 單片機(jī)的太陽能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

目前大多數(shù)太陽能電池板陣列采用的固定式結(jié)構(gòu)，無法使太陽能資源得到充分利用，無法有效解決發(fā)電效率低下的問題。因此，各種太陽追蹤裝置被提上了歷史的進(jìn)程，比較普遍的有機(jī)械追蹤的，有電子追蹤的，還有用GPS來追蹤的。電子追蹤類的，一般都是科研單位或者大型企業(yè)為了進(jìn)行某一項(xiàng)研究而專門設(shè)計(jì)制造的儀器設(shè)備，一方面精密高但容易損壞，另一方面造價(jià)高。機(jī)械追蹤類的，其內(nèi)部一般都有發(fā)條和加速裝置，由于沒有使用軟件來調(diào)整，其誤差會隨著時(shí)間的積累而變得越來越大。GPS則是比較高端的產(chǎn)品了，它對太陽能的判斷已經(jīng)超出了地球的范圍，通過地外檢測，控制大規(guī)模的太陽能電池矩陣來接受偏轉(zhuǎn)方向。它的精度極高，造價(jià)極其昂貴，目前大眾還無法接受。

在這個大背景下，我們設(shè)計(jì)了一款太陽能智能降溫追光系統(tǒng)，在最大限度的采集太陽能的同時(shí)，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低功耗。在保證成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的前提下，實(shí)現(xiàn)較高的跟蹤精度和轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)考慮到太陽能板的光電轉(zhuǎn)換效率會隨著環(huán)境溫度的上升而降低，實(shí)驗(yàn)表明溫度每上升一度，輸出功率將減少0.4%～0.5%，大于45度會成倍減少。所以有效地控制降溫也是增強(qiáng)總體光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。

我們搭建了太陽能智能降溫追光系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型，其主要的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

（1）硬件設(shè)計(jì)部分我們采用了四象限法放置的光敏電阻采集光信號，將幅值不同的電壓信號傳送到高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代STC12C5A60S2單片機(jī)中，該款單片機(jī)自帶10位A/D轉(zhuǎn)換和抗干擾濾波電路，可以實(shí)現(xiàn)兩兩電壓比較。然后輸出PWM波驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動，一直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強(qiáng)度。供電電路部分我們采用LM7805三端穩(wěn)壓集成芯片進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)壓，同時(shí)并聯(lián)兩路大電容構(gòu)成濾波電路。溫控電路部分使用的是DS18B20溫度傳感器，它將實(shí)時(shí)監(jiān)測太陽能板溫度并傳送至單片機(jī)并顯示在LCD1602顯示屏上，當(dāng)大于設(shè)定溫度將驅(qū)動直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)降溫。

（2）軟件設(shè)計(jì)部分我們利用kei15進(jìn)行編程，算法方面我們將電壓比較算法與太陽高度和太陽方向角智能算法相結(jié)合，能較好的解決太陽能設(shè)備的法線與太陽光線的夾角在15°以內(nèi)時(shí)，對太陽的利用效率變化不明顯的問題，同時(shí)可以有效提高太陽能板的轉(zhuǎn)動反應(yīng)速度和靈敏度，能在短時(shí)間內(nèi)精確對準(zhǔn)光源。

（3）在太陽能智能降溫追光系統(tǒng)中，我們添加了PWR2.5標(biāo)準(zhǔn)充電口，雙電源的供電方式使設(shè)備不至于出現(xiàn)電池沒電導(dǎo)致的無法工作問題。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在單片機(jī)和自控技術(shù)的理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合現(xiàn)有的傳感器，搭建了基于太陽能智能降溫追光系統(tǒng)實(shí)體模型，其主要分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩大部分。其中硬件設(shè)計(jì)部分我們采用新一代STC12C5A60S2單片機(jī)作為MCU，光敏電阻作為光傳感器，DS18B20作為溫度傳感器，LCD1602作為顯示器，舵機(jī)和直流電機(jī)作為驅(qū)動元器件，以及其他功放和供電元器件;軟件設(shè)計(jì)部分我們將電壓比較算法與太陽高度和太陽方向角智能算法相結(jié)合，利用kei15進(jìn)行編程，STC-ISP進(jìn)行燒錄。

3 創(chuàng)新之處

（1）采用了較新型的控制MCU新一代STC12C5A60S2單片機(jī)，有效降低了功耗，提高了計(jì)算速度，增強(qiáng)了抗干擾能力;

（2）在傳統(tǒng)的電壓比較算法上加入了太陽高度和太陽方向角智能算法，能較好的解決太陽能設(shè)備的法線與太陽光線的夾角在15°以內(nèi)時(shí)，對太陽的利用效率變化不明顯的問題，同時(shí)可以有效提高太陽能板的轉(zhuǎn)動反應(yīng)速度和靈敏度，能在短時(shí)間內(nèi)精確對準(zhǔn)光源;

（3）由于STC12C5A60S2自帶10位高精度AD轉(zhuǎn)換和濾波電路，摒棄了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上的電壓跟隨器LM324和電壓比較器LM339，將光敏電壓模擬信號直接模數(shù)轉(zhuǎn)換，減少了中間流程，提高了工作效率。

4 結(jié)語

綜上所述，視日運(yùn)動軌跡跟蹤方式中的單軸追蹤存在很多問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，應(yīng)用廣泛，但受極端環(huán)境和天氣的影響較大，需在算法上加精，以降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動。因此需要設(shè)計(jì)一款太陽能智能降溫追光系統(tǒng)，在最大限度的采集太陽能的同時(shí)，提高光電轉(zhuǎn)換效率。在保證成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的前提下，實(shí)現(xiàn)較高的跟蹤精度和轉(zhuǎn)換效率。而本課題太陽能智能降溫追光系統(tǒng)剛好填補(bǔ)了這個空缺，應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]陶濤.太陽能板自動追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].安徽大學(xué)，2013.

[2]王慶帥，劉萬春，楊侃，范寶元，王友亮.間歇供電式自動追光系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2016（08）：41-44.