基于單片機(jī)的跟蹤式太陽(yáng)能追光控制系統(tǒng)

葉偉慧, 廖 才， 石金強(qiáng)， 陳國(guó)康， 許迎彬

(廣東海洋大學(xué) 寸金學(xué)院, 廣東 湛江 524094)

0 引 言

隨著綠色能源建設(shè)的不斷推進(jìn)，以及全球能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題的加劇，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電提出了迫切的需求，在進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置應(yīng)用設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的追光控制設(shè)計(jì)作為重要應(yīng)用方向受到人們的極大關(guān)注，構(gòu)建跟蹤式太陽(yáng)能光伏板追光控制系統(tǒng)[1]，結(jié)合進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電路燈追光控制設(shè)計(jì)，提高太陽(yáng)能的利用率。通過(guò)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)，建立追光控制的自適應(yīng)信息采集模型，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)度的自動(dòng)檢測(cè)和感知、機(jī)械裝置和電機(jī)裝置及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的自動(dòng)追光控制，采用全方位的旋轉(zhuǎn)追蹤方法，進(jìn)行太陽(yáng)能光伏板控制，提高光伏調(diào)節(jié)板的全方位跟蹤和自適應(yīng)控制能力，相關(guān)的跟蹤式太陽(yáng)能追光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究受到人們的極大關(guān)注[2]。

目前太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用都是固定太陽(yáng)能板進(jìn)行吸收光能轉(zhuǎn)換為電能，典型的追光控制器為單軸太陽(yáng)跟蹤器，實(shí)現(xiàn)了東西方向的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤，1998年美國(guó)加州成功地研究了八JM兩軸跟蹤器。在追光控制過(guò)程中，一天的太陽(yáng)照射方向是有變化的，導(dǎo)致能量的利用率只有4個(gè)小時(shí)，可以說(shuō)利用率較低。設(shè)計(jì)太陽(yáng)能接收器，進(jìn)行自動(dòng)追光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使太陽(yáng)能板跟隨陽(yáng)光的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對(duì)光照進(jìn)行實(shí)時(shí)雙軸垂直跟蹤，將極大地提高太陽(yáng)能板的利用率[3]。本文提出基于單片機(jī)的跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)的主體構(gòu)架包括光強(qiáng)度檢測(cè)模塊、自動(dòng)控制模塊、智能信息處理模塊、人機(jī)交互模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊和接口電路模塊等，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析，然后進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能追光控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行仿真測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架和功能模塊分析

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

本文設(shè)計(jì)的跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)通過(guò)光敏模塊、紅外人體感應(yīng)等模塊感知光強(qiáng)以及環(huán)境信息，結(jié)合外部物理信息采集結(jié)果，采用傳感器分布式設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的分布式物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制過(guò)程中的信息處理和計(jì)算機(jī)控制，將物理環(huán)境信息傳輸給單片機(jī)，結(jié)合自動(dòng)反饋控制方法，進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制的算法設(shè)計(jì)，通過(guò)誤差反饋調(diào)節(jié)結(jié)果，進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制的誤差調(diào)節(jié)并作出反饋，系統(tǒng)在白天通過(guò)太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)光儲(chǔ)備電能，待到用戶回家時(shí)可以直接利用白天太陽(yáng)板上儲(chǔ)存到的電能直接用于自家的電器使用[4]。根據(jù)上述分析，得到設(shè)計(jì)的跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)總體構(gòu)架

Fig. 1 The overall framework of a tracking type solar panel light-tracking control system

根據(jù)圖1的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制的模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置以及電池板進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，達(dá)到太陽(yáng)能電池板跟蹤式追光的要求。采用控制算法進(jìn)行模糊控制，編寫(xiě)Matlab程序進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制的算法設(shè)計(jì)，使傳感器與控制電路輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，使電路進(jìn)行放電與太陽(yáng)能涓流充電狀態(tài)間的智能切換。

1.2 功能模塊分析

系統(tǒng)的主體構(gòu)架包括光強(qiáng)度檢測(cè)模塊、自動(dòng)控制模塊、智能信息處理模塊、人機(jī)交互模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊和接口電路模塊等， 利用單片機(jī)對(duì)光線強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理[5]，在總線控制模塊中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組配合驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行機(jī)械控制，控制太陽(yáng)能板的角度，使光線垂直射到太陽(yáng)能板上，從而使太陽(yáng)能的利用率達(dá)到最高。根據(jù)蓄電池兩端的電壓與最低間值電壓或與峰值電壓的比較，采用模糊總線觸發(fā)的方法，采用專家系統(tǒng)引擎控制的方法進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制的程序加載，在智能輔助控制系統(tǒng)中進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制的監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，得到系統(tǒng)的功能模塊構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的功能模塊構(gòu)成

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

結(jié)合嵌入式交叉編譯方法進(jìn)行太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)，跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)建立在嵌入式的控制平臺(tái)上，采用嵌入式的B/S構(gòu)架方法，進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的程序控制，系統(tǒng)的主體構(gòu)架包括光強(qiáng)度檢測(cè)模塊、自動(dòng)控制模塊、智能信息處理模塊、人機(jī)交互模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊和接口電路模塊等，結(jié)合DSP集成處理芯片，實(shí)現(xiàn)跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[6]，系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)描述如下。

2.1 光強(qiáng)度檢測(cè)模塊

光強(qiáng)度檢測(cè)模塊是實(shí)現(xiàn)物理信息采集的基礎(chǔ)，通過(guò)傳感器和光電轉(zhuǎn)換裝置接收太陽(yáng)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)所采集到的信號(hào)，由單片機(jī)分析得最終控制的步進(jìn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)向來(lái)控制太陽(yáng)能電池面板，光強(qiáng)度檢測(cè)模塊由光敏電阻和AD轉(zhuǎn)換芯片PCF8591組成，PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口，具有I2C總線結(jié)構(gòu)，串行輸入輸出[7]，節(jié)約了IO口資源等，模塊硬件構(gòu)造如圖3所示。

圖3 光強(qiáng)度檢測(cè)模塊

2.2 自動(dòng)控制模塊

自動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)追光控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制功能，即利用LM2596S降壓模塊把電壓降為4.5 V(充電電壓)進(jìn)行系統(tǒng)的輸入電壓控制[8]，采用模糊PID控制方法，進(jìn)行系統(tǒng)的集成控制和自適應(yīng)跟蹤識(shí)別，利用單片機(jī)對(duì)光線強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，通過(guò)自適應(yīng)控制方法進(jìn)行太陽(yáng)光全方位跟蹤控制，控制模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制模塊的電路組成

2.3 智能信息處理模塊

智能信息處理模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息集成處理，采用DSP進(jìn)行信息處理器的集成控制，通過(guò)光電傳感模塊進(jìn)行光源跟蹤，并在嵌入式的ARM中收集太陽(yáng)光，通過(guò)穩(wěn)壓電源控制單片機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)能電池板追光控制過(guò)程中的集成信息處理和智能切換[9]，智能信息處理模塊硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 智能信息處理模塊硬件設(shè)計(jì)

Fig. 5 Hardware design of intelligent information processing module

2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊通過(guò)數(shù)字量DO輸出端可以直接驅(qū)動(dòng)單片機(jī)，由此可以組成一個(gè)光控開(kāi)關(guān)，通過(guò)穩(wěn)壓電源控制單片機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)能電池板追光控制過(guò)程中的集成信息處理和智能切換，將硬件光敏電阻采集到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成有效數(shù)據(jù)，模擬量AO可以和AD模塊相連，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，可以獲得環(huán)境光強(qiáng)的數(shù)值[10]，人機(jī)交互模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互模塊硬件設(shè)計(jì)

2.5 計(jì)算機(jī)控制和接口模塊

將硬件光敏電阻采集到的光信號(hào)通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成有效數(shù)據(jù)，主要控制器件采用STC89C52單片機(jī)，采用電壓沖激響應(yīng)控制方法進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的輸出總線控制，構(gòu)建人機(jī)交互接口模塊，在三維 ICAD 平臺(tái)中進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，得到集成控制電路如圖7所示。

圖7 集成控制電路設(shè)計(jì)

綜上分析，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試分析。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，結(jié)合嵌入式的Linux程序加載方式，進(jìn)行跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制的輸出總線控制, 使用GPRS模塊進(jìn)行嵌入式人機(jī)交互設(shè)計(jì)，安裝Windows Server 2012R2系統(tǒng)進(jìn)行控制穩(wěn)定性分析和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光的跟蹤穩(wěn)定性，得到結(jié)果如圖8所示。

(a)測(cè)試信號(hào)

(b)跟蹤信號(hào)

分析圖8得知，設(shè)計(jì)的跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光的跟蹤穩(wěn)定性較好，人機(jī)交互能力較強(qiáng), 追光控制的自適應(yīng)性較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于單片機(jī)的跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，主要對(duì)系統(tǒng)的光強(qiáng)度檢測(cè)模塊、自動(dòng)控制模塊、智能信息處理模塊、人機(jī)交互模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊和接口電路模塊等進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)描述，利用單片機(jī)對(duì)光線強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，通過(guò)自適應(yīng)控制方法進(jìn)行太陽(yáng)光全方位跟蹤控制，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制律使得追光控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整高度角和方位角，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)光全方位跟蹤控制。光電傳感模塊采用光源跟蹤收集太陽(yáng)光，通過(guò)穩(wěn)壓電源控制單片機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)能電池板追光控制過(guò)程中的集成信息處理和智能切換，將硬件光敏電阻采集到的光信號(hào)通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成有效數(shù)據(jù)，結(jié)合DSP集成處理芯片，實(shí)現(xiàn)跟蹤式太陽(yáng)能電池板追光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。分析得知，設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池板追光系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性較好，人機(jī)交互性較強(qiáng)，追光控制的自適應(yīng)性較好，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。