雙跟蹤模式的智能太陽能追蹤系統(tǒng)設(shè)計

閆孝姮，吳 琨，王改華

(1.遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島125105；2.遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院，遼寧葫蘆島125105)

雙跟蹤模式的智能太陽能追蹤系統(tǒng)設(shè)計

閆孝姮1,2，吳 琨1，王改華1

(1.遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島125105；2.遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院，遼寧葫蘆島125105)

針對提高太陽電池板光電轉(zhuǎn)換率問題，以MSP430F149單片機為控制核心設(shè)計了一種太陽能智能追蹤系統(tǒng)。采用光電式跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結(jié)合的方式，通過MSP430F149的ADC12檢測采集值判斷天氣情況，晴天采用光電式跟蹤，陰天采用視日運動軌跡跟蹤。控制系統(tǒng)通過控制雙軸步進電機令太陽電池板轉(zhuǎn)動使其始終垂直于太陽光，從而使太能光的利用率大幅度增加。運行表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能減排，適用于各種小型太陽電池板充電系統(tǒng)。

太陽能；自動跟蹤；雙模式

利用太陽能充電式路燈、顯示屏等已得到廣泛應用，目前廣泛采用的是靠面積較大的太陽電池板來吸收能量。但該類太陽電池板在安裝時普遍采用固定位置，而太陽能具有分散性和季節(jié)變換日照方向不固定等缺點，是造成太陽能利用率不高的主要原因。針對這一問題，本文設(shè)計了一種雙模式的智能追蹤系統(tǒng)，大幅度增加了太陽能的利用效率，適用于各種小型太陽電池板充電系統(tǒng)。

1 原理及算法設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

通常的太陽能追蹤方式有兩種：一是光電式追蹤模式，即通過太陽光的即時檢測來進行追蹤，該追蹤方式會受天氣的影響；另一種則是視日運動軌跡追蹤模式，即通過預先設(shè)定函數(shù)來計算太陽的方位后，進行固定轉(zhuǎn)動進行追蹤，它不受天氣、其他光源的干擾，但是由于計算太陽角度方位時取的數(shù)值不是完全精確，會產(chǎn)生誤差，以及跟蹤轉(zhuǎn)置的機械機構(gòu)的精密度也會產(chǎn)生精度影響。鑒于這兩種追蹤方式的優(yōu)缺點，本文采用兩種方式相結(jié)合的方法對太陽能進行追蹤，產(chǎn)生更高的效率。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

首先由光敏傳感器檢測是白天還是黑夜，是晴天還是陰天；用軟件給單片機設(shè)定一個閾值，當超過閾值則為白天，否則是黑夜。若是黑夜則采用蓄電池供電，若是白天，則檢測是晴天還是陰天，同樣給單片機設(shè)定一個閾值，當光敏傳感器檢測后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)值超過一定值則為晴天，否則為黑夜。

晴天時采用光電檢測追蹤模式，隨時檢測太陽光入射角的改變，當光敏傳感器測得的電壓值傳給單片機，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，單片機判斷是否應該改變電池板的角度及方向，然后發(fā)出指令，驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動方向和步數(shù)轉(zhuǎn)動到合適的方位角。

陰雨天時采用視日運動追蹤模式，由軟件根據(jù)讀取外部時鐘電路的時間，判斷太陽現(xiàn)在的位置，并判斷和前一次的方位上角度相差多少度，以此確定好當前應該控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向和角度。

本系統(tǒng)中利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將4只完全相同的光敏電阻分別放置于太陽光接收器的東南西北方向，負責偵測這4個方向的光源強度。如果太陽光垂直照射太陽電池板，東西(南北)2只光敏電阻接收到的光照強度相同。其阻值完全相等，此時電動機不轉(zhuǎn)動。當太陽光方向與電池板的法線有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減小，信號采集電路采集到光敏電阻的信號差值，控制電路將其差值轉(zhuǎn)換成控制信號，驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，直至2只光敏電阻上的光照強度相同。其放置位置如圖2所示。其中E用于檢測環(huán)境亮度，判斷是白天還是黑夜，陰天還是晴天。

圖2 光敏傳感器

1.2 算法設(shè)計

要計算視日運動軌跡，首先需要確立太陽一天中的運動軌跡，太陽的位置不是一直處于一個平面上的，而是運動在一個立體層面上，確定太陽的位置需要得到兩個變量的值：太陽高度角和方位角。

太陽高度角是指某地太陽光線與該地作垂直于地心的地表切線的夾角，高度角隨著地方時和太陽的赤緯的變化而變化，日升日落，同一地點一天內(nèi)太陽高度角是不斷變化的，日出日落時角度都為0°，正午時太陽高度最大，角度為90°。

太陽方位角是指太陽光線在地面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可近似看作是豎立在地面上的直線與陽光下的陰影在正南方的夾角，方位角以正南方為零，由南向東向北為負，由南向西向北為正。

其中日角：

式中：Rn為一年的日期序列，可以把1月1日取為1，12月31日取為365；弧度δ=0.006 89-0.399 51 cosθ+0.072 08sinθ-0.0068cos2θ+0.0009sin2θ-0.00269cos3θ+0.00151sin3θ。

式中：15為每小時相當于15°的角。設(shè)太陽的高度角為θ，方位角為θ，則sinθ=sinsinδ+coscosδ cos。

單片機可以根據(jù)太陽的高度角和方位角，來設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機CPU

在該系統(tǒng)中采用的是 MSP430F149單片機，在MSP430F149中有1個12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12，有48個I/O口引腳，主要由5大功能模塊組成，且都可獨立配置，它們分別為：帶有采樣/保持功能的ADC內(nèi)核，可控制的轉(zhuǎn)換存儲，可控制的參考電平發(fā)生器，可控制和選擇的時鐘源，可控采樣及轉(zhuǎn)換時序電路。帶有7個捕獲/比較寄存器的16位 Timer_B和帶有 3個捕獲 /比較寄存器的 16位Timer_A，在比較模式下可以產(chǎn)生PWM信號。

2.2 光敏傳感器的設(shè)計

光敏傳感器的設(shè)計電路如圖3所示，線路端口引出的電壓經(jīng)MSP430F149內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字，A、B、C、D、E為光敏電阻，R1、R2、R3、R4、R5為1 kΩ的電阻，光敏電阻受光照射時會變小，當P2.5處測得的值大于某一閾值，則為晴天，否則為陰天。若P2.2處引入的電壓大于P2.1，則為東側(cè)的光照強度大，否則為西側(cè)大，同理，若P2.3側(cè)的電壓值大于P2. 4則為北側(cè)的光照強度大，否則為南側(cè)的大。

圖3 光敏傳感器電路

2.3 時鐘電路的設(shè)計

在該系統(tǒng)中采用的是外部時鐘芯片DS1302，該芯片有時序控制，而且抗干擾，體積小，連線少；用于記當?shù)氐臅r間，通過讀取時間來計算當?shù)氐奶柛叨冉呛头轿唤恰Ｆ潆娐穲D如圖4所示。

圖4 時鐘電路

2.4 顯示模塊電路設(shè)計

液晶顯示模塊為128×64點陣的漢字圖形液晶顯示模塊，可顯示漢字和圖形，內(nèi)置8 192個中文漢字、128個字符及64×256點陣顯示RAM，該系統(tǒng)中采用的是并行的連接方法。用于顯示當?shù)氐臅r間，用于單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)動。其電路圖如圖5顯示模塊電路圖。

2.5 電機驅(qū)動電路

在該系統(tǒng)中采用L298N芯片并且整流后來驅(qū)動兩個步進電機，單片機通過判斷太陽所在位置的高度角和方位角來控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向以及步數(shù)。MSP430F149可以通過軟件編程產(chǎn)生兩路PWM波，其電路圖如圖6所示，其中part1、part2、part3、part4分別接P5.4、P5.3、P5.2、P5.1。

圖5 顯示模塊電路圖

圖6 電機驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計

光電式模塊探測太陽位置，通過MSP430F149的ADC引腳送入單片機，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，通過信號差值判斷太陽能利用裝置是否正對太陽，直到調(diào)整太陽能利用裝置對準太陽。然后再返回主程序，光電式模塊程序流程圖如圖7所示。

圖7 光電檢測追蹤模式程序流程圖

當陰天時，采用視日運動方式進行追蹤，MSP430F149從DS1302讀取時間，根據(jù)單片機設(shè)定的函數(shù)計算太陽的方位角和高度角，然后計算出步進電機應該轉(zhuǎn)動的方向和步數(shù)，再通過LM298驅(qū)動步進電機進行轉(zhuǎn)動，以追蹤太陽的位置。當偏差值小于設(shè)定值時返回主程序，否則報警(圖8)。

圖8 視日運動追蹤方式程序流程圖

4 結(jié)論

通過在陰天和晴天的實際測試，系統(tǒng)在用戶設(shè)定的工作時間內(nèi)能夠正常穩(wěn)定地工作。晴天時，太陽電池板能夠通過四周的光敏電阻時時調(diào)整，使太陽電池板始終垂直于太陽光。陰天時，太陽電池板能夠每隔一定的時間，旋轉(zhuǎn)一定的角度，通過計算的方法追蹤太陽。本設(shè)計具有硬件電路簡單、成本低和效率高等優(yōu)點，具有高實用性以及廣闊的前景[1-6]。

[1]張建坡，張紅艷，王濤，等.光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤算法仿真研究[J].計算機仿真，2010,27(1):266-270.

[2]李麗麗，施偉.太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電源技術(shù)，2012, 36(5):686-689.

[3]周昶，馬磊，吳春澤，等.使用超級電容的太陽能路燈系統(tǒng)的仿真研究[J].照明工程學報，2010(6):76-81.

[4]王翥，孫嘉寧.基于雙CPU的路燈集中控制器設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(1):71-73.

[5]呂運朋，李宏超，張為民，等.基于STC單片機的智能LED路燈控制器設(shè)計[J].電源技術(shù)，2010,34(5):496-498,508.

[6]劉春.基于太陽能的嵌入式路燈控制系統(tǒng)的研究與應用[D].南京：南京航空航天大學，2010.

《芯片及系統(tǒng)的電源完整性建模與設(shè)計》

本書是有關(guān)電源完整性設(shè)計和建模方面的一部豐富而又生動的指南。書中通過真實的案例分析和可下載的軟件實例，描述了當今高效電源分配和噪聲最小化的設(shè)計與建模的前沿技術(shù)。作者介紹了電源配送網(wǎng)絡組成部件、分析技術(shù)、測量技術(shù)及建模需求；詳盡解釋了電源/地平面建模，包括平面特性、集總模型、基于分布電路的方案等；介紹了幾種先進的時域仿真技術(shù)（例如宏模型），并討論了它們的優(yōu)缺點；此外還展示了建模技術(shù)在多種高級案例中的應用，包括高速服務器、高速差分信令、芯片封裝分析、材料特性、嵌入去耦電容器和電磁帶隙結(jié)構(gòu)等。

Design of intelligent solar tracking system by double track model

Aiming at the problem of photovoltaic efficiency,an intelligent solar tracking system was designed with the MSP430F149 MCU as the core.Combination of the photoelectric tracking and trajectory tracking was adopted by the system by sun though the data of ADC12 of MSP430F149 to determine the condition of weather which could photoelectric tracking on sunny and trajectory tracking by cloudy.The solar panels perpendicular was made by the control system to the sunlight all the time though double-axis stepper motor so that utilization rate increased significantly.The running of system show that the system runs stably,energy conservation and emissions reduction. It could be applied to all kinds of small solar panels charge system.

solar;automatic tracking;dual mode

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2166-03

2015-03-18

遼寧省科技攻關(guān)項目(2011229011)；遼寧省研究生培養(yǎng)機制改革研究項目(Lnxwb12027)

閆孝姮(1984—)，女，遼寧省人，副教授，主要研究方向為智能檢測與控制、煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

吳琨