彭喜英，趙強(qiáng)松

（中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院，河南 鄭州 450007）

0 引言

目前，光伏發(fā)電技術(shù)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(xiàn)自動(dòng)跟蹤的方式，是使太陽(yáng)能電池板的朝向能夠跟隨太陽(yáng)位置的變化而變化，即保持太陽(yáng)能電池板表面與太陽(yáng)光垂直，可以使轉(zhuǎn)換效率提高30%以上［2］。設(shè)計(jì)跟蹤平臺(tái)的時(shí)候，要考慮到復(fù)雜多變的光線(xiàn)照射情況，比如晝夜更替情況，當(dāng)太陽(yáng)落山時(shí)，該跟蹤平臺(tái)將跟蹤太陽(yáng)而朝向西邊，太陽(yáng)落下則停止工作；當(dāng)?shù)诙煸缟咸?yáng)升起時(shí)，需要跟蹤平臺(tái)的傳感探測(cè)單元能夠檢測(cè)到太陽(yáng)光線(xiàn)的變化，快速?gòu)?fù)位。為了解決上述問(wèn)題，本文采用光、機(jī)、電一體化技術(shù)，提出了通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)方式，從而達(dá)到了自動(dòng)跟蹤的目的。

1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由單片機(jī)、傳感器、步進(jìn)電機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)太陽(yáng)光照射到光敏電阻上時(shí)，測(cè)量到太陽(yáng)光線(xiàn)和電池陣列的位置偏差，并經(jīng)傳感器把該信號(hào)送給前置放大器放大，然后經(jīng)電壓跟隨器傳給單片機(jī)。單片機(jī)將對(duì)采樣進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)，一旦電壓減小，單片機(jī)將立即發(fā)出信號(hào)，讓電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。

2 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器光敏二極管的設(shè)計(jì)

光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見(jiàn)光的測(cè)量。光敏電阻CDS是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器。本文所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)中，光敏電阻分別與滑動(dòng)變阻器和2個(gè)5kΩ的電阻共同構(gòu)成惠斯通電橋。為了精確檢測(cè)天空光線(xiàn)的變化，本系統(tǒng)采用4路這樣的電橋同時(shí)采集信號(hào)到單片機(jī)中。

圖1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光敏電阻的排列如圖2所示。理論上來(lái)說(shuō)，4個(gè)光敏電阻放在暗筒外側(cè)與放在內(nèi)側(cè)的效果差不多。但是，當(dāng)太陽(yáng)高度角比較小時(shí)，如早晨和傍晚，把光敏電阻放在外側(cè)仍可以檢測(cè)到光線(xiàn)的變化，而若是放在內(nèi)側(cè)，則4個(gè)光敏電阻都處在黑暗中無(wú)法檢測(cè)到早晨和傍晚的光線(xiàn)，所以把4個(gè)光敏電阻放在外側(cè)。

圖2 光敏電阻的排列

2.2 跟蹤控制器的設(shè)計(jì)

光敏元件對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)做出的反應(yīng)是性能參數(shù)的改變（比如光敏電阻值有了變化），跟蹤控制器設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)是如何將這些參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)并輸出達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的［3］。跟蹤控制器的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 跟蹤控制器的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

本機(jī)構(gòu)采用光敏元件比較式跟蹤器和雙軸跟蹤的辦法，利用步進(jìn)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制［4］實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種需要跟蹤太陽(yáng)的裝置，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是跟蹤的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了保證機(jī)械精度和傳動(dòng)效率，本系統(tǒng)選用UC3717步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)芯片，該電機(jī)是二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角為0.9°，其驅(qū)動(dòng)波形為二相八拍。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、方向、跟蹤的控制由ADμC812單片機(jī)承擔(dān)。

3 跟蹤系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

ADμC812單片機(jī)具有嵌入式閃存工藝和全智能的在線(xiàn)編程功能，數(shù)據(jù)采集性能得到了很大的提高，開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本減少。該芯片與8052兼容，工作頻率最大可達(dá)16MHz，內(nèi)含有3個(gè)定時(shí)器，并具有32條可編程輸入/輸出端口，9個(gè)中斷源。此芯片包含的8通道12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)200kaps。由于A(yíng)DμC812的上述特點(diǎn)，可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并能夠根據(jù)用戶(hù)需要開(kāi)發(fā)不同功能。

3.2 傳感器光敏電阻檢測(cè)電路

傳感器檢測(cè)電路如圖4所示。我們采用差點(diǎn)放大器作為電壓前置放大器，它將橋臂電阻的變化轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并放大，再經(jīng)電壓跟隨器741送入單片機(jī)ADμC812的端口。ADμC812在芯片內(nèi)集成了高性能的自校準(zhǔn)多通道A/D轉(zhuǎn)換器和2個(gè)12位DAC，可以直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。電壓跟隨器的低輸出阻抗的特性可以提高信號(hào)的帶負(fù)載能力，減少信號(hào)受A/D負(fù)載的影響。把CDS1所在橋臂的滑動(dòng)變阻器的電阻調(diào)至100kΩ，當(dāng)CDS1的電阻也為100kΩ時(shí)，電橋的電壓差為0V。此跟蹤系統(tǒng)內(nèi)部裝有一個(gè)定位開(kāi)關(guān)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電橋輸出電壓為0V時(shí)，次定位開(kāi)關(guān)是開(kāi)的狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)光線(xiàn)由無(wú)到有，感光器將會(huì)開(kāi)始自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)；如果定位開(kāi)關(guān)是關(guān)的狀態(tài)，說(shuō)明這時(shí)光線(xiàn)是由有到無(wú)，跟蹤系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位到定位開(kāi)關(guān)處。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路利用ADμC812單片機(jī)的P1.2端輸出脈沖中斷，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要慎重選擇，它的優(yōu)劣直接制約著電機(jī)伺服系統(tǒng)的性能。步進(jìn)電機(jī)主要由環(huán)形分配器、信號(hào)處理器、推動(dòng)級(jí)、功率放大器等部分組成。功率步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，還需要有多種保護(hù)電路。

圖4 傳感器檢測(cè)電路

步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，必須通過(guò)專(zhuān)用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，不能直接接到交直流電源上。本文所采用的驅(qū)動(dòng)芯片是UC3717［5］，它內(nèi)部包括控制邏輯輸入端、電流傳感器和含有內(nèi)置式保護(hù)二極管的單穩(wěn)態(tài)輸出端。二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hù)功能，以確保電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如檢測(cè)到負(fù)載開(kāi)路或者短路、電動(dòng)機(jī)接地或短路連接、電源過(guò)電壓、邏輯電源欠電壓、過(guò)熱關(guān)斷等現(xiàn)象，輸入就會(huì)被禁止，故障信息通過(guò)診斷引腳輸出。

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

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

4 軟件流程

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光線(xiàn)角度的控制和光強(qiáng)數(shù)據(jù)的處理。初始化模塊實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的復(fù)位，借助觸發(fā)開(kāi)關(guān)對(duì)控制端口發(fā)送信號(hào)，單片機(jī)接收后立即停止發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。這種工作模式主要應(yīng)對(duì)系統(tǒng)工作異常和無(wú)太陽(yáng)光線(xiàn)時(shí)，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)復(fù)位。感光器跟蹤太陽(yáng)的子程序流程圖如圖7所示。

圖6 74LS194邏輯電路

程序開(kāi)始后，先進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，然后由單片機(jī)處理信號(hào)。如果東西方向或南北方向的2個(gè)光敏電阻接受的光照強(qiáng)度不同，那么電機(jī)將會(huì)動(dòng)作直到光照強(qiáng)度相同，即模擬硅板與太陽(yáng)光垂直。一般情況下，先是東西方向步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，使東西方向的2個(gè)光敏電阻接受的光照強(qiáng)度一致，然后，南北方向的光敏電阻動(dòng)作，使南北方向的光敏電阻接收的光照強(qiáng)度一致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)精確的定位、跟蹤，自動(dòng)跟蹤精度較高、可靠性強(qiáng)，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(yáng)的子程序流程

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

［2］張鵬，王興君，王松林.光線(xiàn)自動(dòng)跟蹤在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，1999，15（4）：80-81.

［3］胡濤，程明霄.UC3717對(duì)二相步進(jìn)電機(jī)的控制［J］.計(jì)算機(jī)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(yáng)光線(xiàn)自動(dòng)跟蹤裝置［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2007：41-46.