徐崢 吳丹 張萌藝 汪勇立 鄭英

摘 要：迄今為止，人類正面臨著燃料枯竭的問題。所以積極開發(fā)利用新資源迫在眉睫。太陽能是一種新型可再生的資源，具有清潔無污染、便于采集利用、儲量無限、使用便捷等優(yōu)點，但是太陽能又因空間分布不斷變化、光照強度分布不均、時間間斷性等不可避免的問題，使得我們不能更好地開發(fā)以及利用太陽能。因此提高太陽能利用率顯得尤其重要。太陽能自動跟蹤系統(tǒng)能夠有效的解決太陽能利用率的問題。本文論述了太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的機械設(shè)計和自動控制部分設(shè)計，在有限的面積的前提下，充分提高太陽能電池板利用效率。

關(guān)鍵詞：太陽能；自動跟蹤；光敏電阻；驅(qū)動

現(xiàn)階段市場上使用的跟蹤系統(tǒng)有單軸太陽能自動跟蹤器、步進式太陽能自動跟蹤、單軸液壓式自動跟蹤、極軸式跟蹤等等。本文主要介紹基于msp430單片機的太陽能發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計，光電追蹤與單片機控制的有效結(jié)合提高太陽光跟蹤的精確度。

1 系統(tǒng)組成及設(shè)計

太陽能發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換端，數(shù)據(jù)處理控制端，機械裝置端三大部分；又可以細(xì)分為光強檢測模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，電機驅(qū)動模塊，機械轉(zhuǎn)動模塊，太陽能充電模塊，人為開關(guān)控制模塊，電源模塊等8個模塊如圖1。

光強檢測模塊接收到太陽光的強弱把光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊再將模擬電信號編碼為對應(yīng)的數(shù)字信號送給數(shù)據(jù)控制模塊，通過數(shù)據(jù)控制模塊處理數(shù)字信號輸出控制指令給電機驅(qū)動模塊，來調(diào)整機械裝置端實現(xiàn)太陽能自動跟蹤的控制。

1.1 光強檢測模塊的設(shè)計

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，就是電阻器件。當(dāng)光敏電阻兩端通有電流而無光照射，光敏電阻呈高阻態(tài)，回路中僅有微弱的暗電流通過；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時，因光敏電阻光導(dǎo)材料吸收光能而生成電子——空穴對，這時電子移向正極，空穴移向負(fù)極，它的阻值急劇減少，電流迅速增大。光電流的大小變化控制電路中的電壓電流變化。當(dāng)光照射停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻又恢復(fù)原值，電路中只有微弱暗電流通過。亮電流與暗電流的差值稱為光電流，通常光電流越大越好，表明光敏電阻敏感度好。

采用四個光敏電阻設(shè)計成四個相同的分壓電路如圖2，四路電路高低電位相連，共用一個5V電源供電。四個光敏電阻的感光區(qū)分別側(cè)著朝向東南西北四個方向，保證四個側(cè)向偏轉(zhuǎn)角度相同。四個運放輸出端為采樣電壓。

1.2 太陽能充電模塊

考慮到太陽能電池板在面對不同光強時產(chǎn)生的電壓在15V～22V區(qū)間內(nèi)變化，太陽能電池通過7805降壓模塊把電能儲存到電鋰電池（5V）。防止充電過程中電流回流的情況，所以有必要在降壓模塊與鋰電池中間添加一個二極管起到保護電路的作用。為更直觀的觀察太陽能電池板與太陽光之間的角度關(guān)系，可以在降壓模塊后面連接一組小功率發(fā)光燈泡。當(dāng)太陽光垂直照射在太陽能電池板上時，電池板會產(chǎn)生最大的功率，經(jīng)過降壓模塊后改變的只是電壓值而功率不變，所以此時的小燈泡應(yīng)是最亮的。

1.3 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊的主控芯片是L298N，該芯片可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，工作電壓是4.5～7V。芯片的4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍為+2.5～46V。輸出電流可達2.5A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。一個L298N可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，控制2個電機接入的高低電位。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)如表3。

BF37GB12—5直流電機的額定工作電壓為12V，額

定功率為3W，數(shù)據(jù)上滿足L298N的控制參數(shù)。整個電機驅(qū)動模塊需要提供12V和5V兩個電源，因此將12V電源分為兩條通道，一條直接將12V送給芯片的4腳VS，提供電機轉(zhuǎn)動電壓，另一條通過一個7805降壓模塊提供給芯片使能端ENA，ENB和芯片工作端VSS。

1.4 其他模塊設(shè)計

（1）機械轉(zhuǎn)動部分：雙軸控制系統(tǒng)控制太陽能電池板的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)平面360°和縱面180°的三維空間轉(zhuǎn)動控制，相較于單軸系統(tǒng)縱面180°的二維平面轉(zhuǎn)動控制，雙軸轉(zhuǎn)動可以使太陽能電池板的轉(zhuǎn)動范圍更廣，提高太陽能電池板與太陽光之間的垂直精度。

（2）AD轉(zhuǎn)換模塊：單片機中自帶AD12模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采樣通道進行采樣。

（3）電源模塊：電源選用12V的可充電鋰電池，在接入電路前接一個開關(guān)實現(xiàn)人為可控，也可確保電路的安全。

2 軟件部分

2.1 系統(tǒng)工作流程

由單片機對光電檢測模塊進行四路模擬電壓的采樣，然后對采集的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進行兩兩比較，為了降低功耗，且太陽能板在很小的范圍內(nèi)波動對效率的影響不大，所以當(dāng)同一組中兩個數(shù)值差在0.1V范圍內(nèi)時從單片機的I/O口不輸出控制電壓，只有同一組中兩個數(shù)值差大于0.1V時單片機的I/O口輸出控制電壓，由此控制電機轉(zhuǎn)向數(shù)值大的那邊，如圖4。

3 實驗及結(jié)果

3.1 實驗測試

（1）經(jīng)測試光敏電阻阻值變化區(qū)間為230Ω～15kΩ，無光照顯15kΩ高阻態(tài)，強光照為230Ω。

（2）采樣端輸出電位變化區(qū)間為0.1V～4.75V。

（3）實物現(xiàn)象觀察

a.實驗室模擬測試：在實驗室中采用白熾燈模擬太陽光線，改變白熾燈的位置系統(tǒng)裝置能夠快速準(zhǔn)確追蹤光源位置，白熾燈與太陽能板之間垂直角度的測量誤差在10°以內(nèi)。不過接在太陽能電池下的小燈泡亮度一直很微弱，我們猜測可能是白熾燈的光照能量不夠。

b.外表環(huán)境實時測試：選擇天氣晴朗的一天，將太陽能裝置放在平穩(wěn)空曠地方，使初始方向背向太陽。搭接好線路接通電源，系統(tǒng)裝置同樣快速準(zhǔn)確對準(zhǔn)太陽方向，挪動裝置底座位置太陽能板會自動追蹤太陽光，此時的垂直角度測量誤差在15°以內(nèi)。實驗證明該套系統(tǒng)裝置可以穩(wěn)定可靠的運行，實現(xiàn)太陽能的自動跟蹤。

3.2 平衡誤差

在考慮到能耗和市場價格的便利，低速直流電機相較于伺服電機和步進電機來說直流電機的價格要便宜很多。對于直流電機存在的轉(zhuǎn)動慣性，利用單片機在方位角度轉(zhuǎn)動中設(shè)定了一個0.3V預(yù)留電壓差，在控制一個電機的一對電位差的絕對值小于一定范圍時我們將此時的電位差等同于為零，電機轉(zhuǎn)軸仍然保持靜止。此種方法既避免了電機時時轉(zhuǎn)動所帶來的機械能和熱能的損耗，也消除了直流電機轉(zhuǎn)動慣性帶來的轉(zhuǎn)動誤差。

4 結(jié)論

從程序的編寫到功能的基本實現(xiàn)，一路坎坷。在設(shè)計過程中不斷的發(fā)現(xiàn)問題，同時也不斷的解決問題，越來越發(fā)覺制作實物相比整體設(shè)計要難一些，實際制作過程中會遇到多種多樣的問題，要通過不斷的測試和實驗來解決。光的方位檢測，單片機的數(shù)據(jù)處理和電機的方向驅(qū)動共同構(gòu)成了一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的抗干擾性能更強。

5 未來發(fā)展方向

現(xiàn)在市場上的很多太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)備都是一對一的控制模式，即一個光控制系統(tǒng)控制一個太陽能電池板進行光的跟蹤。所以未來方向可以考慮將光檢測系統(tǒng)與太陽能板的驅(qū)動系統(tǒng)分離開來，通過中間的軟件控制將一個光檢測系統(tǒng)檢測的光的方位信號告知給多個太陽能板驅(qū)動系統(tǒng)，從而實現(xiàn)控制多組太陽能板的方位調(diào)試。這種方法很好的運用到了自動控制學(xué)中的一控多的思想，也大大減少了太陽能發(fā)電自動跟蹤的價格成本。

參考文獻

[1]沈建華.楊艷琴.MSP430超低功率單片機原理與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.2015。

[2]蘇平.李曉荃.單片機原理與接口技術(shù).北京電子工業(yè)出版社.2003。

[3]華成英.模擬電子技術(shù)基本教程.清華大學(xué)出版社.2011。

[4]冷長庚.太陽能及其利用.科學(xué)出版社.1975。