張佳偉，王秀玲，張瀟楊

（銀川能源學(xué)院 電力學(xué)院，銀川 750110）

0 引言

雖然目前國內(nèi)大多數(shù)已經(jīng)使用太陽能的地區(qū)都使用固定太陽能板收集和利用太陽能，而在其他地區(qū)，由于受到建設(shè)成本等眾多因素的影響只能使用單軸太陽能監(jiān)測系統(tǒng)，但這影響太陽能的收集和利用。在需要更精確跟蹤的試驗(yàn)設(shè)備中，大多數(shù)太陽能跟蹤設(shè)備仍然進(jìn)口，主要原因是基本技術(shù)和設(shè)備的加工不精確。為了監(jiān)測該國的太陽能和其他限制太陽能利用和效率的因素。

本設(shè)計(jì)是一種太陽能電池板自動追光系統(tǒng)，與固定太陽能光源收集裝置相比，在引入自動光跟蹤系統(tǒng)之后，安裝的裝置能夠及時(shí)調(diào)整電池板與光之間的夾角。太陽能對太陽能電池板保持垂直照明，提高了太陽能的使用效率。

1 追蹤方式的選擇

目前，用于實(shí)現(xiàn)追蹤太陽的方法較多，概括為兩類：視日運(yùn)動軌跡跟蹤和光電傳感器追蹤兩大類。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design

圖2 系統(tǒng)硬件電路框圖Fig.2 System hardware circuit block diagram

1）時(shí)日運(yùn)動軌跡追蹤方式

這種追蹤方式主要根據(jù)觀察模擬太陽的運(yùn)行軌跡從而進(jìn)行追光算法設(shè)計(jì)和根據(jù)算法編寫程序，根據(jù)已有的追光公式，把不同的地區(qū)太陽東升西落的整個(gè)過程所經(jīng)歷的線路和時(shí)間編寫進(jìn)程序使太陽能電池板能夠根據(jù)程序始終讓太陽光垂直照射在電池板上以實(shí)現(xiàn)最大程度的發(fā)電。這種追光方式也有很多缺點(diǎn)：1）計(jì)算過程復(fù)雜；2）開發(fā)成本很高；3）屬于開環(huán)控制，容易產(chǎn)生積累誤差，且無法自動消除這一誤差。

2）光電傳感器追蹤方式

光電傳感器追光主要是通過已有的光電轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行對太陽光照強(qiáng)度進(jìn)行感應(yīng)，然后通過電信號的傳導(dǎo)以對太陽光照方向進(jìn)行檢測。經(jīng)過光敏電阻對太陽光的檢測和采集，再將電信號傳給單片機(jī)控制系統(tǒng)，最后通過控制系統(tǒng)傳給驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動使相應(yīng)的轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)追光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是跟蹤精度好、靈敏度高[1]。

經(jīng)過對兩種追光方式的比較，最終選用了光電傳感器追蹤方式。

2 光電追蹤方式的方案設(shè)計(jì)

光電追蹤方式是由光敏電阻組成的光電傳感器作為主體，通過光敏電阻來獲取光照強(qiáng)度信息。其中，一種用于將光電傳感器捕捉到的模擬信號輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換電路，一種是通過單片機(jī)處理光強(qiáng)信號比較光電來確定水平或潛步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向傳感器，實(shí)現(xiàn)光電追蹤方式的跟蹤。

3 硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、光電傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓電源、步進(jìn)電機(jī)控制等幾個(gè)模塊，總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。設(shè)計(jì)中在電池板旁邊放上由4 個(gè)光敏電阻組成的光電檢測模塊，能使此設(shè)計(jì)的跟蹤精確度提高，使穩(wěn)定性更好。

本設(shè)計(jì)選擇STM32 單片機(jī)，它是一種帶4K 字節(jié)flash存儲器的低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案[2]。

穩(wěn)壓電源模塊是為整個(gè)控制電路提供能源的，是保障控制電路中所有控制芯片穩(wěn)定運(yùn)行的前提。

太陽光強(qiáng)信號是一種模擬信號，必須經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)化成單片機(jī)控制模塊可直接運(yùn)算的數(shù)字信號。本項(xiàng)目選用PCF8591P 作為A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它是一個(gè)具有4 路A/D 轉(zhuǎn)換輸入1 路D/A 模擬輸出和1 個(gè)串行總線接口的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

1）光電檢測模塊

光電傳感器是通過一定的規(guī)律性安裝在太陽能接收裝置周圍，用于收集光強(qiáng)度信息，轉(zhuǎn)換對應(yīng)于不同光強(qiáng)對應(yīng)的電壓值。通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并將其發(fā)送到單片中的基本原理該單片通過比較4 個(gè)光敏電阻不同的電壓值來確定每個(gè)方向的照明強(qiáng)度，從而發(fā)出相應(yīng)指令來控制驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)光電追蹤[3]。光電傳感器是光電跟蹤系統(tǒng)的起點(diǎn)，其功能是收集關(guān)于照明強(qiáng)度的信息，確定照明強(qiáng)度獲取的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并直接影響光電追蹤方式的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。選擇適合的光電傳感器是實(shí)現(xiàn)追蹤的最重要步驟，光電傳感器主要包括光敏電阻器、光電二極管、光電三極管等，最終選用光敏電阻當(dāng)做光電感應(yīng)模塊。

2）推桿電機(jī)及驅(qū)動模塊

設(shè)計(jì)的驅(qū)動選用的是推桿電機(jī)，推桿電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定能對設(shè)計(jì)的整體起到支撐作用，就大大節(jié)省了支撐結(jié)構(gòu)所需要的材料使整體的重量有了減輕。

3）中央處理模塊

系統(tǒng)中央處理器使用單片機(jī)模塊，其主要功能是在光電跟蹤模式下接收光電檢測模塊的光強(qiáng)度信息，并使用光強(qiáng)度偏差控制步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)光電追蹤[4]。單片設(shè)備使用由時(shí)鐘模塊收集的時(shí)間信息來計(jì)算高度角和方向角，并控制步進(jìn)電動機(jī)，從而跟蹤日常運(yùn)動路徑。

以單片機(jī)作為整個(gè)中央處理的核心，選用的是STM32單片機(jī)由意大利SGS 微電子公司和法國Thomson 半導(dǎo)體公司合并而成。此單片機(jī)的功耗較低并且具有低功耗運(yùn)行和低功耗睡眠兩個(gè)功能，使得處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)的功耗更低，這更大大適應(yīng)了本設(shè)計(jì)的理念。因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)是增大太陽光的利用，在太陽能電池板已經(jīng)正對太陽時(shí)不需要一直工作而是處于待機(jī)狀態(tài)，這使得STM32 單片機(jī)更加適合，該單片機(jī)工作所需要的最低電壓只有1.8V，直接運(yùn)用整體所發(fā)出來的電就可以運(yùn)行。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體程序采用模塊化進(jìn)程原則設(shè)計(jì)：即首先對各功能模塊的子程序進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，獨(dú)立調(diào)試，然后對整體進(jìn)行模擬測試，測試各部分模塊的關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)能力。這種方案便于程序的移植和修改，同時(shí)又有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。本部分主要包含主程序設(shè)計(jì)、A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)、光敏電阻數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)和太陽能追蹤子程序設(shè)計(jì)等[5]。

其中主程序主要是完成系統(tǒng)初始化后，循環(huán)檢測光照強(qiáng)度，對反饋回來的電壓值進(jìn)行比較運(yùn)算，判斷當(dāng)前光照的亮度差是否達(dá)到定值，進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)去調(diào)整太陽能板以便正對太陽。

光敏電阻數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中需要注意，由于硬件上的缺陷無法將外界干擾信號全部濾除，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集結(jié)果具有較大波動。因此，本系統(tǒng)設(shè)置了軟件濾波環(huán)節(jié)，所用的光強(qiáng)傳感器采用中值濾波法進(jìn)行軟件濾波。其基本原理是進(jìn)行幾次連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，將所測得的數(shù)據(jù)從大到小排序。然后分別去除首尾相同數(shù)量的幾個(gè)值，只保留排在中間的數(shù)值，再對其取平均值。該法能夠有效避免采樣過程中因系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的跳變干擾[6]。

追光程序設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心，流程圖如圖3所示。

圖3 太陽追光主程序流程Fig.3 The main process of the sun chasing light

5 軟件和硬件調(diào)試

1）軟件調(diào)試

首先必須設(shè)計(jì)一般概念和原理圖、電路圖，在每個(gè)部件的設(shè)計(jì)和測試后的組裝測試開始前，要根據(jù)這些材料開發(fā)和測試每個(gè)部件。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)包括軟件和硬件組成部分，采用平行的開發(fā)工藝，然后制造單片機(jī)電路，再使用模擬器來測試模擬邏輯準(zhǔn)確性。利用Proteus 軟件對系統(tǒng)總體電路圖進(jìn)行檢測分析，目的是為了驗(yàn)證總體電路圖原理的正確性。

首先要計(jì)算出一個(gè)給定時(shí)間的太陽方位角與高度角，測試得出的結(jié)果和實(shí)際值的誤差較小則可以運(yùn)用到實(shí)際中。

PC 機(jī)軟件的調(diào)試，這個(gè)步驟主要是看顯示屏中的數(shù)據(jù)是否與實(shí)際相對應(yīng)，運(yùn)行的模塊是否都在正常工作。

單片機(jī)軟件的調(diào)試，單片機(jī)的調(diào)試主要是看它能否按照指令進(jìn)行控制指令的傳遞，例如推桿電機(jī)的推動角度是否按照指令使太陽能電池板調(diào)整。

圖4 系統(tǒng)工作簡潔流程圖Fig.4 System work flow chart

通過對整體電路板進(jìn)行模擬分析，通過計(jì)算單片中太陽的高度角和定向角來確定整體電路板原理的準(zhǔn)確性，如果調(diào)試結(jié)果表明各部分均能達(dá)到預(yù)期效果，則本次的實(shí)驗(yàn)表明太陽能電池板自動追光系統(tǒng)在理論上大大提高了太陽能的利用率，使得接下來的設(shè)計(jì)工作能繼續(xù)進(jìn)行。經(jīng)過軟件調(diào)試最終測得設(shè)計(jì)可以按照程序流程進(jìn)行，各部分都可以根據(jù)信號指令做出正常判斷和動作。

2）硬件調(diào)試

首先，檢查電源連接是否正確，是否有短路，特別是如果電源連接是反向的可能會導(dǎo)致芯片燒壞，并且檢查焊接是否錯(cuò)誤，然后檢查元器件的安裝情況。首先用萬用表檢查各個(gè)元器件之間的連接是否有短路斷路的情況，經(jīng)過檢查和修補(bǔ)，這些都正常。接著檢查元件是否良好，用萬用表測電阻、電容的好壞，所有檢測都沒問題后就可以進(jìn)行電路板組裝方面的工作了。

電路板焊接完成后，繼續(xù)進(jìn)行檢測工作，檢查各個(gè)部分能不能正常工作，能否接受和處理光敏電阻對于太陽光感應(yīng)后傳來的電信號并通過單片機(jī)傳給驅(qū)動部分，讓推桿電機(jī)推動太陽能電池板按照預(yù)設(shè)好的角度旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)的角度進(jìn)行太陽光跟蹤操作，即檢查光敏電阻、單片機(jī)信號處理和傳遞部分、傾角傳感器、電壓電流檢測模塊是否能夠正常工作。經(jīng)過這一系列的檢查檢測步驟，最終確定本設(shè)計(jì)太陽能自動追光系統(tǒng)能夠讓太陽能利用率得到加強(qiáng)。

6 結(jié)論

本文經(jīng)過對太陽能電池板自動追光系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)向光太陽能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為控制核心，通過模擬陰晴天對本設(shè)計(jì)測試，然后用時(shí)日運(yùn)動軌跡追蹤與光電追蹤結(jié)合的方式進(jìn)行互補(bǔ)，整體提高了太陽能追光系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，并讓系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確地對太陽光進(jìn)行追蹤。