基于MC9S12XS128单片机太阳能光伏发电自动跟踪系统

2013-12-23张光辉王世航葛德俊

科技传播 2013年23期

张光辉，王世航，杨起，葛德俊

南昌大学机电工程学院，江西南昌 330031

1 太阳能光伏发电自动跟踪系统背景

随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源无疑受到各国的普遍重视。在相同条件下，光照强度越大，太阳能电池输出功率越大。因而增大太阳能电池受光面的光照强度，就可增大太阳能电池输出功率。除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外，对太阳的自动跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段，因此在太阳能的利用过程中实施太阳跟踪是很有必要的。

2 基于单片机MC9S12XS128 太阳能光伏发电自动跟踪系统

2.1 概述

目前本设计仅通过简单的计算公式得到的数据，对东西向进行每小时一次的角度改变，南北向进行每天一次的角度改变，再通过单片机的判断进行每晚的东西向回归控制以及每半年的南北向跟踪方向的改变控制。

2.2 系统工作电源

本系统根据发电系统的大小，适应性地采用两种供电方式，分为工作电源独立式、工作电源集中共用式（除电源的供给不同外，其他部分大体一致）。

系统主要由光强传感器（主要部件为光敏电阻）、信号处理器（S12 单片机），蓄电池（12V ～4V）等组成，对于只有少量太阳能电池板的发电设备（如家庭、移动通信基站等），采用独立式，独立式系统是系统工作电源有自身的蓄电池和太阳能电板供电。

为了使跟踪系统不影响正常的太阳能电池板向外供电，此系统的独立电源的蓄电池可以采用独立的成本低的实用性小太阳电池板对其充电。这样可以消除跟踪系统对主要太阳能电板发电供电的影响和防止对昂贵的工业发电板资源的占用。

系统主要由光强传感器（主要部件为光敏电阻）、处理器（S12 单片机）、共用工作电源等；对于多套太阳能板（如发电站）构成的大中型光伏发电站采用集中共用式。集中供电系统是全部或者多个工作单体共用一个工作电源；集中供电系统可以大大减少设备成本，方便控制管理。

工作电源集中共用式的电源由外电源稳定集中地按需供应和切断，使得工作电源得到合理利用，防止出现工作电能浪费和电能不足的情况，因为不需要每个单体都配上蓄电池和充电独立太阳能电池板，增强了可靠性，降低了设备成本。

3 系统电路控制

单片机控制模块是整个系统数据处理、控制、数据通信的核心。系统电源给单片机控制电路、模数转换电路、分频电路、驱动电路的芯片的工作提供稳定的工作电压。模数转换部分的功能是将太阳光强转换成对应的电压的模拟信号转化成单片机可以处理的数字信号。分频电路是为了给模数转换模块提供合适的工作频率。驱动电路是根据单片机的指令来驱动电机按规定的方向和转速运转。

实时时钟模块（主动跟踪）：根据当前日期、时间点以及当地的经纬度信息，推算出每个时刻太阳的方位角，初略的调整好太阳能电池板的转向位置。并时间阶段设置模式识别，晚上休眠，白天正常工作。

光电传感器（精确调整）：利用多个光敏电阻合理分布制作而成的光电传感器，检测各个光敏电阻所在方位的太阳光强，综合分析各个光敏电阻返回的电压值以得到太阳光精确的照射角。

风力、雷电监测传感器：由于太阳能电池板放置在楼顶天台上且不断变化着倾斜角，刮大风和雷电会对设备照成严重损坏，因而要对现场的风力及雷电情况进行监测，当遇到狂风及雷电天气时关闭系统，以保证系统的安全。

本系统总电路图

4 主控芯片MC9S12XS128

本系统采用Freescale 公司生产的16 位微控制器MC9S12XS128，包括一个 16 位中央处理单元（ CPU12X）、128KB 程序 Flash 、8KB RAM、8KB 数据Flash，此外还集成了2 个异步串行通信接口（SCI）、1 个串行外设接口（SPI）、一个8 通道输入捕捉/输出比较(IC/OC)、定时器模块PIM、16 通道12 位模数转换器（ADC）、一个8 通道脉冲宽度调制模块（PWM），等等。该单片机具有速度快、功能强、功耗低、体积小等优点。5.PCF8563 时钟芯片模块本系统设计要求能够对时间进行记录，并且单片机能读取到程序设定的即时时刻，因此要选用一款计时芯片为系统提供时间的提取和记录。在本跟踪系统中，选用的是pcf8563 计时芯片。