基于MC9S12XS128的智能型太阳能跟踪控制系统

张飞飞+高爱宇+韩泽欣+周志文

摘 要 太阳能光伏发电是有效利用太阳能的手段之一，目前太阳能光伏发电系统的转换效率都不高，如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率是当前太阳能研究的热点，然而受材料、生产工艺以及成本等制约因素的影响，要提高太阳能电池的转换效率是一件很困难的事情，因此要提高太阳能光伏发电系统的光能利用率，可以使光伏发电系统的太阳能电池板与太阳光保持垂直，通过提高单位面积上照射在太阳能电池板上的太阳能来实现。文章介绍了一种智能型太阳能跟踪控制系统，能够有效地跟踪太阳光，使太阳光总是与太阳能电池板保持垂直，实时跟踪太阳能，使光伏发电系统工作在最大功率点，能够有效提高系统发电效率30%以上，该系统在提高太阳能光伏发电系统的光能利用率方面具有较强的实用价值和重要意义。

关键词 太阳能；光伏发电；双轴控制；MC9S12XS128

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0027-02

太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，其作为一种理想、清洁的新能源，合理利用及开发是解决当前能源危机和环境问题最具独特优势的途径之一，已成为当前研究和应用的热点。太阳能发电有两种方式：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式，其中太阳能光伏发电目前应用最广，也最具应用前景。目前的太阳能光伏发电系统多采用固定式构架，又由于光伏电池是一种比较典型的非线性电源，其输出特性受光照强度、温度以及负载特性的影响比较严重，因此不能保证其始终工作在最大功率状态，从而导致光伏发电系统功率损失严重和光伏发电效率偏低。假如能够使太阳能电池板与太阳光保持垂直，便能提高单位面积上接收的太阳能，使系统工作在最大功率点上，从而提高太阳能的利用率。相比之下，带有自动跟踪功能的光伏发电系统的发电量比固定式光伏发电系统提高30%以上，因此对于如何使太阳能电池板准确跟踪太阳能，提高光伏系统的发电效率，提高发电量成为研究的焦点。

1 太阳能跟踪控制的系统结构和组成

本系统是由机械结构、控制器、太阳能电池板、输入输出模块、负载组成的一个独立的光伏发电系统。

1.1 系统机械结构

图1 系统机械结构示意图

本太阳能跟踪控制系统采用双轴控制方式，其机械结构示意图如图1所示，系统的机械结构部分由系统机械平台、支架、以及两个12V-12RPM直流减速电机组成。系统在控制策略及结构上采用了双轴控制的方式，能够通过装设在平台和支架上的两个减速电机来控制太阳能电池板在水平方位和竖直方位的运动，确保太阳能电池板能够随着太阳光保持垂直状态自由运动。

1.2 控制器组成

本系统的控制部分分为两个部分，第一部分为模拟信号控制部分，其控制方式是通过光敏电阻组成的光敏传感器采集太阳光信号，再通过LM393比较器输出一个便宜信号，加载在电机驱动模块上，对系统进行一个粗步调节；第二部分为程序控制部分，通过传感器采集太阳能电池的输出信号，传输给MC9S12XS128单片机，经过单片机内部自带的A/D转换模块转换为数字量后，再通过一定的算法处理，输出PWM信号加载在电机驱动模块上，从而对系统状态进行精细调节，系统控制结构框图如图2所示。

图2 系统控制结构框图

2 控制系统硬件电路设计

2.1 模拟控制电路部分

图3 模拟控制电路

模拟信号控制部分采用了光敏电阻，通过对四组光敏电阻组成的比较电路来确定四个方向的关照信息，通过LM393比较器输出的信号加载在电机驱动模块上，即可控制两个减速电机在竖直方位和水平方位的运动，确保太阳能电池板上的四组光敏传感器在四个方向上受光均匀，从而确保太阳光与电池板保持垂直，如图3为模拟控制电路。

2.2 电机驱动电路

本系统在直流驱动电路上采用了两片BTS7960芯片组成的全桥驱动电路，每片BTS7960芯片的内部为一个半桥，当引脚INH为高电平时，BTS7960芯片使能。引脚IN用于确定由哪个MOSFET导通。当IN引脚为高电平且INH引脚也同时为高电平时，高边MOSFET导通，则OUT引脚输出高电平；反之，当IN引脚为低电平且INH引脚为高电平时，低边MOSFET导通，则OUT引脚输出低电平；如此，通过控制两片BTS7960芯片IN引脚的电平，就能控制电机的正反转。其中SR引脚外接电阻的大小，可以对MOS管关断和导通的时间进行调节，能起到防电磁干扰的功能；IS引脚是电流检测输出引脚。电机采用的是12V电源供电，因此电机驱动模块的电源进线为12 V。该电机驱动电路应用简单，且驱动功率较大，只需要将单片机输出的PWM信号向芯片第2引脚IN输入就能对直流电机的转速和方向进行控制。

2.3 充电器控制电路

本系统所采用的太阳能电池板额定功率30 W，输出电压18 V，蓄电池采用太阳能系统专用的电压为12 V、容量7 Ah的铅酸电瓶，充电器再设计时，选择了UC3906这款VRLA蓄电池专用的充电芯片，它具备将VRLA蓄电池实现最佳充电效果的全部控制和检测功能，更为可贵的是该芯片能够使充电器的各种转换电压随着VRLA蓄电池的电压温度系数变化而变化，因此能满足蓄电池在比较宽的温度范围内还能达到最佳工作状态，图4为蓄电池充电器电路图。

图4 为蓄电池充电器电路图

2.4 电流、电压采样电路

电流采样电路部分是利用ACS712ELC-05B电流传感器芯片，该芯片是基于霍尔效应的线性电流传感器，电路可以测量正负5 V以内的电流，对应的模拟量输出为185 Mv/A，在没有检测电流通过时，输出电压为VCC/2；电压采样模块在设计时利用了电阻分压原理，使得端子接口输入的电压缩小5倍，电压的输入范围为0～25 V，满足系统设计的要求。电压、电流采样电路的模拟输出端连接到MC9S12XS128单片机的A/D口，通过读取A/D值即可测出相应的电压值和电流值。endprint

3 控制系统软件算法设计

控制系统在软件算法设计中采用了电导增量法，它是通过比较光伏电池的瞬时电导与电导的变化量来达到跟踪最大功率点的目的。由于太阳能光伏电池的输出特性曲线是一个单峰值的曲线，因此在最大功率点就有dP/dU=0，其中P为光伏电池的输出功率，U为光伏电池的输出电压。因此

==

进一步又可得到如下结论：

1）在最大功率点左侧，。

2）在最大功率点处，。

3）在最大功率点右侧，。

因此，通过对光伏电池输出电导的变化量与输出电导之和的符号，即的符号，即可确定并调整系统工作点的位置，

从而实现光伏系统对最大功率点的跟踪。由于dU作为电导变化量的分母，因此在处理时，必须首先确定dU是否为零：当dU为零时，表示电压不变，此时则又应该根据dI的符号来调整光伏发电系统的工作状态；当dU不为零时，则可根据上述三条结论来调整光伏系统的工作状态。

4 实验结果

本系统在测试过程中，环境温度在20℃左右时，在相同条件下，与固定结构式的太阳能光伏发电系统相比较，本系统在太阳能利用率方面明显提高，实验结果表明，带有自动跟踪控制功能的光伏发电系统发电量比普通固定式光伏系统提高30%左右。

5 结论

本文对智能型太阳能跟踪控制系统的制作方案、电路设计及软件原理做出了比较全面的介绍，系统结合了硬件模拟电路控制和单片机程序控制两种方式，又采用了效率较高的双轴控制的机械结构，先经过模拟电路初步调节，再通过单片机程序软件逐步精细优化，在测试过程中，表现出了稳定、灵活、高效的特点，能够有效提高太阳能光伏发电系统的发电效率，具有广阔的应用前景、研究和市场价值。

基金项目

西北民族大学国家大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：201310742027）。

参考文献

[1]杨贵恒，强生泽，张超颖，等.太阳能光伏发电系统及其应用[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]赵争鸣，刘建政，孙晓英，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

[3]张阳，无晔，滕勤，等.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2010.endprint