基于STC89C51的光伏发电跟踪控制装置

边鹏飞　何志琴

摘要：分析了近年来太阳能发电技术的发展概况，对各种太阳能发电方法进行了介绍并做出比较，提出了设计思路，指出了太阳能技术存在的问题以及今后在太阳能利用装置方面的研究思路和方向。

关键词：STC89C51；光伏发电；跟踪控制系统

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2014）08018102

0引言

太阳能发电是指利用太阳光辐射的能量转化为电能的一种能量转化形式。太阳能发电有两种形式一种是热发电，一种是光发电，太阳能光发电是利用光生伏打效应，将太阳能直接转化为电能的一种发电方式，光伏发电在太阳能发电方面发展迅速，技术也逐渐成熟，在太阳能发电的发展过程中逐渐占据的主导地位。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，其优势逐渐显现出来。在传统的燃料能源正在一天天减少，利用太阳能弥补传统燃料能源的不足，改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。如何高效的利用太阳能，是太阳能的利用效率达到最大，成为太阳能光伏发电研究的重要方向。

1太阳能光伏发电的发展概况

1893年，法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。1930年，肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。1941年，奥尔在硅上发现光伏效应。1954年，恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。1957年，硅太阳电池效率达8%。1976年，多晶硅太阳电池效率达10%。1998年，单晶硅光伏电池效率达25%。2000年，世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池。

光伏发电自发生伏打效应发现至今，经历了长时间的发展，光伏发电技术逐步成熟起来，近几年国际上光伏发电快速发展，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。

中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。目前国内光伏发电主要产品是精贵电池极少量非晶硅电池。目前我国商品化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的效率分别为11%～14%、10%～12%和4%～6%，与发达国家相比，要低1～2个百分点。此外，逆变器的生产也仅仅停留在小功率级别，大功率逆变器的研发水平还与国外有一定的差距。

2太阳能光伏发电跟踪控制系统原理

太阳能光伏发电系统首先通过光线检测部分检测外部信号，然后通过转换将电平信号传入STC89C51单片机判断太阳能电池板的左右及上下电压情况，并作出相应处理，输出控制步进电机的运行正转，反转，停止三种运行状态，最终达到使光线垂直照射太阳能电池板的最优状态，并实时显示输出电压，为防止阴雨天及故障等状况，设置了外部的辅助电路。其主要系统工作流程如图1所示。

图1系统工作流程图太阳跟踪控制系统能够有效提高太阳能电池板发电效率，是光伏发电系统中不可或缺的重要组成部分。由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。

3太阳能光伏发电跟踪控制系统构成

太阳能光伏发电系统系统构成包括：太阳能电池板组部分，光线检测部分、AD转换部分及1602液晶显示部分，步进电机部分，继电控制辅助电和单片机控制部分。系统的构成框图如图2所示。

图2系统构成框图3.1太阳能光伏电池板

太阳能光伏电池板是太阳能发电系统中最为核心的部件，太阳能发电效率的高低很大程度上取决于光伏电池板的转化效率。常见的太阳能光伏电池板的种类有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。目前单晶硅、多晶硅电池用量最大。本设计装置采用单晶硅光伏电池板，经过测试输出每一块单晶硅电池板的输出电压在0.5～5.5V。

3.2光线检测部分

下面介绍了采集外界的光照强度所采用的方式。

3.2.1采用光敏电阻采集光信号

采用光敏电阻作为光线检测元件，光敏电阻的阻值随着光照强度的增强阻值骤减的特性，可以作为光电开关，本设计通过将两个光敏电阻置于左右（及上下）隔板两侧，作为外界光线的检测部分当外界光线不是垂直照射太阳能电池板时，隔板一侧的光敏电阻由于没有光线照射电阻骤升达到兆欧级，另一侧由于有光线照射电阻相对另一侧很小几千欧，可以得到两个不同的电压信号；反之，如果光线垂直照射太阳能电池板，隔板两侧光敏电阻均受到同等的光照强度，光敏电阻的电阻值也就相同，得到两个相同的电信号，通过一定的转换电路，转换为高低电平信号传入单片机。

3.2.2采用LM324比较电路

LM324是一个由四个运算放大器构成的一款芯片，当运算放大器的正相输入端输入电压高于反相输入端的输入电压时，运算放大器的输出端输出高电平，反之，若正相输入端输入电压低于反相输入端的输入电压时，输出低电平。根据LM324作比较器的功能，可以将左右及上下两组光伏电池板的输出电压分别接至运放的输入输出端，并将输出信号作为输入量传入单片机，通过判断输入信号来控制步进电机的正转，反转。这种检测方式由于运放输出只有高低两个电平信号，因此只能控制电机的正转与反转而不能控制电机停止，因此在工作过程中由于左右电池板电压值完全相等的时候很少，因此步进电机始终处于正转，反转的运行中，整个系统的稳定性不是很好。

3.2.3采用改进的LM324比较电路（给定电平法）

本设计采用基于上述两种检测电平信号综合而成的方法，以左右电池板一维为例，采用LM324的两个运放电路，将左右输出电压与给定电压相比较，若左右输出电压均高于给定电压值，则两运放输出均为高电平，若左右输出电压均低于给定电压值，则两运放均输出低电平，这两种情况下，单片机控制步进电机处于停止状态，若有一侧输出电压高于设定值，而另一侧输出电压低于设定值，这种情况下，单片机根据输出端的电平值，控制相应的步进电机正转或反转。这种检测方式相比以上两种方式，可以通过改变电压给定值，调节光伏发电系统的灵敏度，而且系统稳定性较好。

作为本设计测量的是不断变化的电池板电压值，精度无需太高，经过测试太阳能电池板的输出电压范围大致在0.5～5.5V之间，而AD0804的输入电压为0～5V，将太阳能电池板的正负极输出接至AD0804的模拟量输入端，AD0804的CS，RD，WR端数字量输出端DB0～DB7端分别接至单片机的I/O口。1602液晶显示屏是2×16的显示屏可显示32个字符，实现显示实时电压值的功能。

图4AD0804接线图图51602液晶屏接线图3.4步进电机部分

步进电机驱动芯片采用ULN2003芯片，步进电机采用五线四相制步进电机，单片机控制步进电机的运行方式有三种分别为正转，反转和停止。通过在单片机中编程控制步进电机绕组通电的相序，控制步进电机的运行方式。

图6步进电机驱动接线图3.5继电器控制辅助电路部分

由继电器控制输入的辅助电路部分是一个5V的直流电源电路，当太阳能电池板的输出电压持续低于4V时超过

作者简介：孙连峰（1981-），男，工程师，2004年毕业于西南交通大学工程土木工程专业。一段时间，单片机通过I/O口输出控制相应的继电器，继电器得电接通外部的5V稳压电路，继续向负载供电，以保证负载不会在欠压的状态下工作。

3.6STC89C51单片机控制部分

本设计采用两块STC89C51单片机，一块用来控制两个步进电机的运行，另一块用来采集输出电压并在1602液晶屏上显示。通过光线检测部分传入电平信号至单片机，电平信号则反映出左右电池板及上下电池板受光照强度的强弱，在单片机内通过条件判断，输出相应的控制信号至步进电机驱动芯片ULN2003，控制步进电机的正转，反转，停止；太阳能电池板组输出的电压由AD0804模数转换模块得到相应的数字信号输入至单片机，通过对数字信号处理，转换后的数据实时显示在1602液晶显示屏；当外界光照强度过低，电池板输入的电压值持续小于2V一段时间，单片机输出电平信号控制继电器动作，启动外部辅助电路为负载供电。

图7单片机最小系统4太阳能光伏发电存在的问题

目前通用的太阳能光伏发电在硬件设备和软件处理算法中仍存在一些问题和难点。

（1）光伏发电器件的光电转换效率尽管有所提高但是转换效率仍然很低。

（2）光伏发电追踪控制系统的实时性控制，最优化控制的算法上还有很大的改善空间。

（3）实现光伏发电的联网互补，使光伏发电与火力发电，水力发电，核能发电等共同形成对于电网的能源支撑。

（4）光伏发电设备的成本还不是很低，光伏发电设备以及相关组件的大规模生产还有很大的发展空间。

5太阳能光伏发电今后的发展思路和方向

针对太阳能光伏发电存在的问题，其今后其发展的思路和方向主要归纳为以下几点：

（1）通过改进光伏发电元件的生产工艺，采用不同材质的光伏材料，研制出体积更小，成本更低，转化效率更高的太阳能光伏电池板以适应不同领域的需要。

（2）设计适用于不同场合的太阳能光伏发电系统，往大型化发展，可以作为供电系统融入电网之中，往微型化发展可以遍布日常生活的各个角落。

（3）在控制方面通过改进光伏发电系统的追踪装置，改进控制算法思想，实现实时的光能最大化利用。

参考文献

[1]赵晶，赵争鸣，周德佳，太阳能光伏发电技术现状及其发展[J].电气应用，2007.

[2]张耀明.中国太阳能光伏发电产业现状与前景[J].能源研究与利用，2007.

[3]蔡宣三.太阳能光伏发电现状与趋势[J].电力电子，2008.

[4]杨素行.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]郭天祥.新概念51单片机教程入门，提高，开发[M].北京：电子工业大学出版社，2009.

[6]陈伯时，刘锦波，张承慧等.电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[8]徐婧.太阳能光伏电池板倾角优化研究[J].江苏广播电视大学学报，2012.

本设计采用基于上述两种检测电平信号综合而成的方法，以左右电池板一维为例，采用LM324的两个运放电路，将左右输出电压与给定电压相比较，若左右输出电压均高于给定电压值，则两运放输出均为高电平，若左右输出电压均低于给定电压值，则两运放均输出低电平，这两种情况下，单片机控制步进电机处于停止状态，若有一侧输出电压高于设定值，而另一侧输出电压低于设定值，这种情况下，单片机根据输出端的电平值，控制相应的步进电机正转或反转。这种检测方式相比以上两种方式，可以通过改变电压给定值，调节光伏发电系统的灵敏度，而且系统稳定性较好。

作为本设计测量的是不断变化的电池板电压值，精度无需太高，经过测试太阳能电池板的输出电压范围大致在0.5～5.5V之间，而AD0804的输入电压为0～5V，将太阳能电池板的正负极输出接至AD0804的模拟量输入端，AD0804的CS，RD，WR端数字量输出端DB0～DB7端分别接至单片机的I/O口。1602液晶显示屏是2×16的显示屏可显示32个字符，实现显示实时电压值的功能。

图4AD0804接线图图51602液晶屏接线图3.4步进电机部分

步进电机驱动芯片采用ULN2003芯片，步进电机采用五线四相制步进电机，单片机控制步进电机的运行方式有三种分别为正转，反转和停止。通过在单片机中编程控制步进电机绕组通电的相序，控制步进电机的运行方式。

图6步进电机驱动接线图3.5继电器控制辅助电路部分

由继电器控制输入的辅助电路部分是一个5V的直流电源电路，当太阳能电池板的输出电压持续低于4V时超过

作者简介：孙连峰（1981-），男，工程师，2004年毕业于西南交通大学工程土木工程专业。一段时间，单片机通过I/O口输出控制相应的继电器，继电器得电接通外部的5V稳压电路，继续向负载供电，以保证负载不会在欠压的状态下工作。

3.6STC89C51单片机控制部分

本设计采用两块STC89C51单片机，一块用来控制两个步进电机的运行，另一块用来采集输出电压并在1602液晶屏上显示。通过光线检测部分传入电平信号至单片机，电平信号则反映出左右电池板及上下电池板受光照强度的强弱，在单片机内通过条件判断，输出相应的控制信号至步进电机驱动芯片ULN2003，控制步进电机的正转，反转，停止；太阳能电池板组输出的电压由AD0804模数转换模块得到相应的数字信号输入至单片机，通过对数字信号处理，转换后的数据实时显示在1602液晶显示屏；当外界光照强度过低，电池板输入的电压值持续小于2V一段时间，单片机输出电平信号控制继电器动作，启动外部辅助电路为负载供电。

图7单片机最小系统4太阳能光伏发电存在的问题

目前通用的太阳能光伏发电在硬件设备和软件处理算法中仍存在一些问题和难点。

（1）光伏发电器件的光电转换效率尽管有所提高但是转换效率仍然很低。

（2）光伏发电追踪控制系统的实时性控制，最优化控制的算法上还有很大的改善空间。

（3）实现光伏发电的联网互补，使光伏发电与火力发电，水力发电，核能发电等共同形成对于电网的能源支撑。

（4）光伏发电设备的成本还不是很低，光伏发电设备以及相关组件的大规模生产还有很大的发展空间。

5太阳能光伏发电今后的发展思路和方向

针对太阳能光伏发电存在的问题，其今后其发展的思路和方向主要归纳为以下几点：

（1）通过改进光伏发电元件的生产工艺，采用不同材质的光伏材料，研制出体积更小，成本更低，转化效率更高的太阳能光伏电池板以适应不同领域的需要。

（2）设计适用于不同场合的太阳能光伏发电系统，往大型化发展，可以作为供电系统融入电网之中，往微型化发展可以遍布日常生活的各个角落。

（3）在控制方面通过改进光伏发电系统的追踪装置，改进控制算法思想，实现实时的光能最大化利用。

参考文献

[1]赵晶，赵争鸣，周德佳，太阳能光伏发电技术现状及其发展[J].电气应用，2007.

[2]张耀明.中国太阳能光伏发电产业现状与前景[J].能源研究与利用，2007.

[3]蔡宣三.太阳能光伏发电现状与趋势[J].电力电子，2008.

[4]杨素行.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]郭天祥.新概念51单片机教程入门，提高，开发[M].北京：电子工业大学出版社，2009.

[6]陈伯时，刘锦波，张承慧等.电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[8]徐婧.太阳能光伏电池板倾角优化研究[J].江苏广播电视大学学报，2012.

本设计采用基于上述两种检测电平信号综合而成的方法，以左右电池板一维为例，采用LM324的两个运放电路，将左右输出电压与给定电压相比较，若左右输出电压均高于给定电压值，则两运放输出均为高电平，若左右输出电压均低于给定电压值，则两运放均输出低电平，这两种情况下，单片机控制步进电机处于停止状态，若有一侧输出电压高于设定值，而另一侧输出电压低于设定值，这种情况下，单片机根据输出端的电平值，控制相应的步进电机正转或反转。这种检测方式相比以上两种方式，可以通过改变电压给定值，调节光伏发电系统的灵敏度，而且系统稳定性较好。

作为本设计测量的是不断变化的电池板电压值，精度无需太高，经过测试太阳能电池板的输出电压范围大致在0.5～5.5V之间，而AD0804的输入电压为0～5V，将太阳能电池板的正负极输出接至AD0804的模拟量输入端，AD0804的CS，RD，WR端数字量输出端DB0～DB7端分别接至单片机的I/O口。1602液晶显示屏是2×16的显示屏可显示32个字符，实现显示实时电压值的功能。

图4AD0804接线图图51602液晶屏接线图3.4步进电机部分

步进电机驱动芯片采用ULN2003芯片，步进电机采用五线四相制步进电机，单片机控制步进电机的运行方式有三种分别为正转，反转和停止。通过在单片机中编程控制步进电机绕组通电的相序，控制步进电机的运行方式。

图6步进电机驱动接线图3.5继电器控制辅助电路部分

由继电器控制输入的辅助电路部分是一个5V的直流电源电路，当太阳能电池板的输出电压持续低于4V时超过

作者简介：孙连峰（1981-），男，工程师，2004年毕业于西南交通大学工程土木工程专业。一段时间，单片机通过I/O口输出控制相应的继电器，继电器得电接通外部的5V稳压电路，继续向负载供电，以保证负载不会在欠压的状态下工作。

3.6STC89C51单片机控制部分

本设计采用两块STC89C51单片机，一块用来控制两个步进电机的运行，另一块用来采集输出电压并在1602液晶屏上显示。通过光线检测部分传入电平信号至单片机，电平信号则反映出左右电池板及上下电池板受光照强度的强弱，在单片机内通过条件判断，输出相应的控制信号至步进电机驱动芯片ULN2003，控制步进电机的正转，反转，停止；太阳能电池板组输出的电压由AD0804模数转换模块得到相应的数字信号输入至单片机，通过对数字信号处理，转换后的数据实时显示在1602液晶显示屏；当外界光照强度过低，电池板输入的电压值持续小于2V一段时间，单片机输出电平信号控制继电器动作，启动外部辅助电路为负载供电。

图7单片机最小系统4太阳能光伏发电存在的问题

目前通用的太阳能光伏发电在硬件设备和软件处理算法中仍存在一些问题和难点。

（1）光伏发电器件的光电转换效率尽管有所提高但是转换效率仍然很低。

（2）光伏发电追踪控制系统的实时性控制，最优化控制的算法上还有很大的改善空间。

（3）实现光伏发电的联网互补，使光伏发电与火力发电，水力发电，核能发电等共同形成对于电网的能源支撑。

（4）光伏发电设备的成本还不是很低，光伏发电设备以及相关组件的大规模生产还有很大的发展空间。

5太阳能光伏发电今后的发展思路和方向

针对太阳能光伏发电存在的问题，其今后其发展的思路和方向主要归纳为以下几点：

（1）通过改进光伏发电元件的生产工艺，采用不同材质的光伏材料，研制出体积更小，成本更低，转化效率更高的太阳能光伏电池板以适应不同领域的需要。

（2）设计适用于不同场合的太阳能光伏发电系统，往大型化发展，可以作为供电系统融入电网之中，往微型化发展可以遍布日常生活的各个角落。

（3）在控制方面通过改进光伏发电系统的追踪装置，改进控制算法思想，实现实时的光能最大化利用。

参考文献

[1]赵晶，赵争鸣，周德佳，太阳能光伏发电技术现状及其发展[J].电气应用，2007.

[2]张耀明.中国太阳能光伏发电产业现状与前景[J].能源研究与利用，2007.

[3]蔡宣三.太阳能光伏发电现状与趋势[J].电力电子，2008.

[4]杨素行.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]郭天祥.新概念51单片机教程入门，提高，开发[M].北京：电子工业大学出版社，2009.

[6]陈伯时，刘锦波，张承慧等.电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[8]徐婧.太阳能光伏电池板倾角优化研究[J].江苏广播电视大学学报，2012.