光强检测在光伏发电自动跟踪系统中的应用

邓奕 余振洪

【摘要】 在光伏发电自动跟踪系统中，光强检测作为一个重要环节直接决定自动跟踪的效果。本文以Atmaga8作为光强检测控制核心，利用TSL2560T光强传感器对太阳能电池板的光强进行采集，通过对硬件设计和软件编程，光强检测模块能够采集精确的光强值，使得太阳能电池板始终朝向光强最大的方向，达到自动跟踪的效果。

【关键词】 光强检测 单片机控制 TSL2560T 自动跟踪

能源是人类社会赖以生存和发展的基础，太阳能作为一种绿色环保的新型能源，由于其零排放，无污染而广泛应用于各个领域[1]。太阳能是利用太阳能电池板来吸收光线的辐射能量，将其转化为电能，再将电能进行储存。在整个转化过程中决定所产生能量大小的因素主要是：光照强度、光照面积和光照时间[2]。这些主要因素直接影响光伏发电的质量。由于太阳能电池板一般都是整装固定在地面或者固定在栏杆上，而太阳却处于不停运动的状态，因而光线强弱不停的发生变化[3]。所以研究和设计光伏发电自动跟踪系统，即太阳能电池板会跟随着太阳的运动轨迹而转动，始终让太阳能电池板的光照面积最大化，具有很强的实用价值。

一、自动跟踪系统原理

光伏发电自动跟踪系统整体框图如图1所示，该系统将光电跟踪方式与太阳运动轨迹追踪方式相结合，以单片机控制器作为控制核心，通过Modbus总线协议接收来自光强检测模块输出的光强值。太阳能电池板是安装在二维电机转动架上[5]，光强检测模块放置于太阳能电池板的正中央，两者保持平行。根据光强值的大小，控制二维电机的转动，从而实现对太阳的跟踪。基于光强检测对整个自动跟踪系统的重要性，本文主要对光强检测进行了设计和研究。

二、光强检测硬件设计

光强检测是光伏发电自动跟踪系统的重要环节，自动跟踪系统是根据检测到的光强值来判断二维电机的运动方向。在设计光强检测模块时，其基本出发点就是要合理的利用现有工艺条件，采用单片机控制技术对实时采集的光强信号进行接收和处理，经过A/D转换后的光强信号传输到单片机中，单片机再通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。

2.1 器件选型

本设计选用ATMEL公司的AVR系列单片机Atmaga8作为主控芯片，其价格低廉，具有功能强大的定时器/计数器及通讯接口，并且内置EEPROM[4]。

作为光强检测，光强传感器的好坏直接影响整个系统的运行情况。本设计采用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可编程的光强度数字转换芯片TSL256x。内部结构图如图2所示，该芯片是第二代周围环境光强度传感器。

2.2 原理图设计

光强检测原理图如图3所示，将TSL2560T的引脚SCL连接于Atmaga8的PC5，引脚SDA连接于单片机的PC4。单片机只需要以PC4和PC5来模拟SMBus总线就可以读取TSL2560T的ADC寄存器中的光强值。TSL2560T中有兩个转换通道，分别为通道0和通道1，其中通道0是转换可见光和红外线的通道；通道1仅仅只转换红外线。自动跟踪系统只是跟随着可见光光强值最大的方向运转，如此，通道1是作为一个补偿的通道，补偿掉通道0中的红外线，最后可以唯一得到可见光的光强值。

为了实现将采集到的光强值正常传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器，本设计采用传输距离远，传输可靠性高的Modbus总线协议。485通信芯片选择为SP3485E，3.3V供电。其中R4为匹配电阻，在远距离传输或者位于485总线上的最后一个从机时才使用。R3和R5分别为下拉电阻和上拉电阻，保证485总线的初始状态。光伏发电跟踪系统难免处于比较恶劣的环境下，为防止单片机程序跑飞，本设计外置一个看门狗芯片X5043来保证光强检测模块的正常高效工作，其原理图如图4所示。

三、软件设计

在软件设计中，首先需要对看门狗芯片进行初始化，然后读取光强传感器的参数值，最后通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。

单片机通过对引脚PC4和PC5通用I/O口（一根时钟线，一根数据线）进行SMBus读写协议模拟，SMBus和I2C协议的区别就是协议中应答（ACK）不一样，所以可以依照I2C协议进行参考。SMBus协议的重点是数据传输的时序，由开始位和停止位来控制。开始位为时钟信号的高电平，将数据线的电平由高到低，标志着数据传输的开始。停止位为时钟信号的低电平，将数据线的电平由低拉到高，标志着数据传输的结束。在写数据时，先发送器件的地址，然后发送要写入的数据。光强传感器芯片的写操作过程包括：先发送器件的地址，然后写命令码，命令码是往寄存器地址00H-0FH中写的数据，其以字节、字或者块为单位进行写操作。在读数据时，需要先写器件地址，然后写命令代码，再写入一次器件地址，最后才是读取通道寄存器的数值。

看门狗X5043芯片是以SPI接口协议进行初始化，初始化为1.4s，在1.4s之内引脚CS如果没有接受来自单片机的上升沿或者下降沿，RST引脚就输出一个低电平的脉冲给单片机复位。本文Modbus总线协议在485通信接口的基础上，以ASCII码通信格式来设计和实现。读取和传输光强值的程序流程图如图5所示。

四、总结

本文重点研究和设计了一种光伏发电自动跟踪系统中的光强检测模块，其主要是基于Atmaga8单片机和TSL2560T光强传感器，采用Modbus总线协议，精确采集太阳（或者模拟光源）的光强值，使得太阳能电池板始终朝向光强最大的方向，达到自动跟踪的效果。通过实物验证，结果证明本方案比目前广泛使用的光敏电阻等光强检测的方案要实用和优越，通过本方案得到的光强值精度高，效果好，在极其恶劣的环境条件下也能正常稳定地运行。