低功耗太阳实时跟踪装置的设计

尚冬梅 刘琳静 韩娟

摘 要：为了充分、全面利用太阳能资源，采用太阳跟踪的方法能够直接获取更多的光能，设计了一种低功耗太阳跟踪装置，该装置以TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149为核心，通过光电传感器作为前向通路，完成对太阳光源具体方位的实时采集，同时，单片机对舵机的PWM控制，实现对太阳的实时跟踪功能。通过USB接口与上位机的通信，该装置完成了对数据的实时查询、回放和保存功能的实现。系统测试结果证明了该装置的准确性和低功耗特性。

关键词：低功耗；MSP430F149；太阳能；跟踪装置；光电传感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.048

1 引言

随着能源短缺、环境污染影响的加剧，可再生能源的利用日益受到广泛关注。可是在太阳能应用中转换率低始终是人类全面利用太阳能的一大障碍，其中到达地面的太阳能密度太低，是一个基本原因，其峰值也不过每平方米一千瓦左右。由于太阳是按照一定的轨迹运动的，其空间分布不均，因此，对太阳进行实时跟踪是直接提高太阳能利用率的一种有效方法。在太阳能发电中，相同条件下，一般采用跟踪技术能够提高发电效率30%以上[1]。所以，就必须对太阳进行跟踪，跟踪方法主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪[2]。光电跟踪灵敏度高，结构设计方便，本文设计出一种利用光电传感器作为光信号的采集器件，控制舵机角度，从而改变电池板的角度，使得电池板平面始终在垂直在太阳光的位置上。

2 硬件设计

低功耗太阳跟踪装置主要包括主控制器电路、光信号采集电路、舵机驱动电路、电源电路、USB转RS232电路五个模块。结构框图如图1所示。

主控芯片选择TI公司生产的16位MSP430F149单片机，外部电路是由光敏三极管作为光电传感器件将光强信号转换为电信号，经过放大器电路处理，通过内部12位AD采集，将采集的数据实时的送入单片机，根据光强信号的变化找寻到光强最强点后，单片机对舵机转动角度进行控制，直到找到最强光源处，同时通过USB接口将数据上传到上位机[3]。主控制器电路完成控制并协调各个外围设备工作的功能。其主要是通过软件编程，按需要从外设获取信号并处理信号，最终实现控制作用。

（1）光信号采集电路。光信号采集电路就是通过光敏三极管将光强信号转换为电压信号的电路，如图3所示。光敏三极管和普通三极管的结构相类似，不同之处是光敏三极管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，光敏三极管实质上相当于在基极和集电极之间接光敏二极管，由于光敏三极管具有半导体三极管的放大作用，当有光照射时，光敏三极管产生的光电流就是将光敏二极管的光电流放大了。为了采集效果好一些，进行简单的运放处理电路后，再经过由TLC2202搭接的电压跟随器，使得电压信号输入到单片机的AD进行采样[4]。为了更好的控制，在电池板上放置三个不同位置但在同一直线上的光敏三极管，分为左中右三组。

（2）舵机和电源电路。采用的是SH14-M数字舵机，从主控芯片产生的PWM信号作为控制舵机方向的控制信号。舵机的转角达到185度，控制精度最大为256，实际过程中，将185度分为250份，每份0.74度，控制所需宽度为0.5ms-2.5ms，宽度2ms。DIV：2ms/250=8us。

电源电路需要有三个供电电源，分别是单片机的3.3V供电、舵机的7.4V供电和光信号采集电路的5V供电。输入为12V电压，电容进行稳压滤波后，再接入中等功率的集成MOSFET的开关电源芯片TPS5430，TPS5430在输出5V时能提供3A的最大负载电流。7.4V电压是由LM2596稳压芯片及其外围电路完成的。3.3V稳压集成芯片TSP76433将TPS5430的5V电压稳压到3.3V供电。在系统供电时，肖特基二极管D1和D2可以有效防止电池电流输入稳压集成芯片，一则可以保护稳压集成，二则可以减小一部分电流，实现更低功耗[5]。

（3）USB转RS232电路。MSP430单片机有RS232接口，波特率可设。但USB接口现在飞速发展，现在每一台计算机都有USB接口。并且用串口编上位机软件比较容易实现。MSP430单片机与计算机通信，USB转RS232是必要的。我们采用了USB转RS232芯片CP2102。

3 软件设计

主程序是整个软件的灵魂，起主导作用。主程序的设计直接影响整个设计的进程。主程序主要通过调用子程序来完成控制命令的。通过软件控制语句，函数等，将这些子程序链接起来，组成整个软件的骨架。当系统进入中断程序后，首先对采集到的三路电压信号进行比较，然后找出其中的最大值，如果是中间值最大，则不进行操作，如果是左路值最大，则调节PWM波的占空比使舵机向左旋转一度，相反，如果是右路值最大，则调节占空比使舵机向右旋转一度，依次循环，一直到中间的光敏器件测到的数据最大为止。

4 系统测试及误差分析

本系统低功耗设计包括硬件和软件两方面。硬件方面，选用了低功耗的芯片，并且MCU的外设通过降低芯片工作电压及优化电路设计来降低功耗。软件方面，由于MCU的睡眠模式和空闲模式具有可编程性，我们使MCU进入休眠模式和空闲模式来降低功耗，如将空闲的I/O管脚拉低，采集数据的时候间隔采样等。如果到达采集时间MSP430F149会定时被唤醒，若没有，则直接进入低功耗模式。

以MSP430F247为控制核心，用特殊算法对两个感光三极管进行数据采集以及分析，通过控制舵机实现对点光源的定位和追踪，能快速稳定的指向点光源。

参考文献：

[1]陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程，2003（03）：10-12.

[2]周希正，李明.太阳能槽式聚光单轴跟踪的应用设计[J].中国高新技术企业，2009（122）：20-21.

[3]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：34-50.

[4]默少丽，邓鹏.基于MSP430的低功耗便携式测温仪设计[J].电子工程师，2008，34（03）：18-20.

[5]李莉.低功耗数据采集装置的设计[J].科技情报开发与经济，2006，16（01）：249-255.

作者简介：尚冬梅（1985-），女，陕西人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：电工电子、光伏发电、风力发电。