光照自动寻向太阳能供电系统设计

陆丽梅

（广东省广州市白云工商高级技师学院，广东 广州510420）

0 引言

改革开放以来，中国经济快速发展，能源消费量随之不断攀升，2010年中国已成为世界上最大的能源消费国。煤炭、石油等一次性能源的枯竭使风电、光伏等可再生能源快速发展。中国国家电网能源研究所（SGERI）研究指出，2015年-2050年再生能源将提供66%的发电量，其中太阳能风能占41%[1]。太阳能具有环保，效率高无枯竭危险，在使用上对地理位置要求较低等优势。在政策扶持和国内市场需求被激发的情况下，近年我国在利用太阳能的光伏发电方面发展迅速。在应用分布上，目前光伏发电36%集中在通信和工业应用，51%在农村边远山区的应用，小部分应用于太阳能商品如计算器、手表等。除此以外，光伏的应用呈多样化趋势，与扶贫、农业、环境等相结合。但我国光伏设备效率低，成本较高，难于普及到普通居民的家庭中。为此，设计了一种光照自动寻向太阳能供电系统，其效率高，成本低，体积小，输出功率能满足家庭日常供电，具有很广的推广价值。

1 光照自动寻向太阳能供电系统设计的功能需求

坏电器。本供电系统特别面向农村山区的用电设计，以通过太阳能发电提供供电补充。因此需要与其他供电系统衔接，保证供电不间断。为此，需要实现供电自动转换功能。

1.2 自动检测电压的功能

我国的人均月用电量低还表现在供电电压的不足、电路电压不稳定，线路电压不足或不稳定。因此，系统应具有自动检测电压功能，当检测到家庭电压不足时能自动切换到蓄电池供电，保证家庭供电的稳定。

1.3 经济节能

边远山区经济滞后，主要都是以农作务及家畜养殖为主，收入低，本设计成本低，包括太阳能板及所有电路成本不到800元，所以合适边远山区经济滞后地区使用。

1.4 便捷移动方便应急使用

满足很多事故现场的用电，如地震、矿难、户外运动等。适用各种救急现场断电的使用。

本设计尺寸小（45 mm×60 mm×20 mm），重量轻（质量为3 kg），输出电压种类齐，有5 V电压可供手机、节能灯供电；有12 V电压供音箱喇叭等设备供电；220 V可供电机、照明等用电，满足各种应急场合解决用需求。

1.1 实现供电转换保证家庭不断电的供电

我国农村边远山区经常停电，人均月用电量不到8千瓦时[2]，经常断电除了给人带不为便，还会损

2 光照自动寻向太阳能供电系统硬件设计

2.1 系统组成方框图

本供电系统主要由控制中央处理器、太阳能板、太阳能板驱动电路、光电转换电路、逆变电路、充电电路[3]、智能检测电路、保护电路等组成。具有光线全天候追踪、智能充电、智能检测、安全保护、电量指示、自动检测充电、自动超载保护等现代化的智能管理功能[4]，并在自动光照寻向太阳能供电的基础上增加了手操作等控制形式。其构成原理如图1所示。太阳能板四方的四个光敏传感器采集太阳光线通过电位转换送到单片机的PA1-PA4口，以判断送出信号给步进电机，控制太阳能板转动面向太阳光线最强的方向。太阳能板吸收的光能转换成电能给蓄电池充电，同时电源电路输出DC＋5VUSB、＋12VJACK电压，逆变器将12VJACK电压逆变220 V50 Hz交流输出。同时检测电路检测蓄电池电量、温度进行时实监控，并将检测信号送到单片机的PB4/PA6脚进行检测控制，如果电池电量充足，则切断电路停止给蓄电池充电；如果温度过高则电路进入自我保护，切断220V 50Hz交流输出。

图1 光照自动寻向太阳能供电系统组成方框图

2.2 步进电机驱动原理及控制电路

步进电机的驱动IC采用的型号为UL N2003，它是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中，可直接驱动继电器等负载。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。步进电机驱动原理图如下图2。

图2 步进电机驱动原理图

电机控制电路由霍尔传感器、磁铁、电机组成，其构成如下图3。

图3 电机控制电路

电机的驱动主IC使用ULN2003，单片机给出的4路脉冲信号送入驱动IC为5线4相的步进电机扫描，使电机内线圈交替得电，从而步进转动，当某一方光线最强时，单片机将发出电机转动命令，直到转轴上的磁铁与光线最强位置点上的霍尔传感器靠近时，电机停止转动，至使太阳能板转到相对最佳位置点上。

2.3 太阳光线采集电路

太阳光线的采集板的四个方位放置个光敏电阻用于采集东、南、西、北的不同光线强度值，四个光敏电路串联在100 K电阻电路中，当光敏电阻受不同强度光线照射后，其阻值的变化便影响电流的变化，把电流再转换成电压值，通过MCU的四路ADC扫描后会自动比较出四路分压点的最大电压值，即太阳光线最强的方位，MCU最终会给出一个步进电机转动的命令，经过判断各方位霍尔传感器的有效和无效来进行定位达到自动追踪的目的，若要更精确的跟踪太阳光线可设多路方位处理。其电路原理图如下图4。

图4 4路太阳光线的采集原理图

2.4 电源逆变电路

逆变电路主要由2SJ471和2SK2956对管组成，其附属电路由Q502、Q503构成控制信号幅度放大，使单片机5 V的幅度控制信号放大到12 V驱动2SJ471、2SK2986对管。当Q502的b极为高电平，Q503的b极为低电平时则对管Q504、Q507导通，反则Q506、Q505导通，当单片机输出50 Hz的高低变化电平时，在对管的轮流导通影响下，逆变变压器的初级将会产生一个来回逆转的变化电流，那么次级就能得到一个交变的高电压。经测试该逆变电路的短路电流为5 A，空载时电压为300 V/AC左右。电源逆变电路原理如下图5。

图5 逆变电路原理图

2.5 超载保护电路

逆变的超载保护电路已由图7提供，输出级设有电流互感器，超过正常负载时，MCU的PB0脚会变成高电位，从而使继电器工作来断开电源进行保护。由于逆变器的短路电流接近5 A，因此，超负载时会在T502初级产生很大的电流，那么T502的次级电压就会发生变化，经D501整流后，此时分压点在PA6脚上的电平将由低到高发生变化，经单片机检测到后使PB0送出高电平，那么Q500管就会截止，J500便失电断开，逆变停止，此时为保护状态避免了器件的烧毁，如需再次使用逆变则必须拔掉超负荷电器，重新复位。

2.6 系统温控电路

在整个系统中，工作时会由于时间的增加而稍微发热，为了在夏天保险起见。因此使用了LM358来进行温度控制，当逆变变压器的热敏电阻R408和充电变压器的热敏电阻R407的任意一个阻值发生变化时就会与R405两端的电压进行比较，如果LM358的同相端电压大于反向端的电压时，1脚输出为高电平，为避免在临界温度点出现时断时续现象，所以加了R402反馈，使IC翻转具有适当的滞后量，从而输出一个稳定的控制信号，此时Q400导通，集电极的电压由高到低的变化让单片机检测后送出散热风扇M400的转动指令，为了节能，经定时器两分钟计时后风扇停止，即达到了温度的控制。下图6为系统的温控电路原理图。

图6 系统的温控电路原理图

2.7 系统充电电路

系统充电电路的原理如下图7。

图7 系统的充电电路

充电电路主要由太阳能板和市电来完成。当充电开关锁定时，单片机会判断有无市电输入。有则会选择市电充电，Q300导通后J300得电即使用T500整流后的电压充电，没有市电输入则采用太阳能板来充电，当电瓶充满电后，检测点PB3脚会得到一个检测信号，此时单片机给出停止充电命令，充电停止。如果光电耦合检测点A、B的两个信号送入与门IC74HC08进行与运算时得出1，那么此时的备用电瓶缺电，单片机给出充电指令，对电瓶充电，LED001充电指示亮，反之则不充电。

2.8 电量显示电路

电量的显示采用LM3914 IC对电量分别进行等份电压指示总共用了4个绿色LED灯来显示，当满电时，LM3914 的 18、17、15、13 脚分别低于供电电压3 V左右，此时LED灯显示为绿色，如果缺电时，则各输出引脚接近电源电压，LED灯全灭，系统此时会断开对逆变器的供电，提醒充电。电量显示电路图如下图8。

图8 电量显示电路图

2.9 电源输出电路

本作品设有4个USB接口，其中两个为太阳能板和两个电瓶USB接口。通过7805稳压模板对电源稳压到5 V接入到各USB口供电，闭合S101时，LED101、102灯便发光照明。下图9为电路原理图。

图9 USB及照明电路图

3 系统主程序设计

系统主程序采用C语言进行编程，其程序设计如下图10。

图10 系统主程序

4 系统调试与仿真

4.1 仿真效果图

利用proteus进行ADC光线采集比较的仿真，效果如图11所示。

图11 在proteus中，ADC光线采集比较的仿真效果

4.2 实物图

本设计将控制中央处理器、太阳能板、太阳能板驱动电路、光电转换电路、逆变电路、充电电路、智能检测电路、控制开关、保护电路及输入输出电路装入PC材料盒子中，图中的电路板都是用万能板进行电路连接、焊接、调试等功能检测再进行电路的PCB设计并发工厂制作，下图12为组装好的万能板的实物图；图13为太阳能光板，用H36云台做支架，牢固，美观；图14为进行太阳能采集测试图；图15为逆变电路性能测试图。

图12 整体电路

图13 太阳能板及云台

图14 太阳能采集测试

图15 逆变电路测试

5 结束语

本设计组装从设计到制作，检测调试成功经历三个多月时间，系统在一个装有四个灯炮、一个冰箱、100 W功放机、1000 W热水器实验室试用了2个月，整个系统运行正常。在广州夏季，实验室利用本系统供电，2个月电表只转动0.2千瓦时，能实现设计的最初目的，后期还需对产品进行包装如把电路设计成PCB板，并发给厂家制作PCB板及设计LOGO等。期待本产品能进入边远山区的家庭及应急场合作急救之用。