向光太阳能控制系统设计

2019-10-25张佳伟王秀玲张潇杨

仪器仪表用户 2019年11期

张佳伟，王秀玲，张潇杨

（银川能源学院电力学院，银川 750110）

0 引言

虽然目前国内大多数已经使用太阳能的地区都使用固定太阳能板收集和利用太阳能，而在其他地区，由于受到建设成本等众多因素的影响只能使用单轴太阳能监测系统，但这影响太阳能的收集和利用。在需要更精确跟踪的试验设备中，大多数太阳能跟踪设备仍然进口，主要原因是基本技术和设备的加工不精确。为了监测该国的太阳能和其他限制太阳能利用和效率的因素。

本设计是一种太阳能电池板自动追光系统，与固定太阳能光源收集装置相比，在引入自动光跟踪系统之后，安装的装置能够及时调整电池板与光之间的夹角。太阳能对太阳能电池板保持垂直照明，提高了太阳能的使用效率。

1 追踪方式的选择

目前，用于实现追踪太阳的方法较多，概括为两类：视日运动轨迹跟踪和光电传感器追踪两大类。

图1 总体设计方案Fig.1 Overall design

图2 系统硬件电路框图Fig.2 System hardware circuit block diagram

1）时日运动轨迹追踪方式

这种追踪方式主要根据观察模拟太阳的运行轨迹从而进行追光算法设计和根据算法编写程序，根据已有的追光公式，把不同的地区太阳东升西落的整个过程所经历的线路和时间编写进程序使太阳能电池板能够根据程序始终让太阳光垂直照射在电池板上以实现最大程度的发电。这种追光方式也有很多缺点：1）计算过程复杂；2）开发成本很高；3）属于开环控制，容易产生积累误差，且无法自动消除这一误差。

2）光电传感器追踪方式

光电传感器追光主要是通过已有的光电转换材料进行对太阳光照强度进行感应，然后通过电信号的传导以对太阳光照方向进行检测。经过光敏电阻对太阳光的检测和采集，再将电信号传给单片机控制系统，最后通过控制系统传给驱动电机的转动使相应的转向轴进行实时转动来实现追光。这种方法的优点是跟踪精度好、灵敏度高[1]。

经过对两种追光方式的比较，最终选用了光电传感器追踪方式。

2 光电追踪方式的方案设计

光电追踪方式是由光敏电阻组成的光电传感器作为主体，通过光敏电阻来获取光照强度信息。其中，一种用于将光电传感器捕捉到的模拟信号输出转换成数字信号的转换电路，一种是通过单片机处理光强信号比较光电来确定水平或潜步电动机的旋转方向传感器，实现光电追踪方式的跟踪。

3 硬件设计

所设计系统主要包括单片机、光电传感器、A/D 转换、稳压电源、步进电机控制等几个模块，总体设计方案如图1 所示。设计中在电池板旁边放上由4 个光敏电阻组成的光电检测模块，能使此设计的跟踪精确度提高，使稳定性更好。

本设计选择STM32 单片机，它是一种带4K 字节flash存储器的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[2]。

稳压电源模块是为整个控制电路提供能源的，是保障控制电路中所有控制芯片稳定运行的前提。

太阳光强信号是一种模拟信号，必须经过A/D 转换才能转化成单片机控制模块可直接运算的数字信号。本项目选用PCF8591P 作为A/D 转换芯片，它是一个具有4 路A/D 转换输入1 路D/A 模拟输出和1 个串行总线接口的A/D转换芯片。

1）光电检测模块

光电传感器是通过一定的规律性安装在太阳能接收装置周围，用于收集光强度信息，转换对应于不同光强对应的电压值。通过A/D 转换模块转换成数字信号并将其发送到单片中的基本原理该单片通过比较4 个光敏电阻不同的电压值来确定每个方向的照明强度，从而发出相应指令来控制驱动模块，实现光电追踪[3]。光电传感器是光电跟踪系统的起点，其功能是收集关于照明强度的信息，确定照明强度获取的准确性和稳定性，并直接影响光电追踪方式的准确性和稳定性。选择适合的光电传感器是实现追踪的最重要步骤，光电传感器主要包括光敏电阻器、光电二极管、光电三极管等，最终选用光敏电阻当做光电感应模块。

2）推杆电机及驱动模块

设计的驱动选用的是推杆电机，推杆电机结构简单且稳定能对设计的整体起到支撑作用，就大大节省了支撑结构所需要的材料使整体的重量有了减轻。

3）中央处理模块

系统中央处理器使用单片机模块，其主要功能是在光电跟踪模式下接收光电检测模块的光强度信息，并使用光强度偏差控制步进电动机实现光电追踪[4]。单片设备使用由时钟模块收集的时间信息来计算高度角和方向角，并控制步进电动机，从而跟踪日常运动路径。

以单片机作为整个中央处理的核心，选用的是STM32单片机由意大利SGS 微电子公司和法国Thomson 半导体公司合并而成。此单片机的功耗较低并且具有低功耗运行和低功耗睡眠两个功能，使得处于待机状态时的功耗更低，这更大大适应了本设计的理念。因为此设计是增大太阳光的利用，在太阳能电池板已经正对太阳时不需要一直工作而是处于待机状态，这使得STM32 单片机更加适合，该单片机工作所需要的最低电压只有1.8V，直接运用整体所发出来的电就可以运行。

4 软件设计

本系统整体程序采用模块化进程原则设计：即首先对各功能模块的子程序进行独立设计，独立调试，然后对整体进行模拟测试，测试各部分模块的关联协调能力。这种方案便于程序的移植和修改，同时又有利于系统功能的扩展。本部分主要包含主程序设计、A/D 转换程序设计、光敏电阻数据处理程序设计和太阳能追踪子程序设计等[5]。

其中主程序主要是完成系统初始化后，循环检测光照强度，对反馈回来的电压值进行比较运算，判断当前光照的亮度差是否达到定值，进而驱动步进电机去调整太阳能板以便正对太阳。

光敏电阻数据处理程序设计在设计中需要注意，由于硬件上的缺陷无法将外界干扰信号全部滤除，导致数据采集结果具有较大波动。因此，本系统设置了软件滤波环节，所用的光强传感器采用中值滤波法进行软件滤波。其基本原理是进行几次连续的数据采集，将所测得的数据从大到小排序。然后分别去除首尾相同数量的几个值，只保留排在中间的数值，再对其取平均值。该法能够有效避免采样过程中因系统不稳定造成的跳变干扰[6]。

追光程序设计是整个软件设计的核心，流程图如图3所示。

图3 太阳追光主程序流程Fig.3 The main process of the sun chasing light

5 软件和硬件调试

1）软件调试

首先必须设计一般概念和原理图、电路图，在每个部件的设计和测试后的组装测试开始前，要根据这些材料开发和测试每个部件。设计的控制系统包括软件和硬件组成部分，采用平行的开发工艺，然后制造单片机电路，再使用模拟器来测试模拟逻辑准确性。利用Proteus 软件对系统总体电路图进行检测分析，目的是为了验证总体电路图原理的正确性。

首先要计算出一个给定时间的太阳方位角与高度角，测试得出的结果和实际值的误差较小则可以运用到实际中。

PC 机软件的调试，这个步骤主要是看显示屏中的数据是否与实际相对应，运行的模块是否都在正常工作。

单片机软件的调试，单片机的调试主要是看它能否按照指令进行控制指令的传递，例如推杆电机的推动角度是否按照指令使太阳能电池板调整。

图4 系统工作简洁流程图Fig.4 System work flow chart

通过对整体电路板进行模拟分析，通过计算单片中太阳的高度角和定向角来确定整体电路板原理的准确性，如果调试结果表明各部分均能达到预期效果，则本次的实验表明太阳能电池板自动追光系统在理论上大大提高了太阳能的利用率，使得接下来的设计工作能继续进行。经过软件调试最终测得设计可以按照程序流程进行，各部分都可以根据信号指令做出正常判断和动作。

2）硬件调试

首先，检查电源连接是否正确，是否有短路，特别是如果电源连接是反向的可能会导致芯片烧坏，并且检查焊接是否错误，然后检查元器件的安装情况。首先用万用表检查各个元器件之间的连接是否有短路断路的情况，经过检查和修补，这些都正常。接着检查元件是否良好，用万用表测电阻、电容的好坏，所有检测都没问题后就可以进行电路板组装方面的工作了。

电路板焊接完成后，继续进行检测工作，检查各个部分能不能正常工作，能否接受和处理光敏电阻对于太阳光感应后传来的电信号并通过单片机传给驱动部分，让推杆电机推动太阳能电池板按照预设好的角度旋转到对应的角度进行太阳光跟踪操作，即检查光敏电阻、单片机信号处理和传递部分、倾角传感器、电压电流检测模块是否能够正常工作。经过这一系列的检查检测步骤，最终确定本设计太阳能自动追光系统能够让太阳能利用率得到加强。