太陽能電池板自動尋光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳越　冷宏宇　趙志浩

【摘 要】為了提高太陽能電池板的集光能力，設(shè)計(jì)一種太陽能電池板自動尋光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為主控芯片，在太陽光線的照射下，檢測光敏電阻的阻值，并把電阻阻值的偏差信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路處理后轉(zhuǎn)換成電壓偏差信號。利用該偏差信號計(jì)算出控制量，用控制量去調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的自動尋光控制。PC機(jī)與單片機(jī)連接并發(fā)出控制指令，單片機(jī)將太陽能電池板法線方向、輸出電壓、功率等參數(shù)輸出至上位機(jī)PC并顯示。

【關(guān)鍵詞】太陽能電池板；集光能力；單片機(jī)；自動尋光

【Abstract】In order to improve the light collecting capability of solar panels， light control system for automatic design of a solar panel. The system with C8051F020 MCU as the main control chip， under the irradiation of sun light， the resistance value of the detection of the photosensitive resistance， and the resistance value of the error signal through the voltage conversion circuit is converted into voltage error signal. The calculated control with the error signal， with volume control to adjust the duty cycle of the PWM signal， then control the stepper motor speed， automatic light control solar panels. PC and MCU to connect and send the control command， the MCU will solar panels in normal direction， output voltage， power and other parameters are output to the PC and display PC.

【Key words】Solar panels； Light collecting ability； Singlechip； Automatic searching

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及全球資源消耗的日益加劇，對新能源的開發(fā)和應(yīng)用成為當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢。而太陽能作為一種清潔的、低密度、間歇性的一次能源，受到了各國的普遍重視。當(dāng)前在中國，太陽能電池板和太陽能熱水器應(yīng)用范圍比較廣[1]。然而目前在太陽能熱水器、太陽能電池板等領(lǐng)域中普遍存在能源轉(zhuǎn)換效率偏低的問題。主要原因是太陽能電池板傾角固定不變，這樣不利于太陽能電池板對太陽能的最大化收集，導(dǎo)致太陽能的利用率比較低，使人類對太陽的開發(fā)和利用遇到了瓶頸。

通過上面的分析，主要問題是太陽能電池板傾角固定不變的放置導(dǎo)致太陽光無法時(shí)時(shí)刻刻都與太陽能電池板垂直照射。另外，現(xiàn)在太陽能電池板基本上都是固定的，無法實(shí)現(xiàn)智能化，使太陽能熱水器的普及受到了阻礙。針對上述問題，我們設(shè)計(jì)了太陽能電池板自動尋光控制系統(tǒng)。

首先，在光源探測電路中，我們以C8051F020單片機(jī)為主控芯片，在太陽光的照射下，檢測光敏電阻的阻值，并把阻值的偏差信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換電路處理后轉(zhuǎn)換成電壓偏差信號，再去執(zhí)行控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)方面，利用電壓偏差信號計(jì)算出控制量，用控制量去調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的自動尋光控制[2]。另外，把PC機(jī)通過RS232接口與C8051F020單片機(jī)連接，將太陽能電池板法線方向、輸出的電壓、功率等參數(shù)傳至上位機(jī)PC，并顯示。

1 光源探測電路

為了實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的自動尋光，我們要獲得光源的光強(qiáng)信號。所以，首先我們以C8051F020單片機(jī)為主控芯片，用于接收光源信號的4個(gè)光敏電阻對稱分布于太陽能電池板的上、下、左、右四個(gè)邊緣的中間。當(dāng)太陽光線不與太陽能電池板垂直時(shí)，四個(gè)方向上的光敏電阻由于接收到的光強(qiáng)不同，致使光敏電阻[3]的阻值將會不同，將電阻阻值信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換電路處理后轉(zhuǎn)換成電壓信號。

得到經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的電壓信號后，對電壓信號進(jìn)行比較判斷，如果電壓信號不存在偏差，則繼續(xù)檢測光敏探測頭中光敏電阻的阻值；如果存在偏差，就分別驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，直至電壓信號偏差幾乎不存在時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。至此，太陽光線基本垂直太陽能電池板，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)（圖1）。

2 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)對控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的控制采用PID算法，控制系統(tǒng)為雙軸跟蹤控制。

雙軸跟蹤控制[4]是指由C8051F020單片機(jī)控制兩個(gè)不同方向上的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板在方位角上的水平轉(zhuǎn)動和在高度角[5]上的仰臥運(yùn)動，從而使太陽的入射光線和太陽能電池板基本保持垂直。相對于轉(zhuǎn)動平臺垂直放置的電機(jī)為方位角步進(jìn)電機(jī)，用來控制太陽能電池板做水平轉(zhuǎn)動，以跟蹤太陽在方位角方向上的偏移；相對于轉(zhuǎn)動平臺水平放置的電機(jī)為高度角步進(jìn)電機(jī)，用來控制太陽能電池板做仰俯運(yùn)動，以跟蹤太陽在高度角方向上的偏移。

在光源探測電路中得到電壓偏差信號后，利用該偏差的比例、積分和微分計(jì)算出控制量，用控制量去調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在控制器參數(shù)的確定上，系統(tǒng)按照工程經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行整定。采用先比例、后積分、再微分的順序進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。具體的整定步驟如下：

（1）比例環(huán)節(jié)的整定。將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)量小的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

（2）積分環(huán)節(jié)的整定。將第（1）步整定得到的比例系數(shù)略微減小至原來的50%-80%，然后置積分系數(shù)為一較大值，再逐漸減小積分系數(shù)，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，在轉(zhuǎn)動平臺運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，使得太陽能電池板在最終位置處，光源探測頭中光敏電阻阻值引起的信號偏差盡可能的小，由此得到合適的積分系數(shù)。

（3）微分環(huán)節(jié)的整定?？上戎梦⒎窒禂?shù)為零，在第（2）步整定的基礎(chǔ)上逐漸增大微分系數(shù)，同時(shí)相應(yīng)改變比例和積分系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。

3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

當(dāng)太陽光線不與太陽能電池板垂直時(shí)，該系統(tǒng)的光源方向探測電路中的光敏電阻的阻值將發(fā)生偏差，偏差信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換電路處理后，送至單片機(jī)，從而為尋光提供指引。

另外，TSL2561光強(qiáng)傳感器用來采集當(dāng)前的光強(qiáng)信號、根據(jù)光強(qiáng)的大小確定系統(tǒng)的工作模式；風(fēng)力檢測裝置，用來檢測風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)在大風(fēng)條件下，太陽能電池板的自動穩(wěn)固平放。

采用增量式PID算法[6]，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板姿態(tài)的雙軸閉環(huán)控制。其中，雙軸轉(zhuǎn)動平臺的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為方位角步進(jìn)電機(jī)和高度角步進(jìn)電機(jī)；太陽能電池板法線方向的檢測由方位角和高度角上的光電編碼器間接完成。

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)間的通信，設(shè)計(jì)基于Visual Basic的上位機(jī)界面。PC機(jī)通過RS232接口與C8051F020單片機(jī)連接。一方面，PC機(jī)向C8051F020單片機(jī)發(fā)送控制指令；另一方面，C8051F020單片機(jī)將太陽能電池板法線方向、以及輸出的電壓、功率等參數(shù)傳至上位機(jī)PC，并以數(shù)字和曲線的方式進(jìn)行顯示（圖2）。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為主控芯片，利用光源信號捕捉頭中的光敏電阻、電壓轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換電路把光信號的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化成電壓信號的大小。再通過增量式PID算法計(jì)算出控制量，用控制量去調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，進(jìn)而控制方位角步進(jìn)電機(jī)，以跟蹤太陽在方位角方向上的偏移；控制高度角步進(jìn)電機(jī)，以跟蹤太陽在高度角方向上的偏移。使太陽光線能夠時(shí)時(shí)刻刻都垂直于太陽能電池板。

利用TSL2561光強(qiáng)傳感器來采集當(dāng)前的光強(qiáng)信號、根據(jù)光強(qiáng)的大小確定系統(tǒng)的工作模式；利用風(fēng)力檢測裝置，用來檢測風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)在大風(fēng)條件下，太陽能電池板的自動穩(wěn)固平放。PC機(jī)通過RS232接口與C8051F020單片機(jī)連接，將太陽能電池板法線方向、以及輸出的電壓、功率等參數(shù)傳至上位機(jī)PC，并顯示（實(shí)物如圖3所示）。

因此，太陽能電池板自動尋光控制系統(tǒng)能使太陽光時(shí)時(shí)刻刻都與太陽能電池板垂直照射，另外本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性等特點(diǎn)，從而可以大大提高太陽能電池板的集光能力，充分利用了太陽能資源。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊東凱.太陽能利用及太陽能熱水器的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].世界家苑，2012，2：206-206.

[2]趙林，王志坤.可折疊式太陽能電池板智能追光系統(tǒng)的研究[J].山西電子技術(shù)，2014，4：77-79.

[3]王東偉.自動跟蹤式太陽能光伏水泵設(shè)計(jì)及性能預(yù)測[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

[4]閆秋娟，蔣猛.太陽能電池板自動跟蹤裝置的研究進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，14：14-15.

[5]申來明，楊亞龍.一種利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)太陽能跟蹤的設(shè)計(jì)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（10）：158-162.

[6]杜井慶，高世橋，羅創(chuàng)，姚峰林，劉海鵬.基于PID算法的控制量按任意函數(shù)變化的一種控制方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（6）：1317-1323.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]