陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

黃和平

(浙江樂清市兆泰有限公司，浙江 溫州 325603)

0 引言

太陽(yáng)能是一種應(yīng)用前景無(wú)限寬廣的清潔無(wú)污染能源，然而它也存在低密度、間歇性、光照方向和強(qiáng)度受地勢(shì)、天氣、雨雪風(fēng)等因素隨時(shí)間空間不斷分布變化的問題。目前太陽(yáng)能利用轉(zhuǎn)化率為10%～20%。理論分析表明：太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%[1]。據(jù)實(shí)驗(yàn)， 在太陽(yáng)能發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高45%。因此在太陽(yáng)能利用中，進(jìn)行智能跟蹤是十分必要的。本文提出了一種新型的基于單片機(jī)的陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)不僅能自動(dòng)根據(jù)陽(yáng)光方向來調(diào)整太陽(yáng)能利用裝置朝向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且具有自動(dòng)識(shí)別天氣的能力，不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無(wú)人值守的情況，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)的目的在于使太陽(yáng)能利用裝置始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，并將室外的陽(yáng)光引入室內(nèi)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案應(yīng)包括硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)。本文介紹的硬件電路設(shè)計(jì)又包括傳感器及其電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電源、電機(jī)執(zhí)行模塊、鍵盤和顯示模塊、芯片電路和遙控電路、云臺(tái)等及其電路設(shè)計(jì)。

陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)的工作原理是，系統(tǒng)自尋原點(diǎn)，由支撐云臺(tái)的底座上的0.75kW電機(jī)控制。底座上的北向標(biāo)記處的光電檢測(cè)轉(zhuǎn)到與指南針重合，使云臺(tái)保持正向的東西方位面向太陽(yáng)的位置后，把來自不同位置的傳感器上采集到的8路光信息、壓力和風(fēng)阻傳感器信息經(jīng)過電路轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)之后，送入自帶模數(shù)10路AD轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2系列單片機(jī)。由程序控制單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理，并對(duì)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行判斷，計(jì)算后產(chǎn)生正確輸出，從而控制相應(yīng)的2個(gè)具有x，y軸四方向的0.75kW直流電機(jī)動(dòng)作。聚光體是由一組凸透鏡組成，每個(gè)聚光透鏡的焦點(diǎn)固定一根光導(dǎo)纖維，用來傳輸太陽(yáng)光。系統(tǒng)中的陽(yáng)光傳感器和聚光體一起被固定在云臺(tái)上。當(dāng)陽(yáng)光傳感器采集信號(hào)并經(jīng)過單片機(jī)控制云臺(tái)可以在水平方向旋轉(zhuǎn)超過210°，在y方向旋轉(zhuǎn)超過120°轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)又反饋給單片機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)精確對(duì)準(zhǔn)跟蹤，進(jìn)而達(dá)到控制云臺(tái)的目的，使聚光系統(tǒng)始終獲得太陽(yáng)直射。陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 陽(yáng)光傳感器的設(shè)計(jì)

陽(yáng)光傳感器的核心器件是8個(gè)光敏電阻，其中4個(gè)分布在上一層4個(gè)方向的黑色直筒外，另外4個(gè)分布在黑色直筒中一個(gè)凸透鏡的下方，分別進(jìn)行“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”，如圖2所示。因?yàn)橥雇哥R聚光后在下方會(huì)形成很明顯的光圈，如果太陽(yáng)有小段距離的移動(dòng)，那么光圈就會(huì)有相應(yīng)的移動(dòng)，即使光圈距離只移動(dòng)0.4mm，即1/10的光敏電阻的寬度，光敏電阻的阻值也會(huì)發(fā)生很大的變化。因?yàn)榻?jīng)過聚焦的太陽(yáng)光的照度比較大，所以當(dāng)匯聚后的陽(yáng)光只有一點(diǎn)照到了光敏電阻上，根據(jù)程序算法，兩端的光敏電阻也會(huì)有很大的電壓差，完全滿足系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)的要求。

圖2 立體結(jié)構(gòu)的陽(yáng)光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

因?yàn)椤按终{(diào)”和“細(xì)調(diào)”原理類似，文中僅說明“粗調(diào)”的原理。該太陽(yáng)光信號(hào)采集器中“粗調(diào)”信號(hào)采集部分4個(gè)光電傳感器的工作原理：當(dāng)有太陽(yáng)光照射時(shí)，黑盒之外的4個(gè)光敏電阻，即4、5、6、7號(hào)光敏電阻總會(huì)有1個(gè)或者2個(gè)因?yàn)楹诤械淖钃?，而相?duì)其余的光敏電阻感光強(qiáng)度相對(duì)較弱。因此經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換后電壓會(huì)偏低，這時(shí)單片機(jī)即可粗略判斷太陽(yáng)的大概位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，使得聚光系統(tǒng)逐漸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。當(dāng)聚光系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到快要對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的時(shí)候，4，5，6，7號(hào)光敏電阻已經(jīng)無(wú)法判斷是否精確對(duì)準(zhǔn)。這時(shí)進(jìn)行細(xì)調(diào)的0、1、2、3號(hào)光敏電阻開始發(fā)揮作用。

1.2 驅(qū)動(dòng)電源

在保證跟蹤精度條件下，盡量減小能源消耗，據(jù)此設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)每24s轉(zhuǎn)動(dòng)一次的特點(diǎn)，將通常采用的蓄電池改換成電容，既延長(zhǎng)了壽命，又降低了成本，而且體積也同時(shí)減小了，原理圖見圖3。

圖3 驅(qū)動(dòng)電源中電容代替電池原理圖

1.3 信號(hào)產(chǎn)生和處理

陽(yáng)光傳感器將太陽(yáng)光信息轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，再由信號(hào)處理電路將其轉(zhuǎn)化為供單片機(jī)AD口轉(zhuǎn)化的0 V～5 V電壓，通過AD轉(zhuǎn)化即可將陽(yáng)光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成0-255的十進(jìn)制數(shù)。這8個(gè)十進(jìn)制數(shù)則表示了光照強(qiáng)度。將單片機(jī)輸出的8個(gè)十進(jìn)制數(shù)命名為S0～S7。經(jīng)過試驗(yàn)，當(dāng)S4，S5，S6，S7的和值≥220時(shí)，認(rèn)為有適當(dāng)強(qiáng)度的光照，并開始調(diào)節(jié)；這里采用的是比較調(diào)節(jié)法，外部判斷條件如表1，內(nèi)部判斷條件如表2，當(dāng)進(jìn)入內(nèi)部調(diào)節(jié)時(shí)，外部調(diào)節(jié)將不起作用。

表1 外部調(diào)節(jié)判斷表

表2 內(nèi)部調(diào)節(jié)判斷表

8個(gè)光敏電阻分別對(duì)應(yīng)一路信號(hào)，通過信號(hào)處理電路與單片機(jī)P1口相連，如圖4所示。通過調(diào)節(jié)8路Rf的阻值，使其在相同光照的情況下得到相同的十進(jìn)制數(shù)，即S的值。此時(shí)單片機(jī)進(jìn)行判斷調(diào)節(jié)，然后控制電機(jī)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的實(shí)時(shí)跟蹤。

圖4 光伏電池板傾斜角自動(dòng)跟蹤裝置

1.4 電源模塊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)的電源來自太陽(yáng)能電池板，這樣整個(gè)系統(tǒng)就可以不需要市電而獨(dú)立運(yùn)行。電源模塊主要有兩個(gè)作用：1) 通過78L05將太陽(yáng)能電池板的電壓轉(zhuǎn)化成5 V直流電壓,為整個(gè)控制板提供電源。2) 將太陽(yáng)能電池板的電壓通過電解電容直接給電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片供電。

78L05是最常用到的穩(wěn)壓芯片，它的使用比較方便。用很簡(jiǎn)單的電路就可以輸入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源,其輸入電壓值為7 V～15 V，輸出電壓恰好為5 V，剛好是51系列單片機(jī)運(yùn)行所需的電壓。3個(gè)引腳中(圖2)1接太陽(yáng)能電池板輸出的+12 V電壓，2為公共地，3是穩(wěn)壓之后供給控制部分各模塊的+5 V電壓。

單片機(jī)將AD轉(zhuǎn)換后的值進(jìn)行判斷、運(yùn)算，產(chǎn)生輸出，控制相應(yīng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，就可以調(diào)節(jié)云臺(tái)獲得陽(yáng)光直射。聚光體和陽(yáng)光傳感器都安裝在云臺(tái)上，調(diào)整云臺(tái)的角度就調(diào)整了聚光體和陽(yáng)光傳感器的角度，即可實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)中，單片機(jī)通過L298電路驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)。跟蹤裝置采用雙軸式，分別進(jìn)行方位角和高度角的調(diào)節(jié)，由此達(dá)到準(zhǔn)確跟蹤陽(yáng)光的目的。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與運(yùn)行軟件實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)光的自動(dòng)跟蹤，系統(tǒng)必須能夠識(shí)別天氣，檢測(cè)異常狀況并進(jìn)行處理的能力。此外，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，還增加了手動(dòng)調(diào)節(jié)和遙控。按照系統(tǒng)的功能要求及硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件包括：天氣識(shí)別，異常檢測(cè)和處理，光照強(qiáng)度判斷及輸出，電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作等部分。軟件流程圖如圖5所示。如果陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)開始工作，那么程序一直處于循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)之后，電機(jī)一般會(huì)在21s左右的時(shí)間動(dòng)作一次，耗能很小，程序運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 軟件流程圖

單片機(jī)對(duì)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行判斷、計(jì)算并且產(chǎn)生正確的輸出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過陽(yáng)光傳感器、積雪壓力傳感器以及相應(yīng)的程序，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別出陰天、晚上，不同天氣，異常檢測(cè)和處理，光照強(qiáng)度判斷及輸出，電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作等。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到天氣為陰天，大風(fēng)與大雪、系統(tǒng)屏蔽跟蹤功能，直到太陽(yáng)出來為止。另外，還要掃描是否接入了調(diào)試模塊，對(duì)鍵盤顯示做相應(yīng)的處理等[2-3]。

所開發(fā)的陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)經(jīng)56次的實(shí)驗(yàn)證明，跟蹤精度高達(dá)0.1°，而且沒有跟蹤死角、手動(dòng)調(diào)試及自動(dòng)運(yùn)行，遙控操作、檢測(cè)功能、強(qiáng)風(fēng)保護(hù)功能及異常情況處理功能均正確無(wú)誤，經(jīng)近3年的使用和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明程序運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，硬件成本與維護(hù)成本低廉，可實(shí)時(shí)精確跟蹤太陽(yáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)通過精心設(shè)計(jì)，并經(jīng)多個(gè)用戶的長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)的考驗(yàn)和大量產(chǎn)品在不同場(chǎng)合下長(zhǎng)期運(yùn)行的考核驗(yàn)證，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成熟定型，并建立了一套可靠保證體系，使產(chǎn)品質(zhì)量得以保證。陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，可考慮網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)同接口，使陽(yáng)光智能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)國(guó)際公開的開放系統(tǒng)中得以應(yīng)用，使其在太陽(yáng)能領(lǐng)域中成為大眾需要的產(chǎn)品，以提高我國(guó)太陽(yáng)能領(lǐng)域陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)的總體水平。

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