太陽能追日探測控制器設(shè)計與實現(xiàn)

朱俊嘉，冮明穎（通訊作者），王方鐸，郭耀波

（遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧錦州，121001）

0 引言

目前的太陽能追日探測控制器很有必要改進，追日探測控制器目前經(jīng)常存在的難題是追日精度不高，工作情況不太穩(wěn)固，另外還有裝置高頻率追日能量消耗過多這樣的問題。該設(shè)計的研究目標就是研制一個“太陽能追日探測控制器”，根據(jù)檢測到的太陽光照射太陽能光伏板的角度控制轉(zhuǎn)動裝置動作，及時調(diào)整保證太陽光直射光伏板，實現(xiàn)逐日功能，提高光伏發(fā)電效率。

1 總體設(shè)計方案

太陽能追日探測控制器總體設(shè)計方案如圖1所示。當光線發(fā)生偏離時，由粗測電路測量對稱兩個太陽能板的電壓差值。采用光電池差動方式，當差值為正，輸出信號控制電機正轉(zhuǎn)，當差值為負，輸出信號控制電機反轉(zhuǎn)，直到電池板的電壓相等。在平衡點附近采用數(shù)字成像技術(shù)，通過CPU對器件進行處理，驅(qū)動電機進行細調(diào)，得到較為準確的值。進而分析其偏差值，直接獲得數(shù)字量；每當太陽光發(fā)生偏移時，通過水平電機和垂直電機的一起工作來實現(xiàn)對追日。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖

2 逐日探測器硬件及軟件設(shè)計

■2.1 光信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

TL431是優(yōu)良的熱穩(wěn)定好的三端皆可調(diào)的分流式基準電壓源。輸出電壓時候使用2個上拉電阻就可以使其輸出電壓的電壓值在2.5V和36V直接任何一個值，具有很高的選擇性。10×10mm感光電池工作時會產(chǎn)生較大電流，并能很好的通過220k電阻轉(zhuǎn)化為電壓值，因此本設(shè)計選則了10×10mm型感光電池。光信號轉(zhuǎn)換電路圖見圖2。

圖2 光信號轉(zhuǎn)換電路圖

■2.2 信號放大電路設(shè)計

電流串聯(lián)負反饋電路的主要特點是維持輸出電流基本恒定，提高增益穩(wěn)定性，在一定程度上減小非線性失真，抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲等特點也尤為重要。本次設(shè)計的感光板等同于于電流源，據(jù)此電流并聯(lián)負反饋放大電路適合本次設(shè)計。TL082是一個通用型運算放大器，它的特性是：（1）低的輸入偏置電壓；（2）偏移電流低；（3）輸出端有短路保護。據(jù)此使用TL082當作電路的運放。電阻選擇為50k和5k，信號放大電路圖如圖3所示。

圖3 信號放大電路圖

■2.3 CPU接口設(shè)計

STC12C5A60S2為STC公司所生產(chǎn)的單片機。其帶有時鐘和機器周期，運算速度比傳統(tǒng)的8051快。它是高性能、抗干擾和低功耗的8051單片機。此芯片不僅可以很好的滿足任務(wù)要求，而且性價比高，所以單片機選擇STC12C5A60S2。電路圖見圖4。

圖4 CPU接口電路圖

■2.4 電源設(shè)計

探測器部分硬件電路所需電源為5V，分別為STC12C 5A60S2單片機、RS485以及下載電路提供電源。根據(jù)總設(shè)計，硬件電路5V電源是通過7805三端穩(wěn)壓集成電路把12V變成5V。7805三端穩(wěn)壓集成電路有輸入端、輸出端和接地端。7805組成的穩(wěn)壓電源使用的外圍元件很少。7805內(nèi)部有過熱、過流及調(diào)整管的保護電路，大大提高了7805的可靠性和安全性。更重要的是其價格便宜，7805經(jīng)常被用來制作5V電壓源。通過在輸入端和輸出端并聯(lián)去耦電容的方式在變壓電路中進行濾波處理，可以讓電壓更穩(wěn)定。

■2.5 通信接口電路設(shè)計

現(xiàn)在通訊芯片有很多，通常使用的通訊芯片有兩種：RS485和RS232。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，多采用屏蔽雙絞線傳輸，并且接口信號電平比RS232降低了，不易損壞接口電路的芯片。RS485的工作電平跟TTL電平兼容，方便TTL電路連接RS485，而RS23則需要轉(zhuǎn)接電路。RS485抗干擾性比RS232強。RS485的最大傳輸距離可達10km，比RS232遠。綜上本設(shè)計將RS485作為通信芯片構(gòu)成通信電路，如圖6所示。

圖6 通訊接口電路圖

■2.6 探測器通信程序流程圖設(shè)計

探測器接收通信發(fā)送程序流程圖如圖7所示。

圖7 探測器接收通信發(fā)送程序流程圖

3 追日系統(tǒng)設(shè)計

■3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

追日系統(tǒng)主機系統(tǒng)包括逐日電機橋式驅(qū)動電路、CPU控制電路、電源及通信口等部分組成，其中追日電機橋式驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動法，通過H橋驅(qū)動電路來控制電機的旋轉(zhuǎn)方向，從而達到驅(qū)動目的，其中要使用兩個H橋驅(qū)動電路分別控制上、下方向和左、右方向，驅(qū)動芯片采用IR2110、4個MOSFET管進行統(tǒng)一驅(qū)動，IRF4905為PNP型，IRF3205為NPN型。追日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖8。

電源電路如圖5所示。

圖5 探測器電源電路圖

■3.2 電機橋式驅(qū)動電路設(shè)計

追日電機橋式驅(qū)動電路設(shè)計使用H橋驅(qū)動電路。H橋電機驅(qū)動電路是通過4個MOSFET，還有一個電機組成的。導(dǎo)通對角線上的一對MOSFET，必然會使電機工作。要想控制電機的轉(zhuǎn)向，可以導(dǎo)通不同對角線上的MOSFET。設(shè)計使用IRF4905和IRF3205MOS管進行驅(qū)動，其中驅(qū)動開關(guān)使用IR2110驅(qū)動器它兼有光耦隔離、電磁隔離、體積小、速度快的優(yōu)點驅(qū)動電路場效應(yīng)管選擇為IRF4905和IRF3205MOS管，IRF4905為PNP型MOS管，IRF3205為NPN型MOS管，且都具有高效可靠性，轉(zhuǎn)換速率快，超低導(dǎo)通阻抗，175℃工作溫度等特點。綜上所述，根據(jù)各個元器件的特點功能得出逐日電機橋式驅(qū)動電路圖如圖9所示。

圖9 電機橋式驅(qū)動電路圖

圖11 逐日功能流程圖

■3.3 CPU控制電路設(shè)計

主要處理器為STC12C5A60S2單片機。STC12C5A60S2為STC公司所生產(chǎn)的單片機。它具有速度快、功耗低、抗干擾能力強的特點。它是新一代51單片機。指令代碼與傳統(tǒng)的8951完全兼容。使用STC12C5A60S2也能保持與探測器CPU一致，減少材料種類。最小系統(tǒng)還有光電耦合裝置連接電路圖見圖10。

圖10 最小系統(tǒng)與光電耦合裝置連接電路圖

■3.4 追日功能軟件設(shè)計

控制部分可大致看成由兩個相同的H橋驅(qū)動電機電路組成，當探測器部分將AD采樣所得的基準電壓，水平方向光電池產(chǎn)生電壓，豎直方向產(chǎn)生電壓值，經(jīng)處理得到水平和豎直兩個方向的電壓差值，以下簡稱電壓差，經(jīng)串行口通信傳遞過來，進入CPU，通過電壓差的正負，來驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)，根據(jù)電壓差絕對值的大小來決定電機轉(zhuǎn)動的快慢。電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由PWM程序完成，PWM就是脈沖寬度調(diào)制的意思，又稱脈寬調(diào)制。 PWM程序首先啟動定時計數(shù)器，進行定時計數(shù)器初始化，然后在中斷中設(shè)置定時周期總數(shù)PWM和輸入電壓為滿幅值的次數(shù)PWM_H， PWM_H / PWM即為占空比,輸出電壓即 為（PWM_H / PWM）V。本課題中PWM=10，在AD部分讀出的電壓差值越大，PWM_H的值越大。已知每個串行通訊周期時間長短一致，當電壓差值越大即與入射太陽光線偏角越大時，PWM_H值越大即轉(zhuǎn)動角速度越大，矯正的方向角也隨之增大。據(jù)此契合本設(shè)計的工作需求，實現(xiàn)了追日要求。電壓差值的正負控制電機的正反轉(zhuǎn)，選用IR2110組成的2個H橋負責(zé)水平和豎直方向的電機驅(qū)動，使用PWM驅(qū)動H橋電路時，HIN1=-LIN1，HIN2=-LIN2。如果電壓差值是正，電機正轉(zhuǎn)HIN1=1，LIN1=0; 又如果電壓差值是負，電機反轉(zhuǎn)HIN1=0，LIN1=1;當初始狀態(tài)時可將SD置為高電平，防止電機在分步調(diào)節(jié)程序時，使用串行口通信，用電腦發(fā)送一個命令“將PWM_H賦值，即可調(diào)劑電機程序流程圖如圖11所示。

圖11 PWM占空比70%時調(diào)試圖

4 太陽能追日探測控制器的實物圖

本設(shè)計的太陽能追日探測控制器體積小巧、簡單輕便，實物圖如圖12所示。

圖12 PWM占空比100%時調(diào)試圖

圖12 實物圖