摘要：高速公路采用太陽能路燈是一種安全節能的解決方案，但是存在冬季白天光照不足,蓄電池蓄能偏少，導致夜間照明時間過短的問題，因此需要提高太陽能的利用率。如果太陽能集光板盡量保持與入射太陽光線垂直，可以明顯提高發電效率。采用數字光強檢測模塊和步進電機及驅動模塊，設計太陽能路燈集光板的逐日系統，實現對太陽光強的自動檢測，使太陽光基本垂直入射到太陽能集光板上，提高了光伏轉化效率，延長了照明時間。

　　關鍵詞：光伏發電;逐日系統;步進電機

　　0引言

　　高速公路所用路燈以太陽光為能源，白天給蓄電池充電，夜間由蓄電池供電，省去了復雜的管線鋪設，同時布局可以任意調整,安全節能，是一種科學合理的新能源照明解決方案。然而這一方案對太陽能的利用仍有各種不足的地方，其中最突出的問題是在提高太陽能的利用率上。目前的太陽能路燈的照明時間一般在8~14h,冬季由于白天日照時間短，所以夜間照明時間大多只能保持在8h左右，相對于北方大部分地區所需要的夜間照明時間10~12h,還存在明顯差距。

　　當前常用的太陽能集光板對太陽能的轉化效率大概在35%左右。通過對太陽運行的規律分析可以發現，在不同時刻和角度，太陽發射到地球上的能量的強度都是不同的，太陽能集光板接收太陽能的效率與太陽光的入射角度息息相關，受光面是否垂直于太陽,對能量的接收率影響很大。如果能夠自動調整太陽能集光板的角度進行追日，將大大提高接收率,進而提高發電效果，延長路燈的夜間照明時間3〕。為了實現這一目標，最有效的途徑就是使用逐日系統，使太陽光始終保持垂直照射到太陽能集光板上，充分接收太陽能,提高光能利用水平。

　　研究表明，相同條件下，安裝逐日系統的發電裝置比集光板固定安裝的發電量要提高35%左右。為此，本文采用數字光強檢測模塊和步進電機設計的逐日系統,實現了對太陽光強的自動檢測，使陽光始終保持基本垂直入射到太陽能集光板上，提高了光伏轉化效率涎長了太陽能路燈的照明時間。

　　1硬件設計

　　目前的太陽能逐日系統主要有2種方案可以選擇,分別是程序控制式和光電跟蹤式。其中程序控制式是指根據對太陽運行軌跡進行分析,通過天文學公式的運算,計算出具體地點的某一時刻太陽的高度角與方向角,以此來調整太陽能集光板的角度，使之能夠實現與太陽光照垂直,實現太陽能集光板逐日的目的,這種方式需要通過大量的運算,對控制器硬件要求較高，優點是不受天氣的影響，完全自主地完成跟蹤，但是可能會因計算而產生較大的誤差，需要定時進行校準，否則會影響精度。為適應高度角和方向角的變化,這一系統需要雙軸跟蹤,同時調整水平傾角和垂直傾角,因此一般在大規模太陽能發電系統中使用"。高速公路路燈所用的太陽能發電系統屬于小型系統,適合采用另外一種跟蹤方案—光電式跟蹤系統。

　　該系統使用光強傳感器來檢測太陽的位置，根據檢測結果來調整太陽能集光板的角度，當太陽發生偏轉時，光強傳感器受光面積不同,接收將產生并輸出與光照面積成正比的數字量，交由單片機作為偏差信號,驅動機械跟蹤機構,調整水平角度,使集光板的受光面與太陽光接近于垂宜，完成太陽水平方向的自動跟蹤。為了盡量提高太陽能電池集光板接收到太陽輻射能,對與垂直最佳傾角的設定應根據不同地區的緯度有所不同，鑒于冬季日照時間較短,如冬季時集光板收集的電量可以正常工作，那么其他季節自然也可以正常工作,故此集光板傾角只需與冬季的日光角度垂直即可，這也正是路燈的逐日系統不需要使用雙軸跟蹤的原因"列O本文所用的跟蹤方式為光電式跟蹤，系統硬件主要由光強傳感器模塊、單片機、步進電機、電機驅動模塊等組成。

　　本文通過光強傳感器來檢測太陽的方位，傳感器將太陽光強轉換為數字后送單片機進行處理,經程序中預設的比較值，來輸出脈沖信號,經過電機驅動模塊驅動步進電機,實現比較精確的角度偏轉。太陽能逐日系統要求光強檢測模塊能夠比較精確地判斷光照強度差別，對光強傳感器的靈敏度有較高的要求，同時也要滿足小巧靈活,容易操作等多種要求,通過對各種光強傳感器的比較,本文最后選擇了數字光強檢測模塊GY-30。GY-30采用了BH1750FVI芯片，功能強大，適用于太陽光的檢測。H1750FVI芯片的供電電壓在3~5V,所能測量的光照度范圍在0~65535lx;由于芯片內置16bitAD轉換器，可以進行直接數字輸出，省略了復雜的計算和標定的過程;其測試性能可以接近于視覺靈敏度的分光特性。VCC為供電電源,SCL為I2C總線時鐘引腳,SDA為I2C總線數據引腳，ADDRBH1750為I2C設備地址引腳,GND為接地引腳。

　　GY-30模塊的SDA,SCL引腳與單片機的P0.0和P0.1引腳直接相連，將GY-30產生的數字光信號直接傳輸到單片機中進行處理。單片機選用STC12C5A60S2,功耗低、抗干擾強，指令代碼與傳統8051完全兼容，但速度快8~12倍。內部集成MAX810復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換。由于本文的控制對象為步進電機,需要精確控制步進電機的旋轉角度，對運行速度和抗干擾能力要求較高,適合采用此款單片機。本文的驅動部件選用步進電機，步進電機又稱脈沖電動機，是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。

　　步進電機的運行主要受脈沖信號的頻率和脈沖個數的控制，與負載變化無關。脈沖頻率和脈沖個數分別控制步進電機的轉速和轉動角度，接收的脈沖信號驅動步進電機按照設定的旋轉方向轉過1個固定的角度(步距角)。步進電機的旋轉是通過固定旋轉角度逐個累進的，可以改變控制脈沖的個數來調節角位移，從而準確定位，也可以改變脈沖頻率來調節電機轉速和加速度9呵。本文選用的是28BYJ-48五線四相步進電機,其電壓為DC5-12V,對步進電機施加連續的控制脈沖時，可促使其連續轉動。每1個脈沖信號對應步進電機的繞組的通電狀態改變1次，同時轉子轉過一定角度(步距角)。當通電狀態的改變完成1個循環，轉子轉過1個齒距。本文采用的是四相步進電機的8拍工作方式。其正反轉程序如下：正轉:A,AB,B,BC,C,CD,D,DA;反轉:A,AD,D,DC,C,CB,B,BAO由于單片機的驅動力不足，需要使用電機驅動芯片ULN2003A進行放大后與步進電機相連。

　　2軟件流程

　　系統工作流程如下:當電源打開后，首先進行初始化,由單片機分配地址單元,初始化各個端口，打開總中斷，系統初始化，初始化串口，設置波特率等,設置當前狀態位。當系統開始運行時,2個光強傳感器開始接收陽光光強數據，由單片機對接收的光強數據進行比較。當左邊光敏元件檢測出的數值較大的話，電機驅動控制步進電機向左方轉動1個角度,當右邊光敏元件檢測出的數值較大的話,電機驅動控制步進電機向右方轉動1個角度。30s過后,再重新比較2個數據的大小，重新判斷轉動的方向。

　　2個光強值的差值在一定范圍內，即可認為相等，關閉系統，停止運行。5min后，重復以上過程。系統基本流程如圖5所示。本文將各個分模塊的處理函數分別寫入對應子程序中，通過主程序調用的方式實現函數的功能。主程序根據逐日系統主流程圖編寫，主程序中調用了系統初始化函數Sys_Init()函數,用于在開機時初始化串口與設置波特率。因系統實時運行，所以將電機驅動函數放置到while循環中，由RefreshBhl750()函數讀取數字光強檢測模塊的光強信號,通過對光強信號的判讀函數，驅動電機轉動。

　　3結論

　　本文進行了高速公路太陽能路燈的逐日系統設計,與傳統固定方式比較,所用方案能夠提高太陽能利用率約30%左右,所收集的電量可以延長供電時間2.5h以上。設計方案以光電傳感器為信息采集端，以STC12C5A60S2單片機作為核心，步進電機作為執行機構的逐日系統,整體結構簡單,靈敏度高,經濟實用,在測試實驗中取得了較為理想的結果，非常適合高速公路路燈這樣小型太陽能發電裝置使用。

　　參考文獻

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　　電子論文投稿刊物：《電子設計工程》是1993年創刊，原名《國外電子元器件》，主要介紹具有較高學術水平的、電子領域相關的理論、技術、方法的專業性技術期刊。國內刊號CN：61-1477/TN，國際刊號ISSN：1674-6236。主要介紹當前比較先進的國內外電子技術、元器件技術及其應用的科學技術類期刊，主要囊括電源技術應用、工業自動化、網絡與通信工程、測控與儀器儀表、圖像與多媒體技術、汽車電子、消費類電子、嵌入式系統、信息安全以及計算機應用等領域。