摘要：為了改善固定式安裝的光伏組件發(fā)電受太陽高度角和方位角的變化導(dǎo)致太陽能利用效率低的問題，設(shè)計一款基于單片機(jī)的光伏追日系統(tǒng)，系統(tǒng)在硬件上由控制模塊、信號采集模塊、命令執(zhí)行模塊、光伏電池板以及電源組成，在軟件上采用單片機(jī)控制技術(shù)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動太陽能電池板時刻正對太陽，以達(dá)到太陽能利用率最大化。經(jīng)測試，基于單片機(jī)的光伏追日系統(tǒng)能夠根據(jù)光照度自動調(diào)整轉(zhuǎn)角，增加光伏電池板的轉(zhuǎn)換效率，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)修正精度符合設(shè)計預(yù)期。

　　關(guān)鍵詞：光伏追日;單片機(jī);自動跟蹤;太陽能電池板;系統(tǒng)設(shè)計;系統(tǒng)調(diào)試

　　0引言伴隨著社會現(xiàn)代化的持續(xù)推進(jìn)，全世界對能源的需求量越來越大，導(dǎo)致資源過度開采，環(huán)保壓力巨大。基于可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，人們不能靠消耗礦物燃料來維持與日俱增的能源需求，因此全球大多數(shù)的國家都在致力于對可再生能源的深度研究和廣泛利用[1]，此時清潔、廉價的太陽能成了人們的首選。雖然太陽能資源非常豐富，但能量收集困難，而且由于太陽位置的持續(xù)改變，傳統(tǒng)固定式安裝的光伏組件未能跟隨太陽轉(zhuǎn)動，只能在固定時間段正對太陽[2]，從而導(dǎo)致太陽能的利用率十分低下。因此，利用光敏電阻模塊和單片機(jī)控制模塊組成的自動控制裝置，采用達(dá)林頓和步進(jìn)電機(jī)配合使用，從而保持太陽能電池板能夠?qū)崟r追蹤太陽，達(dá)到增加光伏電池板的轉(zhuǎn)換效率，提高太陽能利用率的目的。

　　單片機(jī)論文范例：單片機(jī)的智伴系統(tǒng)的設(shè)計

　　1追日系統(tǒng)工作原理

　　該系統(tǒng)采用光電跟蹤結(jié)合高精度的二維跟蹤方式，光電檢測部分由光敏電阻對光照度信息進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理。將4個完全相同的光敏電阻1~4分別安裝在光伏電池板的4個方向上。當(dāng)太陽光垂直照射太陽能電池板時，同一方向相對的2個光敏模塊接收到的光照相同，其阻值相同，此時步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動[3]。當(dāng)太陽光與光伏電池板垂直方向產(chǎn)生夾角時，相對的2個光敏電阻模塊接收到的光照度不同，通過雙電壓比較集成電路LM393對光敏電阻電壓進(jìn)行比較，利用光敏電阻電平的變化[4]，單片機(jī)發(fā)出控制命令給執(zhí)行模塊，在達(dá)林頓接收到信息后，給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過間接命令對步進(jìn)電機(jī)的控制，實現(xiàn)對光伏電池板的控制，從而實現(xiàn)對太陽光的自動跟蹤。在濕度較高的環(huán)境下則直接暫停跟蹤并保持光伏板傾斜。

　　2硬件設(shè)計

　　本文介紹的光伏追日系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，均為5V電源驅(qū)動，主要包括控制模塊、信號采集模塊、命令執(zhí)行模塊、光伏電池板以及電源在內(nèi)的5個模塊。

　　2.1控制模塊

　　控制模塊以單片機(jī)為核心，與其他輔助電路相連，利用單片機(jī)不同的管腳功能，結(jié)合軟件程序?qū)崿F(xiàn)控制輸入/輸出的可控電路。本光伏追日系統(tǒng)單片機(jī)使用的是STC12C5A60S2，比傳統(tǒng)的80C51單片機(jī)的運算速度更快，速度可以達(dá)到C51的8~12倍，能耗更低，抗干擾的能力更強(qiáng)，擁有8路10位精度ADC，轉(zhuǎn)換速率[5]高達(dá)250Kb/s。

　　2.2信息采集模塊

　　信號采集模塊包括光敏模塊和濕度檢測模塊。本文設(shè)計使用的光信號采集器為5V四針光敏模塊。光敏傳感器的原理是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，有數(shù)字信號與模擬信號兩種輸出[6]方式。光敏電阻是最普通的光敏傳感器，常與LM393搭配使用，光敏模塊靈敏度極高，驅(qū)動能力強(qiáng)，在追蹤過程中，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

　　濕度檢測模塊選用DHT11，它是集數(shù)字式濕度信號采集與溫度信號采集于一體的模塊，采用數(shù)字信號輸出方式，濕度檢測最高精度為±5%RH，溫度最大檢測精度為±2℃，濕度檢測范圍為20%RH~90%RH，溫度檢測范圍為0~50℃。該模塊采用單線制串行接口，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸、控制全部由單總線完成[7]。通常要求外接一個約5.1kΩ的上拉電阻，當(dāng)總線空閑時，保持高電平狀態(tài)。只有主機(jī)發(fā)出信號時，模塊才會響應(yīng)，因此主機(jī)訪問DHT11都必須嚴(yán)格遵循單總線序列，出現(xiàn)序列混亂，器件不會響應(yīng)主機(jī)。

　　2.3命令執(zhí)行模塊

　　命令執(zhí)行模塊包含達(dá)林頓模塊和步進(jìn)電機(jī)兩個模塊。每一對達(dá)林頓都需串聯(lián)一個2.7kΩ的基極電阻，在工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)，工作電壓高，電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行[8]。

　　本文系統(tǒng)的設(shè)計是利用達(dá)林頓為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號，控制2個步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)雙軸光伏追日系統(tǒng)的自動控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的工作流程為從P0或者P1端口開始輸出0x00。由于追日系統(tǒng)使用雙軸交叉設(shè)計，單片機(jī)和2個達(dá)林頓模塊連接，每個達(dá)林頓模塊包含5個管腳，但只有1個管腳處于保持導(dǎo)通狀態(tài)，其余4個處于斷開狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制元件。

　　在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響[9]。步進(jìn)電機(jī)不能像普通的直流、交流電機(jī)那樣，在常規(guī)下使用。它必須由控制系統(tǒng)結(jié)合雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路組成，方可使用，步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。通過改變脈沖的順序，可以輕松改變轉(zhuǎn)動的方向。該設(shè)計使用的是28BYJ48，它是5V直流電源驅(qū)動的4相5線步進(jìn)電機(jī)，減速比為1∶64，轉(zhuǎn)動1圈需要4096(360÷5.625×64=4096)個脈沖信號。功耗電流為200mA，采用ULN2003模塊驅(qū)動，驅(qū)動端口為P0.0(A)、P0.1(B)、P0.2(C)、P0.3(D)。正轉(zhuǎn)次序：AB組—BC組—CD組—DA組(即一個脈沖，正轉(zhuǎn)5.625°);反轉(zhuǎn)次序：AB組—AD組—CD組—CB組(即一個脈沖，正反轉(zhuǎn)5.625°)[10]。

　　3軟件設(shè)計

　　在程序開始之前，首先設(shè)定濕度閾值，程序開始后，單片機(jī)發(fā)送啟動信號，系統(tǒng)從休眠模式變?yōu)檫\行模式，濕度傳感器給出反饋，開始濕度采集，并將采集到的數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)，與單片機(jī)所設(shè)置的濕度閾值進(jìn)行比對[11]。

　　如果濕度超過設(shè)定值，則調(diào)用步進(jìn)電機(jī)1的左轉(zhuǎn)子程序一次，使光伏板傾斜，同時返回到濕度檢則程序繼續(xù)執(zhí)行并調(diào)用長時間延時程序，暫停后續(xù)的光線檢測跟蹤程序;如果濕度低于限定值，則直接返回到檢測溫濕度的程序繼續(xù)執(zhí)行，隨后調(diào)用光照檢測跟蹤程序，光敏模塊在系統(tǒng)啟動后立即進(jìn)入到工作狀態(tài)，實時發(fā)送目前檢測到的數(shù)字信號給單片機(jī)，檢測電路根據(jù)光照強(qiáng)弱確定輸出的信號是高電平還是低電平[12]。高電平表示目前檢測到的情況為沒有光照，低電平則表示目前檢測到光照。

　　然后將輸出的信號發(fā)送給程序進(jìn)行情況判斷比對，如果相對的兩個光敏模塊檢測到的光照是平衡的，這時不進(jìn)行后續(xù)調(diào)用操作，光照檢測繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行[13]。如果相對的兩個光敏模塊檢測到的光照不是平衡的，再通過程序判定是否為1模塊、3模塊，如果是1模塊、3模塊則調(diào)用P1步進(jìn)電機(jī)子程序，反之則調(diào)用P0步進(jìn)電機(jī)子程序。主程序在兩個電機(jī)控制循環(huán)的過程中加入延時程序以達(dá)到每個電機(jī)之間不同命令的隔離，從而保證各自的獨立性，主程序流程如圖7所示。

　　4系統(tǒng)調(diào)試

　　在初始調(diào)試過程中出現(xiàn)了電機(jī)旋轉(zhuǎn)不到位，同時存在旋轉(zhuǎn)方向與實際設(shè)計相反的情況，這表示在程序中步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)表調(diào)用了相反的列表，此時第一時間回到編寫的程序中找到相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制子程序，更改轉(zhuǎn)動列表的調(diào)用。而后在對光敏測試可發(fā)現(xiàn)有一個光敏電阻模塊總是表現(xiàn)為高電平，通過檢測確認(rèn)該模塊損壞，更換備用的模塊后該故障解除，可以正常實現(xiàn)各部分之間的配合運轉(zhuǎn)。

　　5結(jié)語

　　本文系統(tǒng)實現(xiàn)的基于單片機(jī)的光伏追日控制系統(tǒng)， 在應(yīng)用中具有成本低、設(shè)計簡單可靠的特點。采用光電追蹤與二維追蹤相結(jié)合的方式，提高了光伏追日的精準(zhǔn)度，從而也提升了太陽能的利用率。本文系統(tǒng)實現(xiàn)了全自動跟蹤模式，采用數(shù)字式溫濕度傳感器，根據(jù)濕度高低來決定是否繼續(xù)運行后續(xù)程序，當(dāng)濕度過高時終止跟蹤太陽，反之則繼續(xù)自動跟蹤，這樣就避免了雨天時刻系統(tǒng)的運行，擁有節(jié)約用電以及防止產(chǎn)生機(jī)械疲勞的優(yōu)勢。

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　　作者：趙永鑫，黃韜，陳衛(wèi)，唐琳