选-基于单片机的双轴太阳能跟踪系统的设计

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基于单片机的双轴太阳能跟踪系统的设计王国龙（西南交通大学四川成都 611756）摘要为了解决太阳能工程项目中光伏效率不高的问题，设计了双轴太阳能跟踪装置，该系统采用视日轨迹跟踪方案。文中着重分析了双轴跟踪的原理及其系统组成，利用光伏元件和 STC89C52单片机实现大范围太阳跟踪，液晶显示屏实时显示最佳接收方位角及温湿度。在光线充足的天气条件下，跟踪装置自动旋转并始终保持太阳光垂直照射在太阳能电池的表面。在阴雨天或夜间等光线不足的条件下系统停止跟踪太阳转动。整个系统不需要任何外部电源供电，实现对太阳的高精度跟踪，并且使系统具有较强的抗干扰和运算能力。关键词单片机；自动跟踪；光敏电阻；太阳能电池；步进电机中图分类号 TP18 文献标识码 A 文章编号 1674－ 6236（ 2013） 15-0171-03Design of two -axis solar tracking system based on MCUWANG Guo-long（ SouthwestJiaotongUniversity ， Chengdu 611756， China）Abstract In order to solvethe low efficiency of solar projects in the photovoltaic， designthe solar tracking device of biaxial ，which dependson the trajectory tracking schemeusing the system.This paperfocuseson the analysisof the principle and systemcomponentsof the two-axis tracking； awide rangeofsolar tracking is achievedwith a photosensitiveelementand STC89C52， andLCD display real-time optimal reception of azimuth and temperatureand humidity. In sunnyweatherconditions， surfacetrackingdevice rotatesautomatically and keeps the sun radiating on the solar cell. In the rainy day or night and low-light conditions ， thesystemstops tracking the sun， reducing energy consumption.The systemdoes not require any external power supply. Achievehigh-precision tracking of the sun， andthe systemhasastronganti-interferenceand computingpower.Key words MCU； automatic tracking； photosensitive resistance； solar cell； stepping motor收稿日期 2013-04-09 稿件编号 201304105作者简介王国龙（ 1991），男，黑龙江龙江人。研究方向电磁场与微波、电子电路设计。太阳能作为一种新型清洁能源，受到了世界各国的广泛重视。目前太阳发电方式主要有塔式发电、碟式发电、光伏发电等，均为固定安装，无法保证太阳光实时垂直照射，导致太阳能资源不能得到充分利用。如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。自动太阳跟踪控制系统在实时跟踪太阳旋转的情况下，可接收到更多的太阳辐射能量，从而提高太阳能电池板的输出功率，该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用 [1]。有人研究了太阳光角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差 37.7，精确的跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高，进而提高了太阳能发电系统的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。1 总体设计思路1． 1 双轴独立太阳能自动跟踪系统功能简述根据目前太阳能技术发展特点以及国内外光伏发电系统的发展状况，以及针对现阶段太阳能光伏发电系统普遍存在的效率偏低的现实 [2]。文中研究并设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统。具体的设计目标如下 1）双轴系统采用两个步进电机来控制太阳能电池在水平和垂直两个方位自由的移动。2）独立系统无需任何外部电源供电，其工作所需的能源完全来自于自身太阳能电池发电和铅酸蓄电池的储能。3）自动太阳跟踪系统的运行无需人工手动调节，而是利用太阳位置传感器实时监测太阳方位并且跟踪太阳旋转。4）控制保持太阳能电池最大限度地接受太阳光照射的照射。这个装置最大的特点就是让太阳能电池随着太阳位置的变化来自动实时调整方位始终保持太阳能电池接受太阳光的垂直照射，避免了余弦效应的影响，可以最大限度地提高太阳能电池的发电效率 [3]。在阴雨天或夜间等光线不足的条件下步进电机停止工作，系统停止跟踪太阳转动，以降低能耗；出现大风天气时，装置自动报警，保证系统安全。同时，人机操作界面上安装了液晶显示屏，实时读取最佳接收方位电子设计工程Electronic Design Engineering第 21 卷Vol.21第 15 期No.152013 年 8 月Aug. 2013－ 171－电子设计工程 2013 年第 15 期角度、电机转动速度以及温湿度，极大地丰富了功能的多样化。装置原理示意图如图 1 所示。1.2 光伏跟踪原理根据基尔霍夫 - 菲涅尔公式，当太阳照射的法线与光电池的感光面的法线一致时，接收到的光通量最大的原理，使用位置传感器可以调节光敏面的角度实现最大光通量接收，如图 2（ a）所示 [4]。成像机构的水平轴指向东西方向，垂直轴指向南北方向，太阳光通过成像机构顶端小孔在接收屏上投影为太阳光斑，光斑在接收屏上的位置与太阳在天空中的方位有密切关系，如图 2（ b）所示。当太阳光线垂直照射光伏电阻时，设光斑所在的位置为中心 O（ 0， 0），设某时刻太阳光线在坐标轴上的位置为 X（ xi，yi），调整太阳光光斑与 O 点重合，水平和垂直方向需要分别调节 1）依据太阳光斑在水平坐标轴上的位置，即算出步进电机在水平方向上需要转动角度 α ，此角为光斑所在位置与 O 点的连线与正西方向的夹角，当系统在水平方向上顺时针转过 α 后太阳光斑的位置为 x’，由于太阳的运动方向为自东向西，根据接收光屏的摆放位置，太阳光斑只能在第 III 至第 IV 象限之间运动，所以 α 的计算方法如式所示。α 180° -arctan（ |yi|/|xi|） X 在第 III 象限（ 1）α arctan（ |yi|/|xi|） X 在第 IV 象限（ 2）由上推导可得，太阳方位角 φ s 为 φ s-90 ° -arctan （ |yi|/|xi|） X 在第 III 象限（ 3）φ s90arctan（ |yi|/|xi|） X 在第 IV 象限（ 4）2）根据 X′ （ x2i y2i姨， O）可以计算出接收屏在垂直方向要转动的角度 β 后，太阳光斑回到 O 点。此时太阳光线垂直于成像机构的接收屏，太阳高度 hs 与 β 关系为 hs90° - β arctan（ H/ x2i y2i姨）（ 5）2 硬件设计整个系统硬件设计分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统的硬件设计两大部分。硬件结构图如图 3 所示。各硬件所实现的主要功能如下 1）光伏传感器检测光照强度以及太阳光入射角度；2） A/D 转换器完成太阳光检测信号的采集，并输出及放大信号的模拟输入量；3）单片机 STC89C52接收到信号后，控制步进电机自动调节接收屏的方位至最佳状态 [5]；4）步进电机在水平和垂直方向运行速度可通过电位器调节；5）液晶显示屏显示日期、时间、温湿度、方位角度、高度角以及电机转动速度；6）太阳能电池板主要将太阳能转换为电能并输送给充放电控制器；7）充放电控制器主要对蓄电池组进行充放电控制以及直流电能的输出。3 软件设计设计中的软件采用模块化程序，设计在本次设计中实现分块逐渐，在对每个单独进行程序修改时不影响全局，同时降低编程的工作量和调试的难度。主要流程如下系统首先初始化，对程序中的变量值初始化。首先判断风速是否大于设定值，当未达到条件时，系统自动报警；当达到条件时，继而读取四个位置的光电信号，判断光照强度是否达到启动标准如果未达到条件，重复读取光电信号；达到设置值后， 1602 液晶显示屏显示当前时间和温湿度。此时， A\D 转换器输出光电信号，将太阳的高度角和方位角转换成步进电机所要转动的步数和方向。在STC89C52单片机控制下，步进电机在水平和垂直方向转动；当转到制定方位后，根据由光伏传感器通过信号处理后的信号，来判断太阳光是否垂直照射接收屏，若没有到达最佳方位，则需要修正方位角，直至达到最佳入射方向，继而命令即光斑在原点 O（ 0， 0）；系统进入休眠状态。软件流程图如图 4所示。图 3 硬件结构图Fig. 3 The hardware structure图 1 装置原理图Fig. 1 Principle diagram of the device图 2 接收屏上光斑位置示意图Fig. 2 Receiving light spot position diagram on screen－ 172－4 结束语文中设计的双轴太阳能跟踪系统采用实时自动独立跟踪和光伏检测跟踪相结合的跟踪方式实现。结合实时独立自动跟踪与光伏跟踪各自的优点，克服了单一控制及定时固定装置的缺点，并且以基于 STC89C52单片机为控制器的核心芯片，使控制器具有高速计算功能、快速处理能力和低干扰性 [6]。通过硬件与软件抗干扰的结合，完善系统监控程序，设计稳定可靠的单片机复位系统是完全可行的。综上所述，文中的太阳能跟踪装置可以精确地对太阳的方位角和高度角进行实时快速准确的跟踪，具有较高的稳定性，即使在天气变化比较复杂的情况下该系统也能正常工作，有利于提高太阳能的利用效率。在技术上运用了数据融合的方法，避免了单一传感器检测带来的随机误差；各传感器均实时自动检测，实现了光电信号的动态监测和装置的动态调节控制。在未来的发展中，自动独立太阳能跟踪装置的精度愈加准确、稳定愈加可靠以及智能愈加先进。参考文献 [1] 杨志成，柳浩，孔祥斌 . 基于 DSP的太阳能跟踪控制系统研究 [J]. 计算技术与自动化， 2011， 30（ 2） 23-26.YANG Zhi-cheng， LIU Hao， KONG Xiang-bin. Research ofSolar tracking control system based on DSP[J]. Journal ofComputation Technologyand Automation， 2011， 30（ 2） 23-26.[2] 祝玉华，石凤良，李力猛 . 太阳电池及光伏发电 [J]. 中国现代教育装备， 2008（ 6） 54-55.ZHU Yu-hua， SHI Feng-liang， LI Li -meng. Solar cells andphotovoltaic power generation[J]. Journal of Chinese ModernEducation Equipment， 200854-55.[3] 谷延霞，谷艳云 . 光伏发电现状分析及发展对策 [J]. 山西建筑， 2013， 3（ 39） 199-201.GU Yan-xia， GU Yan-yun. Photovoltaic current situationanalysis and developmentcountermeasure[J].ShanxiBuilding ，2013， 3（ 39） 199-201.[4] 郭晶晶 . 太阳光线自动跟踪装置 [D]. 沈阳沈阳工业大学，2007.[5] 易丽华，黄俊 . 基于 AT89C51单片机与 DS18B20的温度测量系统 [J]. 电子与封装， 2009， 5（ 9） 39-43.YI Li -hua， HUANG Jun. Tmperature measurement systembased on the AT89C51 MCU and DS18B20[J]. Journal ofElectronics and Encapsulation， 2009， 5（ 9） 39-43.[6] 王晖，薛永存 . 基于 MCS 51单片机的复位电路抗干扰分析与设计 [J]. 现代电子技术， 2006（ 8） 113-114.WANG Hui ， XUE Yong-cun. Reset circuit anti-interferenceand design Based on the analysis of MCS 51 single chip[J].Modern electronic technology， 2006（ 8） 113-114.图 4 软件流程图Fig. 4 Software flow chart艾法斯为其 TM500 LTE-A 测试移动终端新增对多用户设备载波聚合的支持艾法斯控股公司旗下的全资子公司艾法斯有限公司（ Aeroflex Limited ）日前宣布推出支持在多个移动终端或用户设备（ UE）上实现载波聚合的 TM500 Multi-UE LTE-A 测试移动终端。载波聚合是 LTE-A 的关键组成部分，它允许由邻近或不邻近的频段叠加在一起组成多载波，从而实现更宽的信道带宽和更高的数据速率。TM500 测试移动终端平台是验证 LTE 和 LTE-A 基站或者 eNodeB 的事实行业标准。 Aeroflex 继续与移动运营商和领先的网络基础设施供应商合作，支持他们继续开发并开始推出由 FDD 和 TDD 两种运行模式的 LTE-A 所支持高宽带服务。咨询编号 2013151013欢迎订阅 2013 年度电子设计工程（半月刊）国内邮发代号 52-142 国际发行代号 M2996 订价 15.00 元 /期 360.00 元 /年““““““““““““““““““““““““““““““““““王国龙基于单片机的双轴太阳能跟踪系统的设计－ 173－