基于MC9S12XS128的智能型太陽能跟蹤控制系統

張飛飛+高愛宇+韓澤欣+周志文

摘 要 太陽能光伏發電是有效利用太陽能的手段之一，目前太陽能光伏發電系統的轉換效率都不高，如何提高太陽能光伏發電系統的轉換效率是當前太陽能研究的熱點，然而受材料、生產工藝以及成本等制約因素的影響，要提高太陽能電池的轉換效率是一件很困難的事情，因此要提高太陽能光伏發電系統的光能利用率，可以使光伏發電系統的太陽能電池板與太陽光保持垂直，通過提高單位面積上照射在太陽能電池板上的太陽能來實現。文章介紹了一種智能型太陽能跟蹤控制系統，能夠有效地跟蹤太陽光，使太陽光總是與太陽能電池板保持垂直，實時跟蹤太陽能，使光伏發電系統工作在最大功率點，能夠有效提高系統發電效率30%以上，該系統在提高太陽能光伏發電系統的光能利用率方面具有較強的實用價值和重要意義。

關鍵詞 太陽能；光伏發電；雙軸控制；MC9S12XS128

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0027-02

太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，其作為一種理想、清潔的新能源，合理利用及開發是解決當前能源危機和環境問題最具獨特優勢的途徑之一，已成為當前研究和應用的熱點。太陽能發電有兩種方式：一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式，其中太陽能光伏發電目前應用最廣，也最具應用前景。目前的太陽能光伏發電系統多采用固定式構架，又由于光伏電池是一種比較典型的非線性電源，其輸出特性受光照強度、溫度以及負載特性的影響比較嚴重，因此不能保證其始終工作在最大功率狀態，從而導致光伏發電系統功率損失嚴重和光伏發電效率偏低。假如能夠使太陽能電池板與太陽光保持垂直，便能提高單位面積上接收的太陽能，使系統工作在最大功率點上，從而提高太陽能的利用率。相比之下，帶有自動跟蹤功能的光伏發電系統的發電量比固定式光伏發電系統提高30%以上，因此對于如何使太陽能電池板準確跟蹤太陽能，提高光伏系統的發電效率，提高發電量成為研究的焦點。

1 太陽能跟蹤控制的系統結構和組成

本系統是由機械結構、控制器、太陽能電池板、輸入輸出模塊、負載組成的一個獨立的光伏發電系統。

1.1 系統機械結構

圖1 系統機械結構示意圖

本太陽能跟蹤控制系統采用雙軸控制方式，其機械結構示意圖如圖1所示，系統的機械結構部分由系統機械平臺、支架、以及兩個12V-12RPM直流減速電機組成。系統在控制策略及結構上采用了雙軸控制的方式，能夠通過裝設在平臺和支架上的兩個減速電機來控制太陽能電池板在水平方位和豎直方位的運動，確保太陽能電池板能夠隨著太陽光保持垂直狀態自由運動。

1.2 控制器組成

本系統的控制部分分為兩個部分，第一部分為模擬信號控制部分，其控制方式是通過光敏電阻組成的光敏傳感器采集太陽光信號，再通過LM393比較器輸出一個便宜信號，加載在電機驅動模塊上，對系統進行一個粗步調節；第二部分為程序控制部分，通過傳感器采集太陽能電池的輸出信號，傳輸給MC9S12XS128單片機，經過單片機內部自帶的A/D轉換模塊轉換為數字量后，再通過一定的算法處理，輸出PWM信號加載在電機驅動模塊上，從而對系統狀態進行精細調節，系統控制結構框圖如圖2所示。

圖2 系統控制結構框圖

2 控制系統硬件電路設計

2.1 模擬控制電路部分

圖3 模擬控制電路

模擬信號控制部分采用了光敏電阻，通過對四組光敏電阻組成的比較電路來確定四個方向的關照信息，通過LM393比較器輸出的信號加載在電機驅動模塊上，即可控制兩個減速電機在豎直方位和水平方位的運動，確保太陽能電池板上的四組光敏傳感器在四個方向上受光均勻，從而確保太陽光與電池板保持垂直，如圖3為模擬控制電路。

2.2 電機驅動電路

本系統在直流驅動電路上采用了兩片BTS7960芯片組成的全橋驅動電路，每片BTS7960芯片的內部為一個半橋，當引腳INH為高電平時，BTS7960芯片使能。引腳IN用于確定由哪個MOSFET導通。當IN引腳為高電平且INH引腳也同時為高電平時，高邊MOSFET導通，則OUT引腳輸出高電平；反之，當IN引腳為低電平且INH引腳為高電平時，低邊MOSFET導通，則OUT引腳輸出低電平；如此，通過控制兩片BTS7960芯片IN引腳的電平，就能控制電機的正反轉。其中SR引腳外接電阻的大小，可以對MOS管關斷和導通的時間進行調節，能起到防電磁干擾的功能；IS引腳是電流檢測輸出引腳。電機采用的是12V電源供電，因此電機驅動模塊的電源進線為12 V。該電機驅動電路應用簡單，且驅動功率較大，只需要將單片機輸出的PWM信號向芯片第2引腳IN輸入就能對直流電機的轉速和方向進行控制。

2.3 充電器控制電路

本系統所采用的太陽能電池板額定功率30 W，輸出電壓18 V，蓄電池采用太陽能系統專用的電壓為12 V、容量7 Ah的鉛酸電瓶，充電器再設計時，選擇了UC3906這款VRLA蓄電池專用的充電芯片，它具備將VRLA蓄電池實現最佳充電效果的全部控制和檢測功能，更為可貴的是該芯片能夠使充電器的各種轉換電壓隨著VRLA蓄電池的電壓溫度系數變化而變化，因此能滿足蓄電池在比較寬的溫度范圍內還能達到最佳工作狀態，圖4為蓄電池充電器電路圖。

圖4 為蓄電池充電器電路圖

2.4 電流、電壓采樣電路

電流采樣電路部分是利用ACS712ELC-05B電流傳感器芯片，該芯片是基于霍爾效應的線性電流傳感器，電路可以測量正負5 V以內的電流，對應的模擬量輸出為185 Mv/A，在沒有檢測電流通過時，輸出電壓為VCC/2；電壓采樣模塊在設計時利用了電阻分壓原理，使得端子接口輸入的電壓縮小5倍，電壓的輸入范圍為0～25 V，滿足系統設計的要求。電壓、電流采樣電路的模擬輸出端連接到MC9S12XS128單片機的A/D口，通過讀取A/D值即可測出相應的電壓值和電流值。endprint

3 控制系統軟件算法設計

控制系統在軟件算法設計中采用了電導增量法，它是通過比較光伏電池的瞬時電導與電導的變化量來達到跟蹤最大功率點的目的。由于太陽能光伏電池的輸出特性曲線是一個單峰值的曲線，因此在最大功率點就有dP/dU=0，其中P為光伏電池的輸出功率，U為光伏電池的輸出電壓。因此

==

進一步又可得到如下結論：

1）在最大功率點左側，。

2）在最大功率點處，。

3）在最大功率點右側，。

因此，通過對光伏電池輸出電導的變化量與輸出電導之和的符號，即的符號，即可確定并調整系統工作點的位置，

從而實現光伏系統對最大功率點的跟蹤。由于dU作為電導變化量的分母，因此在處理時，必須首先確定dU是否為零：當dU為零時，表示電壓不變，此時則又應該根據dI的符號來調整光伏發電系統的工作狀態；當dU不為零時，則可根據上述三條結論來調整光伏系統的工作狀態。

4 實驗結果

本系統在測試過程中，環境溫度在20℃左右時，在相同條件下，與固定結構式的太陽能光伏發電系統相比較，本系統在太陽能利用率方面明顯提高，實驗結果表明，帶有自動跟蹤控制功能的光伏發電系統發電量比普通固定式光伏系統提高30%左右。

5 結論

本文對智能型太陽能跟蹤控制系統的制作方案、電路設計及軟件原理做出了比較全面的介紹，系統結合了硬件模擬電路控制和單片機程序控制兩種方式，又采用了效率較高的雙軸控制的機械結構，先經過模擬電路初步調節，再通過單片機程序軟件逐步精細優化，在測試過程中，表現出了穩定、靈活、高效的特點，能夠有效提高太陽能光伏發電系統的發電效率，具有廣闊的應用前景、研究和市場價值。

基金項目

西北民族大學國家大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：201310742027）。

參考文獻

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