低功耗太陽實時跟蹤裝置的設計

尚冬梅 劉琳靜 韓娟

摘 要：為了充分、全面利用太陽能資源，采用太陽跟蹤的方法能夠直接獲取更多的光能，設計了一種低功耗太陽跟蹤裝置，該裝置以TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149為核心，通過光電傳感器作為前向通路，完成對太陽光源具體方位的實時采集，同時，單片機對舵機的PWM控制，實現對太陽的實時跟蹤功能。通過USB接口與上位機的通信，該裝置完成了對數據的實時查詢、回放和保存功能的實現。系統測試結果證明了該裝置的準確性和低功耗特性。

關鍵詞：低功耗；MSP430F149；太陽能；跟蹤裝置；光電傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.048

1 引言

隨著能源短缺、環境污染影響的加劇，可再生能源的利用日益受到廣泛關注。可是在太陽能應用中轉換率低始終是人類全面利用太陽能的一大障礙，其中到達地面的太陽能密度太低，是一個基本原因，其峰值也不過每平方米一千瓦左右。由于太陽是按照一定的軌跡運動的，其空間分布不均，因此，對太陽進行實時跟蹤是直接提高太陽能利用率的一種有效方法。在太陽能發電中，相同條件下，一般采用跟蹤技術能夠提高發電效率30%以上[1]。所以，就必須對太陽進行跟蹤，跟蹤方法主要有光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤[2]。光電跟蹤靈敏度高，結構設計方便，本文設計出一種利用光電傳感器作為光信號的采集器件，控制舵機角度，從而改變電池板的角度，使得電池板平面始終在垂直在太陽光的位置上。

2 硬件設計

低功耗太陽跟蹤裝置主要包括主控制器電路、光信號采集電路、舵機驅動電路、電源電路、USB轉RS232電路五個模塊。結構框圖如圖1所示。

主控芯片選擇TI公司生產的16位MSP430F149單片機，外部電路是由光敏三極管作為光電傳感器件將光強信號轉換為電信號，經過放大器電路處理，通過內部12位AD采集，將采集的數據實時的送入單片機，根據光強信號的變化找尋到光強最強點后，單片機對舵機轉動角度進行控制，直到找到最強光源處，同時通過USB接口將數據上傳到上位機[3]。主控制器電路完成控制并協調各個外圍設備工作的功能。其主要是通過軟件編程，按需要從外設獲取信號并處理信號，最終實現控制作用。

（1）光信號采集電路。光信號采集電路就是通過光敏三極管將光強信號轉換為電壓信號的電路，如圖3所示。光敏三極管和普通三極管的結構相類似，不同之處是光敏三極管有一個對光敏感的PN結作為感光面，一般用集電結作為受光結，光敏三極管實質上相當于在基極和集電極之間接光敏二極管，由于光敏三極管具有半導體三極管的放大作用，當有光照射時，光敏三極管產生的光電流就是將光敏二極管的光電流放大了。為了采集效果好一些，進行簡單的運放處理電路后，再經過由TLC2202搭接的電壓跟隨器，使得電壓信號輸入到單片機的AD進行采樣[4]。為了更好的控制，在電池板上放置三個不同位置但在同一直線上的光敏三極管，分為左中右三組。

（2）舵機和電源電路。采用的是SH14-M數字舵機，從主控芯片產生的PWM信號作為控制舵機方向的控制信號。舵機的轉角達到185度，控制精度最大為256，實際過程中，將185度分為250份，每份0.74度，控制所需寬度為0.5ms-2.5ms，寬度2ms。DIV：2ms/250=8us。

電源電路需要有三個供電電源，分別是單片機的3.3V供電、舵機的7.4V供電和光信號采集電路的5V供電。輸入為12V電壓，電容進行穩壓濾波后，再接入中等功率的集成MOSFET的開關電源芯片TPS5430，TPS5430在輸出5V時能提供3A的最大負載電流。7.4V電壓是由LM2596穩壓芯片及其外圍電路完成的。3.3V穩壓集成芯片TSP76433將TPS5430的5V電壓穩壓到3.3V供電。在系統供電時，肖特基二極管D1和D2可以有效防止電池電流輸入穩壓集成芯片，一則可以保護穩壓集成，二則可以減小一部分電流，實現更低功耗[5]。

（3）USB轉RS232電路。MSP430單片機有RS232接口，波特率可設。但USB接口現在飛速發展，現在每一臺計算機都有USB接口。并且用串口編上位機軟件比較容易實現。MSP430單片機與計算機通信，USB轉RS232是必要的。我們采用了USB轉RS232芯片CP2102。

3 軟件設計

主程序是整個軟件的靈魂，起主導作用。主程序的設計直接影響整個設計的進程。主程序主要通過調用子程序來完成控制命令的。通過軟件控制語句，函數等，將這些子程序鏈接起來，組成整個軟件的骨架。當系統進入中斷程序后，首先對采集到的三路電壓信號進行比較，然后找出其中的最大值，如果是中間值最大，則不進行操作，如果是左路值最大，則調節PWM波的占空比使舵機向左旋轉一度，相反，如果是右路值最大，則調節占空比使舵機向右旋轉一度，依次循環，一直到中間的光敏器件測到的數據最大為止。

4 系統測試及誤差分析

本系統低功耗設計包括硬件和軟件兩方面。硬件方面，選用了低功耗的芯片，并且MCU的外設通過降低芯片工作電壓及優化電路設計來降低功耗。軟件方面，由于MCU的睡眠模式和空閑模式具有可編程性，我們使MCU進入休眠模式和空閑模式來降低功耗，如將空閑的I/O管腳拉低，采集數據的時候間隔采樣等。如果到達采集時間MSP430F149會定時被喚醒，若沒有，則直接進入低功耗模式。

以MSP430F247為控制核心，用特殊算法對兩個感光三極管進行數據采集以及分析，通過控制舵機實現對點光源的定位和追蹤，能快速穩定的指向點光源。

參考文獻：

[1]陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003（03）：10-12.

[2]周希正，李明.太陽能槽式聚光單軸跟蹤的應用設計[J].中國高新技術企業，2009（122）：20-21.

[3]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002：34-50.

[4]默少麗，鄧鵬.基于MSP430的低功耗便攜式測溫儀設計[J].電子工程師，2008，34（03）：18-20.

[5]李莉.低功耗數據采集裝置的設計[J].科技情報開發與經濟，2006，16（01）：249-255.

作者簡介：尚冬梅（1985-），女，陜西人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：電工電子、光伏發電、風力發電。