基于51單片機的節能型光伏追日系統的設計

李勉

摘要：目前存在的光伏追日系統在控制方式上都存在同樣的問題：追日步進電機時刻運行，從未停歇，存在浪費用電和機械疲勞運行等問題。文章主要介紹以51單片機為控制核心，結合光控與時控的優點，并在此基礎上提出適時進入節能的睡眠模式，最大程度地減少追日系統能耗的控制方法。實測結果表明，該算法具有減少系統耗電、減少機械傳動系統損傷等優點。

關鍵詞：光伏追日系統；51單片機；節能

隨著人口的持續增長和工業的不斷發展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，減少排放，開發利用可再生能源和各種綠色能源成為人類的主要任務。因此，深入研究利用太陽能，對我國乃至全世界的可持續發展都有極其重要的現實意義及戰略意義。傳統的太陽能電池板大都采用固定式安裝，即電池板固定在某個角度，不隨太陽位置的變化而變化，嚴重影響光電轉化效率。據推算：如果光電系統與太陽光線角度存在25度偏差，就會因垂直入射的輻射能減少而使光伏陣列輸出功率下降10%左右。一年四季春夏秋冬，白天到晚上太陽的起落，太陽光線角度時刻都在變化。為了提高光電轉化效率，人類設計了追日系統，通過單片機或PLC等自動化控制元器件結合伺服電機構建了單軸追日系統和雙軸追日系統。單軸追日系統結構相對簡單，投入少，但效率低，雙軸追日系統投入大，效率最高，基本可以實現光伏電池板時刻正對太陽。

1 問題的提出

雙軸追日系統分為2種跟蹤控制方式：第1種為光控，即使用光傳感器，根據天空不同區域光線強弱區別，判斷太陽位置，然后驅動電機轉動支架進行追蹤。第2種為時控，根據當地經緯坐標和時間，利用天文學計算公式，計算太陽所處天空的坐標，然后驅動電機轉動支架進行追蹤。上述2種控制方式都存在同樣的問題：追蹤步進電機時刻運行，從未停歇，存在浪費用電和機械疲勞運行等問題。本文主要介紹以51單片機為控制核心，結合光控與時控的優點，并在此基礎上提出適時進入節能的睡眠模式，最大程度地減少追日系統能耗的控制方法。實測結果表明，該算法具有減少系統耗電、減少機械傳動系統損傷等優點。

2 硬件結構

本文介紹的節能型光伏追日系統以51單片機為控制核心，包含光信號采集輸入部分、風力采集輸入部分、方位采集輸入部分、實時時鐘/日歷部分、步進電機控制部分、繼電器控制部分。功能如圖1所示。

2.1 實時時鐘/日歷部分

時鐘模塊對于雙軸追日系統十分重要，51單片機通過12C雙向總線進行串行通信，實時與AT8340讀取操作。通過AT8340提供的信息結合當地的坐標信息，計算出一年春夏秋冬四季、每天日升日落的太陽的光照角度，用于追日系統精細計算程序，有效地保證太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態。AT8340是一款實時時鐘/日歷（RTC）芯片，引腳和功能兼容于Maxim公司的DS1340和ST公司的M4ITOO。該芯片可對VBACKUP引腳進行涓流充電，計時電壓較低，且有振蕩器停止標志；提供秒、分、小時、星期、日期、月、年的信息；提供電源監測功能，一旦效監測到電源失效，就可自動切換到備用電源。

2.2 步進電機控制部分

L298芯片是一種H橋式驅動器，它設計成接受標準TTL邏輯電平信號，可用來驅動電感性負載。H橋可承受46V電壓，相電流高達2.5A。L298（或x0298，SGS298）的邏輯電路使用5v電源，功放級使用5-46V電壓，下橋發射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。L298（等）采用15腳雙列直插小瓦數式封裝，工業品等級。H橋驅動的主要特點是能夠對電機繞組進行正、反2個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進電機驅動、專用芯片構成的步進電動驅動系統。

2.3 繼電器控制部分

ULN2003是七重達林頓陣列，輸出端口有一個二極管連到COM。驅動繼電器、繼電器線圈是感性負載，此時將COM端連到電源正極，二極管為續流二極管。當繼電器動作時，會感應出高壓，續流二極管會將感應出的高壓向電源放掉，防止過壓擊壞芯片，也會減小高壓對電路產生干擾。

3 軟件執行

單片機開機后首先進入光照度采集程序，如果照度很低，如晚上或陰天，單片機程序就停留在光照度采集狀態，其他程序及外設還在“睡眠”狀態。當光照度提高到某個設定值，單片機開始喚醒睡眠中的設備，讀取來自AT8340芯片的時間及日期信息，通過計算確定太陽方位，比較光伏電池板目前方位與計算方位的差異，通過繼電器及電機驅動器的輸出調整光伏電池板的位置，使光伏電池板處于發電效率最高的角度。當光照度低于到某個設定值，單片機通過輸出繼電器切斷追日電機等設備電源，整個系統進入睡眠狀態。當太陽落山后，系統會自動將光伏電池板調回東面，太陽升起的方位為第二天再自動進入新一輪的運轉作好準備，同時會自動進入休眠狀態。當風力采集輸入部分獲得超過12米每秒的風速時，系統進入惡劣天氣保護狀態，追日程序會自動停止工作，并且立刻調整光伏電池的受光面與地平面成平行狀態或垂直狀態，以避免系統遭到破壞。

4 結語

國務院總理李克強2015年12月2日主持召開國務院常務會議，會議指出，對超低排放和節能改造要加大政策激勵。太陽能是潔凈能源發電的一支獨秀，在政策的支持下，節能型光伏追日系統將會得到更好的發展，雙軸追日系統將來會得到進一步的改善。