基于單片機的跟蹤式太陽能追光控制系統

葉偉慧, 廖 才， 石金強， 陳國康， 許迎彬

(廣東海洋大學 寸金學院, 廣東 湛江 524094)

0 引 言

隨著綠色能源建設的不斷推進，以及全球能源短缺和環境污染等問題的加劇，對太陽能光伏發電提出了迫切的需求，在進行太陽能光伏發電裝置應用設計中，太陽能光伏發電的追光控制設計作為重要應用方向受到人們的極大關注，構建跟蹤式太陽能光伏板追光控制系統[1]，結合進行太陽能光伏發電路燈追光控制設計，提高太陽能的利用率。通過設計太陽能電池板自動追光系統，建立追光控制的自適應信息采集模型，通過對光強度的自動檢測和感知、機械裝置和電機裝置及時調整，實現對太陽能的自動追光控制，采用全方位的旋轉追蹤方法，進行太陽能光伏板控制，提高光伏調節板的全方位跟蹤和自適應控制能力，相關的跟蹤式太陽能追光控制系統設計方法研究受到人們的極大關注[2]。

目前太陽能發電應用都是固定太陽能板進行吸收光能轉換為電能，典型的追光控制器為單軸太陽跟蹤器，實現了東西方向的太陽光自動跟蹤，1998年美國加州成功地研究了八JM兩軸跟蹤器。在追光控制過程中，一天的太陽照射方向是有變化的，導致能量的利用率只有4個小時，可以說利用率較低。設計太陽能接收器，進行自動追光控制系統設計，使太陽能板跟隨陽光的方向進行旋轉，對光照進行實時雙軸垂直跟蹤，將極大地提高太陽能板的利用率[3]。本文提出基于單片機的跟蹤式太陽能電池板追光控制系統設計方法，系統的主體構架包括光強度檢測模塊、自動控制模塊、智能信息處理模塊、人機交互模塊、計算機控制模塊和接口電路模塊等，首先進行系統的總體設計分析，然后進行跟蹤式太陽能追光控制系統的硬件模塊化設計，最后進行仿真測試分析，得出有效性結論。

1 系統總體設計構架和功能模塊分析

1.1 系統總體設計構架

本文設計的跟蹤式太陽能電池板追光控制系統通過光敏模塊、紅外人體感應等模塊感知光強以及環境信息，結合外部物理信息采集結果，采用傳感器分布式設計方法，構建跟蹤式太陽能電池板追光控制系統的分布式物聯網環境，結合單片機進行跟蹤式太陽能電池板追光控制過程中的信息處理和計算機控制，將物理環境信息傳輸給單片機，結合自動反饋控制方法，進行跟蹤式太陽能電池板追光控制的算法設計，通過誤差反饋調節結果，進行跟蹤式太陽能電池板追光控制的誤差調節并作出反饋，系統在白天通過太陽能電池板吸收太陽光儲備電能，待到用戶回家時可以直接利用白天太陽板上儲存到的電能直接用于自家的電器使用[4]。根據上述分析，得到設計的跟蹤式太陽能電池板追光控制系統總體構架如圖1所示。

圖1 跟蹤式太陽能電池板追光控制系統總體構架

Fig. 1 The overall framework of a tracking type solar panel light-tracking control system

根據圖1的總體設計構架，進行跟蹤式太陽能電池板追光控制的模塊化設計，對電機的驅動裝置以及電池板進行智能調節，達到太陽能電池板跟蹤式追光的要求。采用控制算法進行模糊控制，編寫Matlab程序進行跟蹤式太陽能電池板追光控制的算法設計，使傳感器與控制電路輸出相應的控制信號，使電路進行放電與太陽能涓流充電狀態間的智能切換。

1.2 功能模塊分析

系統的主體構架包括光強度檢測模塊、自動控制模塊、智能信息處理模塊、人機交互模塊、計算機控制模塊和接口電路模塊等， 利用單片機對光線強度的檢測結果進行邏輯運算處理[5]，在總線控制模塊中，通過驅動電機組配合驅動模塊進行機械控制，控制太陽能板的角度，使光線垂直射到太陽能板上，從而使太陽能的利用率達到最高。根據蓄電池兩端的電壓與最低間值電壓或與峰值電壓的比較，采用模糊總線觸發的方法，采用專家系統引擎控制的方法進行跟蹤式太陽能電池板追光控制的程序加載，在智能輔助控制系統中進行跟蹤式太陽能電池板追光控制的監控組態軟件設計，得到系統的功能模塊構成如圖2所示。

圖2 系統的功能模塊構成

2 系統設計與實現

結合嵌入式交叉編譯方法進行太陽能電池板追光控制系統的硬件開發，跟蹤式太陽能電池板追光控制系統建立在嵌入式的控制平臺上，采用嵌入式的B/S構架方法，進行跟蹤式太陽能電池板追光控制系統的程序控制，系統的主體構架包括光強度檢測模塊、自動控制模塊、智能信息處理模塊、人機交互模塊、計算機控制模塊和接口電路模塊等，結合DSP集成處理芯片，實現跟蹤式太陽能電池板追光控制系統的硬件設計[6]，系統的硬件模塊設計描述如下。

2.1 光強度檢測模塊

光強度檢測模塊是實現物理信息采集的基礎，通過傳感器和光電轉換裝置接收太陽光，將光信號轉換成電信號，根據所采集到的信號，由單片機分析得最終控制的步進電動旋轉與轉向來控制太陽能電池面板，光強度檢測模塊由光敏電阻和AD轉換芯片PCF8591組成，PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口，具有I2C總線結構，串行輸入輸出[7]，節約了IO口資源等，模塊硬件構造如圖3所示。

圖3 光強度檢測模塊

2.2 自動控制模塊

自動控制模塊實現對整個追光控制系統的自動化控制功能，即利用LM2596S降壓模塊把電壓降為4.5 V(充電電壓)進行系統的輸入電壓控制[8]，采用模糊PID控制方法，進行系統的集成控制和自適應跟蹤識別，利用單片機對光線強度的檢測結果進行邏輯運算處理，通過自適應控制方法進行太陽光全方位跟蹤控制，控制模塊的電路結構如圖4所示。

圖4 控制模塊的電路組成

2.3 智能信息處理模塊

智能信息處理模塊實現系統的信息集成處理，采用DSP進行信息處理器的集成控制，通過光電傳感模塊進行光源跟蹤，并在嵌入式的ARM中收集太陽光，通過穩壓電源控制單片機進行太陽能電池板追光控制過程中的集成信息處理和智能切換[9]，智能信息處理模塊硬件設計如圖5所示。

圖5 智能信息處理模塊硬件設計

Fig. 5 Hardware design of intelligent information processing module

2.4 人機交互模塊

人機交互模塊通過數字量DO輸出端可以直接驅動單片機，由此可以組成一個光控開關，通過穩壓電源控制單片機進行太陽能電池板追光控制過程中的集成信息處理和智能切換，將硬件光敏電阻采集到的光信號經過單片機轉換成有效數據，模擬量AO可以和AD模塊相連，通過AD轉換，可以獲得環境光強的數值[10]，人機交互模塊的硬件設計如圖6所示。

圖6 人機交互模塊硬件設計

2.5 計算機控制和接口模塊

將硬件光敏電阻采集到的光信號通過單片機轉換成有效數據，主要控制器件采用STC89C52單片機，采用電壓沖激響應控制方法進行跟蹤式太陽能電池板追光控制系統的輸出總線控制，構建人機交互接口模塊，在三維 ICAD 平臺中進行跟蹤式太陽能電池板追光控制系統的硬件設計，得到集成控制電路如圖7所示。

圖7 集成控制電路設計

綜上分析，實現了太陽能電池板追光控制系統的硬件設計，在硬件設計的基礎上進行系統調試分析。

3 實驗測試分析

為了驗證本文設計系統的應用性能，進行實驗測試分析，結合嵌入式的Linux程序加載方式，進行跟蹤式太陽能電池板追光控制的輸出總線控制, 使用GPRS模塊進行嵌入式人機交互設計，安裝Windows Server 2012R2系統進行控制穩定性分析和自適應調節，測試系統對太陽光的跟蹤穩定性，得到結果如圖8所示。

(a)測試信號

(b)跟蹤信號

分析圖8得知，設計的跟蹤式太陽能電池板追光控制系統對太陽光的跟蹤穩定性較好，人機交互能力較強, 追光控制的自適應性較好。

4 結束語

本文提出基于單片機的跟蹤式太陽能電池板追光控制系統設計方法，主要對系統的光強度檢測模塊、自動控制模塊、智能信息處理模塊、人機交互模塊、計算機控制模塊和接口電路模塊等進行硬件設計描述，利用單片機對光線強度的檢測結果進行邏輯運算處理，通過自適應控制方法進行太陽光全方位跟蹤控制，設計自適應控制律使得追光控制系統能夠實時調整高度角和方位角，通過步進電機進行太陽光全方位跟蹤控制。光電傳感模塊采用光源跟蹤收集太陽光，通過穩壓電源控制單片機進行太陽能電池板追光控制過程中的集成信息處理和智能切換，將硬件光敏電阻采集到的光信號通過單片機轉換成有效數據，結合DSP集成處理芯片，實現跟蹤式太陽能電池板追光控制系統的硬件設計。分析得知，設計的太陽能電池板追光系統的控制穩定性較好，人機交互性較強，追光控制的自適應性較好，具有很好的應用價值。