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電子論文

基于單片機的雙軸太陽能跟蹤系統設計

時間:2019年08月23日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:基于STC12C5A60S2單片機設計的雙軸太陽能跟蹤系統由傳感器模塊、電機驅動模塊以及控制模塊組成。傳感器模塊使用硅光電池并結合簡單結構模型對太陽光光強進行采樣,控制模塊使用STC12C5A60S2單片機為核心對采樣結果進行處理后控制直流電機以實現太陽跟

  摘要:基于STC12C5A60S2單片機設計的雙軸太陽能跟蹤系統由傳感器模塊、電機驅動模塊以及控制模塊組成。傳感器模塊使用硅光電池并結合簡單結構模型對太陽光光強進行采樣,控制模塊使用STC12C5A60S2單片機為核心對采樣結果進行處理后控制直流電機以實現太陽跟蹤的目的。簡單實驗結果顯示本系統可在指定時間內通過光強的強弱判斷是否進入跟蹤模式。本系統結構簡單、價格低廉為雙軸太陽能跟蹤系統提供設計參考。

  關鍵詞:STC12C5A60S2單片機;硅光電池;直流電機;太陽跟蹤

太陽能

  在這個世界經濟、人口飛速發展的時代,能源的消耗日益嚴重,如何開發和利用新型能源已經成為人們思考的重要問題。近些年人們也逐漸將目光關注在天然、無污染的太陽能源上。其永不衰竭、清潔環保、且發展前景非常廣闊的特點,受到了世界各國的青睞,也成為各國競相開發的綠色能源[1-3]。很久以前對太陽能的利用早就步入了人們的生活中,如最常見的太陽能熱水器。這類裝置對太陽能的利用上采用固定太陽能采樣板,其利用率往往比較低。

  為了充分提高太陽能利用率可以從兩個方面入手:一是提高太陽能裝置對太陽能的轉換率,二是提高太陽能的接收率,前者屬于能源轉化領域,還有待研究,而后者可以利用現有技術和算法可以得到一定解決[4-6]。所以為了解決固定跟蹤精度較低、成本較高等問題,本系統在跟蹤方式上本采用間隔跟蹤與特定時間段實時跟蹤相結合的混合跟蹤方法。

  該跟蹤系統根據當地時間和光照強度判斷是否進入跟蹤模式,避免夜晚和陰雨天對太陽的跟蹤以減少能源的消耗[8,11]。該雙軸跟蹤系統在光照強度十分強烈的正午時會進入實時跟蹤模式,且實時跟蹤算法采用PID增量式跟蹤算法能較為準確的對太陽實時角度進行跟蹤。

  1系統結構設計

  1.1系統物理結構設計

  太陽能跟蹤系統可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤,為了更高效的利用太陽能,該系統使用雙軸跟蹤模型,可知底座部分放置1號電機控制采樣板水平角度轉動,支撐軸處2號電機控制太陽能采樣板垂直方向轉動,從而實現在光照強度十分強烈時對太陽角度的實時跟蹤。

  1.2系統硬件結構設計

  根據太陽跟蹤的原理該系統在硬件模塊上可主要分為3個部分,其功能如下:

  1)傳感器模塊:使用硅光電池和LM324集成運放組成的采樣電路,并結合簡單的物理結構將太陽光強轉化成電壓供給單片機采集,以判斷太陽方位。

  2)控制模塊:基于STC12C5A60S2單片機和時鐘電路所組成的控制電路。單片機通過讀取到的時間來判斷是否進入間隔跟蹤和實時跟蹤。在精確追蹤方面單片機利用自帶ADC模塊獲得采樣電路的電壓差,使用PID增量算法計算出采樣板偏離太陽角度,并根據偏移角度輸出相應占空比的PWM信號給電機驅動電路完成對太陽角度的跟蹤。

  3)電機驅動電路模塊:根據不同占空比的PWM信號控制電機的轉速,使兩個直流電機能夠平穩的對太陽角度進行跟蹤。為了更好的觀察系統運行狀態和實驗結果,在該系統加入了MPU6050陀螺儀和OLED液晶顯示屏等輔助模塊,該輔助模塊更直觀的顯示傳感器電路所在的角度、當地時間、系統運行模式等。

  1.3傳感器模塊結構設計

  傳感器模塊是太陽能追蹤的關鍵部分,其使用帶有遮擋的四象限模型模型設計,其外圍設有一定高度的擋板,當太陽斜射到采樣電路上時由于擋板遮擋的關系會導致對應象限上硅光電池的電壓發生變化。當第1、3象限電壓不等時即Vy≠0V,相應系統會調整電機轉動使得采樣板對光照強度進行補償,直至1、3象限電壓相等。

  同理2、4象限電壓不等時即Vx≠0V,電機也會做出同樣操作。所以當Vx=Vy=0V時太陽直射傳感器模塊,此時獲得最大的光能利用率[13]。

  2系統硬件設計

  2.1STC12C5A60S2單片機

  STC12C5A60S2單片機工作電壓為5V,且在電機控制方面有較強的抗外界干擾能力,并且具有較大的RAM,更重要的是其擁有8路10位高精度、高速率的A/D轉換功能,同事具備了兩路可調PWM輸出,可以極其方便的對采樣電路進行電壓采集并控制電機的轉動。

  2.2DS1302時鐘芯片

  由于所選單片機內部沒有自帶時鐘系統,所以需要外部接入時鐘系統提供時間給單片機才能完成間隔時段跟蹤,而本系統在時鐘芯片上選擇DS1302時鐘芯片。該芯片的電路不僅電路設計上簡單且在與單片機通信時占用引腳少。且該芯片工作電壓與所選單片機工作電壓完全兼容。

  2.3采樣電路

  實際的使用過程中光電池輸出電壓一般較小,這樣不利于信號的采集和處理,所以在本工程中使用LM324運放芯片放大信號。LM324擁有4路帶差動輸入的運放,可同時在本工程中對4組光電池進行采樣[10,16]。

  2.4直流電機及驅動芯片

  由于所選控制芯片擁有兩路PWM調制輸出,使得其可以直接驅動兩路直流電機,所以本系統使用L298N驅動芯片實現對兩路直流電機進行控制,該驅動芯片使用的是雙H橋電機驅動,且每個橋的輸出電流可以達到2A。該芯片在驅動部分的電壓使用范圍是2.5~48V,而在與單片機相連接的部分使用的是5V的TTL電平。

  在電機的選擇上使用直流減速電機。在實際過程中該系統選用減速比較大的TT馬達,該電機轉速為100轉/分鐘,扭矩大小為4500mg∗cm,其強扭矩可以在系統停止時固定太陽能采樣板。且該電機的是強磁電機,抗干擾能力較強。

  2.5MPU6050陀螺儀

  該陀螺儀模塊擁有三軸的加速度和角速度傳感,使用時引腳接口簡單、體積也很小巧、使用IIC接口與單片機通信,占用引腳少。但是該模塊缺點是精度較差,MPU6050模塊的加速度本身的精度不高,在靜止的情況下,測量出的角度精度也只能在1°左右。可以較為準確得到采樣板的角度信息。

  2.6液晶顯示屏

  OLED顯示模塊價格便宜,而且發光效果是沒有死角的。它與上述陀螺儀一樣同樣使用IIC通信,與單片機通信占用引腳少,使系統運行狀態和時間信息得到很好的顯示。

  3軟件設計

  3.1PID增量式算法

  在本系統中選擇使用PID算法來控制電機轉速,其算法在處理偏差時本質上就是將系統偏差分為比例、積分和微分3個部分處理處理,以達到控制效果。PID分為3個單元,即:比例單元P、積分單元I、微分單元D[4]。第一部分是比例項,其在該算法中必要存在,在控制中它將輸入信號按照所需的比例進行放大。第二個部分則為積分單元,該部分主要使用積分計算,它能使系統當時所產生的誤差隨著時間的積累慢慢的變大或是變小,就這樣當系統遠離設定值時誤差會隨時間而增大,反之當系統到達預定值后該項就不會再改變且計算結果為零。

  所以這樣使用積分算法可以有效的減小穩態誤差。算法最后一個單元為微分單元,其主要通過微分運算處理誤差信號,一般適用于一些在運動上由于慣性作用而出現的延遲和超前現象。而在本系統中使用的直流減速電機雖然具有較大的減速比,但是還不足以使系統產生嚴重的滯后效應,所以在本跟蹤系統中也無需使用微分單元。

  3.2系統工作流程圖

  光電池首先將太陽光信號轉化成電信號,再由單片機進行采樣并計算,采樣信號經過軟件濾波后作為增量式PID算法的輸入參數進行計算,而增量式PID算法的輸出值作為單片機PWM信號的輸入參考值。在電機方向的控制上,通過比較東西方向或南北方向的電壓差來判斷電機的轉動方向,最后使用單片機的PWM輸出端作為L298N的邏輯控制輸入,并控制電機的轉速。而在光強的判斷上采用強光照射時光電池電壓作為電壓閾值與正常工作時4個光電池平均電壓比較來判斷天氣情況。

  若達到可跟蹤天氣,且達到可實時跟蹤的條件則不對時間進行判斷,直接進行實時跟蹤。若沒有達到實時跟蹤的條件就根據單片機讀取的時間和上次記錄的停止時間進行判斷是否進行跟蹤,開啟間接跟蹤的時間間隔可以根據軟件進行設定。且系統在間隔跟蹤模式下完成跟蹤后自動停止并記錄停止時間。本太陽能跟蹤系統以此完成間隔跟蹤和實時跟蹤的切換。

  4結束語

  本太陽能系統的優點在于能對太陽角度進行較為精確的跟蹤,能夠實現太陽角度的全方位跟蹤,可根據光照強弱自動進行間隔跟蹤或實時跟蹤。更重要的時此系統結構簡單,所使用芯片也較為大眾化,并且價格低廉,可以較好地作為大型太陽能跟蹤系統的模型。

  但此系統也有著一些不足,如跟蹤系統沒有防水、防風、防塵等設施,所以在室外工作會受環境影響較為嚴重。且在MCU的性能上還有待不足,所以若要使跟蹤精度更加精確可以使用如STM32、FPGA等運算速度較快的單片機。同樣為了防止太陽跟蹤過程中采樣板的抖動情況可以使用更穩定的電機驅動芯片。本跟蹤系統在性能上完成對太陽角度的跟蹤,同時也為其它太陽能跟蹤系統的設計提供參考。

  參考文獻:

  [1]施鳳鳴,楊冠魯.采用PLC的太陽能電池板自動跟蹤控制[J].寶雞文理學院報:自然科學版,2012,32(3):56-60.

  [2]黃欣.電子電力變壓器在光伏發電系統中應用研究[D].湖北:華中科技大學,2012.

  [3]李子瑜,基于全橋結構的三相逆變器并聯技術研究與設計[D].四川:電子科技大學,2013.

  [4]婁麗萍.基于dsPIC30F的移動式太陽能自動跟蹤系統的設計[D].天津:天津大學,2012.

  [5]胡勛良,強建科,余招陽.太陽光跟蹤器及其在采光中的應用[J].電子技術,2003,30(12):8-10.

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