基于單片機控制太陽能智能跟蹤控制系統的設計

李仁浩，龔思敏，楊 帆，劉 松，李小兵

(1.南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031；2.南昌大學信息工程學院，江西南昌 330031)

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基于單片機控制太陽能智能跟蹤控制系統的設計

李仁浩1，龔思敏2，楊 帆1，劉 松1，李小兵1

(1.南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031；2.南昌大學信息工程學院，江西南昌 330031)

基于MC9S12XS128單片機，采用光電跟蹤原理和傳感器定位跟蹤方式，設計高精度太陽智能跟蹤系統?？刂葡到y包括LCD顯示模塊、實時時鐘模塊、光電傳感器模塊、風力傳感模塊、無線通信模塊、液壓驅動模塊等。該系統通過人工智能和自動化控制，實現全景式、穩定、準確的自動追蹤。該太陽能跟蹤系統結構簡單、價格低廉、功能全面、系統穩定以及具有自我保護功能，既可以保證系統追光的精確性，又可以滿足不同地域和環境的使用要求。

太陽能；跟蹤系統；單片機控制；智能化

0 引言

隨著化石燃料日益匱乏，對新型可再生能源的開發是世界各個國家迫在眉睫的工作，特別是對于太陽能這一自然能源的利用，在很多國家都已初具規模，諸如甘肅敦煌市西部的太陽能發電站，全球最大的西班牙安達索爾太陽發電站裝機總容量50 MW[1]等大型發電站的建成。如此大規模的太陽能發電站，提高太陽光的追蹤精度能極大地提高發電效率。

市場上為提高追蹤精度普遍采用單片機控制，單片機常見的太陽能追蹤系統多采用光感或者根據緯度、季節主動視日跟蹤的方式[2-3]，如基于PID控制的太陽能跟蹤系統[4]，基于西門子S7-1200PLC的雙軸伺服太陽能跟蹤系統[5]，基于STM32的太陽自動跟蹤控制系統[6]，以STM32 單片機為控制核心結合光電轉換裝置和GPS 模塊實現對太陽的精確跟蹤[7]。而單一采用這兩種方式的任何一種或者是二者的簡單結合，都難以達到光伏系統的精度要求，在聚光發電系統中這一點尤為突出。

本文設計一種基于MC9S12XS128單片機的高精度太陽智能跟蹤系統，系統采用光電跟蹤原理，基于傳感器定位跟蹤方式，有效提高太陽能的利用率。

1 系統總體設計

MC9S12XS單片機是16位單片機，內部集成包括串口、模數轉換、脈沖調制、輸入捕捉等外設，通過軟件設置，可以實現各種功能。同時MC9S12XS具有PLL超頻功能，能得到更高的單片機處理頻率。用MC9S12XS作為整個太陽能追蹤系統的控制中樞，能滿足復雜多變的控制要求。主要根據系統所在地的經度、緯度及實時時間，通過相應天文算法計算出太陽高度角及方位角。系統通過亮度檢測判斷實時天氣狀況，采用光電跟蹤和定時跟蹤相結合以及間隙工作的控制方式，通過控制水平、俯仰兩個自由度的運動，以液壓驅動控制調整太陽能電池板的位置，提高自動跟蹤系統的跟蹤精度。在系統實際開啟運行后利用LCD顯示器和鍵盤實現控制和輸出顯示。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2 硬件設計

本系統硬件主要由LCD顯示模塊、實時時鐘模塊、光電傳感器模塊、風力傳感模塊、無線通信模塊、液壓驅動模塊等組成。

2.1 LCD顯示模塊

采用5110顯示器來實現人機交互界面，該顯示器具有價格低廉、易驅動、顯示大小適中、性能穩定等優點。通過單片機引腳給不同信號，將相應字符轉換成ASCLL碼值，可以實現LCD顯示。人機交互界面需要數據通信，按鍵采用輕觸式按鍵向單片機發出一些數據信息。按鍵使單片機產生中斷來控制LCD顯示，通過按鍵可以輸入系統運行的各個參數，并能夠對系統工作模式進行切換、運動參數調試、環境參數設定。

2.2 實時時鐘模塊

采用DS1302芯片進行實時時鐘電路設計，該芯片是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，可對年、月、日、時、分、秒進行記時，并且具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5 V，電路原理圖如圖2所示。

圖2 時鐘電路原理圖

實時時鐘電路由3 V電源供電，晶振Y1為32.768 kHz，接在X1和X2端口上作為基準時鐘信號。REST為復位/片選信號，通過REST輸入驅動置高電平啟動數據傳送，在VCC≥2.5 V前，REST保持低電平。SCLK為低電平時，才能將REST置為高電平。IO為串行數據輸入輸出端(雙向)。

2.3 光電傳感器模塊

為了能夠感知太陽方位的變化，采用光電傳感器對太陽光線進行方位測量，如圖3所示。在A、B、C、D端分別放置4個光敏電阻R1、R2、R3、R4，并且置A、B、C、D端為+5 V的高電位，另設E、F端與兩根桿子相連，E、F為數據采集端，其中A、C桿和B、D桿不相交。用單機對E、F端進行AD8位數據模數采集，采用數字濾波方法，準確讀出E、F兩端電壓，就能判斷出太陽方位。通過如上配置，引接單片機AD通道基準電壓為V1=5 V，設置采樣分辨率為8位，采樣最大值為255，另設采集AD值為X，可知采集點電壓為V2=(X/255)×V1。讀取采集電壓，與設定值對比，標定出太陽光線位置。

圖3 光電傳感器原理圖

信息處理主要原理是比較信號1、信號2 與2.5 V的大小，用4個結果來辨別當前太陽所處太陽能板的方向，然后通過單片機發出命令，驅動豎直液壓電機轉動，當信號1電位為2.5 V左右時，停止旋轉，使太陽能板達到最佳水平入射角。然后再次比較信號2與2.5 V的大小，再使單片機發出命令驅動俯仰液壓電機轉動，控制太陽板俯仰，直到信號2電位為2.5 V左右為止，通過程序不斷循環測定傳感器上電位差的變化來實現太陽能板的位置，此時太陽能板達到最佳位置，太陽光便能垂直照射在太陽能電池板上。而以上電位信號都是由MAX232微控制器轉換之后，把結果發送給單片機比較，從而識別太陽在跟蹤系統所處位置。每隔1 min循環一次以上過程。

2.4 風力傳感模塊

為使太陽能追蹤器在雷雨天氣得到保護，采用風力傳感器對外部環境進行實時監控，當遇到強風雷電天氣時，系統自動關閉，保證整個系統安全。如圖4所示，風力帶動齒輪箱旋轉，左側發電機產生感應電勢，再用單片機A/D模數進行采集，得到電壓值，進行數據標定后，將極限值作為極限參數保存下來，若AD值超過極限標定值，則系統自動關閉。

圖4 風力傳感器模塊

2.5 無線通信模塊

為了能夠實時跟蹤系統，了解系統運行狀態，采用無線藍牙通信技術，利用PC機對系統關鍵數據進行實時通信，通過S12單片機驅動藍牙，實現串口通信。只需要在PC端安裝驅動，并插上適配器就能和單片機藍牙進行通信。通過無線模塊實現太陽能跟蹤系統與后天PC機的雙向數據通信，將跟蹤系統的數據發送到后臺PC機，管理員可在后臺PC機上實時監測系統的運行狀況，還能遠程控制跟蹤系統。

2.6 液壓驅動模塊

驅動系統采用液壓設備，動力源為液壓電機，運動系統由水平轉動和豎直轉動組成，水平轉動的傳動裝置為液壓馬達，液壓馬達通過減速齒輪進行減速帶動機構水平轉動，豎直轉動的傳動為液壓缸，通過兩邊液壓缸的升降帶動太陽板豎直轉動。如圖5所示，當系統判斷裝置應水平順時針轉動時，系統通過控制電磁閥4通3閉控制液壓馬達的旋轉方向，從而控制裝置順時針轉動。當系統判斷太陽能板應左側向上轉動時，系統會通過控制電磁閥1通2閉來控制左側液壓缸上升右側液壓缸下降，從而實現控制太陽能板左邊上升。

圖5 液壓驅動模塊圖

3 系統軟件設計

3.1 MC9S12XS外設固件初始化

系統運用MC9S12XS單片機的ATD、TIM、PWM、IO等外設，編程時先對這些外設寄存器進行基本配置，配置之后就能初始化系統。其中主要包括：PLL超頻設置BusCLK_80M()，采用80 MHz主頻，主要設置SYNR和REFDV兩個寄存器值為SYNR =0xc0 | 0x09，REFDV=0x80 | 0x01，配置之后單片機得到穩定80 MHz的工作頻率。

A/D模數轉換通道設置AD_Init()，其主要配置A/D采集分辨率為8位并且采樣前不放電，A/D采集長度為6位和采樣周期為4個周期，核心程序如下：

void AD_Init()

{ ATD0DIEN = 0x00;

ATD0CTL0 = 0x0F; //反轉通道為通道0

ATD0CTL1 = 0x00; //采樣前不放電，8位分辨率

ATD0CTL2 = 0x40; //快速清零，禁止外部中斷

ATD0CTL3 = 0xB0; //右對齊，序列長度為6

ATD0CTL4 = 0x03; //采樣時間為4個周期

ATD0CTL5 = 0x30; //掃描模式，從0通道開始

}

IO口配置IO_Init()，對液晶顯示屏和撥碼開關模塊進行驅動要用大量IO口，因此根據實際需求合理配置IO口。

中斷配置及處理，中斷源包括按鍵中斷，定時器中斷和斷電保護中斷。按標準配置之后合理設置相關中斷優先級，根據優先級系統就能處理各種復雜的實時事件，從而保證系統正常運行。

配置以上模塊之后，在主函數mian()中進行集中初始化，并在主循環中進行太陽自動跟蹤控制。核心程序如下：

void mian(void)

{ AD_Init(); //AD轉換初始化

IO_Init(); //IO初始化

LCD_Init(); //液晶顯示器初始化

BusCLK_80M(); //設置頻率

Interrupt_Priority_Set();//中斷設置

EnableInterrupts; //開總中斷

While(1)

{Auto_follow();} //自動追蹤函數

}

3.2 軟件控制流程

由于太陽光線變化緩慢，為節省電量和系統穩定運行，系統500 ms采集1次數據，1 min控制一次液壓機構修正。并且實時時鐘模塊標定數據能夠對修正旋轉角度進行對比，從而達到濾波作用，使控制效果更佳，控制流程圖如圖6。

圖6 控制流程圖

3.3 自動追蹤原理

采用液壓驅動，調節太陽能光伏板的方位，分為水平面方位控制和豎直面方位控制。根據光線方向實現自動轉移跟蹤的思路是在太陽能板的上面放置4片小型光敏電阻，由于光敏電阻接收到的光能隨太陽照射角度改變而改變，所以當太陽光照射角度隨時間轉動時，此光敏電阻采集及送出的電壓大小會變化。電路采樣此4片小型光敏電阻輸出的電壓，以確定太陽的移動方向。

4 結論

基于單片機控制的太陽能智能跟蹤控制系統，采用MC9S12XS128單片機控制，程序和結構簡單，價格低廉且功能強大?？刂葡到y主要由光敏傳感器、信號放大系統、核心控制系統、驅動模塊、太陽能電池板、機械結構模塊等組成。光敏傳感器為4個光敏電阻嵌入的空心半邊球，保證追蹤精度，4個光敏電阻負責采集8位數據模數采集，并采用數字濾波方法，準確讀出E、F兩端電壓，通過5110顯示器顯示系統采集的電壓值，實現人機交互，以達到對系統運行人工監測的目的，再分析就能判斷出太陽方位，然后通過單片機控制雙軸驅動結構將太陽能板轉動到垂直于太陽光入射的方向面。此外，還采用風力傳感器使太陽能追蹤器能在雷雨天氣中得到保護，采用無線藍牙通信技術利用PC機對系統關鍵數據進行實時通信，采用DS1302芯片進行實時時鐘電路設計。該控制系統結構簡單、價格低廉、功能全面，系統穩定，具有自我保護功能，既可以保證系統追光的精確性，又可以滿足光伏設備在不同天氣、不同海拔、不同緯度的使用要求，使設備最大可能地利用太陽光源，發揮最大的發電效率。

[1] 王曉蘇.全球最大太陽能發電站運行喜憂參半.中國能源報，2012-01-09(9)．

[2] SEME S,STUMBERGER G．A novel prediction algorithm for solar angles using solar radiation and differential evolution for dual-axis sun tracking purposes.Solar Energy,2011,85:2757-2770．

[3] 默少麗，王鵬月.太陽自動跟蹤控制系統的設計.實驗室研究與探索，2012，31(12)：82-85．

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[5] 張翠云，陳學永，陳仕國，等.基于PLC的雙軸太陽能跟蹤控制系統設計.福州大學學報，2013(6)：1051-1055．

[6] 凌好，劉榮忠，郭銳，等.基于STM32的太陽自動跟蹤控制系統的設計.計算機測量與控制，2012，20(2)：383-385．

[7] 呂文華，賀曉雷，于賀軍，等.全自動太陽跟蹤器的研制與應用.光學精密工程，2008，16(12)：254-255．

Design of Solar Energy Automatic Tracking System Based on Single-chip Microcomputer Control

LI Ren-hao1,GONG Si-min2,YANG Fan1,LIU Song1,LI Xiao-bing1

(1.School of Mechatronics Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China; 2.School of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

High-precision solar energy automatic tracking system based on MC9S12XS128 single chip microcomputer was designed by optoelectronic tracking principle and sensor positioning and tracking method.The control system was made of LCD module,real-time clock module,photoelectric sensor module,wind sensor module,wireless communication module and hydraulic module,etc.The system can make panoramic stable and accurate tracking by the artificial intelligence and automation control.The solar energy automatic tracking system has the advantages of simple structure,low price,complete function,system stability and self protection function.Not only can guarantee the accuracy of the system equipment,the system can also meet the using requirements of different areas and environments.

solar energy; tracking system; single chip microcomputer control; intelligent

2014-03-25 收修改稿日期：2014-11-26

TK513.4

A

1002-1841(2015)04-0051-03

李小兵(1979—)副教授，博士，主要研究領域方向為機械創新設計。E-mail：lixiaobing@ncu.edu.cn