基于MSP430FL49的智能太阳能追踪系统

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作者：胡海燕，李春鹏等浏览量：295

0 引言

目前采用的太阳光追踪系统主要有光电追踪和视日运动轨迹追踪两种。对于设计的光电采集系统，太阳能追踪方法采用最大功率追踪（MPPT）的算法【1-4】，依据4个不同方向的光电传感器检测信号进行阈值对比分析，从而找到最大功率点，实现高效的太阳能追踪与采集。系统的创新点在于机械结构上的改进控制的稳定运行与低功耗性能，以实现全方位太阳光线追踪的实时同步性。系统工作状态可以实现水平旋转角度为0~350°，垂直旋转角度以太阳能电池板水平放置时为起点最大的角度范围为0~85°。对比太阳一年四季从早到晚运动的一般规律，该平台的旋转角度不存在采光死角，可以完成全方位采光的任务。
1 系统整体功能设计
太阳能智能追踪系统如图1所示。
主控单元采用美国TI公司的MSP430F149单片机，具有超低功耗，低电压供电性能，供电电压为低电压1．8～3．6V，内部有60KB+256字节FLASH和2KBRAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位定时器A、带7个捕获／比较寄存器和PWM输出的16位定时器B、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行I/O端口、模拟比较器、12位A／D转换器、2个串行通信接口等模块。
传感器检测单元用来实现太阳能电池板的状态检测及信号反馈功能，包含采光、方位检测、仰角检测及风速检测几部分。采光模块利用不同方位安装的光电转换器件接收太阳发出的光线，在光照改变时各方位光敏器件输出的电压发生变化，根据变化实时调整方位角准确追踪太阳光线。当完成追光并程序判断电池板已处于正对最强光源的位置时，云台驱动电源自动切断，减少电能消耗。风速传感器检测模块可以实现在恶劣大风的天气情况下，自动放平太阳能电池板以避免遭受风力破坏。
液晶显示单元能够实时显示并监测整个系统的供电和用电状况，显示太阳能电池板的偏转角度、方位以及系统运行过程中的风力监测。
蓄电池充放电控制单元，也是储能模块，依据所采信号进行合理转换充放电模式，保证电能的有效存储与利用。
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图1 太阳能智能追踪系统
2 硬件系统设计
2.1云台控制结构
太阳能智能追踪系统的设计平台由CRS-20wp型太阳能电池板、PIH-303型云台、主控单元、充放电控制单元、驱动单元、逆变器、检测传感器模块、显示单元、键盘、DC/DC电源变换单元及12V蓄电池等部分组成。
CRS-20wp型太阳能电池板可提供20W的输出功率，其光电转换出的电能直接存储在蓄电池里，再通过外部电路连接到用电设备上。
支柱的作用是使太阳能电池板的运动角度扩大38°，而云台在单方向上的垂直运动角度为50°，故系统的单方向最大垂直运动角度可以达到88°。支柱的设计要求为短柱长度3.5cm,长支柱的长度14.5cm，材料为粗大铜柱利于抗风，构成一个正弦角近似为38°的基本三角形。由于sin38°≈11/14.故长支柱比短支柱长11cm。云台平面结构如图2所示。
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图2 云台平面结构图
2.2 光电采集模块
对比分析光电池和光敏电阻光照特性曲线，经反复实验，检测过程中光电池检测值的抖动要比光敏电阻的大，其灵敏度上的差异并没有明显区别，并且光敏电阻的成本较低，故选用光敏电阻作为光源检测器件。
光电传感器位置示意图如图3所示。四路传感器位于4个象限，区分太阳的位置就是建立一个以太阳能电池板为中心的二维坐标系，只要太阳偏离坐标系的中心，追踪系统就可以根据光敏元件的电压变化判断太阳在二维坐标系的哪个象限里，随之进行逐日运动直至判断太阳已经处在坐标系的中心位置。即当光敏元件ad受光大于bc时水平右转，bc受光大于ad时水平左转；当光敏元件cd受光大于ab时垂直上转，ab受光大于cd时垂直下转；当太阳能电池板正对阳光时停止运动，在运动的过程中，如果碰到限位处则停止动作。
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图3 光电传感器结构示意图
单路光电传感器原理如图4所示，利用一级运放进行信号缓冲隔离，再做减法运算处理后得到与光强信号成比例关系的电压信号，经A/D变换送主控单元进行相关算法处理后得到控制方位、仰角控制信号。系统采用mcp3208作为采样主器件，利用MSP430F149单片机内置的12位AD采样模块和外置的12位AD采样模块mcp3208实时采集光信号、角度、方位、电压、充电电流、放电电流信号，及时快速地采集信号并处理，确保太阳能电池板能够及时有效地追踪太阳能最大功率点旋转。
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图4 单路光电传感器原理图
2.3 云台驱动控制电路
理想状态下云台能够控制太阳能电池板做全方位运动，但是由于其机械构造的原因，会存在0~15°的死角。因此，对电池板的运动设计了左极限、右极限、上极限、下极限控制。当电池板运动到极限位置时，系统应跳过向此时刻极限继续运动的指令，仅执行其他安全位置的程序，除非电池板脱离此极限位置。
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图 5 云台驱动电路
云台驱动电路由光电耦合器、达林顿管ULN2803ag、DS2Y型继电器、LED指示灯等组成如图5所示。云台控制端与单片机管脚相连，利用单片机的控制端口控制DS2Y继电器电路，使相应端口输出云台电机所需要的电压，驱动云台做上下左右方向上的旋转运动。驱动电路的作用就是实现小信号输入控制大信号输出，该系统中的小信号是3.3V的单片机正信号电平，大信号为经逆变和降压处理的交流24V控制电压。
3软件设计
3.1主控程序
系统包括自动和手动两种控制方式。开机之后系统会对控制状态进行识别并进行该状态下的条件判断，一旦满足运动条件，系统便进入周期性的调整和动作执行，调整完毕后系统保持在最低耗电状态，能耗主要供给蓄电池充电。每个系统周期完成后，系统会执行一个喂狗程序避免外界干扰造成的系统崩溃。
系统在自动控制状态下运行时，AD采样模块实时采集光信号、角度、方位、电压、充电电流、放电电流信号，寻光控制模块将AD采样模块所测得的光信号（电压值）进行处理，实现电池板正对较强的太阳光并保持稳定。风速控制模块作为一个辅助监测模块，利用MSP430的脉冲捕获端口实现风速传感器的风速测量。其目的为检测外围环境是否适合正常采光，若风速较大则放平电池板等待风速下降到一定程度再恢复正常。
系统在手动控制状态运行时，通过按键控制云台方向，控制电池板（云台驱动）上下左右旋转。
太阳能智能追踪系统主程序流程如图6所示。
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图6 太阳能智能追踪系统主程序流程图
3.2数据测量与分析
实际运行时,由于硬件电路和阳光辐射能的抖动性使采集的电信号发生不可避免的波动，因此数据处理的结果也是跳动的，从而使被控对象不停地摆动，影响系统运行，使追踪效果不稳定。通过试验，使云台根据采光元件之间的电压差值做相应的旋转，当太阳能电池板正对阳光时单个元件的采压值基
本相等，经反复测试，在软件中采用阈值滤波的方式对采样数据进行处理，系统满足阈值条件方可开始运动，否则处在保持区，大大增强了系统的稳定性。
表1不同时刻光强测量

不同时刻光强测量如表1所示。根据对不同日期、不同时刻系统追踪太阳能性能的测试，其追光的最大偏差为3.3%，光强每变化20lx，云台驱动太阳能电池板追踪转动，追踪角度偏差小于3°，基本实现了太阳能自动追踪的目的。
4论语
经测试，采用此自动追踪太阳能采集系统比固定电池板方式，太阳能吸收效率提高95%，具有非常明显的实际应用意义。

参考文献
[1] WangSicheng.Reviewand trend or solar photo voltaic technology[J].
International Power,2006，(4):21-23.
[2]张晓霞, 殷盼盼，等.基于 C805 1F 的太阳能电池自动追踪系统[J].沈阳建筑大学学报 (自然科学版)， 2009，（7）
[3]张海峰，司杨，等.基于单片机的太阳能电池板监测系统的设计[J].煤炭技术，2012，（9）
[4]时剑,单春贤，等.MCU控制的太阳能电池最大功率追踪控制器[J].电力电子技术，2008，（11）.

收稿日期：2014-08-01

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