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单片机控制的太阳能电池板系统设计崔振兴

发表时间：2020/4/13 来源：《电力设备》2019年第23期作者：崔振兴徐瑞

[导读] 摘要：为了提高太阳能电池板自动追光控制能力，提出基于单片机的跟踪式太阳能电池板追光控制系统设计方法。

        （哈尔滨光宇电源股份有限公司黑龙江哈尔滨 150078）
        摘要：为了提高太阳能电池板自动追光控制能力，提出基于单片机的跟踪式太阳能电池板追光控制系统设计方法。实验表明，本系统能够实现对太阳能电池板的任意方向检测并迅速跟踪，系统性能稳定，可以用在阳光输送机和光伏离散发电中，提高了太阳能电池板有效日工作时间和太阳能的利用率，降低了阳光跟踪系统成本，有较好的推广应用价值。
        关键词：太阳能电池板；自动跟踪；光伏离散供电系统
        引言
        太阳能具有普遍性、永久性、清洁性、经济性等独特优势，因而正在兴起的“太阳经济”将成为未来全球能源的主流，在我国的经济文化建设中，太阳能也将起到越来越重要的作用，利用阳光跟踪系统提高太阳能的利用率是目前主流研发对象，阳光跟踪系统的电源来自太阳能电池板，利用阳光跟踪系统的硬件设计中的太阳能电池板跟踪系统与阳光传感器，组成的系统离网型光伏供电系统是目前经济的方案。
        本文提出基于单片机的跟踪式太阳能电池板追光控制系统设计方法，系统的主体构架包括光强度检测模块、自动控制模块、智能信息处理模块、人机交互模块、计算机控制模块和接口电路模块等，首先进行系统的总体设计分析，然后进行跟踪式太阳能追光控制系统的硬件模块化设计，最后进行仿真测试分析，得出有效性结论。
        1光伏离网型光伏供电系统组成
        电压智能检测电路与自动切换开关组成的电压智能检测切换系统，将光伏电池组件与蓄电池或电容储存电能组件连接，蓄电池或电容储存电能组件通过电源开关与电机连接，电机负责光伏电池组件和阳光传感器跟踪对准太阳组成离网型光伏供电系统。
        光伏电池板为发电部件，光伏控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。蓄电池的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。
        2太阳能电池板跟踪系统总体设计构架和功能模块分析
        2.1系统总体设计构架
        本文设计的跟踪式太阳能电池板追光控制系统通过光敏模块、红外人体感应等模块感知光强以及环境信息，结合外部物理信息采集结果，采用传感器分布式设计方法，构建跟踪式太阳能电池板追光控制系统的分布式物联网环境，结合单片机进行跟踪式太阳能电池板追光控制过程中的信息处理和计算机控制，将物理环境信息传输给单片机，结合自动反馈控制方法，进行跟踪式太阳能电池板追光控制的算法设计，通过误差反馈调节结果，进行跟踪式太阳能电池板追光控制的误差调节并作出反馈，系统在白天通过太阳能电池板吸收太阳光储备电能，待到用户回家时可以直接利用白天太阳板上储存到的电能直接用于自家的电器使用。
        根据系统总体设计构架，进行跟踪式太阳能电池板追光控制的模块化设计，对电机的驱动装置以及电池板进行智能调节，达到太阳能电池板跟踪式追光的要求。采用控制算法进行模糊控制，编写Matlab程序进行跟踪式太阳能电池板追光控制的算法设计，使传感器与控制电路输出相应的控制信号，使电路进行放电与太阳能涓流充电状态间的智能切换。
        2.2功能模块分析
        系统的主体构架包括光强度检测模块、自动控制模块、智能信息处理模块、人机交互模块、计算机控制模块和接口电路模块等，利用单片机对光线强度的检测结果进行逻辑运算处理，在总线控制模块中，通过驱动电机组配合驱动模块进行机械控制，控制太阳能板的角度，使光线垂直射到太阳能板上，从而使太阳能的利用率达到最高。根据蓄电池两端的电压与最低间值电压或与峰值电压的比较，采用模糊总线触发的方法，采用专家系统引擎控制的方法进行跟踪式太阳能电池板追光控制的程序加载，在智能辅助控制系统中进行跟踪式太阳能电池板追光控制的监控组态软件设计，得到系统的功能模块构成如图1所示。

        图1系统的功能模块构成
        3系统设计与实现
        3.1光强度检测模块
        光强度检测模块是实现物理信息采集的基础，通过传感器和光电转换装置接收太阳光，将光信号转换成电信号，根据所采集到的信号，由单片机分析得最终控制的步进电动旋转与转向来控制太阳能电池面板，光强度检测模块由光敏电阻和AD转换芯片PCF8591组成，PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口，具有I2C总线结构，串行输入输出，节约了IO口资源等。
        3.2自动控制模块
        自动控制模块实现对整个追光控制系统的自动化控制功能，即利用LM2596S降压模块把电压降为4.5V(充电电压)进行系统的输入电压控制，采用模糊PID控制方法，进行系统的集成控制和自适应跟踪识别，利用单片机对光线强度的检测结果进行逻辑运算处理，通过自适应控制方法进行太阳光全方位跟踪控制。
        3.3智能信息处理模块
        智能信息处理模块实现系统的信息集成处理，采用DSP进行信息处理器的集成控制，通过光电传感模块进行光源跟踪，并在嵌入式的ARM中收集太阳光，通过稳压电源控制单片机进行太阳能电池板追光控制过程中的集成信息处理和智能切换。
        3.4人机交互模块
        人机交互模块通过数字量DO输出端可以直接驱动单片机，由此可以组成一个光控开关，通过稳压电源控制单片机进行太阳能电池板追光控制过程中的集成信息处理和智能切换，将硬件光敏电阻采集到的光信号经过单片机转换成有效数据，模拟量AO可以和AD模块相连，通过AD转换，可以获得环境光强的数值。
        3.5计算机控制和接口模块
        将硬件光敏电阻采集到的光信号通过单片机转换成有效数据，主要控制器件采用STC89C52单片机，采用电压冲激响应控制方法进行跟踪式太阳能电池板追光控制系统的输出总线控制，构建人机交互接口模块，在三维ICAD平台中进行跟踪式太阳能电池板追光控制系统的硬件设计。
        综上分析，实现了太阳能电池板追光控制系统的硬件设计，在硬件设计的基础上进行系统调试分析。
        4实验测试分析
        为了验证本文设计系统的应用性能，进行实验测试分析，结合嵌入式的Linux程序加载方式，进行跟踪式太阳能电池板追光控制的输出总线控制，使用GPRS模块进行嵌入式人机交互设计，安装WindowsServer2012R2系统进行控制稳定性分析和自适应调节，测试系统对太阳光的跟踪稳定性，得到结果如图2所示。

        图2稳定性测试
        分析图2得知，设计的跟踪式太阳能电池板追光控制系统对太阳光的跟踪稳定性较好，人机交互能力较强，追光控制的自适应性较好。
        5结束语
        本文提出基于单片机的跟踪式太阳能电池板追光控制系统设计方法主要对系统的光强度检测模块、自动控制模块、智能信息处理模块、人机交互模块、计算机控制模块和接口电路模块等进行硬件设计描述，利用单片机对光线强度的检测结果进行逻辑运算处理，使其在太阳能领域中成为大众需要的必须产品，以提高我国太阳能领域阳光自动跟踪系统的智能设计的总体水平。
        参考文献：
        [1] 刘军.基于单片机的双模式太阳能充电器的设计[J].电子测量技术，2018(09)
        [2] 王重国.太阳能电池板自动跟踪系统的研究与设计[D].大庆：东北石油大学， 2017
        [3] 施秉旭.基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统的设计电子技术与软件工程，2016(02)