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 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源日益短缺的矛盾一直都是現(xiàn)代社會面臨的一大難題，資源的緊缺和能源成本的持續(xù)增長使得眾多發(fā)達(dá)國家將注意的目光轉(zhuǎn)向了新能源，其中太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用備受重視。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成。其中控制器即為太陽能追蹤采集系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)太陽能電池板追蹤太陽方向，使太陽光線始終能垂直照射太陽能電池板，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大化的機(jī)電控制裝置，是太陽能光伏發(fā)電不可缺少的重要組成部分。
    目前，太陽追蹤的控制系統(tǒng)劃分不外乎三類：閉環(huán)、開環(huán)、混合控制方式。實(shí)際應(yīng)用中，常用的有光電追蹤和視日運(yùn)動軌跡追蹤兩種方式；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。視日運(yùn)動軌跡追蹤的優(yōu)點(diǎn)
    是能夠全天候?qū)崟r追蹤，但算法復(fù)雜且固定，導(dǎo)致處理速度慢，追蹤軌跡固定，不能因地制宜、因時制宜地對太陽進(jìn)行快速追蹤；光電追蹤靈敏度高，但受天氣的影響很大，甚至?xí)鹫`動。
    本文提出一種基于MSP430單片機(jī)的太陽能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計方案，綜合光電追蹤和視日運(yùn)動軌跡追蹤，即混合控制方式，其特點(diǎn)是在進(jìn)行軌跡追蹤時并不需要像單一視日運(yùn)動追蹤方式采用復(fù)雜算法，從而減少控制器運(yùn)算時間，提高處理速度；同時又避免了光電追蹤方式的誤動。能夠根據(jù)時鐘時間和光電檢測自動調(diào)整硅太陽能電池板的方位角、俯仰角，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且可以通過無線射頻通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，特別適合在復(fù)雜環(huán)境無人值守情況下，有較好的應(yīng)用價值。
    1 系統(tǒng)組成及設(shè)計
    太陽能追蹤采集系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端、無線數(shù)據(jù)接收端和機(jī)械裝置端三大部分組成，又可細(xì)分為微控制模塊、電機(jī)控制模塊、光強(qiáng)檢測模塊、溫度檢測模塊、太陽能充電模塊、實(shí)時時鐘模塊、無線射頻模塊、電源電路模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊和鍵盤控制 模塊等11個功能模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 
    無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端中的光強(qiáng)、時間、溫度等檢測模塊會把太陽光照強(qiáng)度、天氣溫度、時鐘時間、電池充電狀態(tài)等信息采集到微控制器模塊，通過對白天黑夜、天氣晴陰的辨別以及此刻的時鐘時間，微控制器模塊會適時地驅(qū)動電機(jī)控制模塊，調(diào)整機(jī)械裝置端，實(shí)現(xiàn)太陽能自動追蹤的控制。
    同時無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端又會把這些采集來的信息通過無線射頻模塊發(fā)送到無線數(shù)據(jù)接收端，然后上傳上位機(jī)實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
    1．1 光電檢測模塊設(shè)計
    光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。而硅太陽能電池板實(shí)際上也是一個大面積的PN結(jié)，把太陽幅射能直接轉(zhuǎn)換成電流，原理和光電二極管一樣。
    光強(qiáng)度檢測模塊包括兩部分，一個是利用光電二極管光強(qiáng)感應(yīng)對天氣晴陰的判斷，如圖2(a)所示；另一部分在太陽能充電模塊中，對硅太陽能電池板上受到的陽光照射強(qiáng)度的測量，如圖2(b)圈起部分。光電二極管對光強(qiáng)的敏感產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流，電阻R10把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過MSP430單片機(jī)的AD1212位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣出相應(yīng)的電壓值，相應(yīng)的也就得到該時刻光強(qiáng)度，用以判斷天氣的晴陰。硅太陽能電池板是電流型的，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)其輸出的電流強(qiáng)度亦會增加，根據(jù)這一特點(diǎn)，運(yùn)用AD12，在太陽能電池板隨太陽動態(tài)旋轉(zhuǎn)時可以記錄各個角度的光強(qiáng)度，產(chǎn)生光照強(qiáng)度系列值，然后再把太陽能電池板精確調(diào)整到光照強(qiáng)度最強(qiáng)的方位角和俯仰角的位置上。

 
    1．2 太陽能充電模塊設(shè)計
    如圖2(b)太陽能充電模塊的電路設(shè)計，設(shè)計主要圍繞太陽能電池供電的鋰電池充電管理芯片CN3063進(jìn)行，應(yīng)用5～6 V硅太陽能電池板可為單節(jié)4．2 V鋰電池或鎳鋅電池充電。D5，D4是充電狀態(tài)的指示燈，D5是紅色LED表示正在充電，D4是綠色LED表示充電完成；為了詳細(xì)了解電池電量狀況，利用MSP430中12位ADC對電池兩端電壓、電流進(jìn)行A／D采樣，確定電量從空到滿的5種狀態(tài)(如圖3，在液晶屏上顯示)；P6.2，R7，R8是用作對硅太陽能電池板進(jìn)行光強(qiáng)測量的，J6是太陽能電池板的充電接口。

 
    1．3 無線射頻模塊設(shè)計
    為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)采用Nordic Semiconductor ASA公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905，設(shè)計了無線射頻模塊來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)通過軟件模擬SPI傳輸方式和nRF905通信，把外界采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。nRF905與MSP430接口電路如圖4所示。

 
    nRF905常用的10個引腳：和MCU通信的SPI接口的4個引腳分別是數(shù)據(jù)線SPI_MOSI，SPI_MISO，時鐘線SCLK，使能線SPI_CSN；MCU的3個控制線分別為控制工作狀態(tài)的PWR_UP，控制正常工作的TX_EN，選擇發(fā)送或接收方式的TRX_CE；nRF905的3個反饋線分別為檢測到頻道正被使用的CD(Carrier Detected)，通知接收地址正確的AM(Address Matched)，告訴MCU數(shù)據(jù)接收正確的DR(Data Received)。圖5是nRF905的發(fā)送和接收時序圖。 

 
    2．2 太陽能電池板角度調(diào)整
    系統(tǒng)綜合光電追蹤和視日運(yùn)動軌跡兩種追蹤方式的優(yōu)點(diǎn)，從外部時鐘芯片中讀取時間，根據(jù)時間和太陽角度的關(guān)系，每隔一段時間進(jìn)行一次角度的調(diào)整，調(diào)整到預(yù)定的方位角和俯仰角(通常是稍大于準(zhǔn)確角度)；在運(yùn)動過程中，AD12會記錄各個位置的光強(qiáng)值，產(chǎn)生光照強(qiáng)度系列值，然后控制步進(jìn)機(jī)再把太陽能電池板精確調(diào)整到光照強(qiáng)度最強(qiáng)的位置上。太陽能電池板角度調(diào)整的流程圖如圖7所示，當(dāng)時間在MIN_TIME和MAX_TIME之間時，每隔一段時間MINUTE_PER_RUN進(jìn)行一次角度調(diào)整，先是根據(jù)時鐘時間調(diào)整到預(yù)定位置，再是根據(jù)光電檢測強(qiáng)度精確調(diào)整到光照最強(qiáng)位置(時間上限、下限和每隔多少分鐘檢測一次太陽高度可軟件設(shè)定，系統(tǒng)默認(rèn)MIN_TIME=6，MAX_TIME=18，MINUTE_PER_RUN=15，即時間在6：00到18：00之間，每隔15 min調(diào)整一次)。

 
    當(dāng)時間不在MIN_TIME和MAX_TIME之間時，即時間已經(jīng)到了晚上，系統(tǒng)要做的就是把機(jī)械裝置調(diào)整到初始位置，也就是第二天的開始位置，然后系統(tǒng)就進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，機(jī)械裝置不在運(yùn)動，直至第二天的MIN_TIME以后。
    3 實(shí)驗(yàn)
    太陽能追蹤采集系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)物模型如圖8所示，分別為無線數(shù)據(jù)接收端、無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端和機(jī)械裝置端。

 
    經(jīng)過實(shí)際測試，系統(tǒng)能夠正確驅(qū)動機(jī)械裝置，能在MIN_TIME到MAX_TIME范圍內(nèi)，而且每隔一段時間MINUTE_PER_RUN太陽能電池板調(diào)整一次，實(shí)現(xiàn)了對太陽進(jìn)行精確、快速追蹤；太陽能電池板工作正常，可以有效地為鋰電池充電；實(shí)現(xiàn)了液晶顯示和復(fù)雜的鍵盤動作相協(xié)調(diào)，可以圖形化觀測電池電量，為系統(tǒng)設(shè)置時鐘時間；光電檢測、溫度、實(shí)時時鐘、無線射頻等模塊能夠正常運(yùn)行，通過無線傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)和上位機(jī)的串口通信，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)達(dá)到且超出了預(yù)期目標(biāo)，滿足設(shè)計要求，能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了太陽能的自動追蹤采集控制。