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基于单片机的光伏追日系统设计

时间:2021年03月20日 分类:电子论文 次数:

摘要:为了改善固定式安装的光伏组件发电受太阳高度角和方位角的变化导致太阳能利用效率低的问题,设计一款基于单片机的光伏追日系统,系统在硬件上由控制模块、信号采集模块、命令执行模块、光伏电池板以及电源组成,在软件上采用单片机控制技术,通过步进

  摘要:为了改善固定式安装的光伏组件发电受太阳高度角和方位角的变化导致太阳能利用效率低的问题,设计一款基于单片机的光伏追日系统,系统在硬件上由控制模块、信号采集模块、命令执行模块、光伏电池板以及电源组成,在软件上采用单片机控制技术,通过步进电机驱动太阳能电池板时刻正对太阳,以达到太阳能利用率最大化。经测试,基于单片机的光伏追日系统能够根据光照度自动调整转角,增加光伏电池板的转换效率,步进电机转速和系统修正精度符合设计预期。

  关键词:光伏追日;单片机;自动跟踪;太阳能电池板;系统设计;系统调试

现代电子技术

  0引言伴随着社会现代化的持续推进,全世界对能源的需求量越来越大,导致资源过度开采,环保压力巨大。基于可持续发展的目标,人们不能靠消耗矿物燃料来维持与日俱增的能源需求,因此全球大多数的国家都在致力于对可再生能源的深度研究和广泛利用[1],此时清洁、廉价的太阳能成了人们的首选。虽然太阳能资源非常丰富,但能量收集困难,而且由于太阳位置的持续改变,传统固定式安装的光伏组件未能跟随太阳转动,只能在固定时间段正对太阳[2],从而导致太阳能的利用率十分低下。因此,利用光敏电阻模块和单片机控制模块组成的自动控制装置,采用达林顿和步进电机配合使用,从而保持太阳能电池板能够实时追踪太阳,达到增加光伏电池板的转换效率,提高太阳能利用率的目的。

  单片机论文范例:单片机的智伴系统的设计

  1追日系统工作原理

  该系统采用光电跟踪结合高精度的二维跟踪方式,光电检测部分由光敏电阻对光照度信息进行采集,采集的数据实时发送到单片机进行处理。将4个完全相同的光敏电阻1~4分别安装在光伏电池板的4个方向上。当太阳光垂直照射太阳能电池板时,同一方向相对的2个光敏模块接收到的光照相同,其阻值相同,此时步进电机不转动[3]。当太阳光与光伏电池板垂直方向产生夹角时,相对的2个光敏电阻模块接收到的光照度不同,通过双电压比较集成电路LM393对光敏电阻电压进行比较,利用光敏电阻电平的变化[4],单片机发出控制命令给执行模块,在达林顿接收到信息后,给步进电机发送脉冲信号,从而实现步进电机的正反转。通过间接命令对步进电机的控制,实现对光伏电池板的控制,从而实现对太阳光的自动跟踪。在湿度较高的环境下则直接暂停跟踪并保持光伏板倾斜。

  2硬件设计

  本文介绍的光伏追日系统采用模块化设计,均为5V电源驱动,主要包括控制模块、信号采集模块、命令执行模块、光伏电池板以及电源在内的5个模块。

  2.1控制模块

  控制模块以单片机为核心,与其他辅助电路相连,利用单片机不同的管脚功能,结合软件程序实现控制输入/输出的可控电路。本光伏追日系统单片机使用的是STC12C5A60S2,比传统的80C51单片机的运算速度更快,速度可以达到C51的8~12倍,能耗更低,抗干扰的能力更强,拥有8路10位精度ADC,转换速率[5]高达250Kb/s。

  2.2信息采集模块

  信号采集模块包括光敏模块和湿度检测模块。本文设计使用的光信号采集器为5V四针光敏模块。光敏传感器的原理是将光信号转换为电信号,有数字信号与模拟信号两种输出[6]方式。光敏电阻是最普通的光敏传感器,常与LM393搭配使用,光敏模块灵敏度极高,驱动能力强,在追踪过程中,发挥着至关重要的作用。

  湿度检测模块选用DHT11,它是集数字式湿度信号采集与温度信号采集于一体的模块,采用数字信号输出方式,湿度检测最高精度为±5%RH,温度最大检测精度为±2℃,湿度检测范围为20%RH~90%RH,温度检测范围为0~50℃。该模块采用单线制串行接口,系统中的数据传输、控制全部由单总线完成[7]。通常要求外接一个约5.1kΩ的上拉电阻,当总线空闲时,保持高电平状态。只有主机发出信号时,模块才会响应,因此主机访问DHT11都必须严格遵循单总线序列,出现序列混乱,器件不会响应主机。

  2.3命令执行模块

  命令执行模块包含达林顿模块和步进电机两个模块。每一对达林顿都需串联一个2.7kΩ的基极电阻,在工作电压下能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理需要标准逻辑缓冲器来处理的数据,工作电压高,电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行[8]。

  本文系统的设计是利用达林顿为步进电机提供脉冲信号,控制2个步进电机的正反转实现双轴光伏追日系统的自动控制。步进电机驱动电路的工作流程为从P0或者P1端口开始输出0x00。由于追日系统使用双轴交叉设计,单片机和2个达林顿模块连接,每个达林顿模块包含5个管脚,但只有1个管脚处于保持导通状态,其余4个处于断开状态。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

  在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响[9]。步进电机不能像普通的直流、交流电机那样,在常规下使用。它必须由控制系统结合双环形脉冲信号、功率驱动电路组成,方可使用,步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。通过改变脉冲的顺序,可以轻松改变转动的方向。该设计使用的是28BYJ48,它是5V直流电源驱动的4相5线步进电机,减速比为1∶64,转动1圈需要4096(360÷5.625×64=4096)个脉冲信号。功耗电流为200mA,采用ULN2003模块驱动,驱动端口为P0.0(A)、P0.1(B)、P0.2(C)、P0.3(D)。正转次序:AB组—BC组—CD组—DA组(即一个脉冲,正转5.625°);反转次序:AB组—AD组—CD组—CB组(即一个脉冲,正反转5.625°)[10]。

  3软件设计

  在程序开始之前,首先设定湿度阈值,程序开始后,单片机发送启动信号,系统从休眠模式变为运行模式,湿度传感器给出反馈,开始湿度采集,并将采集到的数字信号发送给单片机,与单片机所设置的湿度阈值进行比对[11]。

  如果湿度超过设定值,则调用步进电机1的左转子程序一次,使光伏板倾斜,同时返回到湿度检则程序继续执行并调用长时间延时程序,暂停后续的光线检测跟踪程序;如果湿度低于限定值,则直接返回到检测温湿度的程序继续执行,随后调用光照检测跟踪程序,光敏模块在系统启动后立即进入到工作状态,实时发送目前检测到的数字信号给单片机,检测电路根据光照强弱确定输出的信号是高电平还是低电平[12]。高电平表示目前检测到的情况为没有光照,低电平则表示目前检测到光照。

  然后将输出的信号发送给程序进行情况判断比对,如果相对的两个光敏模块检测到的光照是平衡的,这时不进行后续调用操作,光照检测继续循环进行[13]。如果相对的两个光敏模块检测到的光照不是平衡的,再通过程序判定是否为1模块、3模块,如果是1模块、3模块则调用P1步进电机子程序,反之则调用P0步进电机子程序。主程序在两个电机控制循环的过程中加入延时程序以达到每个电机之间不同命令的隔离,从而保证各自的独立性,主程序流程如图7所示。

  4系统调试

  在初始调试过程中出现了电机旋转不到位,同时存在旋转方向与实际设计相反的情况,这表示在程序中步进电机的正反转表调用了相反的列表,此时第一时间回到编写的程序中找到相应的步进电机控制子程序,更改转动列表的调用。而后在对光敏测试可发现有一个光敏电阻模块总是表现为高电平,通过检测确认该模块损坏,更换备用的模块后该故障解除,可以正常实现各部分之间的配合运转。

  5结语

  本文系统实现的基于单片机的光伏追日控制系统, 在应用中具有成本低、设计简单可靠的特点。采用光电追踪与二维追踪相结合的方式,提高了光伏追日的精准度,从而也提升了太阳能的利用率。本文系统实现了全自动跟踪模式,采用数字式温湿度传感器,根据湿度高低来决定是否继续运行后续程序,当湿度过高时终止跟踪太阳,反之则继续自动跟踪,这样就避免了雨天时刻系统的运行,拥有节约用电以及防止产生机械疲劳的优势。

  参考文献

  [1]纳塔利·格力罗.走向综合[J].世界建筑导报,2013,28(6):72⁃87.

  [2]王斯成,王长贵,吴达成,等.狠抓:质量、安全、成本和能效追求:光伏发电工程收益最大化[J].太阳能,2014(2):14⁃26.

  [3]李平.炼钢生产智能调度模拟系统的设计与实现[D].天津:天津大学,2014.

  [4]张江林,周扬,邓昌建,等.基于LM393控制的太阳能循迹小车设计与实现[J].现代电子技术,2015,38(10):121⁃123.

  [5]滕雨鑫,马占军,孟令辉,等.基于单片机控制的逐日太阳能小车设计[J].科学技术创新,2018(2):192⁃193.

  [6]何燕阳.太阳能电池板追日自动跟踪方案的研究[J].蚌埠学院学报,2015,4(6):1⁃5.

  作者:赵永鑫,黄韬,陈卫,唐琳

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