EEPW论坛

作者：内蒙古科技大学 李明 王凯波 郝建波
指导教师：郭宇

　　产品简介

　　1.1开发背景
　　能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径,积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。据统计,20世纪90年代,全球煤炭和石油的发电量每年增长l%,而太阳能发电每年增长达20%,风力发电的年增长率更是高达26%。预计在未来5至10年内,可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。
　　相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。太阳能是一种具有开发潜能的能源,但目前太阳能的利用率不高,理论分析证明，采用跟踪技术可以提高37.7%的能量接收率,太阳跟踪装置成为国内外学者研究的热点。本作品主要是针对太阳能光伏发电利用效率环节,对太阳能跟踪控制系统进行了研究,着重的研究了光跟踪控制技术,最大功率跟踪技术。本作品目标是开发设计一个基于单片机太阳能自动跟踪控制系统，改进跟踪控制技术,提高太阳能利用效率。
　　1.2 结构说明
　　根据系统的设计要求，作品主要分为4个模块，具体如下图所示。　　

　　(1) 主控模块：本模块是比赛所提供的宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。
　　(2)光电检测模块：通过光敏电阻对光线的采集输出不同的电压供主控芯片检测识别。
　　(3)双轴跟踪系统：通过对水平电机和垂直电机的控制使太阳能电池板水平180度和垂直180度进行二维移动。
　　(4)直流电机驱动模块：通过L293控制电流的方向，从而实现电机的正反转。
　　1.3功能与使用说明
　　实物图如图(1)　　

　　(1)功能：本作品可以通过检测太阳高度角和方位角进行逐日跟踪发电。
　　(2)使用说明：打开供电开关，太阳能向蓄电池充电，蓄电池给用户提供电量。

　　平台选型说明

　　主控部分采用比赛组委会提供的宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片,本单片机简单、可靠，控制功能有了很大的提高，而且成本相比于其他主控低。其原理图和实物图如(2),(3)下图所示　　

　　1.采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。
　　2.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12倍。
　　3.61K字节片内片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上。
　　4.片内大容量2048字节的SRAM。
　　5.大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上。
　　6.共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用。
　　7.共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)。
　　8.内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路。
　　9.内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选，相当于普通8051的60MHz～420MHz。
　　10.两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用。
　　11.一组高速异步串行通信端口SPI。
　　12.各种接口扩展齐全。
　　13.一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能。

　　设计说明

　　3.1设计要求
　　(1) 全天跟踪太阳位置
　　(2)对蓄电池的过充过放进行保护
　　(3)定时间隔检测，节省电量。
　　(4)实现无外部接入能源，一切自给。
　　3.2系统硬件电路设计
　　总体框图　　

　　3.2.1驱动以及电机模块
　　驱动部分为经过改装的直流电机
　　原理图和实物图如下图(4)所示：　　

　　L293电机驱动板，可以驱动两个直流电机，本设计中，每一路L293输出引出了两个并联的端口，以便控制四轮的小车，左右两边的电机并联运行的。L293有两个电压输入，一个给电机的电压，一个是给芯片工作与控制逻辑的参考电压。L293相当于有四个驱动门，每个IN1，对应该一个OUT1，当IN1为高电平，OUT1输出高电平时，电压为VSS，也就是给这个芯片电机的供电电压。
　　本设计每个两个驱动门做成一路控制电机的信号，这样可以使电机在四个象限运行，即水平正转，水平反转，垂直正转，垂直反转。ENA与ENB的使能的控制，如果采用PWM对电机进行调速，可以在ENA与ENB中分别接入PWM信号，IN1与IN2，和IN3与IN4，分别可以控制电机的正反转与不转。
　　3.2.2 光电检测模块
　　实物图如图(5)图(6)所示：　　

　　图(8)是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视简图, 共由9个光电三极管组成。正中央1个,旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住, 圆柱体的直径略大于图中的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检　　

　　测用的光电二极管直径相同的洞, 以让光线通过(如图(9)所示) 。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上, 光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(确保会受到光线的照射) 也安装一个光电二极管(其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同) , 用于检测环境亮度, 并与圆柱体内的每个光电二级管及运放(可用LM324集成电路中的一个) 构成一个比较电路(如图(10)) 。适当调整图中电阻的阻值, 这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时, 运放将输出低电平。此电平可对接到的输入端进行检测, 圆柱体内的每个光电二级管各用一个单片机的输入端, 总共用了9个。这样就可以检测太阳光线的朝向, 来决定哪个电机转动、向哪个方向转动。　　

　　3.2.3电压转换模块
　　将蓄电池中的12V电压降压到7V，LM2596电路原理图如图(11)所示。引脚1是电源输入端，与蓄电池的正极相连，输入电压为12V，C1为输入滤波电容。引脚2为输出端，D1为续流二极管，当芯片内部的开关管关断时，电感L1通过D1续流，继而对C2充电并为负载供电。　　

　　再用LM7805将7V电压将为5V，最后，LM1117把5V将为3.3V，电路原理图如图12所示。图中C18~C21都是滤波电容，以减小电压纹波。　　

　　3.3软件系统设计
　　软件流程图如图(13)所示：
　　STEP1：硬件各模块上电后,单片机串口初始化，定义程序所需的各个变量。其中一个变量是记录从串口接收的数据。
　　STEP2：程序中使用延时函数，使系统稳定。
　　STEP3：进行光线检测
　　STEP4：单片机判断太阳的位置控制电机进行动作。　　

　　产品特色

　　4.1实用性
　　本作品实用性很强，通过对太阳位置的检测，实现时时发电板与太阳的位置保持垂直，增加太阳能发电的效率。通过蓄电池给其他用户供电，节约环保。去除了液晶显示时钟等模块，降低功耗。

　　4.2创新性
　　与传统的固定太阳能产品相比本作品可以实时跟踪太阳的位置，保持电池板以最大发电功率进行工作。通过双轴系统可以更好的实现转向，提高跟踪灵敏度。通过改进电机低成本的实现了电机的自锁功能。防止太阳能电池板由于重力原因下落，从而失去跟踪功能。

　　4.3先进性
　　随着能源的发展，绿色能源必将成为主力，太阳能的发展也会有所提高。逐日必将是发展的方向，在提高太阳能的利用率上，太阳跟踪是提高发电效率的最简单有效的途径。跟踪式太阳能发电装置与定点式的太阳能发电装置相比其能量的接受率可提高35%。因此，研制高精度的太阳跟踪发电装置就显得十分必要。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2591