基于A(yíng)tmega16的太陽(yáng)能電池板光源控制系統設計方案

1.前言

伴隨日益嚴重的能源危機，可再生資源的開(kāi)發(fā)和利用成為人們研究的重點(diǎn)對象。太陽(yáng)能以其普遍、長(cháng)久、安全等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。目前太陽(yáng)能已被不同程度地用在了多個(gè)領(lǐng)域，如電池領(lǐng)域，但普遍存在利用率不高的問(wèn)題，很多場(chǎng)合下，電池板要么被安裝成固定角度，要么只能按照固定角度偏轉，沒(méi)有充分使太陽(yáng)光垂直照射到電池板上，降低了太陽(yáng)能的利用率。

2.系統設計原理

設計采用光強比較法來(lái)跟蹤太陽(yáng)光源。整機裝置包括：太陽(yáng)能電池板、電源管理電路、光電管、單片機、電機驅動(dòng)電路、步進(jìn)電機以及機械轉動(dòng)平臺。系統結構如圖1所示。

系統工作原理如圖2所示，在太陽(yáng)能電池板邊沿的中間位置分別安裝一個(gè)光電管，根據太陽(yáng)光照射到電池板對邊兩個(gè)光電管的角度(如圖α、β)不相等，使得光電管1、2感受的光照強度不同從而產(chǎn)生大小不同的光電流，將光流轉換成電壓信號，通過(guò)比較采集后的電壓信號，控制步進(jìn)電機向電壓大的方向轉動(dòng)。

3.系統硬件設計

3.1光強采集電路

系統使用靈敏度較高的3DU33光電管作為光強檢測器件，其光電流大于2mA，發(fā)射極只需串接很小的電阻便可得到可被采集的電壓，而且其響應時(shí)間《1ms，反應速度快。

需要注意的是，強光下，光電流較大，此時(shí)光電管發(fā)射極電阻不宜過(guò)大[2]，否則各個(gè)光電管輸出電壓均趨于5V，系統不能檢測出對邊兩只光電管的輸出電壓差。該設計中，R1使用330Ω，在冬天中午陽(yáng)光照射下，測得輸出電壓已達到3.6V.

3.2 步進(jìn)電機

設計使用5線(xiàn)四相減速步進(jìn)電機28BYJ-48，減速比為1:64，步矩角為5.625°/64=0.087 89°，遠小于不帶減速比的步進(jìn)電機，這是提高跟蹤精度的很好選擇。

對于四相步進(jìn)電機，其工作方式可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等，但單4拍的轉動(dòng)力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半，因此，8拍工作方式既可以保持較高的轉動(dòng)力矩又可以提高控制精度。設計采用8拍工作方式，那么1拍轉過(guò)的角度為0.087 89°/2=0.043945°，進(jìn)一步提高了跟蹤精度。

3.3 電源管理電路

為了使系統能夠在室外正常運行，設計采用太陽(yáng)能電池板和鋰電池合理給系統供電。當太陽(yáng)能電池板輸出功率不夠時(shí)，由鋰電池給系統供電;當鋰電池電壓低于3.5V的時(shí)候，太陽(yáng)能電池板給鋰電池充電;否則由太陽(yáng)能電池板給系統供電。

測試知，系統正常運行時(shí)輸入功率接近2.5W(5V/480mA)?？紤]到天氣和季節因素，一般要求電池板的最大輸出功率要3W以上，故設計采用8片太陽(yáng)能電池片(0.5V/1.2A)串聯(lián)，得到4V/1.2A(最大輸出4.8W)的輸出，經(jīng)DC-DC升壓電路給系統供電。

4.系統軟件設計

軟件流程圖如圖3所示，系統一上電先進(jìn)行粗調來(lái)確定太陽(yáng)光源的大概位置。其思想是：將水平面平均分成12個(gè)區域，在每個(gè)區域中對光照強度采樣8次，并累加保存。進(jìn)入下一個(gè)區域，同樣采樣8次并累加，比較相鄰區域累加值的大小，并讓電機向累加值大的區域方向轉動(dòng)，直到找到累加值最大的區域，這時(shí)說(shuō)明太陽(yáng)位置在這個(gè)區域范圍內。

粗調完成后，對系統電源進(jìn)行管理，分別對太陽(yáng)能電池板電壓和鋰電池電壓采樣，經(jīng)單片機分析，正確的對開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作以合理地為系統配備電能。

微調思想：先對X方向調整，完成后，再對Y方向調整。為得到較平滑的采樣數據，先使光電管采樣64次，再求和取平均，通過(guò)比較對邊光電管的平均值，決定步進(jìn)機的轉動(dòng)方向。直到X方向和Y方向的兩個(gè)光電管采樣值都相等，則調整完成，此時(shí)光源處于電池板中心處。

5.運行測試

測試條件：光源距離激光筆105cm，激光筆安裝在電池板的中心，Y方向上，激光筆在偏離光源±30°范圍內。測試結果如表1所示。

6.結束語(yǔ)

測試結果表明，在偏離光源±45°范圍內，系統均能在9s內定位光源，并且偏差不大于4cm.實(shí)際應用時(shí)，系統實(shí)時(shí)緊跟太陽(yáng)，不會(huì )出現太陽(yáng)突然偏轉電池板一個(gè)較大角度的情況，因此激光筆偏離光源距離是所關(guān)心的，而本設計測得的偏離距離不超過(guò)4cm，達到設計要求。