基于PIC單片機自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的設計

　　自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，故名思意基本功能就是使光伏陣列隨著(zhù)太陽(yáng)而轉動(dòng)，基本原理框圖如圖1所示。

　　該系統時(shí)刻檢測太陽(yáng)與光伏陣列的位置并將其輸入到控制單元，控制單元對這2個(gè)信號進(jìn)行比較并產(chǎn)生相應的輸出信號來(lái)驅動(dòng)旋轉機構，使太陽(yáng)光時(shí)刻垂直入射到光伏陣列的表面上。雖然太陽(yáng)在太空中的位置時(shí)刻都在變化，但其運行卻具有嚴格的規律性，在地平坐標系中，太陽(yáng)的位置可由高度角a與方位角φ來(lái)確定，公式如下[2-3]：

　　式中： δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為當地的緯度角；ω為時(shí)角。

　　太陽(yáng)赤緯角與時(shí)角可以由本地時(shí)間確定，而對確定的地點(diǎn)，本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當地相關(guān)地理位置與時(shí)間信息就可以確定此時(shí)此刻的太陽(yáng)位置。

　　2 系統的整體設計方案

　　PIC16F877A是一款具有RISC結構的高性能中檔單片機，僅有35條單字指令，8 k×14個(gè)字節FLASH程序存儲器，368×8個(gè)字節RAM數據存儲器，256×8個(gè)字節E2PROM數據存儲器，14個(gè)中斷源，8級深度的硬件堆棧，內部看門(mén)狗定時(shí)器，低功耗休眠模式，高達25 mA的吸入／拉出電流，外部具有3個(gè)定時(shí)器模塊，2個(gè)16位捕捉器／16位比較器／10位PWM模塊，10位多通道A／D轉換器，通用同步異步接收／發(fā)送器等功能模塊[5]。

　　自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的控制方式主要有微處理器控制、PLC控制、DSP控制與模擬電路控制4種形式，根據以上原理，本文選擇性?xún)r(jià)比較高的PIC16F877A單片機為控制核心，系統實(shí)現的具體原理框圖如圖2所示。

　　整個(gè)控制器主要由控制單元與驅動(dòng)執行機構2部分組成?？刂茊卧山嵌扔嬎慵胺答伩刂?、啟動(dòng)信號產(chǎn)生、電機驅動(dòng)信號產(chǎn)生、保護信號處理與人機通訊5個(gè)部分組成。系統功能說(shuō)明如下：?jiǎn)纹瑱C循環(huán)檢測光伏陣列的位置，并將其與計算出的此時(shí)本地太陽(yáng)的高度角與方位角進(jìn)行比較來(lái)確定光伏陣列是否跟蹤上太陽(yáng)的位置，如果沒(méi)有且啟動(dòng)信號滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，單片機就發(fā)出指令驅動(dòng)電機轉動(dòng)；保護信號是保證系統在外界以及其他非人為因素情況下所執行的一種操作指令，以確保系統不受損壞，從而提高了整個(gè)系統的可靠性。驅動(dòng)執行單元主要功能是用來(lái)實(shí)現電機驅動(dòng)與旋轉，并通過(guò)機械傳動(dòng)機構帶動(dòng)光伏電池陣列轉動(dòng)。

　　2．1控制單元硬件設計

　　由于采用了單片機作為主控制單元，大部分工作都由單片機在軟件中實(shí)現，從而簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設計，簡(jiǎn)要說(shuō)明主要控制部分的實(shí)現過(guò)程。

　　(1)角度計算及反饋控制

　　單片機通過(guò)外擴三態(tài)鎖存器輸入口獲取時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的時(shí)間信號與光電旋轉編碼器的位置信號后，利用單片機快速運算處理能力用軟件加以實(shí)現；

　　(2)電機驅動(dòng)信號生成

　　本文采用的是步進(jìn)電機，其驅動(dòng)脈沖由單片機內部自帶的10位PWM波發(fā)生模塊產(chǎn)生，只需在軟件中設置相應的有關(guān)參數就可改變電機的轉速；

　　(3)上位機監控系統是利用單片機內部自帶的異步接受／發(fā)送器等功能模塊，硬件部分只需加MAX 232加以電平轉換，便可實(shí)現PC機與單片機的數據傳輸；

　　(4)考慮到光伏發(fā)電只有在太陽(yáng)光強滿(mǎn)足一定強度的時(shí)候才能發(fā)電，啟動(dòng)信號主要是利用光敏二極管檢測光強，保證系統在夜間

　　或陰雨天不滿(mǎn)足發(fā)電條件的情況下，系統停止跟蹤檢測電路如圖3所示。主要由放大、比較與光耦隔離3個(gè)部分組成。

　　(5)系統的保護功能主要包括大風(fēng)保護、電網(wǎng)掉電保護、振動(dòng)過(guò)大保護、限位開(kāi)關(guān)與接近開(kāi)關(guān)保護組成，單片機檢測到保護信號產(chǎn)生時(shí)，便發(fā)出指令將系統停放在安全的位置上，確保整個(gè)系統不受損壞。圖4是電網(wǎng)掉電檢測電路原理圖，主要由降壓、整流與光耦隔離3個(gè)部分組成。

　　3 控制單元軟件設計

　　軟件是該控制系統的核心，除一些保護自鎖功能通過(guò)硬件實(shí)現外，大部分功能均通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現，整個(gè)軟件采用C語(yǔ)言模塊化編程方式，易于系統的移植與集成。

　　主程序與中斷服務(wù)子程序流程如圖5所示。

　　4 系統的抗干擾措施

能夠可靠穩定的運行是自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器成為成熟產(chǎn)品的前提，該系統從軟件與硬件兩個(gè)方面來(lái)增強抗干擾措施，主要手段有：

　　(1)外部輸入信號與控制系統信號不共地；

　　(2)有的外部輸入信號輸入到單片機內部之前都經(jīng)過(guò)嚴格的光耦電路加以隔離；

　　(3)優(yōu)化PCB布線(xiàn)結構，減少過(guò)孔，以降低寄生電容雜散電感的影響；

　　(4)保證整個(gè)系統可靠接地；

　　(5)外部信號采用屏蔽電纜線(xiàn)傳輸；

　　(6)軟件上增加軟件濾波、看門(mén)口定時(shí)器與軟件陷阱等措施，保證軟件在出現死機、跑飛等故障時(shí)能夠自我恢復。

　　(7)系統重要保護如限位保護均從軟件與硬件上加以雙重保護，以提高其可靠性。

　　5 結 語(yǔ)

　　自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的穩定性與可靠性一直是其沒(méi)有被大規模應用的主要問(wèn)題之一。

　　本文基于PIC16F877A單片機為控制核心，設計了一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)高度角與方位角轉動(dòng)的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，現場(chǎng)運行結果表明該系統跟蹤準確、能耗低、可靠性高、系統性能穩定，發(fā)電效率提高35％以上，對以后建設大型戈壁沙漠并網(wǎng)電站具有指導性意義。