傾角傳感器在太陽能跟蹤系統中的應用研究

摘 要：太陽能以其普遍性、永久性、無污染、分布廣、利用方便等優點成為各國競相研究和開發的熱點。對太陽能跟蹤控制系統中的傾角傳感器應用進行了研究，以檢測太陽能電池板的傾角，使得太陽能電池板在俯仰方向上與太陽的高度保持一致。設計了傾角傳感器檢測電路，通過對傾角傳感器輸出數據的采集和濾波處理，濾除了太陽能電池板在轉動過程中因抖動而產生的隨機誤差信號，實現了在俯仰方向上的精確測量。

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關鍵詞：太陽能跟蹤系統； 傾角傳感器； 角度測量； 軟件濾波

中圖分類號：TN911.7-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0129-03

Application of tilt sensor in solar power tracking system

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LU Wei-ping， HUANG Ming-feng， SUN Yong-rong

(Navigation Research Center， College of Automatic Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

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Abstract： Solar power is studied and developed by so many countries due to its advantages of universality， permanency， pollution-free， convenient usage etc. The application of tilt angle sensor SCA60C in solar power tracking system is discussed. The module was used to measure the real-time pitch angle of the solar-cell panel in order to make it in correspondence with the height of the sun. A circuit design of this module is introduced. Acquiring and filtering the output data of the tilt angle sensor to reduce the random error signal due to the shake of solar-cell panel， an accurate measurement in the pitching direction can be realized.

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Keywords： solar power tracking system; tilt angle sensor; angular measurement; software filter

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收稿日期：2011-08-22

0 引 言

隨著經濟的高速發展，對于能源的需求和由之帶來的高污染問題日趨突出[1]。太陽能作為一種新型、清潔能源，發展前景相當廣闊，目前已成為各國競相研究和開發的熱點，而如何高效地獲得太陽能資源是當前一個重要的課題。傳統的太陽能接收板大部分采用固定安裝形式，而太陽的方位角度和高度是隨時間變化的，所以這種固定安裝的電池接收板的轉換效率較低[2]。經理論分析，光伏發電系統是否采用對太陽的自動跟蹤方式，能量的接收效率相差達[3]40%～50%之多，而采用雙軸跟蹤可增加發電量[4-5]35%~40%，因此，開展對太陽光線自動跟蹤方面的研究，對于光伏發電系統的發展有著積極的實際意義。

本文對太陽能跟蹤控制系統中的傾角檢測與控制進行了研究，重點對傾角傳感器檢測電路、傾角傳感器輸出數據的采集和濾波處理進行研究，從而實現傾角的精確測量。

1 太陽能跟蹤控制系統方案

本文研究的太陽能跟蹤系統由監控中心、太陽能跟蹤控制兩大部分組成。監控中心主要完成太陽能板的狀態監測與控制，而太陽能跟蹤控制則是本系統的核心部分，由水平方向與俯仰方向(即傾角)上的兩個電機驅動，完成電池板的自動跟蹤功能，其機械示意圖如圖1所示。

圖1 雙軸支架機械結構圖

實際系統控制中，根據GPS輸出的時間信息、經緯度信息，可以得到太陽的實時方位角和高度角，通過控制電機來調整雙軸支架，完成對太陽的跟蹤[6]。系統采用步進式視日跟蹤，即雙軸支架的運轉并非連續性的，而是給定一個閾值，如果當前太陽角度與太陽能電池板角度的差值超過設定的閾值時，再啟動兩個電機完成角度的調整，這樣既降低了支架轉動而消耗的能量，又提高了太陽能轉換效率[7]，其控制流程如圖2所示。

圖2 太陽能電池板跟蹤控制流程圖

2 傾角檢測模塊設計

2.1 芯片的選取

本文中選擇了SCA60C單軸傾角傳感器，是一種加速度計，內部由一個硅微傳感器和信號處理芯片組成，采用SMD形式封裝，先測量地球引力在測量方向上的分量，再將其轉換為重力加速度與傳感器敏感軸之間的夾角，以此來測量支架的傾角[8]。該傳感器單極5 V供電，靈敏度為2 V/g，測量范圍為-1～1 g(對應的傾角變化范圍為-90°～90°)，電壓輸出范圍為0.5~4.5 V。傾角與輸出電壓的對應計算公式為：

α=arcsinVout－OffsetSensitivity

式中:Offset為傾角傳感器處于相對水平位置時的輸出電壓;Sensitivity為傾角傳感器的靈敏度。

針對SCA60C單軸傾角傳感器的輸出特性，本文選用了STC12C5604AD單片機，是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期的新一代8051單片機，具有高速、低功耗、超強干擾的特性，指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度快8~12倍。具有4路PWM、8路高速10位A/D轉換，無需專用編程器與仿真器，通過串口(P3.0/P3.1)就可以直接下載程序，大大地節約了設計成本。

2.2 傾角檢測模塊設計

2.2.1 硬件電路設計

傾角傳感器模塊安裝在太陽能電池板的下表面，完成支架傾角的采集。工作狀態下，SCA60C的模擬電壓輸出信號輸入到單片機的A/D采集端口，轉換后的數字量信號通過串口與主控箱中的單片機通信，完成角度反饋，其硬件電路設計如圖3所示。

圖3 傾角檢測模塊系統結構圖

2.2.2 軟件設計

單片機的8路A/D口需要通過對ADC_CONTR 寄存器中CHS0\\\\CHS1\\\\CHS2三位的設置來選擇使用的模擬輸入通道，并且必須將其設置為開漏模式或高阻模式，即需要對P1M0(0~7)，P1M1(0~7)中相應位進行設置，如本例中選擇P1.2為SCA60C的電壓信號采集端，為開漏模式，則設置為：

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ADC_CONTR |= 0x02；// 選擇P1.2為A/D的轉換端口

P1M0 |= 0x40； // 設置轉換端口為開漏模式

P1M1 |= 0x40；

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第一次啟動A/D轉換時，需給適當延時以確保內部模擬電源的穩定；轉換結束后，結束標志位需要由軟件清零。該傾角模塊軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

3 傾角傳感器數據采集與濾波處理

本文中，每隔300 ms采集一次傾角傳感器輸出電壓，電池板從0°勻速轉到90°后得到的數據如圖5所示。圖中x軸表示電池板轉動90°所用的時間，y軸為對應時間下傳感器輸出的電壓值。

圖5中所示的傳感器輸出電壓信號顯然不能作為電池板的角度信號反饋給MCU，否則可能會導致俯仰方向上驅動電機的誤動作，產生意想不到的后果，因此需要進行濾波，去除毛刺信號。

圖5 傾角傳感器輸出的原始信號

設傾角傳感器輸出電壓值為xi，則每N組數據進行平均后，得到平滑后的輸出值[9]為：

yi=1N(x1+x2+…+xN)=1N∑Ni=1xi

如果N取值很大，輸出信號的平滑度則很高，但是會降低靈敏度，且還受到本文中所選擇單片機RAM的大小的限制；N取值很小則又達不到濾波效果。實驗驗證，本應用中N取20可得到很好的濾波效果。

由圖5可以看出，輸出信號脈沖干擾信號很多，所以必須要做限幅處理。限幅濾波設置一個閾值，如果前后兩次輸出值的差值小于等于這個閾值時，本次值有效；相反則舍棄本次值，同時用上次值代替本次值[10]。本文依據太陽初升及落山時刻，電池板初始對準及回收動作下的電壓變化最大幅值設置閾值?？伤愕闷渥畲筠D動速度為0.75°/s，則對應的輸出電壓最大差值應該為25 mV。

本方法有效地結合了限幅濾波和算術平均濾波各自的優點，先利用限幅濾波算法去除了超出閾值的無效脈沖數據，再使用算術平均濾波平滑輸出信號，輸出信號效果圖如圖6所示。

可以看出，其平滑度有了很大的改善，滿足了控制系統的要求，表明了此聯合濾波算法的應用是有效的。

4 結 語

本文研究了傾角傳感器在太陽能跟蹤發電系統中的應用，設計了模塊的硬件電路，根據本應用環境的因素，利用兩種濾波方法的優點對輸出信號進行了處理，達到了理想的輸出效果，精確地反饋了太陽能電池板俯仰角度，使得對太陽的跟蹤實時有效，提高了太陽能電池板的接收效率。

圖6 聯合濾波后的數據圖

參 考 文 獻

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［8］張維勝.傾角傳感器原理和發展［J］.傳感器世界，2002，8(8)：18-21.

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［9］陳姍姍.幾種濾波算法性能比較與分析［J］.現代經濟信息，2009(15)：237.

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作者簡介：

盧衛平 男，1987年出生，江蘇泰州人，碩士研究生。主要研究領域為檢測技術及自動化裝置。