基于MC9S12XS128單片機(jī)太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

張光輝，王世航，楊 起，葛德俊

南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330031

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類所面臨的能源問題越來(lái)越突出，太陽(yáng)能作為一種清潔能源無(wú)疑受到各國(guó)的普遍重視。在相同條件下，光照強(qiáng)度越大，太陽(yáng)能電池輸出功率越大。因而增大太陽(yáng)能電池受光面的光照強(qiáng)度，就可增大太陽(yáng)能電池輸出功率。除了提高太陽(yáng)光電池本身的轉(zhuǎn)換效應(yīng)和提高蓄電池充放電效應(yīng)外，對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤是太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段，因此在太陽(yáng)能的利用過(guò)程中實(shí)施太陽(yáng)跟蹤是很有必要的。

2 基于單片機(jī)MC9S12XS128 太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

2.1 概述

目前本設(shè)計(jì)僅通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式得到的數(shù)據(jù)，對(duì)東西向進(jìn)行每小時(shí)一次的角度改變，南北向進(jìn)行每天一次的角度改變，再通過(guò)單片機(jī)的判斷進(jìn)行每晚的東西向回歸控制以及每半年的南北向跟蹤方向的改變控制。

2.2 系統(tǒng)工作電源

本系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的大小，適應(yīng)性地采用兩種供電方式，分為工作電源獨(dú)立式、工作電源集中共用式（除電源的供給不同外，其他部分大體一致）。

系統(tǒng)主要由光強(qiáng)傳感器（主要部件為光敏電阻）、信號(hào)處理器（S12 單片機(jī)），蓄電池（12V ～4V）等組成，對(duì)于只有少量太陽(yáng)能電池板的發(fā)電設(shè)備（如家庭、移動(dòng)通信基站等），采用獨(dú)立式，獨(dú)立式系統(tǒng)是系統(tǒng)工作電源有自身的蓄電池和太陽(yáng)能電板供電。

為了使跟蹤系統(tǒng)不影響正常的太陽(yáng)能電池板向外供電，此系統(tǒng)的獨(dú)立電源的蓄電池可以采用獨(dú)立的成本低的實(shí)用性小太陽(yáng)電池板對(duì)其充電。這樣可以消除跟蹤系統(tǒng)對(duì)主要太陽(yáng)能電板發(fā)電供電的影響和防止對(duì)昂貴的工業(yè)發(fā)電板資源的占用。

系統(tǒng)主要由光強(qiáng)傳感器（主要部件為光敏電阻）、處理器（S12 單片機(jī)）、共用工作電源等；對(duì)于多套太陽(yáng)能板（如發(fā)電站）構(gòu)成的大中型光伏發(fā)電站采用集中共用式。集中供電系統(tǒng)是全部或者多個(gè)工作單體共用一個(gè)工作電源；集中供電系統(tǒng)可以大大減少設(shè)備成本，方便控制管理。

工作電源集中共用式的電源由外電源穩(wěn)定集中地按需供應(yīng)和切斷，使得工作電源得到合理利用，防止出現(xiàn)工作電能浪費(fèi)和電能不足的情況，因?yàn)椴恍枰總€(gè)單體都配上蓄電池和充電獨(dú)立太陽(yáng)能電池板，增強(qiáng)了可靠性，降低了設(shè)備成本。

3 系統(tǒng)電路控制

單片機(jī)控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、控制、數(shù)據(jù)通信的核心。系統(tǒng)電源給單片機(jī)控制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、分頻電路、驅(qū)動(dòng)電路的芯片的工作提供穩(wěn)定的工作電壓。 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的功能是將太陽(yáng)光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。分頻電路是為了給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供合適的工作頻率。驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)單片機(jī)的指令來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按規(guī)定的方向和轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊（主動(dòng)跟蹤）：根據(jù)當(dāng)前日期、時(shí)間點(diǎn)以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度信息，推算出每個(gè)時(shí)刻太陽(yáng)的方位角，初略的調(diào)整好太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)向位置。并時(shí)間階段設(shè)置模式識(shí)別，晚上休眠，白天正常工作。

光電傳感器（精確調(diào)整）：利用多個(gè)光敏電阻合理分布制作而成的光電傳感器，檢測(cè)各個(gè)光敏電阻所在方位的太陽(yáng)光強(qiáng)，綜合分析各個(gè)光敏電阻返回的電壓值以得到太陽(yáng)光精確的照射角。

風(fēng)力、雷電監(jiān)測(cè)傳感器：由于太陽(yáng)能電池板放置在樓頂天臺(tái)上且不斷變化著傾斜角，刮大風(fēng)和雷電會(huì)對(duì)設(shè)備照成嚴(yán)重?fù)p壞，因而要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)力及雷電情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)遇到狂風(fēng)及雷電天氣時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的安全。

本系統(tǒng)總電路圖

4 主控芯片MC9S12XS128

本系統(tǒng)采用Freescale 公司生產(chǎn)的16 位微控制器MC9S12XS128，包括一個(gè) 16 位中央處理單元（ CPU12X）、128KB 程序 Flash 、8KB RAM、8KB 數(shù)據(jù)Flash，此外還集成了2 個(gè)異步串行通信接口（SCI）、1 個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）、一個(gè)8 通道輸入捕捉/輸出比較(IC/OC)、定時(shí)器模塊PIM、16 通道12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、一個(gè)8 通道脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM），等等。該單片機(jī)具有速度快、功能強(qiáng)、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。5.PCF8563 時(shí)鐘芯片模塊本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求能夠?qū)r(shí)間進(jìn)行記錄，并且單片機(jī)能讀取到程序設(shè)定的即時(shí)時(shí)刻，因此要選用一款計(jì)時(shí)芯片為系統(tǒng)提供時(shí)間的提取和記錄。在本跟蹤系統(tǒng)中，選用的是pcf8563 計(jì)時(shí)芯片。

5 結(jié)論

通過(guò)使用人機(jī)交互，本作品可同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和定時(shí)控制，人機(jī)界面使操作簡(jiǎn)單，控制方便，更加人性化。全新的全景式傳實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)的全方位跟蹤，不用考慮地理位置和天氣變化等外界因素所帶來(lái)的干擾，具有防風(fēng)、防雨、防閃電功能；而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢測(cè)模塊，同時(shí)結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)良方案，使系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定。

[1]馮垛生，等編著.太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]趙爭(zhēng)鳴，劉建政，等編著.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]張鵬，王興君，王松林.光線自動(dòng)跟蹤在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(14).