實用型戶外太陽能照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

傅忠云，彭 杰，李陳康

（南京航空航天大學 金城學院，江蘇 南京 211156）

實用型戶外太陽能照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

傅忠云，彭 杰，李陳康

（南京航空航天大學 金城學院，江蘇 南京 211156）

針對采用單一傳感器檢測進行太陽能跟蹤的抗干擾性差，跟蹤誤差大的缺點，系統(tǒng)以MSP430超低功耗單片機為主控制芯片，采用定時法、坐標法和四象限傳感器比較法多種方法相結(jié)合，實現(xiàn)太陽的精確跟蹤。白天控制太陽能電池追蹤太陽并給蓄電池充電，夜晚控制高效LED模組照明，通過監(jiān)測電池的電量，進行了電池充放電保護，并實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的實時監(jiān)控。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，能安全、穩(wěn)定地進行太陽能的跟蹤，照明系統(tǒng)高效實用，具有廣泛的實際應用價值。

MSP430；精確跟蹤；HV9910B；電量監(jiān)測

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出。太陽能取之不盡，用之不竭，清潔安全，是理想的可再生能源之一。我國的太陽能資源比較豐富，且分布范圍較廣，太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展?jié)摿薮?。在布線困難的山區(qū)或者野外，太陽能電池供電的用電與照明方案提出顯得尤為重要。高效太陽能發(fā)電技術(shù)與LED照明技術(shù)結(jié)合，組成獨立的照明系統(tǒng)，可省去傳統(tǒng)太陽能發(fā)電的逆變并網(wǎng)、輸變電及LED的降壓等環(huán)節(jié)，可提高太陽能的利用效率，方便在戶外照明系統(tǒng)中的應用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430F149超低功耗單片機，根據(jù)定時法進行太陽能電池板方向粗略調(diào)整，然后利用四個光敏電阻組成的平衡電橋電路進行精確調(diào)整，控制兩個電機運轉(zhuǎn)，使太陽能電池板平面與太陽光線基本垂直，達到太陽能電池最大發(fā)電效率。另外考慮到天氣的變化因素，在陰雨天和夜晚等無太陽情況，系統(tǒng)停止工作，重啟系統(tǒng)時，利用坐標法對太陽跟蹤進行修正。同時，對蓄電池電量進行了實時監(jiān)控，進行了充放電控制系統(tǒng)，防止電池過充和過放，保證蓄電池的最大使用壽命。當光照低于一定值，打開LED照明系統(tǒng)，點亮7小時后逐漸熄滅，且能夠?qū)崿F(xiàn)LED電流可調(diào)。利用LCD12864液晶顯示器進行系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)顯示，并實現(xiàn)了上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計。

系統(tǒng)主要由單片機主控制器，太陽能電池模塊，尋光與電機控制模塊，按鍵模塊，蓄電池模塊，USB數(shù)據(jù)傳輸模塊，LED高效照明控制模塊，LCD顯示模塊以及上位機電量監(jiān)測模塊等九部分組成[1,5]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure diagram of the overall system

2 硬件及各接口電路設(shè)計

本設(shè)計是基于太陽能電池板的照明系統(tǒng)設(shè)計，因為光伏電池控制電路一般要求總電流3 mA以下，因此主控芯片及電路中其他控制芯片都盡量選用低功耗芯片，所以該系統(tǒng)選用Texas Instruments公司的MSP430F149低功耗單片機作為主控單元。太陽能模板(PV Module)選用輸出功率為20 W，短路電流為1.15 A，開路電壓為17.4 V的太陽能電池板。

系統(tǒng)硬件主要由電源模塊，主控單元模塊，液晶顯示模塊，鍵盤輸入模塊，太陽光跟蹤模塊，電機驅(qū)動模塊，電池電壓采樣模塊，充放電控制模塊，LED照明電路設(shè)計，時鐘電路設(shè)計及數(shù)據(jù)通信模塊等構(gòu)成。

2.1 電源模塊

整個系統(tǒng)由太陽能電池統(tǒng)一供電，12 V鉛蓄電池在充滿電之后會達到12 V以上，而系統(tǒng)中的單片機（MSP430F149）和LCD采用3.3 V供電。為了避免12 V電壓通過AMS1117芯片降壓時，較大電流引起發(fā)熱而溫度過高，導致電壓不穩(wěn)，甚至損壞芯片，在AMS1117前面使用了78系列電源芯片將電壓降至5 V。電源電路原理圖如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖Fig. 2 Power circuit schematic diagram

2.2 單片機系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計

系統(tǒng)電路的主芯片采用TI（德州儀器）公司的MSP430F149 Flash[3]單片機。低電壓范圍1.8～3.6 V供電，本設(shè)計采用3.3 V的電壓供電。本設(shè)計在RST/NMI管腳上接100 kΩ的上拉電阻，再接0.1μF的電容，電容的一端接地，同時，上拉電阻并接一個型號為IN4148的二極管，可以可靠的實現(xiàn)復位。LFXT1 接低頻振蕩器，接32768Hz的振蕩器，直接接在XIN與XOUT之間，此時振蕩器不需要接負載電容。XT2 接8MHZ的標準晶體振蕩器。外部標準晶體振蕩器接在XT2IN和XT2OUT之間，此時需要接22pF的負載電容。R14、R15是選擇單片機程序調(diào)試的供電方式，R14連接至VCC3.3是選擇外部電池，R15連接是由PC給其提供電源。這是方便在沒有外部電源的情況下面，單片機也可以與PC連接進行仿真與程序下載。如果單片機脫離電腦運行，必須將R14連接，由外部電源供電。GND與AGND、AVCC與DVCC之間用0 Ω電阻連接，防止互相干擾。

在本系統(tǒng)中采用低功耗YB12864ZB液晶顯示屏進行系統(tǒng)參數(shù)顯示。為進一步降低系統(tǒng)功耗，通過一個外接按鈕控制顯示電路是否工作，當有來人需要查看時才開啟。 按鍵設(shè)計為矩陣鍵盤，連接至單片機的P1.1～P1.5，在軟件中采取中斷的方式來控制。通過按鍵可控制顯示器翻頁和LED燈亮度調(diào)節(jié)等功能。

時鐘電路芯片選用DALLAS公司的DS1302時鐘芯片，采用該時鐘電路進行蓄電池充放電控制及太陽光跟蹤控制。利用上位機進行通訊時進行時鐘的校準，提高系統(tǒng)的控制精度。

數(shù)據(jù)通信采用了CH341轉(zhuǎn)接芯片，方便與設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。P3.4與P3.5配置為串口通信端口。

2.3 坐標法及四象限傳感器比較法跟蹤以及電機驅(qū)動電路設(shè)計

光敏電阻是一種光電導器件，它對光照強度的變化非常敏感，隨著光照強度的增大，它的阻值相應減小，電壓變化曲線相對平穩(wěn)。設(shè)計中利用四顆光敏電阻組成橋式電路，分成兩組，分布在太陽能電池板平面的四角，利用單片機內(nèi)部的多通道A/D轉(zhuǎn)換電路進行采樣，進行必要的軟件處理后控制電機運行，使太陽能電池能夠達到最大的輸出功率。

利用分別豎直朝向天空，正東方和正西方的三個光敏電阻判斷早中晚三個時間段，實現(xiàn)坐標法跟蹤。同時通過這三個光敏電阻判斷有無陽光，進而控制系統(tǒng)尋光電路的啟停。

太陽能跟蹤控制器采用步進電機作為驅(qū)動機構(gòu)，與其他電機相比具有易開環(huán)精確控制，無累計誤差等優(yōu)點。太陽能跟蹤控制器有兩個自由度，兩個步進電機分別控制太陽能電池板在水平和垂直的兩個自由度上轉(zhuǎn)動。水平方向的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)太陽方位角的跟蹤，垂直方向的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)太陽高度角的跟蹤。電機驅(qū)動芯片采用意法半導體公司的L298HN電機驅(qū)動芯片進行兩個方向的步進電機的驅(qū)動。

2.4 電池電壓采樣電路與充電電路設(shè)計

由于A/D采樣參考電壓為2.5 V，為了實現(xiàn)電池過充與過放保護，可利用6只1M的電阻串聯(lián)，將電池的電壓6等分，采樣電池電壓乘以分壓系數(shù)并顯示在LCD上，并將電池電壓與太陽能電池電壓值上傳至PC上供處理并繪制電池特性曲線。

控制器利用電池采樣電路得到的蓄電池電壓值，決定充放電，其控制電路如圖3所示。太陽能電池經(jīng)Q1、D1給蓄電池充電，增強型P溝道場管Q1通過單片機P5.4控制是否給蓄電池充電，D1為了防止蓄電池反向給太陽能電池充電，作反向保護，Q3通過P5.5引腳控制是否打開LED的電源[6]。

圖3 充放電電路原理圖Fig. 3 Charge and discharge circuit principle diagram

2.5 LED照明電路設(shè)計

選用單只3W高亮LED進行串聯(lián)，以達到設(shè)計要求的輸出功率。電路核心芯片利用高效LED控制芯片HV9910B。為保證亮度恒定并增強LED的可靠性，外部高亮LED串采用恒流方式控制，其恒流值由外部取樣電阻值決定，變化范圍從幾毫安到1安。由于采樣電阻非常小，自身所消耗的功率小，可使LED獲得更大的功率。系統(tǒng)通過單片機P1.6第二功能輸出PWM波形實現(xiàn)調(diào)光，且利用按鍵可修改PWM波形占空比，調(diào)節(jié)LED燈的亮度。LED照明控制電路如圖4所示。

圖4 LED照明控制電路Fig. 4 LED lighting control circuit

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)采用外部8 MHz高速晶體為時鐘輸入，將看門狗定時器配置為間隔定時器，1 s鐘中斷一次，在軟件運行的大部分時間，系統(tǒng)處于低功耗的狀態(tài)[10]。系統(tǒng)軟件運行總體設(shè)計流程如下：上電后系統(tǒng)初始化，顯示開機畫面，顯示電池電壓及時間，每隔1秒鐘將數(shù)據(jù)更新，并上傳至PC機，15分鐘定時中斷進行太陽的位置的檢測和跟蹤。夜間系統(tǒng)停止尋光充電進行LED照明控制。系統(tǒng)主流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主流程圖Fig. 5 System main flow chart

3.2 太陽光跟蹤模塊軟件設(shè)計

首先利用坐標法判斷是否有陽光及太陽的大致位置[7-9]；然后根據(jù)天體運行規(guī)律，由地方時，地理經(jīng)度和地理緯度等可求得每個時刻太陽的高度角和方位角。利用GPS等精密導航儀器得到的太陽能電池板所處位置的地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。然后根據(jù)計算得到的高度角和方位角計算太陽能電池板要轉(zhuǎn)動的水平角和俯仰角的范圍，換算出步進電機的控制脈沖，控制電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對太陽能電池板的角度的進一步調(diào)整。具體控制算法采用參考文獻[9]中公式實現(xiàn)。最后利用四個象限的光敏電阻進行最后的細微的調(diào)整。圖6所示為尋光部分流程圖。

圖6 尋光流程圖Fig. 6 For optical flow chart

3.3 上位機的軟件設(shè)計

隨著芯片制造工藝的不斷的改進，芯片的處理與數(shù)據(jù)存儲能力不斷的上升，但是為了將下位機大量的數(shù)據(jù)收集起來，便于組成大型的網(wǎng)絡，還得借助強大的PC機，本設(shè)計中使用到上位機軟件采用VB語言編寫，對下位機傳回的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建立數(shù)據(jù)庫，以便日后查詢。

4 軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)實物圖

通過硬件系統(tǒng)的搭建，制作出了完整的系統(tǒng)實物。如圖7所示。MSP430F149通過P3.4口發(fā)送給PC機的數(shù)據(jù)，包括當前蓄電池的電壓，占空比換算之后的LED電流、功率，如圖8所示。

圖7 太陽能照明系統(tǒng)電路板實物圖Fig. 7 Map of Solar lighting system circuit board

圖8 上位機監(jiān)控界面Fig. 8 PC monitor interface

4.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

表1顯示了LED電流、電壓、功率與PWM占空比的關(guān)系。

表1 LED電流、電壓、功率與PWM占空比的關(guān)系Tab.1 relationship between LED current, voltage, power and duty cycle of the PWM

由表1可知：電流與占空比之間，基本為線性關(guān)系，當占空比為0時，MOSFET完全關(guān)斷，LED完全熄滅，通過它的電流為0 mA。在LED點亮時，單只3 W的LED電壓降為3.6 V，恒定不變，功率與占空比之間，也成正比例關(guān)系。

5 結(jié)束語

文中論述了一種基于MSP430單片機[11]的太陽能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計思路及方法，考慮各種情況，結(jié)合定時法、坐標法和四象限傳感器法三者的優(yōu)點，進行了太陽的精確跟蹤設(shè)計，進行了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的硬件電路的設(shè)計及相應軟件設(shè)計，制作出了樣品。多次實驗調(diào)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的跟蹤太陽，照明系統(tǒng)運行良好，具有較高的性價比和廣闊的應用前景。

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Design and realization of a practical outdoor solar lighting system

FU Zhong-yun, PENG Jie, LI Chen-kang
（Jincheng College,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing211156,China）

Due to the existing solar tracking controller having defect of poor anti-interference and large tracking error, a solar-powered lighting system based on microcomputer technology is introduced. The system uses MSP430F149 ultra-low power microcontroller as the main control chip. Timing method, Coordinate method and four quadrant sensor comparison method are used for precise tracking of the sun. It controls the solar cell to track the sun and to charge the battery during the day.And the LED modules provides the efficient lighting at night. It can also monitor the battery, achieve battery charge and over discharge protection, and realize the real-time monitoring of lighting system. The test results show that, the system is simple, safe and stable. The lighting system is efficient and has a broad application value.

MSP430; precise tracking; HV9910B; power monitoring

TN710

A

1674-6236(2014)07-0120-04

2013-08-11稿件編號201308079

傅忠云(1980—)，女，安徽六安人，碩士，講師。研究方向：單片機等相關(guān)自動化技術(shù)。