光強檢測在光伏發電自動跟蹤系統中的應用

鄧奕 余振洪

【摘要】 在光伏發電自動跟蹤系統中，光強檢測作為一個重要環節直接決定自動跟蹤的效果。本文以Atmaga8作為光強檢測控制核心，利用TSL2560T光強傳感器對太陽能電池板的光強進行采集，通過對硬件設計和軟件編程，光強檢測模塊能夠采集精確的光強值，使得太陽能電池板始終朝向光強最大的方向，達到自動跟蹤的效果。

【關鍵詞】 光強檢測 單片機控制 TSL2560T 自動跟蹤

能源是人類社會賴以生存和發展的基礎，太陽能作為一種綠色環保的新型能源，由于其零排放，無污染而廣泛應用于各個領域[1]。太陽能是利用太陽能電池板來吸收光線的輻射能量，將其轉化為電能，再將電能進行儲存。在整個轉化過程中決定所產生能量大小的因素主要是：光照強度、光照面積和光照時間[2]。這些主要因素直接影響光伏發電的質量。由于太陽能電池板一般都是整裝固定在地面或者固定在欄桿上，而太陽卻處于不停運動的狀態，因而光線強弱不停的發生變化[3]。所以研究和設計光伏發電自動跟蹤系統，即太陽能電池板會跟隨著太陽的運動軌跡而轉動，始終讓太陽能電池板的光照面積最大化，具有很強的實用價值。

一、自動跟蹤系統原理

光伏發電自動跟蹤系統整體框圖如圖1所示，該系統將光電跟蹤方式與太陽運動軌跡追蹤方式相結合，以單片機控制器作為控制核心，通過Modbus總線協議接收來自光強檢測模塊輸出的光強值。太陽能電池板是安裝在二維電機轉動架上[5]，光強檢測模塊放置于太陽能電池板的正中央，兩者保持平行。根據光強值的大小，控制二維電機的轉動，從而實現對太陽的跟蹤。基于光強檢測對整個自動跟蹤系統的重要性，本文主要對光強檢測進行了設計和研究。

二、光強檢測硬件設計

光強檢測是光伏發電自動跟蹤系統的重要環節，自動跟蹤系統是根據檢測到的光強值來判斷二維電機的運動方向。在設計光強檢測模塊時，其基本出發點就是要合理的利用現有工藝條件，采用單片機控制技術對實時采集的光強信號進行接收和處理，經過A/D轉換后的光強信號傳輸到單片機中，單片機再通過Modbus總線協議傳輸給光伏發電自動跟蹤系統的控制器。

2.1 器件選型

本設計選用ATMEL公司的AVR系列單片機Atmaga8作為主控芯片，其價格低廉，具有功能強大的定時器/計數器及通訊接口，并且內置EEPROM[4]。

作為光強檢測，光強傳感器的好壞直接影響整個系統的運行情況。本設計采用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可編程的光強度數字轉換芯片TSL256x。內部結構圖如圖2所示，該芯片是第二代周圍環境光強度傳感器。

2.2 原理圖設計

光強檢測原理圖如圖3所示，將TSL2560T的引腳SCL連接于Atmaga8的PC5，引腳SDA連接于單片機的PC4。單片機只需要以PC4和PC5來模擬SMBus總線就可以讀取TSL2560T的ADC寄存器中的光強值。TSL2560T中有兩個轉換通道，分別為通道0和通道1，其中通道0是轉換可見光和紅外線的通道；通道1僅僅只轉換紅外線。自動跟蹤系統只是跟隨著可見光光強值最大的方向運轉，如此，通道1是作為一個補償的通道，補償掉通道0中的紅外線，最后可以唯一得到可見光的光強值。

為了實現將采集到的光強值正常傳輸給光伏發電自動跟蹤系統的控制器，本設計采用傳輸距離遠，傳輸可靠性高的Modbus總線協議。485通信芯片選擇為SP3485E，3.3V供電。其中R4為匹配電阻，在遠距離傳輸或者位于485總線上的最后一個從機時才使用。R3和R5分別為下拉電阻和上拉電阻，保證485總線的初始狀態。光伏發電跟蹤系統難免處于比較惡劣的環境下，為防止單片機程序跑飛，本設計外置一個看門狗芯片X5043來保證光強檢測模塊的正常高效工作，其原理圖如圖4所示。

三、軟件設計

在軟件設計中，首先需要對看門狗芯片進行初始化，然后讀取光強傳感器的參數值，最后通過Modbus總線協議傳輸給光伏發電自動跟蹤系統的控制器。

單片機通過對引腳PC4和PC5通用I/O口（一根時鐘線，一根數據線）進行SMBus讀寫協議模擬，SMBus和I2C協議的區別就是協議中應答（ACK）不一樣，所以可以依照I2C協議進行參考。SMBus協議的重點是數據傳輸的時序，由開始位和停止位來控制。開始位為時鐘信號的高電平，將數據線的電平由高到低，標志著數據傳輸的開始。停止位為時鐘信號的低電平，將數據線的電平由低拉到高，標志著數據傳輸的結束。在寫數據時，先發送器件的地址，然后發送要寫入的數據。光強傳感器芯片的寫操作過程包括：先發送器件的地址，然后寫命令碼，命令碼是往寄存器地址00H-0FH中寫的數據，其以字節、字或者塊為單位進行寫操作。在讀數據時，需要先寫器件地址，然后寫命令代碼，再寫入一次器件地址，最后才是讀取通道寄存器的數值。

看門狗X5043芯片是以SPI接口協議進行初始化，初始化為1.4s，在1.4s之內引腳CS如果沒有接受來自單片機的上升沿或者下降沿，RST引腳就輸出一個低電平的脈沖給單片機復位。本文Modbus總線協議在485通信接口的基礎上，以ASCII碼通信格式來設計和實現。讀取和傳輸光強值的程序流程圖如圖5所示。

四、總結

本文重點研究和設計了一種光伏發電自動跟蹤系統中的光強檢測模塊，其主要是基于Atmaga8單片機和TSL2560T光強傳感器，采用Modbus總線協議，精確采集太陽（或者模擬光源）的光強值，使得太陽能電池板始終朝向光強最大的方向，達到自動跟蹤的效果。通過實物驗證，結果證明本方案比目前廣泛使用的光敏電阻等光強檢測的方案要實用和優越，通過本方案得到的光強值精度高，效果好，在極其惡劣的環境條件下也能正常穩定地運行。