基于LM3S811的太陽能電池用太陽光跟蹤系統(tǒng)

夏雨磊

【摘要】 介紹了一種基于LM3S811超低功耗單片機(jī)為控制核心的太陽光跟蹤系統(tǒng)。利用光敏電阻組成感光陣列，通過LM3S811判斷后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)對準(zhǔn)太陽光，可有效的提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【關(guān)鍵詞】 LM3S811 太陽光跟蹤

一、引言

太陽能電池作為綠色能源得到越來越多的應(yīng)用，太陽能電池的發(fā)光效率與太陽光的入射角度有關(guān)，當(dāng)入射光垂直時效率最高，通過太陽光跟蹤系統(tǒng)，可有效的提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本文設(shè)計一個光源追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以LM3S811超低功耗單片機(jī)為控制核心，通過五個光敏電阻模塊來檢測光照，依據(jù)光照度的變化、大小來判斷出光源的位置與運動趨勢，并將光源運動分解為水平和豎直方向的三維運動，借以來控制水平電機(jī)與豎直電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)水平方向上的兩傳感器的測量數(shù)值相對接近，同時豎直方向上的兩傳感器的測量數(shù)值也相對接近時，感光平面朝向太陽。

二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本設(shè)計硬件部分主要由以下幾個部分組成：感光模塊，AD轉(zhuǎn)換部分，LM3S811單片機(jī)最小系統(tǒng)，細(xì)分驅(qū)動，混合式步進(jìn)電機(jī)，太陽能電池板。感光模塊接收光照，感應(yīng)光照變化，使電壓改變信號通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)生送給單片機(jī)LM3S811，兩兩為一組進(jìn)行比較，比較后LM3S811產(chǎn)生PWM波，并發(fā)出高低電平，控制上下左右方向；PWM波送入驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊經(jīng)細(xì)分后驅(qū)動左右控制電機(jī)和上下控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，同時高低電平控制電機(jī)方向，對準(zhǔn)太陽光源。

感光模塊利用光敏電阻在不同光照強(qiáng)度下電阻阻值隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小的原理來取信號。光敏電阻比較穩(wěn)定，能夠很好的把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺医?jīng)濟(jì)適用。

AD轉(zhuǎn)換部分采用TLC2543芯片。TLC2543是采用CMOS技術(shù)的12位開關(guān)電容逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，依靠初始的電荷在容器間重新分配的原理來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。它有11個模擬量輸入通道，帶自動采樣保護(hù)，轉(zhuǎn)換時間為lOus。它有3個輸入控制端，即片選cs、串行輸入/輸出時鐘及串行數(shù)據(jù)輸入端，還有一個三態(tài)數(shù)據(jù)輸出端。不需要其他元器件，可直接與LM3S811連接。

采用細(xì)分器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，一個原因是通過細(xì)分器，單片機(jī)只要產(chǎn)生簡單的PWM就可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，和轉(zhuǎn)動速度。一個原因是通過細(xì)分器單片機(jī)可以精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，而且細(xì)分之后每一步角度可調(diào)。電機(jī)的速度也可根據(jù)需要調(diào)整。配合感光部分的信號，系統(tǒng)精確度達(dá)到最大化。

三、光線采集電路的設(shè)計

如圖所示，5個同一型號的感光模塊按陣列排布，其中感光模塊5居中，并且它的方向垂直于平面，而感光模塊l和2直線對稱排列，其中模塊1方向向上偏，模塊2方向向下偏；光模塊3和4直線對稱排列，其中模塊4方向向左偏，模塊3方向向右偏，再太陽光對準(zhǔn)模塊陣列時，感光模塊5的光強(qiáng)最強(qiáng)，當(dāng)太陽光偏離垂直位置時，假設(shè)偏上，這樣模塊1的信號強(qiáng)度將比5強(qiáng)，2將比5弱，偏下則相反，這樣由模塊1、模塊5、模塊2信號的偏差可以判斷太陽光上下偏離方向，這時單片機(jī)控制上下偏轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)消除上下方向的偏差；同理由模塊4、模塊5、模塊3信號的偏差可以判斷太陽光左右偏離方向，然后由單片機(jī)控制左右步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度消除左右偏離方向。這樣，單片機(jī)根據(jù)偏離方向通過控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度來調(diào)整使得模塊5的信號最強(qiáng)，這時太陽光正對準(zhǔn)陣列。

四、軟件設(shè)計

軟件編程比較簡單，LM3S811采用掃描方式不斷訪問A/D轉(zhuǎn)換集成電路TLC2543讀取各個感光探頭收集到的光照信號強(qiáng)度，并通過光照信號判斷要轉(zhuǎn)動的方位，然后產(chǎn)生兩路步進(jìn)電機(jī)方向控制電平，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時產(chǎn)生兩路PWM波形通過細(xì)分器控制兩個步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度，最后尋找到光照平衡點，然后電機(jī)停止運轉(zhuǎn)，直到再次失去平衡再次啟動電機(jī)尋找平衡點，這樣反復(fù)控制實現(xiàn)對光源的跟蹤。

五、結(jié)束語

利用A/D轉(zhuǎn)換把傳感器產(chǎn)生的光照信息送給LM3S811數(shù)據(jù)處理，方便實現(xiàn)光照方向的判斷，細(xì)分器配合步進(jìn)電機(jī)的使用提高了系統(tǒng)的精度，控制系統(tǒng)給電機(jī)信號后，在水平和豎直方向兩個步進(jìn)電機(jī)迅速反應(yīng)，快速精確實現(xiàn)對光照方向的定位，可有效的應(yīng)用于對光照方向有苛刻要求的場合。