光伏太陽能監測系統“產品式”實訓教學設備的設計開發

張　皓/遼寧石化職業技術學院

光伏太陽能監測系統“產品式”實訓教學設備的設計開發

張皓/遼寧石化職業技術學院

本文根據光伏發電中太陽能監測控制系統產品的原理，鑒于當前高職院校實訓教學設備的知識系統性不足。設計了以市場產品為原型適用于電子課程教學的一種太陽能監測控制實訓裝置。重點描述了該實訓裝置的設計過程，并介紹了該裝置在實訓教學過程中的實施方法。這種實訓理念不但增強了學生環保、產品意識，同時對高職院校相關專業開發類似的教學裝置也提供了參考依據，使其滿足企業對人才的需求。

太陽能；控制系統；產品式；實訓教學

高職院校傳統的實訓教學設備多以“模塊式”實訓裝置為載體開展實訓教學工作，這種方式從教師傳授知識角度上實現起來比較容易，從學生接受知識角度上來看也比較有針對性、直接性，對知識點的細化程度較強，學生也比較容易理解，但是也存在著很大的不足：與企業生產實踐脫節，無法與市場產品相關聯，導致學生畢業后無法直接從事企業生產實踐，產品意識缺乏。從實訓教學上來說，這種實訓設備目的性較單一，知識點與知識點、課程與課程之間較孤立，缺乏聯系，沒有形成學習系統。

針對以上問題，本文從教學產品角度和學生的認知規律出發，模擬市場上的光伏太陽能監測控制器，設計與開發了光伏太陽能監測系統實訓教學設備。從理念上打破了傳統的“模塊式”實訓教學設備的缺陷，提升學生的產品意識，擬補了目前課程、學科分離嚴重、實訓課知識點分散化、系統性嚴重不足的缺陷。同時對國內的環保產品也具有一定的社會價值。

一、控制系統整體設計方案

光伏太陽能監測實訓教學設備的核心設計是太陽能監測控制系統的設計。本文以太陽能電池板為控制對象，設計了基于我國宏晶公司生產的STC12C605AS2單片機為核心控制器的太陽能自動監測控制系統，通過主控器件自動的調整控制太陽能電池板的位置，使太陽能電池板始終與太陽光照射方向垂直，從而使太陽能設備能夠達到最大的采熱效率。

1.太陽能監測系統控制策略

本文采用了光電監測與記憶監測相結合的控制方式實現對太陽的自動監測控制。所謂記憶監測就是在正常天氣條件下，從早上7:00至下午18: 00時間段內，統計兩個方向步進電機所走的步數并記錄存儲下來；每隔一定的時間Δ t統計該時間段內的步進電機所走過的步數并根據時間先后記錄下來。在天氣好時，系統采用光電監測模式，當遇到陰天或天氣狀況不好造成光電傳感器產生的電信號小于設定的閥值時，系統能夠自動切換到記憶監測模式運行，并從EEPROM存儲器中按序讀取當前數據，從而來控制步進電機工作。這樣我們就能夠保證所采用的數據為最新、最優數據，監測的效果將達到最優，可使系統不存在累積誤差，精度較高，使系統避免監測盲區。

2.系統整體設計方案

該系統主要由七個主要部分組成：STC12C5A60S2單片機最小系統、光電檢測電路、信號放大電路、時鐘電路、步進電機驅動電路、顯示電路、外接鍵盤和報警電路。

最終制定出控制系統整體設計方案如圖1所示：

圖1　

二、控制子系統的軟硬件設計

STC12C5A60S2單片機是以8051為內核的一種新一代單片機。其功能強大，集成度高，內置A/D轉換與PWM脈寬控制，技術成熟，被我國目前廣大高校作為單片機教學的首選芯片。本文設計的太陽能監測系統正是采用了該款芯片作為系統主控制器組成最小系統。下面就該裝置以下三個的主要子系統介紹其軟硬件設計過程。

1.光電檢測與放大子系統

硬件設計原理：光電傳感器接收太陽光，將光信號轉換成電信號，此模擬電信號經過放大器的放大進入單片機，經過單片機內部A/D轉換，根據采集來的信號進行分析比較，得出結果最終控制步進電動機的轉動與轉向來達到太陽能電池面板垂直于入射光線。光電傳感器選為光敏電阻，根據系統需要，設計合理的光敏電阻放置位置以及其擋光板，以接收陽光。這里利用4個光敏電阻以東西南北四個方向排列。硬件電路上運算放大器采用LM358雙運放集成電路，它的內部包含兩組形式完全相同的運算放大器，電路原理圖如圖2所示：

圖2　

軟件設計原理：利用光敏電阻在光照時電壓發生變化的原理，將兩個個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，兩個光敏電阻接收到的光強度相同，所以它們的阻值相同，則輸出電壓相同，此時步進電機不轉動。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻電壓減少，驅動電動機轉動，直至兩個光敏電阻上的光照強度完全相同。南北方向的兩個光敏電阻同理。

2.雙軸步進電機控制系統

本文采用雙軸步進電機控制，就是在水平方向控制一臺步進電機，在垂直方向控制一臺步進電機。本系統通過單片機按太陽垂直角和俯仰角的大小，產生控制步進電機運轉的脈沖信號。按照不同的控制命令，使兩個方向上的步進電機分別作正轉、反轉和停止等動作。系統由于采用 STC系列單片機，電路簡單可靠，結構緊湊。對于不同方向的步進電機控制，不需改變硬件電路，通過修改軟件，用程序改變相序，即能實現步進電機的多種控制，靈活方便，通用性強，成本低。

在硬件電機驅動上，直接利用STC12C5A60S2單片機的推挽強輸出方式即可輸出大電流驅動三相三相制步進電機運行。本系統采用PWM方式可控制步進電機的轉速大小，電路原理圖如圖：

圖3　

SER0為電機1控制水平方向運動，SER1為電機2控制垂直方向運動。CH為電機輸入端

3.時鐘控制系統

這里我們使用DS1302時鐘芯片來計算時間。太陽相對地球的位置變化緩慢，所以不需要監測裝置時刻運行。當系統運行后，DS1302開始計時，每十分鐘向單片機發送一次數據，控制單片機對光電檢測數據進行掃描存儲。假定太陽光強的有效時間為早上7：00點到下午18：00點，當時鐘芯片計時滿10個小時后，控制單片機回到早上7點鐘的時刻位置，以便于第二天的運行。

三、控制系統的測試與實驗

1.控制系統的實物測試

把整個控制系統置于陽光下并接通電源，第一次要通過手動調整監測裝置，使得太陽能板與太陽光線大致處于垂直狀態，隨后系統將根據天氣狀況自動選擇監測模式。在光照強度適合的時間內，系統自動采用光電模式進行精確監測；在使用紙板遮住太陽光以后，系統自動切換到記憶模式進行監測；一旦遮擋物撤去，系統又恢復到光電監測模式，使得太陽能電池板始終垂直于太陽光線。超過監測時段后，監測系統自動停止。控制裝置如圖4所示，四個光敏電阻輸出電壓如表1所示：

圖4　

表1　光敏電阻輸出電壓測試

2.實訓實施過程

本實訓課程實施時可利用本學期該課程隨堂實驗和綜合實訓周兩階段時間共同完成，教師根據學生人數，3—5個學生一個小組。在隨堂實驗實訓階段，教師首先需要提供給學生該實訓裝置實訓任務書、光伏太陽能監測系統電路原理設計圖、實訓裝置所需電子元器件、15×18cmPCB板兩片、5×7cmPCB板兩片、3×5cmPCB板1片、1p～20p單排母座接插件若干、面包線若干。教師按照事先設計好的控制系統電路原理設計圖設計PCB。在PCB制作過程中，布線時無需進行繁瑣的元器件引腳連接，只需將各元器件引腳利用單排母座引出，讓學生利用面包線插接單排母座，從而自由連接各元器件，方便學生快速搭接、修改電路，這使得學生可以更加靈活進行子電路的調試、實驗，極大的提高了學習效率。最后將各個元器件和單排母座焊接在制作完成的PCB板上。在綜合實訓周，學生需要完成整個系統的PCB繪制設計，并焊接所有元器件，可利用手機電筒模擬太陽光，正確調試運行整個控制系統。

3.實訓裝置可完成的實驗

(1) 聲光報警實驗（2）帶記憶功能實時時鐘控制實驗（3）1602液晶顯示實驗（4）步進機PWM、PID控制實驗（5）光電傳感器與雨滴傳感器實驗（6）按鍵設置實驗（7）四路放大器與比較器電路LM358控制實驗（8）與非門74LS00芯片控制實驗（9）光伏太陽能電池板監測控制系統綜合實驗（10）PCB制作實驗

四、結束語

通過這種實訓教學方式有利于學生對各個知識點實驗模塊的理解掌握，訓練了學生對PCB板的制作，鍛煉了學生的焊接、調試能力，同時由于學生最終的實訓成果是一個完整的產品，雖然它不是真正意義上可推向市場的產品，但這種實訓方式大大增加了學生的產品意識，更能提高學生的學習興趣，使學生能夠更加貼近適應企業的工作崗位，縮短適應周期。同時由于這種實訓裝置涵蓋了大部分的相關學科知識，使學生將所學知識點能夠有效的統一聯系起來，形成完善的學習系統，最終達到學以致用的目的。

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