太陽能追日探測控制器設計與實現

朱俊嘉，冮明穎（通訊作者），王方鐸，郭耀波

（遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧錦州，121001）

0 引言

目前的太陽能追日探測控制器很有必要改進，追日探測控制器目前經常存在的難題是追日精度不高，工作情況不太穩固，另外還有裝置高頻率追日能量消耗過多這樣的問題。該設計的研究目標就是研制一個“太陽能追日探測控制器”，根據檢測到的太陽光照射太陽能光伏板的角度控制轉動裝置動作，及時調整保證太陽光直射光伏板，實現逐日功能，提高光伏發電效率。

1 總體設計方案

太陽能追日探測控制器總體設計方案如圖1所示。當光線發生偏離時，由粗測電路測量對稱兩個太陽能板的電壓差值。采用光電池差動方式，當差值為正，輸出信號控制電機正轉，當差值為負，輸出信號控制電機反轉，直到電池板的電壓相等。在平衡點附近采用數字成像技術，通過CPU對器件進行處理，驅動電機進行細調，得到較為準確的值。進而分析其偏差值，直接獲得數字量；每當太陽光發生偏移時，通過水平電機和垂直電機的一起工作來實現對追日。

圖1 系統總體設計方案框圖

2 逐日探測器硬件及軟件設計

■2.1 光信號轉換電路設計

TL431是優良的熱穩定好的三端皆可調的分流式基準電壓源。輸出電壓時候使用2個上拉電阻就可以使其輸出電壓的電壓值在2.5V和36V直接任何一個值，具有很高的選擇性。10×10mm感光電池工作時會產生較大電流，并能很好的通過220k電阻轉化為電壓值，因此本設計選則了10×10mm型感光電池。光信號轉換電路圖見圖2。

圖2 光信號轉換電路圖

■2.2 信號放大電路設計

電流串聯負反饋電路的主要特點是維持輸出電流基本恒定，提高增益穩定性，在一定程度上減小非線性失真，抑制反饋環內噪聲等特點也尤為重要。本次設計的感光板等同于于電流源，據此電流并聯負反饋放大電路適合本次設計。TL082是一個通用型運算放大器，它的特性是：（1）低的輸入偏置電壓；（2）偏移電流低；（3）輸出端有短路保護。據此使用TL082當作電路的運放。電阻選擇為50k和5k，信號放大電路圖如圖3所示。

圖3 信號放大電路圖

■2.3 CPU接口設計

STC12C5A60S2為STC公司所生產的單片機。其帶有時鐘和機器周期，運算速度比傳統的8051快。它是高性能、抗干擾和低功耗的8051單片機。此芯片不僅可以很好的滿足任務要求，而且性價比高，所以單片機選擇STC12C5A60S2。電路圖見圖4。

圖4 CPU接口電路圖

■2.4 電源設計

探測器部分硬件電路所需電源為5V，分別為STC12C 5A60S2單片機、RS485以及下載電路提供電源。根據總設計，硬件電路5V電源是通過7805三端穩壓集成電路把12V變成5V。7805三端穩壓集成電路有輸入端、輸出端和接地端。7805組成的穩壓電源使用的外圍元件很少。7805內部有過熱、過流及調整管的保護電路，大大提高了7805的可靠性和安全性。更重要的是其價格便宜，7805經常被用來制作5V電壓源。通過在輸入端和輸出端并聯去耦電容的方式在變壓電路中進行濾波處理，可以讓電壓更穩定。

■2.5 通信接口電路設計

現在通訊芯片有很多，通常使用的通訊芯片有兩種：RS485和RS232。RS485接口組成的半雙工網絡，多采用屏蔽雙絞線傳輸，并且接口信號電平比RS232降低了，不易損壞接口電路的芯片。RS485的工作電平跟TTL電平兼容，方便TTL電路連接RS485，而RS23則需要轉接電路。RS485抗干擾性比RS232強。RS485的最大傳輸距離可達10km，比RS232遠。綜上本設計將RS485作為通信芯片構成通信電路，如圖6所示。

圖6 通訊接口電路圖

■2.6 探測器通信程序流程圖設計

探測器接收通信發送程序流程圖如圖7所示。

圖7 探測器接收通信發送程序流程圖

3 追日系統設計

■3.1 總體結構設計

追日系統主機系統包括逐日電機橋式驅動電路、CPU控制電路、電源及通信口等部分組成，其中追日電機橋式驅動電路采用H橋驅動法，通過H橋驅動電路來控制電機的旋轉方向，從而達到驅動目的，其中要使用兩個H橋驅動電路分別控制上、下方向和左、右方向，驅動芯片采用IR2110、4個MOSFET管進行統一驅動，IRF4905為PNP型，IRF3205為NPN型。追日系統結構圖見圖8。

電源電路如圖5所示。

圖5 探測器電源電路圖

■3.2 電機橋式驅動電路設計

追日電機橋式驅動電路設計使用H橋驅動電路。H橋電機驅動電路是通過4個MOSFET，還有一個電機組成的。導通對角線上的一對MOSFET，必然會使電機工作。要想控制電機的轉向，可以導通不同對角線上的MOSFET。設計使用IRF4905和IRF3205MOS管進行驅動，其中驅動開關使用IR2110驅動器它兼有光耦隔離、電磁隔離、體積小、速度快的優點驅動電路場效應管選擇為IRF4905和IRF3205MOS管，IRF4905為PNP型MOS管，IRF3205為NPN型MOS管，且都具有高效可靠性，轉換速率快，超低導通阻抗，175℃工作溫度等特點。綜上所述，根據各個元器件的特點功能得出逐日電機橋式驅動電路圖如圖9所示。

圖9 電機橋式驅動電路圖

圖11 逐日功能流程圖

■3.3 CPU控制電路設計

主要處理器為STC12C5A60S2單片機。STC12C5A60S2為STC公司所生產的單片機。它具有速度快、功耗低、抗干擾能力強的特點。它是新一代51單片機。指令代碼與傳統的8951完全兼容。使用STC12C5A60S2也能保持與探測器CPU一致，減少材料種類。最小系統還有光電耦合裝置連接電路圖見圖10。

圖10 最小系統與光電耦合裝置連接電路圖

■3.4 追日功能軟件設計

控制部分可大致看成由兩個相同的H橋驅動電機電路組成，當探測器部分將AD采樣所得的基準電壓，水平方向光電池產生電壓，豎直方向產生電壓值，經處理得到水平和豎直兩個方向的電壓差值，以下簡稱電壓差，經串行口通信傳遞過來，進入CPU，通過電壓差的正負，來驅動電機正轉或是反轉，根據電壓差絕對值的大小來決定電機轉動的快慢。電機轉速的調節由PWM程序完成，PWM就是脈沖寬度調制的意思，又稱脈寬調制。 PWM程序首先啟動定時計數器，進行定時計數器初始化，然后在中斷中設置定時周期總數PWM和輸入電壓為滿幅值的次數PWM_H， PWM_H / PWM即為占空比,輸出電壓即 為（PWM_H / PWM）V。本課題中PWM=10，在AD部分讀出的電壓差值越大，PWM_H的值越大。已知每個串行通訊周期時間長短一致，當電壓差值越大即與入射太陽光線偏角越大時，PWM_H值越大即轉動角速度越大，矯正的方向角也隨之增大。據此契合本設計的工作需求，實現了追日要求。電壓差值的正負控制電機的正反轉，選用IR2110組成的2個H橋負責水平和豎直方向的電機驅動，使用PWM驅動H橋電路時，HIN1=-LIN1，HIN2=-LIN2。如果電壓差值是正，電機正轉HIN1=1，LIN1=0; 又如果電壓差值是負，電機反轉HIN1=0，LIN1=1;當初始狀態時可將SD置為高電平，防止電機在分步調節程序時，使用串行口通信，用電腦發送一個命令“將PWM_H賦值，即可調劑電機程序流程圖如圖11所示。

圖11 PWM占空比70%時調試圖

4 太陽能追日探測控制器的實物圖

本設計的太陽能追日探測控制器體積小巧、簡單輕便，實物圖如圖12所示。

圖12 PWM占空比100%時調試圖

圖12 實物圖