基于Atmega16的太陽能電池板光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1.前言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201609/303459.htm伴隨日益嚴(yán)重的能源危機(jī),可再生資源的開發(fā)和利用成為人們研究的重點(diǎn)對(duì)象。太陽能以其普遍、長(zhǎng)久、安全等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。目前太陽能已被不同程度地用在了多個(gè)領(lǐng)域,如電池領(lǐng)域,但普遍存在利用率不高的問題,很多場(chǎng)合下,電池板要么被安裝成固定角度,要么只能按照固定角度偏轉(zhuǎn),沒有充分使太陽光垂直照射到電池板上,降低了太陽能的利用率。
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
設(shè)計(jì)采用光強(qiáng)比較法來跟蹤太陽光源。整機(jī)裝置包括:太陽能電池板、電源管理電路、光電管、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)以及機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)工作原理如圖2所示,在太陽能電池板邊沿的中間位置分別安裝一個(gè)光電管,根據(jù)太陽光照射到電池板對(duì)邊兩個(gè)光電管的角度(如圖α、β)不相等,使得光電管1、2感受的光照強(qiáng)度不同從而產(chǎn)生大小不同的光電流,將光流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),通過比較采集后的電壓信號(hào),控制步進(jìn)電機(jī)向電壓大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1光強(qiáng)采集電路
系統(tǒng)使用靈敏度較高的3DU33光電管作為光強(qiáng)檢測(cè)器件,其光電流大于2mA,發(fā)射極只需串接很小的電阻便可得到可被采集的電壓,而且其響應(yīng)時(shí)間《1ms,反應(yīng)速度快。
需要注意的是,強(qiáng)光下,光電流較大,此時(shí)光電管發(fā)射極電阻不宜過大[2],否則各個(gè)光電管輸出電壓均趨于5V,系統(tǒng)不能檢測(cè)出對(duì)邊兩只光電管的輸出電壓差。該設(shè)計(jì)中,R1使用330Ω,在冬天中午陽光照射下,測(cè)得輸出電壓已達(dá)到3.6V.
3.2 步進(jìn)電機(jī)
設(shè)計(jì)使用5線四相減速步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48,減速比為1:64,步矩角為5.625°/64=0.087 89°,遠(yuǎn)小于不帶減速比的步進(jìn)電機(jī),這是提高跟蹤精度的很好選擇。
對(duì)于四相步進(jìn)電機(jī),其工作方式可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等,但單4拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半,因此,8拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。設(shè)計(jì)采用8拍工作方式,那么1拍轉(zhuǎn)過的角度為0.087 89°/2=0.043945°,進(jìn)一步提高了跟蹤精度。
3.3 電源管理電路
為了使系統(tǒng)能夠在室外正常運(yùn)行,設(shè)計(jì)采用太陽能電池板和鋰電池合理給系統(tǒng)供電。當(dāng)太陽能電池板輸出功率不夠時(shí),由鋰電池給系統(tǒng)供電;當(dāng)鋰電池電壓低于3.5V的時(shí)候,太陽能電池板給鋰電池充電;否則由太陽能電池板給系統(tǒng)供電。
測(cè)試知,系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)輸入功率接近2.5W(5V/480mA)??紤]到天氣和季節(jié)因素,一般要求電池板的最大輸出功率要3W以上,故設(shè)計(jì)采用8片太陽能電池片(0.5V/1.2A)串聯(lián),得到4V/1.2A(最大輸出4.8W)的輸出,經(jīng)DC-DC升壓電路給系統(tǒng)供電。
4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件流程圖如圖3所示,系統(tǒng)一上電先進(jìn)行粗調(diào)來確定太陽光源的大概位置。其思想是:將水平面平均分成12個(gè)區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域中對(duì)光照強(qiáng)度采樣8次,并累加保存。進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域,同樣采樣8次并累加,比較相鄰區(qū)域累加值的大小,并讓電機(jī)向累加值大的區(qū)域方向轉(zhuǎn)動(dòng),直到找到累加值最大的區(qū)域,這時(shí)說明太陽位置在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)。
粗調(diào)完成后,對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行管理,分別對(duì)太陽能電池板電壓和鋰電池電壓采樣,經(jīng)單片機(jī)分析,正確的對(duì)開關(guān)進(jìn)行操作以合理地為系統(tǒng)配備電能。
微調(diào)思想:先對(duì)X方向調(diào)整,完成后,再對(duì)Y方向調(diào)整。為得到較平滑的采樣數(shù)據(jù),先使光電管采樣64次,再求和取平均,通過比較對(duì)邊光電管的平均值,決定步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。直到X方向和Y方向的兩個(gè)光電管采樣值都相等,則調(diào)整完成,此時(shí)光源處于電池板中心處。
5.運(yùn)行測(cè)試
測(cè)試條件:光源距離激光筆105cm,激光筆安裝在電池板的中心,Y方向上,激光筆在偏離光源±30°范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。
6.結(jié)束語
測(cè)試結(jié)果表明,在偏離光源±45°范圍內(nèi),系統(tǒng)均能在9s內(nèi)定位光源,并且偏差不大于4cm.實(shí)際應(yīng)用時(shí),系統(tǒng)實(shí)時(shí)緊跟太陽,不會(huì)出現(xiàn)太陽突然偏轉(zhuǎn)電池板一個(gè)較大角度的情況,因此激光筆偏離光源距離是所關(guān)心的,而本設(shè)計(jì)測(cè)得的偏離距離不超過4cm,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
評(píng)論