基于單片機的太陽能自動追蹤裝置的制作方法

專利名稱：基于單片機的太陽能自動追蹤裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型發明屬于太陽能利用領域。涉及一種以單片機為控制核心的太陽自動 追蹤控制裝置，該裝置能夠使太陽能板跟隨太陽光照射方向變化而始終保持與太陽光線向 垂直，提高太陽能的利用效率。
背景技術：
目前人類對自然能源的開發和利用進入一個新的時期，即以太陽能、核能為主體 的多樣化新能源時期。太陽能是一種理想的可再生能源，發展前景非常廣闊，代表著世界能源工業的發 展方向，同時太陽能發電已成為全球發展速度最快的技術，在過去的25年間，太陽能發電 成本下降了 95%。然而它也存在缺點，如能量密度低，不易收集，不穩定，隨季節氣候和天氣 晝夜變化而變化等，使太陽能的利用有間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化等問題，由 此對太陽能的吸收和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定 放置的，無法保證太陽光的垂直照射，不能充分利用太陽能資源，使其發電效率低下。據實 驗得知，在太陽能發電中，相同條件下，采用自動追蹤發電設備要比固定角度的發電設備的 發電量提高35%，因此在太陽能利用中，有必要進行太陽追蹤。
發明內容本實用新型的目的在于，提供一種基于單片機的太陽能自動追蹤裝置，該裝置采 用單片機控制，整個電路結構簡單，可靠性高，操作維護方便，電動機穩態運轉時轉速精度 可達到較高水平，靜動態各項指標均能較好地滿足跟蹤太陽的要求。為了實現上述任務，本實用新型采取如下的技術解決方案一種基于單片機的太陽能自動追蹤裝置，包括太陽能電池板，其特征在于，所述的 太陽能電池板上連接有直流電動機，直流電動機和驅動器連接，驅動器還與控制單元相連， 控制單元上還分別連接有光敏半導體、光電檢測追蹤模塊和視日運動軌跡追蹤模塊。本實用新型的其他一些特點是所述的控制單元選用MC9S12DG128B單片機。所述直流電動機選用57BYG250-56型直流步進電機。所述的驅動器的型號為ZD-6560-V3。本實用新型的太陽自動追蹤控制裝置，吸收了光電檢測追蹤模式和視日運動軌跡 追蹤模式這兩者的長處，來使裝置的運行更加的靈活，也保證了裝置的穩定性，即根據光照 強度的不同，采取相對應的追蹤模式來對太陽進行追蹤，以更靈活的模式來更有效率的接 收太陽能，由于裝置的性價比高，結構簡單，具有實用價值和推廣意義。本實用新型帶來的技術效果是(1)利用單片機實現了低成本太陽跟蹤，抗風性能好，實用性強，可實現全天候對 太陽跟蹤。[0014](2)微處理器技術先進，抗干擾能力強，適應溫度范圍寬，在各種惡劣的環境下都 能可靠地工作，這是其它機種無法比擬的。( 3 )主電路線路簡單，需要的功率器件少，效率高，功耗低。(4)與多數單片機的仿真調試方式不同，MC9S12具有的背景調試模塊為單片機的 開放提供了便利，BDM能在單片機運行時對單片機動態調試。(5)采用PWM調速驅動控制電路，脈寬調制(PWM)直流調速技術具有調速精度高、 響應速度快、平穩性好、調速范圍寬和功率損耗低等特點。(6)外設和I/O資源豐富，多數引腳復用功能，給用戶提供了很大的靈活性。(7)實驗結果表明，本實用新型的太陽能自動跟蹤裝置，用電機驅動太陽能電池板 控制電路運行穩定可靠，電機速度調節響應快，能夠滿足實際工程應用的要求，有很好的應 用前景。

[0020]圖1是本實用新型的結構示意圖；[0021]圖2是驅動器原理圖；[0022]圖3是顯示電路圖；[0023]圖4是按鍵電路圖；[0024]圖5是光電檢測追蹤模塊的原理簡圖；[0025]圖6是光電檢測模塊的電路原理圖；[0026]圖7是串行口的RS-232驅動電路；[0027]圖8是陰天時的流程圖[0028]圖9是時鐘模塊流程圖；[0029]圖10是按鍵模塊設計流程圖；[0030]圖11是顯示模塊設計流程圖；[0031]圖12是判斷子程序流程圖；[0032]圖13是電機的工作狀態流程圖；[0033]圖14是計算太陽高度角和方位角的流程圖；[0034]
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。
具體實施方式
本實用新型的太陽跟蹤系統用電機驅動控制裝置，包括太陽能電池板1，太陽能電 池板1上連接有直流電動機2，直流電動機2和驅動器3連接，驅動器3還與控制單元4相 連，控制單元4上還分別連接有光敏半導體5、光電檢測追蹤模塊6和視日運動軌跡追蹤模 塊。控制單元4采用了 FreSSCale9S12系列單片機作為整個系統的核心，該追蹤系統 采用的是對光電檢測追蹤模式以及視日運動軌跡追蹤模式這兩者優點的結合模式。晴天時 采用光電檢測追蹤模式，使用光敏二極管做傳感器，利用光敏二極管的A/D轉換電路來判 斷太陽位置，配合步進電機控制太陽能電池板對陽光進行即時追蹤，該模式接收光效率高; 陰雨天時進入視日運動軌跡追蹤模式，通過軟件計算當時太陽的方位角和高度角來進行追蹤，則保證了接收的穩定。裝置的軟件和硬件采用模塊化設計思想，C語言編寫程序，完成 系統的設計。控制單元4選擇Freescale公司生產的MC9S12DG128B單片機；直流電動機 2選擇北京時代超群電器科技公司制造的57BYG250-56型直流步進電機，驅動器選擇 ZD-6560-V3。實現直流步進電機的啟動、正轉、反轉和制動。、總體設計選用Fresscale 9sl2系列單片機作為核心來控制電路；啟動裝置后由光敏半導 體5判斷是否晴天，如果是，進入光電檢測追蹤模塊6 ；如果不是，則啟動時鐘顯示模塊，看 時間，如果在7:00到18:00之間，則說明是陰天，啟動視日運動軌跡追蹤模塊7進行追蹤； 如果不是，則說明是晚上，裝置不工作，自動復位。光敏半導體5選擇光敏二極管，采用A/D轉換電路，把信號傳輸給單片機的輸入輸 出端口，經過預定程序判斷之后來控制電機。視日運動軌跡部分，啟動預定程序，先讀取當 前時間，再計算出當時的太陽高度角和方位角，單片機控制電機偏轉，近似對準太陽光垂直 角度接收。MC9S12DG128B單片機是Motorola公司M68HC12系列16位單片機中的一種，可提 供豐富的指令系統，具有較強的數值運算和邏輯運算能力。其內部結構主要有單片機基本 部分和CAN功能塊部分組成，基本結構包括一個中央處理器單元HCS12(CPU)，2個異步串 行通信口 SCI，2個同步串行通信口 SPI，8通道輸入捕捉/輸出比較定時器，1個8通道脈寬 調制模塊以及49個獨立數字I/O 口(其中20個具有外部中斷及喚醒功能)，在片內還擁有 128KB的Flash ROM, 8KB的RAM，2KB的EEPROM。MC9S12的低功耗晶振，復位控制，看門狗 及實時中斷等配置和功能更有助于系統的可靠運行。與多數單片機的仿真調試方式不同， MC9S12具有的背景調試模塊為單片機的開放提供了便利，BDM能在單片機運行時對單片機 動態調試。多數引腳復用功能，給用戶提供了很大的靈活性。集成了 A/D模塊，PWM模塊， 時鐘模塊等，而這些正是本系統設計所需要的。CAN功能塊包括兩個兼容CAN2. 0Α/Β協議的msCAN控制器組成，這些豐富的內部資 源和外部接口資源可以滿足E⑶對各種數據的處理、CAN網絡數據的發送和接收要求，芯片 集成了兩個msCAN12模塊，能夠實現高低速CAN網絡的網關節點功能。時鐘電路是標準的MC9S12單片機的時鐘電路，通過把一個16MHz的外部晶振接在 單片機的外部輸入接口 EXTAL和XTAL上，利用MC9S12內部的壓控振蕩器和鎖相環把這個 頻率提高到24MHz，作為單片機工作的內部總線時鐘。本實施例給出了一種以MC9S12DG128B單片機為核心，以57BYG250-56型直流電 機為載體，制作了一套太陽能自動跟蹤裝置。該裝置的硬件電路包括以MC9S12DG128B單 片機作為控制單元，單片機最小系統電路、光電檢測追蹤電路、PWM驅動電路、電機模塊、按 鍵電路和顯示電路；該控制單元的軟件程序部分采用C語言編寫，編譯環境為CodeWarrior 4. 7，通過清華大學提供的BDM將程序燒寫到S12芯片中。、光電檢測追蹤系統設計圖5是光電檢測追蹤模塊的原理簡圖，如圖5所示，太陽能電池板上放置一個圓 盤，然后將5個光敏二極管是按一定的分布安裝在圓盤上面，為了能恰當的接收到太陽光 的照射以及避免無謂的干擾，還需要在圓盤的外面套個中空的圓柱體遮光罩，用于篩選接
5收陽光，圓柱套頂上還要加一個透光孔。因為設定的目的是當正中央的DO被太陽垂直照 射時，電機不轉動，因此空心圓柱罩上的開孔不能過大，過大會把其它二極管也照射到，造 成混亂；也不能過小，太小會導致入射光線不夠，產生的電流信號不足以被單片機接收。鑒 于以上原因，取孔徑為6mm。假設太陽此時入射角度不是垂直，而是一個傾斜角θ，可以根據需要這個θ來計 算出圓柱罩應該的高度。因為設定是假如檢測到DO是高電位，證明此時入射陽光與太陽板 垂直，那么會待機15分鐘以后再次檢測，因為15分鐘之內的太陽移動角度并不大，但是如 果圓柱罩過矮，就會造成15分鐘后，光線依然照在DO上，甚至由于角度不夠，陽光根本照射 不到四周的光敏二極管上，其實那時候陽光已經不與太陽能板垂直了，這樣會造成接收效 率降低；相反，如果圓柱罩過高，入射光線角度只要稍微偏離一點，就可能造成射到圓柱罩 的內壁，也許就會產生誤判而紊亂。最好的情況是在15分鐘內，陽光在圓柱罩內圓盤上移動的距離χ不小于光敏二極 管的半徑2. 5mm，但是也不超過1. 5倍光敏二極管直徑+6mm的間隙=13. 5mm。可以得以下
公式
X = H tau^l 2.5 < χ <13.5)又因為15分鐘內太陽移動的角度θ幾乎為一個定值，即太陽白天12小時移動 180°，則1小時移動15°，所以15分鐘接近移動了 4°，因此tg4° 0. 07，因此可知道圓 柱罩高度H的取值范圍為36mm彡H彡193mm。故盡量避免在每15分鐘時恰好出現光柱移動到兩個二極管之間的間隙中，因此 取圓柱高為H=40mm。傳感器電路由敏感元件和輸出電路組成。在本實施例設計中，光敏二極管作為傳 感器元件，把光信號轉化為電信號。輸出電路的作用是阻抗匹配，放大，調零。因此輸出電 路由三部分組成電壓跟隨器，放大電路和調零電路。(如圖6所示)因為采集來的信號比較小，一般為幾毫伏，所以經過信號放大電路把電壓送到單 片機。另外，為了降低輸出失調電壓特別是運放在直流放大時的影響，還需要加一個調零電 路。最后把信號傳輸給單片機之前還要加一個限幅電路，這樣可以保證輸入單片機的電壓 在某個幅值之內，在此電路中，電壓范圍只要在0—5. IV就可以。因為有五個光電二極管，所以需要5個這樣的電路。依次和單片機的AN00-AN04 口相接。單片機判斷輸入的電壓大小，進而控制電機的轉動方向。、單片機最小系統設計以單片機為核心的最小系統包括時鐘電路，串口電路，BDM接口，復位電路，電源電 路。另外單片機的每個電源端和接地端，都要接去耦電容。本實施例使用的是標準的MC9S12DG128單片機的時鐘電路，通過把一個16MHz的 外部晶振接在單片機的外部輸入接口 EXTAL和XTAL上，利用MC9S12DG128內部的壓控振蕩器和鎖相環把這個頻率提高到24MHz，作為單片機工作的內部總線時鐘。這里PE7腳懸空， 對應XCLKS為高，采用串聯振蕩電路。MC9S12DG128片上有兩個串行口，可以通過串口驅動電路中的RS-232電平轉換芯 片MAX232將TTL電平轉換成RS-232電平，然后通過9芯串行電纜和PC機進行通信。此 外，單片機只需用一個6針的插頭將信號引出和BDM調試器連接，就可實現單片機的BDM調
試ο、驅動電路及電機模塊設計PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達 到控制要求的一種電壓調整方法。在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接 通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。(如圖3)在本 實施例中，需要PWM發脈沖來控制電機的轉動，通過設置單片機K 口輸出高低電平，來控制 電機正反轉。R為串聯電阻，當控制器的接口電壓為5V時，無需R，直連即可；當接口電壓為 12V時，請串聯IK電阻；當接口電壓為24V時，請串聯2.7K電阻。對于本裝置，將(方向_) 接到單片機的PKO 口上，當輸出高電平時正轉，輸出低電平時反轉。(脫機_)與單片機共地， 中間加一個手動開關，當開關斷開時，電機正常工作，當開關閉合時脫機。太陽光線的跟蹤是由控制單元控制電機的轉動來實現的。對太陽位置的跟蹤，決 定了電機的轉動角度是一個隨機的過程，即電機的轉動角度只與上一時刻的位置呈時間函 數的關系。考慮到跟蹤精度，所以對電機的轉動必須予以精確的控制，這樣就決定了選用步 進電機。輸入一個脈沖，步進電機轉動的角度，稱步距角θ b，其計算公式如下
權利要求1.制的太陽能自動追蹤裝置，包括太陽能電池板(1)，其特征在于， 所述的太陽能電池板(1)上連接有直流電動機(2)，直流電動機(2)和驅動器(3)連接，驅動 器(3)還與控制單元(4)相連，控制單元(4)上還分別連接有光敏半導體(5)、光電檢測追蹤 模塊(6)和視日運動軌跡追蹤模塊。
2.如權利要求1所述的太陽能自動追蹤裝置，其特征在于，所述的控制單元(4)選用 MC9S12DG128B 單片機。
3.如權利要求1所述的太陽能自動追蹤裝置，其特征在于，所述直流電動機(2)選用 57BYG250-56型直流步進電機。
4.如權利要求1所述的太陽能自動追蹤裝置，其特征在于，所述的驅動器(3)的型號為 ZD-6560-V3。
專利摘要本實用新型公開了一種基于單片機控制的太陽能自動追蹤裝置，包括太陽能電池板，太陽能電池板上連接有直流電動機，直流電動機和驅動器連接，驅動器還與控制單元相連，控制單元上還分別連接有光敏半導體、光電檢測追蹤模塊和視日運動軌跡追蹤模塊。該裝置吸收了光電檢測追蹤模式和視日運動軌跡追蹤模式這兩者的長處，晴天時采用光電檢測追蹤模式，利用光敏二極管的A/D轉換電路來判斷太陽位置，配合步進電機控制太陽能電池板對陽光進行即時追蹤；陰雨天時進入視日運動軌跡追蹤模式，通過軟件計算當時太陽的方位角和高度角來進行追蹤。可以對直流電機轉速和轉動方向進行精確的控制，實現電機的啟動、正轉、反轉等操作。
文檔編號G05D3/12GK201886356SQ20102065867
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者劉坤, 孫家永, 焦磊, 王旭, 許世維, 趙軒, 郎明華, 馬建 申請人:長安大學