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基于PIC16F877A自動太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)

2009/6/3 11:07:00

光伏發(fā)電能為人類提供可持續(xù)能源，并保護(hù)賴以生存的環(huán)境，但其發(fā)電效率低，發(fā)電成本相對較高仍然足制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。在沒有出現(xiàn)高效的光伏電池材料之前，研制具有實(shí)用價(jià)值太陽聚光器及自動跟蹤系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)低成本，則是促進(jìn)太陽能廣泛應(yīng)用的主要途徑之一。一般雙軸系統(tǒng)可提高發(fā)電量35％左右，單軸系統(tǒng)可提高20％左右，聚光型跟蹤系統(tǒng)會更高。

　　國外在20世紀(jì)80年代就對太陽跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如美國、德國在單雙軸自動跟蹤、F1本在聚光菲立爾透鏡跟蹤、西班牙在2倍聚光反射跟蹤等方面均開發(fā)出了相應(yīng)的商品化自動太陽跟蹤器。我國于20世紀(jì)90年代左右也對其進(jìn)行了大量的研究，2006年10月在西藏羊八井安裝了4套共計(jì)13．2 kW不同形式的單、雙軸并網(wǎng)發(fā)電太陽自動跟蹤系統(tǒng)。之前一直沒有穩(wěn)定可靠的商品化的產(chǎn)品出現(xiàn)，究其原因主要有：

(1)系統(tǒng)可靠性不能滿足要求

　　由于大部分光伏電站都安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境非常惡劣，維護(hù)困難，跟蹤系統(tǒng)增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，可靠性明顯下降，如果不能保證整個(gè)系統(tǒng)的在各種環(huán)境下都能可靠穩(wěn)定運(yùn)行，對整個(gè)光伏電站來說都可能將是災(zāi)難性的打擊。

(2)跟蹤誤差大

　　尤其對反射聚光的跟蹤系統(tǒng)，如果跟蹤誤差大，不但不能提高發(fā)電效率，反而會使電池板受光小均，產(chǎn)乍熱斑等影響，大大縮短了電池板的使用壽命。

(3)成本過高

　　全部購買國外成熟的技術(shù)，將大大提高系統(tǒng)的硬件成本與維護(hù)成本。

　　本文基于PIC16F877微處理器為核心，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)，開發(fā)出一種雙軸自動自動太陽跟蹤器，他具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 自動太陽跟蹤器的基本原理[1-3]

　　自動太陽跟蹤器，故名思意基本功能就是使光伏陣列隨著太陽而轉(zhuǎn)動，基本原理框圖如圖1所示。

　　該系統(tǒng)時(shí)刻檢測太陽與光伏陣列的位置并將其輸入到控制單元，控制單元對這2個(gè)信號進(jìn)行比較并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使太陽光時(shí)刻垂直入射到光伏陣列的表面上。

　　雖然太陽在太空中的位置時(shí)刻都在變化，但其運(yùn)行卻具有嚴(yán)格的規(guī)律性，在地平坐標(biāo)系中，太陽的位置可由高度角a與方位角φ來確定，公式如下[2-3]：
　　　　　　　　　　　　　　　

　　式中： δ為太陽赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐木暥冉牵?omega;為時(shí)角。

　　太陽赤緯角與時(shí)角可以由本地時(shí)間確定，而對確定的地點(diǎn)，本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)地理位置與時(shí)間信息就可以確定此時(shí)此刻的太陽位置。
　　　　　

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

　　PIC16F877A是一款具有RISC結(jié)構(gòu)的高性能中檔單片機(jī)，僅有35條單字指令，8 k×14個(gè)字節(jié)FLASH程序存儲器，368×8個(gè)字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器，256×8個(gè)字節(jié)E2PROM數(shù)據(jù)存儲器，14個(gè)中斷源，8級深度的硬件堆棧，內(nèi)部看門狗定時(shí)器，低功耗休眠模式，高達(dá)25 mA的吸入／拉出電流，外部具有3個(gè)定時(shí)器模塊，2個(gè)16位捕捉器／16位比較器／10位PWM模塊，10位多通道A／D轉(zhuǎn)換器，通用同步異步接收／發(fā)送器等功能模塊[5]。

　　自動太陽跟蹤器的控制方式主要有微處理器控制、PLC控制、DSP控制與模擬電路控制4種形式，根據(jù)以上原理，本文選擇性價(jià)比較高的PIC16F877A單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體原理框圖如圖2所示。
　　　　　　　

　　整個(gè)控制器主要由控制單元與驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)2部分組成?？刂茊卧山嵌扔?jì)算及反饋控制、啟動信號產(chǎn)生、電機(jī)驅(qū)動信號產(chǎn)生、保護(hù)信號處理與人機(jī)通訊5個(gè)部分組成。系統(tǒng)功能說明如下：單片機(jī)循環(huán)檢測光伏陣列的位置，并將其與計(jì)算出的此時(shí)本地太陽的高度角與方位角進(jìn)行比較來確定光伏陣列是否跟蹤上太陽的位置，如果沒有且啟動信號滿足啟動條件，單片機(jī)就發(fā)出指令驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動；保護(hù)信號是保證系統(tǒng)在外界以及其他非人為因素情況下所執(zhí)行的一種操作指令，以確保系統(tǒng)不受損壞，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動執(zhí)行單元主要功能是用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)，并通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)帶動光伏電池陣列轉(zhuǎn)動。

2．1控制單元硬件設(shè)計(jì)

　　由于采用了單片機(jī)作為主控制單元，大部分工作都由單片機(jī)在軟件中實(shí)現(xiàn)，從而簡化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，簡要說明主要控制部分的實(shí)現(xiàn)過程。

(1)角度計(jì)算及反饋控制

　　單片機(jī)通過外擴(kuò)三態(tài)鎖存器輸入口獲取時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的時(shí)間信號與光電旋轉(zhuǎn)編碼器的位置信號后，利用單片機(jī)快速運(yùn)算處理能力用軟件加以實(shí)現(xiàn)；

(2)電機(jī)驅(qū)動信號生成

　　本文采用的是步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動脈沖由單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位PWM波發(fā)生模塊產(chǎn)生，只需在軟件中設(shè)置相應(yīng)的有關(guān)參數(shù)就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

(3)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的異步接受／發(fā)送器等功能模塊，硬件部分只需加MAX 232加以電平轉(zhuǎn)換，便可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；

(4)考慮到光伏發(fā)電只有在太陽光強(qiáng)滿足一定強(qiáng)度的時(shí)候才能發(fā)電，啟動信號主要是利用光敏二極管檢測光強(qiáng)，保證系統(tǒng)在夜間或陰雨天不滿足發(fā)電條件的情況下，系統(tǒng)停止跟蹤，檢測電路如圖3所示。主要由放大、比較與光耦隔離3個(gè)部分組成。

(5)系統(tǒng)的保護(hù)功能主要包括大風(fēng)保護(hù)、電網(wǎng)掉電保護(hù)、振動過大保護(hù)、限位開關(guān)與接近開關(guān)保護(hù)組成，單片機(jī)檢測到保護(hù)信號產(chǎn)生時(shí)，便發(fā)出指令將系統(tǒng)停放在安全的位置上，確保整個(gè)系統(tǒng)不受損壞。圖4是電網(wǎng)掉電檢測電路原理圖，主要由降壓、整流與光耦隔離3個(gè)部分組成。

3 控制單元軟件設(shè)計(jì)

　　軟件是該控制系統(tǒng)的核心，除一些保護(hù)自鎖功能通過硬件實(shí)現(xiàn)外，大部分功能均通過軟件來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)軟件采用C語言模塊化編程方式，易于系統(tǒng)的移植與集成。

　　主程序與中斷服務(wù)子程序流程如圖5所示。首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化，之后讀取系統(tǒng)初始校驗(yàn)值作為光電旋轉(zhuǎn)編碼器的位置基準(zhǔn)。主循環(huán)程序不斷檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果滿足復(fù)位條件便發(fā)出指令轉(zhuǎn)入復(fù)位子程序，迅速將電池板轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)奈恢煤蟠龣C(jī)以等待新的指令；校驗(yàn)子程序?qū)ο到y(tǒng)重新進(jìn)行校驗(yàn)，并將新的位置檢驗(yàn)值存儲到單片機(jī)內(nèi)部自帶的E2PROM中作為新的位置基準(zhǔn)，他可以用來消除系統(tǒng)的累積誤差，同時(shí)也方便了系統(tǒng)的安裝與調(diào)試；系統(tǒng)通常運(yùn)行在自動跟蹤狀態(tài)，單片機(jī)時(shí)刻檢測太陽與電池板實(shí)際位置間的差值并結(jié)合啟動條件發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動；此外主循環(huán)程序還不斷檢測當(dāng)前太陽與電池板的位置，將位置信息通過數(shù)據(jù)總線與RS 232分別送到液晶顯示與PC機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中，并將有關(guān)位置參數(shù)及時(shí)存到單片機(jī)的E2PROM中。

　　為了充分利用PIC16F877單片機(jī)的系統(tǒng)資源，提高單片機(jī)的檢測速度，單片機(jī)接收PC機(jī)的數(shù)據(jù)采用中斷來實(shí)現(xiàn)，流程框圖如圖5所示。
　　　　