尚冬梅 劉琳靜 韓娟
摘 要:為了充分、全面利用太陽能資源,采用太陽跟蹤的方法能夠直接獲取更多的光能,設(shè)計(jì)了一種低功耗太陽跟蹤裝置,該裝置以TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心,通過光電傳感器作為前向通路,完成對太陽光源具體方位的實(shí)時(shí)采集,同時(shí),單片機(jī)對舵機(jī)的PWM控制,實(shí)現(xiàn)對太陽的實(shí)時(shí)跟蹤功能。通過USB接口與上位機(jī)的通信,該裝置完成了對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、回放和保存功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)測試結(jié)果證明了該裝置的準(zhǔn)確性和低功耗特性。
關(guān)鍵詞:低功耗;MSP430F149;太陽能;跟蹤裝置;光電傳感器
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.048
1 引言
隨著能源短缺、環(huán)境污染影響的加劇,可再生能源的利用日益受到廣泛關(guān)注??墒窃谔柲軕?yīng)用中轉(zhuǎn)換率低始終是人類全面利用太陽能的一大障礙,其中到達(dá)地面的太陽能密度太低,是一個基本原因,其峰值也不過每平方米一千瓦左右。由于太陽是按照一定的軌跡運(yùn)動的,其空間分布不均,因此,對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤是直接提高太陽能利用率的一種有效方法。在太陽能發(fā)電中,相同條件下,一般采用跟蹤技術(shù)能夠提高發(fā)電效率30%以上[1]。所以,就必須對太陽進(jìn)行跟蹤,跟蹤方法主要有光電跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤[2]。光電跟蹤靈敏度高,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便,本文設(shè)計(jì)出一種利用光電傳感器作為光信號的采集器件,控制舵機(jī)角度,從而改變電池板的角度,使得電池板平面始終在垂直在太陽光的位置上。
2 硬件設(shè)計(jì)
低功耗太陽跟蹤裝置主要包括主控制器電路、光信號采集電路、舵機(jī)驅(qū)動電路、電源電路、USB轉(zhuǎn)RS232電路五個模塊。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
主控芯片選擇TI公司生產(chǎn)的16位MSP430F149單片機(jī),外部電路是由光敏三極管作為光電傳感器件將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過放大器電路處理,通過內(nèi)部12位AD采集,將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的送入單片機(jī),根據(jù)光強(qiáng)信號的變化找尋到光強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)后,單片機(jī)對舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行控制,直到找到最強(qiáng)光源處,同時(shí)通過USB接口將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)[3]。主控制器電路完成控制并協(xié)調(diào)各個外圍設(shè)備工作的功能。其主要是通過軟件編程,按需要從外設(shè)獲取信號并處理信號,最終實(shí)現(xiàn)控制作用。
(1)光信號采集電路。光信號采集電路就是通過光敏三極管將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的電路,如圖3所示。光敏三極管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似,不同之處是光敏三極管有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面,一般用集電結(jié)作為受光結(jié),光敏三極管實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于在基極和集電極之間接光敏二極管,由于光敏三極管具有半導(dǎo)體三極管的放大作用,當(dāng)有光照射時(shí),光敏三極管產(chǎn)生的光電流就是將光敏二極管的光電流放大了。為了采集效果好一些,進(jìn)行簡單的運(yùn)放處理電路后,再經(jīng)過由TLC2202搭接的電壓跟隨器,使得電壓信號輸入到單片機(jī)的AD進(jìn)行采樣[4]。為了更好的控制,在電池板上放置三個不同位置但在同一直線上的光敏三極管,分為左中右三組。
(2)舵機(jī)和電源電路。采用的是SH14-M數(shù)字舵機(jī),從主控芯片產(chǎn)生的PWM信號作為控制舵機(jī)方向的控制信號。舵機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)到185度,控制精度最大為256,實(shí)際過程中,將185度分為250份,每份0.74度,控制所需寬度為0.5ms-2.5ms,寬度2ms。DIV:2ms/250=8us。
電源電路需要有三個供電電源,分別是單片機(jī)的3.3V供電、舵機(jī)的7.4V供電和光信號采集電路的5V供電。輸入為12V電壓,電容進(jìn)行穩(wěn)壓濾波后,再接入中等功率的集成MOSFET的開關(guān)電源芯片TPS5430,TPS5430在輸出5V時(shí)能提供3A的最大負(fù)載電流。7.4V電壓是由LM2596穩(wěn)壓芯片及其外圍電路完成的。3.3V穩(wěn)壓集成芯片TSP76433將TPS5430的5V電壓穩(wěn)壓到3.3V供電。在系統(tǒng)供電時(shí),肖特基二極管D1和D2可以有效防止電池電流輸入穩(wěn)壓集成芯片,一則可以保護(hù)穩(wěn)壓集成,二則可以減小一部分電流,實(shí)現(xiàn)更低功耗[5]。
(3)USB轉(zhuǎn)RS232電路。MSP430單片機(jī)有RS232接口,波特率可設(shè)。但USB接口現(xiàn)在飛速發(fā)展,現(xiàn)在每一臺計(jì)算機(jī)都有USB接口。并且用串口編上位機(jī)軟件比較容易實(shí)現(xiàn)。MSP430單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信,USB轉(zhuǎn)RS232是必要的。我們采用了USB轉(zhuǎn)RS232芯片CP2102。
3 軟件設(shè)計(jì)
主程序是整個軟件的靈魂,起主導(dǎo)作用。主程序的設(shè)計(jì)直接影響整個設(shè)計(jì)的進(jìn)程。主程序主要通過調(diào)用子程序來完成控制命令的。通過軟件控制語句,函數(shù)等,將這些子程序鏈接起來,組成整個軟件的骨架。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序后,首先對采集到的三路電壓信號進(jìn)行比較,然后找出其中的最大值,如果是中間值最大,則不進(jìn)行操作,如果是左路值最大,則調(diào)節(jié)PWM波的占空比使舵機(jī)向左旋轉(zhuǎn)一度,相反,如果是右路值最大,則調(diào)節(jié)占空比使舵機(jī)向右旋轉(zhuǎn)一度,依次循環(huán),一直到中間的光敏器件測到的數(shù)據(jù)最大為止。
4 系統(tǒng)測試及誤差分析
本系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩方面。硬件方面,選用了低功耗的芯片,并且MCU的外設(shè)通過降低芯片工作電壓及優(yōu)化電路設(shè)計(jì)來降低功耗。軟件方面,由于MCU的睡眠模式和空閑模式具有可編程性,我們使MCU進(jìn)入休眠模式和空閑模式來降低功耗,如將空閑的I/O管腳拉低,采集數(shù)據(jù)的時(shí)候間隔采樣等。如果到達(dá)采集時(shí)間MSP430F149會定時(shí)被喚醒,若沒有,則直接進(jìn)入低功耗模式。
以MSP430F247為控制核心,用特殊算法對兩個感光三極管進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及分析,通過控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)光源的定位和追蹤,能快速穩(wěn)定的指向點(diǎn)光源。
參考文獻(xiàn):
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作者簡介:尚冬梅(1985-),女,陜西人,碩士研究生,助理工程師,研究方向:電工電子、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電。