基于PIC單片機(jī)自動(dòng)太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)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(dòng)，基本原理框圖如圖1所示。

　　該系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)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(duì)這2個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)來驅(qū)動(dòng)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?；ω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(duì)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(chǔ)器，368×8個(gè)字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，256×8個(gè)字節(jié)E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，14個(gè)中斷源，8級(jí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、保護(hù)信號(hào)處理與人機(jī)通訊5個(gè)部分組成。系統(tǒng)功能說明如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)循環(huán)檢測(cè)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(dòng)信號(hào)滿足啟動(dòng)條件，單片機(jī)就發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；保護(hù)信號(hào)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(dòng)執(zhí)行單元主要功能是用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，并通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光伏電池陣列轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　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(jiǎn)化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)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(hào)與光電旋轉(zhuǎn)編碼器的位置信號(hào)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(dòng)信號(hào)生成

　　本文采用的是步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)主要是利用光敏二極管檢測(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)到保護(hù)信號(hào)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(cè)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。

　　4 系統(tǒng)的抗干擾措施

能夠可靠穩(wěn)定的運(yùn)行是自動(dòng)太陽跟蹤器成為成熟產(chǎn)品的前提，該系統(tǒng)從軟件與硬件兩個(gè)方面來增強(qiáng)抗干擾措施，主要手段有：

　　(1)外部輸入信號(hào)與控制系統(tǒng)信號(hào)不共地；

　　(2)有的外部輸入信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)部之前都經(jīng)過嚴(yán)格的光耦電路加以隔離；

　　(3)優(yōu)化PCB布線結(jié)構(gòu)，減少過孔，以降低寄生電容雜散電感的影響；

　　(4)保證整個(gè)系統(tǒng)可靠接地；

　　(5)外部信號(hào)采用屏蔽電纜線傳輸；

　　(6)軟件上增加軟件濾波、看門口定時(shí)器與軟件陷阱等措施，保證軟件在出現(xiàn)死機(jī)、跑飛等故障時(shí)能夠自我恢復(fù)。

　　(7)系統(tǒng)重要保護(hù)如限位保護(hù)均從軟件與硬件上加以雙重保護(hù)，以提高其可靠性。

　　5 結(jié) 語

　　自動(dòng)太陽跟蹤器的穩(wěn)定性與可靠性一直是其沒有被大規(guī)模應(yīng)用的主要問題之一。

　　本文基于PIC16F877A單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)跟蹤太陽高度角與方位角轉(zhuǎn)動(dòng)的自動(dòng)太陽跟蹤器，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)跟蹤準(zhǔn)確、能耗低、可靠性高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，發(fā)電效率提高35％以上，對(duì)以后建設(shè)大型戈壁沙漠并網(wǎng)電站具有指導(dǎo)性意義。