0 引言
    經(jīng)濟發(fā)展與能源日益短缺的矛盾一直都是現(xiàn)代社會面臨的一大難題，資源的緊缺和能源成本的持續(xù)增長使得眾多發(fā)達國家將注意的目光轉(zhuǎn)向了新能源，其中太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用備受重視。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成。其中控制器即為太陽能追蹤采集系統(tǒng)，是實現(xiàn)太陽能電池板追蹤太陽方向，使太陽光線始終能垂直照射太陽能電池板，以實現(xiàn)光伏發(fā)電最大化的機電控制裝置，是太陽能光伏發(fā)電不可缺少的重要組成部分。
    目前，太陽追蹤的控制系統(tǒng)劃分不外乎三類：閉環(huán)、開環(huán)、混合控制方式。實際應(yīng)用中，常用的有光電追蹤和視日運動軌跡追蹤兩種方式；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。視日運動軌跡追蹤的優(yōu)點
是能夠全天候?qū)崟r追蹤，但算法復(fù)雜且固定，導(dǎo)致處理速度慢，追蹤軌跡固定，不能因地制宜、因時制宜地對太陽進行快速追蹤；光電追蹤靈敏度高，但受天氣的影響很大，甚至?xí)鹫`動。
    本文提出一種基于MSP430單片機的太陽能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計方案，綜合光電追蹤和視日運動軌跡追蹤，即混合控制方式，其特點是在進行軌跡追蹤時并不需要像單一視日運動追蹤方式采用復(fù)雜算法，從而減少控制器運算時間，提高處理速度；同時又避免了光電追蹤方式的誤動。能夠根據(jù)時鐘時間和光電檢測自動調(diào)整硅太陽能電池板的方位角、俯仰角，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且可以通過無線射頻通信實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控，特別適合在復(fù)雜環(huán)境無人值守情況下，有較好的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)組成及設(shè)計
    太陽能追蹤采集系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端、無線數(shù)據(jù)接收端和機械裝置端三大部分組成，又可細分為微控制模塊、電機控制模塊、光強檢測模塊、溫度檢測模塊、太陽能充電模塊、實時時鐘模塊、無線射頻模塊、電源電路模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊和鍵盤控制
模塊等11個功能模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端中的光強、時間、溫度等檢測模塊會把太陽光照強度、天氣溫度、時鐘時間、電池充電狀態(tài)等信息采集到微控制器模塊，通過對白天黑夜、天氣晴陰的辨別以及此刻的時鐘時間，微控制器模塊會適時地驅(qū)動電機控制模塊，調(diào)整機械裝置端，實現(xiàn)太陽能自動追蹤的控制。
    同時無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端又會把這些采集來的信息通過無線射頻模塊發(fā)送到無線數(shù)據(jù)接收端，然后上傳上位機實時顯示，實現(xiàn)遠距離監(jiān)控。
1．1 光電檢測模塊設(shè)計
    光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。而硅太陽能電池板實際上也是一個大面積的PN結(jié)，把太陽幅射能直接轉(zhuǎn)換成電流，原理和光電二極管一樣。
    光強度檢測模塊包括兩部分，一個是利用光電二極管光強感應(yīng)對天氣晴陰的判斷，如圖2(a)所示；另一部分在太陽能充電模塊中，對硅太陽能電池板上受到的陽光照射強度的測量，如圖2(b)圈起部分。光電二極管對光強的敏感產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流，電阻R10把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過MSP430單片機的AD1212位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣出相應(yīng)的電壓值，相應(yīng)的也就得到該時刻光強度，用以判斷天氣的晴陰。硅太陽能電池板是電流型的，隨著光強的增強其輸出的電流強度亦會增加，根據(jù)這一特點，運用AD12，在太陽能電池板隨太陽動態(tài)旋轉(zhuǎn)時可以記錄各個角度的光強度，產(chǎn)生光照強度系列值，然后再把太陽能電池板精確調(diào)整到光照強度最強的方位角和俯仰角的位置上。

1．2 太陽能充電模塊設(shè)計
    如圖2(b)太陽能充電模塊的電路設(shè)計，設(shè)計主要圍繞太陽能電池供電的鋰電池充電管理芯片CN3063進行，應(yīng)用5～6 V硅太陽能電池板可為單節(jié)4．2 V鋰電池或鎳鋅電池充電。D5，D4是充電狀態(tài)的指示燈，D5是紅色LED表示正在充電，D4是綠色LED表示充電完成；為了詳細了解電池電量狀況，利用MSP430中12位ADC對電池兩端電壓、電流進行A／D采樣，確定電量從空到滿的5種狀態(tài)(如圖3，在液晶屏上顯示)；P6.2，R7，R8是用作對硅太陽能電池板進行光強測量的，J6是太陽能電池板的充電接口。

1．3 無線射頻模塊設(shè)計
    為了實現(xiàn)遠程監(jiān)控，系統(tǒng)采用Nordic Semiconductor ASA公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905，設(shè)計了無線射頻模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。單片機通過軟件模擬SPI傳輸方式和nRF905通信，把外界采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。nRF905與MSP430接口電路如圖4所示。

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    nRF905常用的10個引腳：和MCU通信的SPI接口的4個引腳分別是數(shù)據(jù)線SPI_MOSI，SPI_MISO，時鐘線SCLK，使能線SPI_CSN；MCU的3個控制線分別為控制工作狀態(tài)的PWR_UP，控制正常工作的TX_EN，選擇發(fā)送或接收方式的TRX_CE；nRF905的3個反饋線分別為檢測到頻道正被使用的CD(Carrier Detected)，通知接收地址正確的AM(Address Matched)，告訴MCU數(shù)據(jù)接收正確的DR(Data Received)。圖5是nRF905的發(fā)送和接收時序圖。

1．4 其他模塊設(shè)計
    無線數(shù)據(jù)接收端由微控制器模塊、無線射頻模塊和串行通信模塊3個模塊組成；而無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端包含所有11個模塊；機械裝置端主要由兩個步進電機和硅太陽能電池板組成。
    (1)微控制器模塊：無線數(shù)據(jù)接收端采用AT89S52 8位單片機；無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端選用MSP430F149 16位超低功耗單片機，其自帶的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供8通道12位A／D采樣；
    (2)電機控制模塊：由L298雙路全橋式驅(qū)動芯片控制2個四相八拍的步進電機，以帶動太陽能電池板實現(xiàn)方位角、俯仰角兩個自由度的角度調(diào)整；
    (3)溫度檢測模塊：采用Dalias公司生產(chǎn)DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量外界溫度；
    (4)實時時鐘模塊：選用Dallas公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片DS1302進行時間的計量；
    (5)電源電路模塊：電源電路模塊有12 V，5 V和3．3 V三個部分，12 V供步進電機使用，5 V供AT89S52單片機使用，3．3 V供MSP430和其他芯片使用。系統(tǒng)用12 V直流電源供電，利用AMS117-5．0及AMS117-3．3穩(wěn)壓芯片把電源由12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3 V電壓供各個功能模塊使用；
    (6)液晶顯示模塊：選用12864液晶模塊顯示光強、溫度、時間等狀態(tài)；
    (7)串行通信模塊：選用MAX232實現(xiàn)單片機和上位機之間的異步串口通信，傳輸數(shù)據(jù)；
    (8)鍵盤控制模塊：利用MSP430的P2端口中斷實現(xiàn)鍵盤的操作，控制系統(tǒng)，調(diào)整時間。

2 軟件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)工作流程
    由于所處地理位置不同(南北半球、海拔高度)和時間季節(jié)的不同，并且系統(tǒng)的機械裝置是隨意放置的，所以系統(tǒng)啟動后硅太陽能電池板的初始基準角度是不正確的。系統(tǒng)上電開機后，首先系統(tǒng)會自動檢測，調(diào)整基本的方向角和太陽能電池板的俯仰角，再進一步的微調(diào)使太陽光線垂直入射太陽能電池板，從而以此點作為基準點進入工作模式。第一次上電運行系統(tǒng)會要求輸入時鐘時間，然后系統(tǒng)就進入了正常工作模式。
    實時時鐘開始正常運行，每隔1 s會對DS1302讀取一次，作為太陽能電池板調(diào)整的時鐘時間基準；系統(tǒng)用AD12模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采樣通道進行采樣、轉(zhuǎn)換，判斷天氣的晴陰和充電電池的電量狀態(tài)；同時會根據(jù)時鐘時間和和光照強度對太陽能電池板角度進行調(diào)整，使太陽光線始終垂直入射太陽能電池板，以實現(xiàn)光伏發(fā)電的最大化；系統(tǒng)上電以后液晶顯示模塊利用TimerA定時器每秒10次地刷新屏幕，顯示時間日期、天氣溫度、光照強度、充電狀態(tài)等信息；而按鍵的動作是通過MSP430單片機P2端口下降沿的中斷實現(xiàn)的，完成液晶屏幕的切換和時間的調(diào)整等；另外系統(tǒng)會通過無線射頻裝置發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端，并上傳到上位機，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。圖6是系統(tǒng)工作的流程圖，分為發(fā)送和接收兩部分流程。

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2．2 太陽能電池板角度調(diào)整
    系統(tǒng)綜合光電追蹤和視日運動軌跡兩種追蹤方式的優(yōu)點，從外部時鐘芯片中讀取時間，根據(jù)時間和太陽角度的關(guān)系，每隔一段時間進行一次角度的調(diào)整，調(diào)整到預(yù)定的方位角和俯仰角(通常是稍大于準確角度)；在運動過程中，AD12會記錄各個位置的光強值，產(chǎn)生光照強度系列值，然后控制步進機再把太陽能電池板精確調(diào)整到光照強度最強的位置上。太陽能電池板角度調(diào)整的流程圖如圖7所示，當時間在MIN_TIME和MAX_TIME之間時，每隔一段時間MINUTE_PER_RUN進行一次角度調(diào)整，先是根據(jù)時鐘時間調(diào)整到預(yù)定位置，再是根據(jù)光電檢測強度精確調(diào)整到光照最強位置(時間上限、下限和每隔多少分鐘檢測一次太陽高度可軟件設(shè)定，系統(tǒng)默認MIN_TIME=6，MAX_TIME=18，MINUTE_PER_RUN=15，即時間在6：00到18：00之間，每隔15 min調(diào)整一次)。

    當時間不在MIN_TIME和MAX_TIME之間時，即時間已經(jīng)到了晚上，系統(tǒng)要做的就是把機械裝置調(diào)整到初始位置，也就是第二天的開始位置，然后系統(tǒng)就進入待機狀態(tài)，機械裝置不在運動，直至第二天的MIN_TIME以后。

3 實驗
    太陽能追蹤采集系統(tǒng)的設(shè)計實物模型如圖8所示，分別為無線數(shù)據(jù)接收端、無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端和機械裝置端。

    經(jīng)過實際測試，系統(tǒng)能夠正確驅(qū)動機械裝置，能在MIN_TIME到MAX_TIME范圍內(nèi)，而且每隔一段時間MINUTE_PER_RUN太陽能電池板調(diào)整一次，實現(xiàn)了對太陽進行精確、快速追蹤；太陽能電池板工作正常，可以有效地為鋰電池充電；實現(xiàn)了液晶顯示和復(fù)雜的鍵盤動作相協(xié)調(diào)，可以圖形化觀測電池電量，為系統(tǒng)設(shè)置時鐘時間；光電檢測、溫度、實時時鐘、無線射頻等模塊能夠正常運行，通過無線傳輸數(shù)據(jù)，單片機和上位機的串口通信，能夠遠程監(jiān)控。系統(tǒng)達到且超出了預(yù)期目標，滿足設(shè)計要求，能夠穩(wěn)定可靠的運行，實現(xiàn)了太陽能的自動追蹤采集控制。

4 結(jié)語
    太陽能追蹤采集系統(tǒng)利用步進電機雙軸驅(qū)動，通過對機械裝置端進行水平、俯仰兩個自由度的控制，先是根據(jù)時鐘時間調(diào)整太陽能電池板到預(yù)定位置，再是根據(jù)光電檢測精確調(diào)整到光照最強處，能實現(xiàn)對太陽的全天候追蹤及精確、快速定位，使追蹤太陽更加穩(wěn)定可靠。通過液晶顯示和無線射頻傳輸，既可現(xiàn)場監(jiān)控又可遠程監(jiān)控太陽光照強度、天氣溫度、充電池電量狀態(tài)和時鐘時間等信息。通過鍵盤的動作則能完成液晶屏幕的切換、時間的調(diào)整以及圖形化顯示，而且將以太陽能電池板充電的鋰電池作為實時時鐘DS1302的備用電池，可在系統(tǒng)斷電的情況下使實時時鐘依然正常工作，從而保持準確的時鐘時間。如果研究并設(shè)計電源管理模塊，把系統(tǒng)的外部供電電源、給太陽能充電的電源、電機使用的電源和其他芯片使用的電源統(tǒng)一整合，分別管理，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的太陽能自供電。