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 經濟發展與能源日益短缺的矛盾一直都是現代社會面臨的一大難題，資源的緊缺和能源成本的持續增長使得眾多發達國家將注意的目光轉向了新能源，其中太陽能光伏發電的應用備受重視。太陽能光伏發電系統主要由太陽電池板(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，是實現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，以實現光伏發電最大化的機電控制裝置，是太陽能光伏發電不可缺少的重要組成部分。
    目前，太陽追蹤的控制系統劃分不外乎三類：閉環、開環、混合控制方式。實際應用中，常用的有光電追蹤和視日運動軌跡追蹤兩種方式；前者是閉環的隨機系統，后者是開環的程控系統。視日運動軌跡追蹤的優點
    是能夠全天候實時追蹤，但算法復雜且固定，導致處理速度慢，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，甚至會引起誤動。
    本文提出一種基于MSP430單片機的太陽能追蹤采集系統設計方案，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。能夠根據時鐘時間和光電檢測自動調整硅太陽能電池板的方位角、俯仰角，結構簡單、成本低，而且可以通過無線射頻通信實現遠程實時監控，特別適合在復雜環境無人值守情況下，有較好的應用價值。
    1 系統組成及設計
    太陽能追蹤采集系統由無線數據發送及控制端、無線數據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，系統的結構框圖如圖1所示。

 
    無線數據發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動電機控制模塊，調整機械裝置端，實現太陽能自動追蹤的控制。
    同時無線數據發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送到無線數據接收端，然后上傳上位機實時顯示，實現遠距離監控。
    1．1 光電檢測模塊設計
    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，把太陽幅射能直接轉換成電流，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生相應大小的電流，電阻R10把電流信號轉換為電壓信號，通過MSP430單片機的AD1212位模數轉換器采樣出相應的電壓值，相應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，根據這一特點，運用AD12，在太陽能電池板隨太陽動態旋轉時可以記錄各個角度的光強度，產生光照強度系列值，然后再把太陽能電池板精確調整到光照強度最強的方位角和俯仰角的位置上。

 
    1．2 太陽能充電模塊設計
    如圖2(b)太陽能充電模塊的電路設計，設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，應用5～6 V硅太陽能電池板可為單節4．2 V鋰電池或鎳鋅電池充電。D5，D4是充電狀態的指示燈，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(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 無線射頻模塊設計
    為了實現遠程監控，系統采用Nordic Semiconductor ASA公司推出的單片射頻收發器nRF905，設計了無線射頻模塊來實現無線數據傳輸。單片機通過軟件模擬SPI傳輸方式和nRF905通信，把外界采集的數據傳輸到上位機。nRF905與MSP430接口電路如圖4所示。

 
    nRF905常用的10個引腳：和MCU通信的SPI接口的4個引腳分別是數據線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的PWR_UP，控制正常工作的TX_EN，選擇發送或接收方式的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數據接收正確的DR(Data Received)。圖5是nRF905的發送和接收時序圖。 

 
    2．2 太陽能電池板角度調整
    系統綜合光電追蹤和視日運動軌跡兩種追蹤方式的優點，從外部時鐘芯片中讀取時間，根據時間和太陽角度的關系，每隔一段時間進行一次角度的調整，調整到預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整到光照強度最強的位置上。太陽能電池板角度調整的流程圖如圖7所示，當時間在MIN_TIME和MAX_TIME之間時，每隔一段時間MINUTE_PER_RUN進行一次角度調整，先是根據時鐘時間調整到預定位置，再是根據光電檢測強度精確調整到光照最強位置(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定，系統默認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調整一次)。

 
    當時間不在MIN_TIME和MAX_TIME之間時，即時間已經到了晚上，系統要做的就是把機械裝置調整到初始位置，也就是第二天的開始位置，然后系統就進入待機狀態，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的設計實物模型如圖8所示，分別為無線數據接收端、無線數據發送及控制端和機械裝置端。

 
    經過實際測試，系統能夠正確驅動機械裝置，能在MIN_TIME到MAX_TIME范圍內，而且每隔一段時間MINUTE_PER_RUN太陽能電池板調整一次，實現了對太陽進行精確、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；實現了液晶顯示和復雜的鍵盤動作相協調，可以圖形化觀測電池電量，為系統設置時鐘時間；光電檢測、溫度、實時時鐘、無線射頻等模塊能夠正常運行，通過無線傳輸數據，單片機和上位機的串口通信，能夠遠程監控。系統達到且超出了預期目標，滿足設計要求，能夠穩定可靠的運行，實現了太陽能的自動追蹤采集控制。