太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制集成電路的關(guān)鍵技術(shù)研究

1 引言

太陽(yáng)能是我國(guó)新興的一種清潔能源，具有較大的發(fā)展空間和發(fā)展前景。但是隨著太陽(yáng)能應(yīng)用范圍的不斷增加，太陽(yáng)能發(fā)電的弊端也逐一顯現(xiàn)。由于一天之中，太陽(yáng)光照的范圍、方向、強(qiáng)度等因素存在變化，因此太陽(yáng)能的利用率就受到這些因素的制約，使得太陽(yáng)能利用率普遍偏低。當(dāng)前，我國(guó)太陽(yáng)能電池板的應(yīng)用設(shè)計(jì)存在問題。而相比一些固定的太陽(yáng)能電池板，自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中更具優(yōu)勢(shì)[1-4]。所以，在太陽(yáng)能發(fā)電工作中，電池板的自動(dòng)對(duì)光就顯得至關(guān)重要，這是為了提升太陽(yáng)能的發(fā)電效率，

本文中研發(fā)一套可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光源自動(dòng)跟蹤的裝置，也就是太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用到單片機(jī)技術(shù)，包括軟件和硬件的設(shè)計(jì)。其中，軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)流程圖的設(shè)計(jì)；硬件設(shè)計(jì)中考慮到硬件需具備多功能模塊以及高集成度等特點(diǎn)，應(yīng)用型號(hào)為 C8051F005 單片機(jī)。最終設(shè)計(jì)完成的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)太陽(yáng)光源的變化調(diào)整電池板的轉(zhuǎn)向，從而提升了太陽(yáng)能的利用率，達(dá)到太陽(yáng)能發(fā)電的最大效率。

2 太陽(yáng)能電池板的系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)方案。太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)中應(yīng)用到定時(shí)法、對(duì)比法等多種方法。首先，定時(shí)法主要是對(duì)太陽(yáng)光的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行計(jì)算，從而得出每分鐘太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。根據(jù)太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使電池板的轉(zhuǎn)向隨著太陽(yáng)光的變化而產(chǎn)生變化。而對(duì)比法則是模擬太陽(yáng)光的轉(zhuǎn)動(dòng)，將兩塊型號(hào)相同的電池板進(jìn)行同角度擺放。在太陽(yáng)光發(fā)生變化時(shí)，控制電池板電動(dòng)機(jī)方位保持穩(wěn)定，記錄兩塊電池板生成電流的大小數(shù)值。從而能夠判斷太陽(yáng)光光照角度對(duì)于電池板發(fā)電的影響程度。但是在對(duì)比過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮到不同季節(jié)太陽(yáng)光變化的情況，避免由于季節(jié)因素造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度的偏差。除此之外，系統(tǒng)中還應(yīng)用到了采樣電壓比較法。通過(guò)對(duì)采樣電壓的變化進(jìn)行分析對(duì)比，從而能夠根據(jù)采樣電壓的變化情況進(jìn)行電池板角度的調(diào)節(jié)，這樣就能夠自動(dòng)進(jìn)行跟蹤。

（2）硬件設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)的分壓電路設(shè)計(jì)中，設(shè)定太陽(yáng)能電池板額定輸出電壓為 20 V。此時(shí)，還不能夠?qū)⑻?yáng)能電池板直接與系統(tǒng)中的單片機(jī)進(jìn)行連接，這樣很容易對(duì)單片機(jī)造成燒毀。因此，還需要應(yīng)用電阻對(duì)其進(jìn)行串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)分壓的目的，保護(hù)單片機(jī)。

本文應(yīng)用到的單片機(jī)只能夠?qū)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，因此需要將單片機(jī)的 A/D 與電池板進(jìn)行連接。單片機(jī)的 A/D 接口電壓不應(yīng)超過(guò) 24 V，而本文中設(shè)定的太陽(yáng)能電池板額定輸出電壓為 20 V，因此 A/D 轉(zhuǎn)換器允許直接與電池板進(jìn)行連接。

考慮到單片機(jī)的兼容性，本文中選擇的單片機(jī)型號(hào)為 C8051F005。MCU 中包含 8052 標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)部件，以及 7 個(gè) 16 bit 的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、253 Byte 全雙工 UART、137 Byte 特殊功能寄存器地址空間、5 Byte 寬度 I/O 端口。在太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光的系統(tǒng) CIP 中，包括數(shù)字子系統(tǒng)和一個(gè)集成電路。CIP 為流水線結(jié)構(gòu)，能夠提升指令執(zhí)行速度。而且，單片機(jī)系統(tǒng)還具備高峰值執(zhí)行速度選擇多元化的特點(diǎn)。本系統(tǒng)中的蓄電池選擇額定輸出 12 V 的儲(chǔ)能元件。在蓄電池工作過(guò)程中，蓄電池可以自動(dòng)將能量進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣就簡(jiǎn)化了操作，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的自調(diào)節(jié)。蓄電池能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換電能，并且將電能得以應(yīng)用。而當(dāng)太陽(yáng)能電池板不投入使用時(shí)，蓄電池還可以作為單片機(jī)電源的供應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)定時(shí)自檢功能?？紤]到電壓的變化情況，應(yīng)用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠?qū)μ?yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，提升太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)電壓調(diào)整率以及負(fù)載調(diào)整率。降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供最大為 3 A 的負(fù)載電流。并且實(shí)現(xiàn)了兩種固定輸出型電壓以及一種輸出可調(diào)節(jié)型電壓。降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且外圍元件數(shù)量較少，便于實(shí)際操作。降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)置頻率補(bǔ)償器、兩級(jí)過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路以及固定頻率振蕩器?？衫眯⌒蜑V波元件進(jìn)行控制。在輸出負(fù)載的條件下，降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓容差為 ±8%，降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的待機(jī)電流為 60 μA。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)引腳圖如下。太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)也是十分重要的一大因素。所以，本文中對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，設(shè)定驅(qū)動(dòng)電路中直流電機(jī)的功率為 12 V。綜合進(jìn)行考慮，由于單片機(jī)數(shù)字電路輸出電壓信號(hào)存在問題，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)將這一因素納入其中。因此為了能夠保證較小的電壓信號(hào)也能夠?qū)﹄妷狠^高的負(fù)載需用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中為了對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制。此外，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行控制，從而達(dá)到恢復(fù)電池板無(wú)功率增大的轉(zhuǎn)矩的目的。這樣設(shè)計(jì)的好處是能夠便于對(duì)電池板轉(zhuǎn)向進(jìn)行調(diào)節(jié)，選擇型號(hào)為 LG9110 的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。在電路對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，此時(shí)的電壓瞬間可達(dá) 12 V。而型號(hào)為 LG9110 的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片在運(yùn)行過(guò)程中的電壓較低，因此，為了滿足型號(hào)為 LG9110 的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的正常應(yīng)用，直流減速電機(jī)功率進(jìn)行電壓控制。通過(guò)改變電機(jī)電流，控制芯片的最大電流滿足應(yīng)用需求。

（2）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用 C8051F005 可編程芯片。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)硬件的各個(gè)部分，并且實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)硬件的相互結(jié)合，從而滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求。軟件設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光的跟蹤模式主要由軟件實(shí)現(xiàn)。這樣能夠有效的提高太陽(yáng)能光源跟蹤的靈活性，便于隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而提升太陽(yáng)光的利用效率。C8051F005 模塊復(fù)位后，由初始化模塊負(fù)責(zé)控制。達(dá)到規(guī)定的時(shí)間時(shí)，時(shí)間計(jì)時(shí)器能夠自動(dòng)清零。此時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能電池板上輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，并與設(shè)定電壓數(shù)值展開比較。所測(cè)得的數(shù)值如果大于設(shè)定電壓數(shù)值，那么將單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)3度；如果所測(cè)得的數(shù)值小于設(shè)定電壓數(shù)值，則此時(shí)單片機(jī)切入空閑狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)于能源的應(yīng)用需求和應(yīng)用都明顯的提高。新能源的研發(fā)利用成為解決當(dāng)前能源供應(yīng)問題的首要方法。太陽(yáng)能的利用在現(xiàn)階段十分普遍，太陽(yáng)能利用率低下的問題一直困擾著人們。

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)光光源的自動(dòng)跟蹤，從而有效解決了太陽(yáng)能利用效率不高的問題，并且從根本上提升了太陽(yáng)能的利用效率，滿足當(dāng)前人們的能源使用需求。