基于AVR和MCS51的光源自动跟踪的太阳能电池控制系统的设计方案.doc

太阳自动跟踪的太阳能智能充放电系统一、概 述传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。这个系统能实现对太阳方位的自动追踪，以达到对太阳能最充分的利用；能根据光伏功率的大小实现对蓄电池充电模式的自动切换，实现对蓄电池的保护；并且可以对负载在不同的情况下实现电源切换，保证持续安全供电。二、系统原理简介两块硅光电池作为光强度检测模块，检测当前阳光强度，从而判断是否启动实时追踪。若当前为阴雨天气，则不启动追踪。四块硅光电池检测模块通过检测太阳能电池板上四个不同位置的光强度，向MCU传回四个不同的电压值，MCU通过比较偏差，通过双坐标步进电机调整太阳能电池板的方位，再由实时时钟作为方位角的参考信号与当前比较进行微调，直至太阳直射太阳能电池板。太阳追踪完成，由单片机通讯模块将完成信号传给ATmega32，ATmega32启动蓄电池充电程序，根据当前的光强度选择充电模式，输出PWM方波经由PWM方波驱动模块放大传向场效应管开关，通过不同频率的开关实现对充电电流的控制。同时MAX186模块检测蓄电池的电流电压，得到蓄电池电量状态，DS18B20模块检测到蓄电池的温度，再由ATmega32综合判断，选择切换模式或者断开电路。并将蓄电池状态等相关信息由液晶模块显示出来，并通过无线电发收，传给上位机实现远程监视。系统原理架构图如下所示：三、系统的具体结构该系统分5部分组合实现功能，它们分别为：光源自动跟踪部分、蓄电池充放电管理部分、单片机间通信部分、无线收发及上位机远程监控部分、太阳能电池板和蓄电池部分。1、 光源自动跟踪部分该部分由四象限硅光电池检测模块、光强信号传感模块、DS1302实时时钟芯片模块、二维步进电机及太阳能电池板传动模块、AT89C52最小系统模块。四象限硅光电池检测模块采用如图所示的太阳跟踪传感器来保证获取最大强度的太阳光强。当太阳光直射时，光轴对准太阳，光斑的中心落在光轴上。此时四个象限的硅光电池接收到相同强度的太阳光（即光功率相同），输出相同的电压信号，此时经过一系列运算以及转换后单片机接收到此信号，并计算此时电机的仰角，算出仰角所反映的时间并与实时时钟芯片DS1302中存储的时间作比较，要是吻合，即视为硅光电池已经接收到了最大强度的太阳光（也即太阳直射接收片）；若是不吻合，则再次调整步进电机的角度继续寻找光强最大点。当光轴未对准太阳光，即光轴与太阳光线呈一定的角度时，通过光学系统折射出来的太阳光照射到四象限硅光电池上形成的光斑必然会发生偏移，光斑中心没有落在光轴上。由于各象限上面的光斑面积与各象限的光功率成正比，每个象限上面照射到的光斑面积不相同，从而使得各象限光电池产生的电压不尽相同。此时将四个信号V1，V2，V3，V4经过放大系统放大，并经过一系列运算之后再进行A/D转换，传送到单片机上面去，单片机就能判断此时仰角高了还是低了，方位是偏左还是偏右了，然后通过驱动设备控制步进电机的仰角、方位，直到V1=V2=V3=V4，则表明光轴已经对准了太阳。光强信号传感模块如图所示，采用两块硅光电池组成光强信号传感器来判断光强信号，一块接受太阳辐射，另一块受光面背光。接受太阳辐射的光电池实现判断太阳直射辐射的强度的目的，在直射辐射强度较弱时，将信号回馈给单片机，使其控制太阳跟踪系统处于不工作状态，从而避免了多云天气时的盲目跟踪，节约了电能。受光面背光的那块光电池的作用是：当长时间阴天或者多云转晴后太阳重新出现时，判断太阳直射辐射的强度，将信号回馈给单片机，单片机进行判断处理决定是否重新启动太阳跟踪系统。DS1302实时时钟芯片模块采用具有存储功能的DS1302实时时钟芯片记录当前的时间，如图所示，DSl302与AT89C52单片机接口采用3线(RST，SCLK和IO)连接，AT89C52为主芯片负责控制两个芯片之间的数据通讯。RST为数据通讯的使能信号，为O则允许通讯；为1则禁止通讯。SCLK为数据通讯的位同步脉冲信号，IO是双向串行数据传输线，RST，SCLK都是单片机发出的控制信号。再通过上述计算仰角与实时时钟芯片DS1302中存储的时间作比较，直到吻合，则视为硅光电池已经接收到了最大强度的太阳光，根据上述原理便可以对太阳能板的位置误差进行校正，达到自动跟踪太阳光的目的。二维步进电机及太阳能电池板传动模块采用双坐标步进电机控制，双坐标步进电机控制就是在x轴方向控制1台步进电机，在y轴方向控制1台步进电机。这2台步进电机同时驱动同一个对象，使对象在一个平面上以任意曲线运动。AT89C52单片机主要完成脉冲的分配，使步进电机按照设定的方式运转，通过程序设定，从单片机的I/O口输出一系列有规律的脉冲信号；由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限，很难直接驱动步进电机运转，所以必须经过驱动器进行脉冲放大，本设计采用L298N芯片能解决这个问题，它可以驱动两个二相电机。再利用单片机程序分配好控制字的存储单元，以及相应的内存地址赋值，使单片机能控制步进电机的起停、换向顺序、速度和位置变化。L298应用电路如下：AT89C52最小系统模块AT89C52是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个8KB的FLASH可编程、可擦除只读存储器。2、 蓄电池充放电管理部分该部分由键盘输入模块、告警电路语音模块、12864显示屏模块、DS18B20温度检测模块、MAXl86蓄电池电压采集模块、P沟道场效应管电子开关模块、DC-DC变换、PWM驱动及AT MEGA32单片机最小系统模块。键盘输入模块采用单按键的输入方式，用于开液晶背光和设定充电模式。初始化时将PC7输出高电平，在程序运行过程中，通过定时中断检测是否有按键按下。当有按键按下时间不超过10 s时，则打开液晶背光，10 s后背光关闭。当有按键按下时间超过10s时，进入模式设定。在设定模式下，每按一次模式加1，按下按键10 s后或者10 s按键无任何动作，模式保存到E2PROM中，退出设定模式。告警电路语音模块语音告警模块采用ISD1760芯片，通过与AT MEGA32单片机接受到来自A/D转换的蓄电池过压过放电压信号时，,单片机输出不同电平信号代表不同告警信息,可以控制模块发出相应的录音,从而达到告警的效果.。12864显示屏模块液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD 可分为段位式LCD、字符式LCD 和点阵式LCD。其中，段位式LCD 和字符式LCD 只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而12864点阵式LCD 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，分区开窗口，反转，闪烁等功能，用途十分广泛。如图,实现单片机与LCD显示屏的连接,单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O 设备访问形式控制该液晶显示模块。以下为12864典型应用电路：DS18B20温度检测模块采用DS18B20数字温度传感器检测蓄电池环境温度。蓄电池单体的恒压2.352.45V充电的电压值（12V蓄d电池有6个单体），是环境温度为25的规定值。当环境温度高于25时，充电电压要相应降低，防止造成过充电。当环境温度低于25时，充电电压应提高，以防止充电不足。对蓄电池的充电阈值电压温度补偿系数取-4mV(·单体)。补偿后的电压阈值可以用以下公式表示：Ve=V+(t-25)n。其中，Ve为补偿后的电压阈值；V为25下的电压阈值；t为蓄电泄环境温度；为温度补偿系数；n为串联的单体数。控制器对过放电压阈值不做补偿。DS18B20数字温度传感器:    特点: 独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为-55 ° C至+125 。华氏相当于是-67 ° F到257华氏度 -10 ° C至+85 ° C范围内精度为±0.5 ° C.MAXl86蓄电池电压采集模块选用的AD转换为MAXIM公司生产的MAXl86转换器，是串行输出CMOS芯片。其转换速度快，精度高，耗电省，接线简单，适用于各种仪器仪表和自动控制系统中的数据采集。MAXl86转换器自带有采样保持器，因而系统不再设计采样保持电路。通过MAX186采集到蓄电池的不同阶段的充放电压，和温度传感器的数据一起反馈到单片机，单片机再控制PWM驱动电路做出相应的充放电动作。接口电路应用如图5所示。P沟道场效应管电子开关模块考虑到设计的控制器属于串联型，即控制充电的开关是串联在电池板与蓄电池之间的。串联型控制器相对于并联型控制器能够更有效地利用太阳能，减少系统的发热量。设计中用MOSFET实现开关。MOSFET是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管，所需驱动功率较小。而且MOSFET只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复合时间，因而开关频率可以很高，特别适合作为PWM控制充电开关。为此，设计中采用P沟道MOSFET。P沟道MOSFET的导通电压Vth<0，由图4可以实现MOSFET的驱动。当Q2导通时，由于Q2的Vce很小，可以认为Q1的G极接地，Vgs<0，当Vin达到一定值时，Q1导通。DC-DC变换模块采用MC34063实现低成本DC-DC变换电路 在电源电路中，出于温升、效率以及其它因素的考虑，DC-DC变换应用很多，本文介绍一种低成本的DC-DC变换实现方案，它可以实现降压、升压与电压反转应用，其电路简单、成本低廉、效率高、温升低，这些电路被广泛应用。 电路的核心元件是MC34063，它是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。应用电路如下：如图是进行降压式的DC-DC转换应用。其输出电压值可通过改变R4、R5电阻值来进行调整，其输出电压符合以下公式：Vout=(1+R4/R5)*1.25V 。电路中限流电阻取值为0.15,因此输入电流被限流在0.3V/0.15=2A。改变限流电阻即可改变限流值。PWM驱动及AT MEGA32单片机最小系统模块。PWM驱动阐述：由于阀控密封铅酸蓄电池具有蓄能大，安全和密封性能好，寿命长，免维护等优点，在光伏系统中被大量使用。由阀控密封铅酸蓄电池充放电特性图(见图3)可知，蓄电池充电过程有3个阶段：初期(OA)电压快速上升；中期(ABC)电压缓慢上升，延续时间较长；C点开始为充电末期，电压开始上升；接近D点时，蓄电池中的水被电解，应立即停止充电，防止损毁电池。所以对蓄电池充电，通常采用的方法是在初期、中期快速充电，恢复蓄电池的容量；在充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量。蓄电池放电过程主要有三个阶段：开始(OE)阶段电压下降较快；中期(EFG)电压缓慢下降且延续较长的时间；在最后阶段G点后，放电电压急剧下降，应立即停止放电，否则将会给蓄电池照成不可逆转的损坏。因此，如果对阀控密封铅酸蓄电池充放电控制方法不合理，不仅充电效率降低，蓄电池的寿命也会大幅缩短，造成系统运行成本增加。在蓄电池的充放电过程中，除了设置合适的充放电阈值外，还需要对充放电阈值进行适当的温度补偿，并进行必要的过充电和过放电保护。根据阀控密封铅酸蓄电池的特点，控制器利用MCU的PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤；若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，由于自身控制器得不到电力，不会有任何动作。当充电电压高于保护电压(15 V)时，自动关断对蓄电池的充电；此后当电压掉至维护电压(132 V)时，蓄电池进人浮充状态，当低于维护电压(132 V)后，浮充关闭，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(108 V)时，控制器自动关闭负载，以保护蓄电池不受损坏。若出现过放，应先进行提升充电，使蓄电池的电压恢复到提升电压后再保持一定时间，防止蓄电池出现硫化。通过PWM控制充电电路(智能三阶段充电)，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。AT MEGA32最小系统：AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器，具有高性能、高保密性、低功耗等优点。程序存储器和数据存储器可独立访问的哈佛结构，代码执行效率高。系统采用的mega 32处理器包含有32 KB片内可编程FLASH程序存储器；1 KB的E2PROM和2 KBRAM；同时片内集成了看门狗；8路10位ADC；3路可编程PWM输出；具有在线系统编程功能，片内资源丰富，集成度高，使用方便。AVR mega 32可以很方便地实现外部输入参数的设置，蓄电池及负载的管理，工作状态的指示等。3、 单片机间通信部分由于该部分是连接前两大部分的网络，起着非常关键的作用，因此在该部分需考虑多个方案对比后选择。方案比较：1、采用片内 SPI接口或I2C总线模块串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易等特点，但89c52不具备硬件 SPI/I2C模块。2、利用软件模拟 SPI/ I2C模式通信，这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。3、采用硬件UART进行异步串行通信。这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但由于这种方法一般用于单片机有硬件UART且不需与外界进行串行通信或采用双 UART单片机的场合。4、口对口并行通信，利用单片机的口线直接相连，加上12条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个单片机向另一个单片机传送1个字节以后，必须等到另一个单片机的接收响应信号后才能传送下一个数据。由于avr和52口线不多，所以不采用这方案。5、利用双口 RAM作为缓冲器通信。这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写存储器的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，而且双口 RAM 的价格很高。6、采取铁电存储器，是美国 Ramt ran 公司推出的一种新型非易失性存储器件，简称 FRAM。与普通EEPROM、Flash -ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分页结构可以连续写入的优点，因此具有 RAM与 EEPROM 的双重特性，而且价格相对较低。现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用 1片FRAM 代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。小结：经过以上比较，决定选用操作简单，价格便宜的铁电存储器。通过网络筛选后，初步选定元件FM24CL16。下附原理图4、 无线收发及上位机远程监控部分基于CC1100的无线收发模块和上位机的通信CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。在我们的系统中，用AVR单片机AT mega32控制其中一块CC1100无线收发模块选用SRD频段（短距离设备）发送蓄电池的电压、电流、负载功率信息，在PC机旁用51单片机控制另外一块CC1100无线收发模块接收该无线信息。CC1100的典型应用电路如下：在PC机旁的51单片机模块通过控制MAX232芯片和串口将接收到的无线信息传到PC机上显示，如图串口通信电路与51单片机的连接：在PC机上，使用VC+6.0的MSCOMM控件实现蓄电池电压、电流、负载功率等显示，从而达到利用PC机进行远程监控的功能。5、 太阳能电池板和蓄电池部分。太阳能电池板：太阳能电池的输出特性：由它的输出特性曲线(见图1) 可知，太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流会有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随之改变。然而当光强度一定时，电池板输出的电流一定，可以认为是恒流源。因此，必须研究和设计性能优良的太阳能发电控制器，才能更有效地利用太阳能。以最终驱动直流电机为目的，即最终输出5V以上电压，选用以下元件。考虑太阳能电池板的低转换效率，和价格因素，选用以下元件：功率为10W，峰值电压为18V单晶硅太阳能电池板。蓄电池：阀控密封铅酸蓄电池具有蓄能大，安全和密封性能好，寿命长，免维护等优点，在光伏系统中被大量使用。又由于直流电机的驱动电压为5V，为防止电压不稳定，故选用12V的容量，选用以下元件：12V阀控密封铅酸蓄电池