基于太陽能電池板的智能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于太陽能電池板的智能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要在當(dāng)前能源短缺的情況下，太陽能作為一種新型的清潔能源，越來越受到人們的關(guān)注。當(dāng)太陽能電池板工作時，由于陽光方向不確定，傳統(tǒng)的固定太陽能電池板不能夠充分吸收太陽光能量。為了解決這種缺陷，本設(shè)計(jì)研究了一種基于單片機(jī)的太陽能電池板智能跟蹤系統(tǒng)。硬件方面，根據(jù)太陽光入射角的變化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于四區(qū)域光電傳感器跟蹤方式的雙軸跟蹤系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)為主控制器，forKY-018型光敏電阻傳感器設(shè)計(jì)太陽位置檢測電路。收集的光電檢測數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，進(jìn)而驅(qū)動sg90舵機(jī)帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動。太陽能電池板產(chǎn)生的電能先存儲到y(tǒng)xa50V470μf電容中，通過電容電壓的逐漸提高，然后在儲存到18650鋰電池中。軟件方面，提出了四區(qū)域光電傳感器的布局方式。為了保證系統(tǒng)的跟蹤精確度，采取一種采集2個相鄰信號求平均值的信號處理方法，并完成了各模塊及四區(qū)光域光電傳感器的程序流程圖設(shè)計(jì)和控制程序的編寫及調(diào)試。太陽能電池板產(chǎn)生的電能驅(qū)動兩個sg90舵機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)各種天氣條件下對太陽光的自動跟蹤。采用電容器與鋰電池與混合儲能方案。在試驗(yàn)條件下，可為鋰電池提供約0.1A的充電電流，連續(xù)充電半小時后，鋰電池在原來電壓為3.224V上提高了8.47%?！娟P(guān)鍵詞】太陽能追蹤；四區(qū)域光電傳感器；舵機(jī)；可充電鋰電池Designofintelligenttrackingsystembasedonsolarpanel[Abstract]Underthecurrentsituationofenergyshortage,solarenergyasanewtypeofcleanenergy,moreandmorepeople'sattention.Whensolarpanelswork,traditionalfixedsolarpanelsarenotabletofullyabsorbthesun'senergyduetotheuncertaindirectionofthesun.Inordertosolvethisdefect,thedesignofsolarpanelintelligenttrackingsystembasedonSCM.Intermsofhardware,adual-axistrackingsystembasedonfour-regionphotoelectricsensortrackingmodeisdesignedaccordingtothevariationcharacteristicsofsunlightincidenceAngle.ThesystemusesSTM32F103C8T6asthemaincontrollerandFORKY-018photosensitiveresistancesensortodesignthesolarpositiondetectioncircuit.Thecollectedphotoelectricdetectiondataistransmittedtothemaincontroller,whichdrivestheSG90steeringgeartorotatethesolarpanel.TheenergygeneratedbythesolarpanelsisfirststoredintheYXA50V470uFcapacitor,andthenstoredinthe18650lithiumbatterythroughthegradualincreaseofcapacitorvoltage.Insoftware,thelayoutoffourregionsphotoelectricsensorisproposed.Inordertoensurethetrackingaccuracyofthesystem,asignalprocessingmethodisadoptedtocollecttwoadjacentsignalsandcalculatetheaveragevalue,andtheprogramflowchartofeachmoduleandthephotoelectricsensorinfourareasisdesignedandthecontrolprogramiswrittenanddebugable.TheelectricitygeneratedbythesolarpanelsdrivesthetwoSG90steeringengines,whichautomaticallytracksunlightinallweatherconditions.Adoptcapacitorandlithiumbatteryandmixedenergystoragescheme.Undertestconditions,thelithiumbatterycanprovideabout0.1achargingcurrent.Afterhalfanhourofcontinuouscharging,thelithiumbatteryimprovesby8.47%fromtheoriginalvoltageof3.224V.[Keywords]Solartracking;Four-regionphotoelectricsensor;Steeringgear;Rechargeablelithiumbattery目錄TOC\o"1-2"\h\u一、引言 21.1課題背景 21.2國內(nèi)外太陽能跟蹤的研究現(xiàn)狀 31.3論文課題的意義和主要研究內(nèi)容 4二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 52.1太陽能能量收集模塊 52.2電池充電儲能模塊 52.3防反充模塊 52.4 5三、硬件設(shè)計(jì) 63.1單片機(jī)控制系統(tǒng) 63.2光電檢測電路 63.3舵機(jī)驅(qū)動電路 73.4電源模塊電路 8四、軟件描述 8五.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 9六、結(jié)論 10參考文獻(xiàn) 11一、引言課題背景1.1.1能源危機(jī)與環(huán)境問題眾所周知，能源在人類的生存和社會的發(fā)展中起著十分重要的作用。人類已經(jīng)充分認(rèn)識到當(dāng)前能源來源及其利用方式的可不持續(xù)性，這種高度不協(xié)調(diào)的不具發(fā)展性的能源構(gòu)成將會給社會進(jìn)步蒙上陰影。世界各國為地球上有限的能源問題上不斷產(chǎn)生摩擦。特別是近年來，能源問題日益成文備受關(guān)注且極容易引發(fā)國別或地區(qū)沖突的高敏感議題，隨著各種化學(xué)能源即便部分國家儲量短期內(nèi)還算充分但從略長期目光來看依然面臨著極大困局如石油、煤炭等。從數(shù)據(jù)來看，當(dāng)前找到的石油，以現(xiàn)階段用量規(guī)模來看僅能維持40年，而天然氣則稍多，能夠維持70年，煤炭最多可開采200年左右[1]，因此總體來看，各國都不能再忽視這種肉眼可見的資源枯竭趨向，獲得能夠有效替代的且具有可持續(xù)性的新能源形態(tài)已經(jīng)成為政府重要議程。傳統(tǒng)能源的肆意濫用顯然已經(jīng)成為一個世界性難題，對人類未來蒙上陰影，現(xiàn)在地球平均一天都會釋放大量溫室氣體，近些年這一數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到1億噸，因此具有嚴(yán)重氣候隱患，如果不對此采取果斷措施，會加速兩極冰蓋融化，進(jìn)而嚴(yán)重破壞并壓縮人類活動空間。顯然，當(dāng)前人類社會持續(xù)發(fā)展訴求與環(huán)境間的平衡已經(jīng)被破壞并出現(xiàn)了尖銳矛盾。如何高效利用能源，保護(hù)地球環(huán)境已經(jīng)成為一個全球性的重要問題。首先，世界各國都應(yīng)該遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，不應(yīng)該走先污染后治理的老路，這樣會嚴(yán)重破壞社會與環(huán)境的和諧發(fā)展；其次，各國都需要依據(jù)本國地理?xiàng)l件與國情狀態(tài)去發(fā)展各自新能源相關(guān)技術(shù)與生產(chǎn)，如太陽能、水能等，其中對很多國家來說，太陽能幾乎是無差別的，不像水能等需要國土內(nèi)有河流條件，因此太陽能光伏事業(yè)得到更大重視，國內(nèi)同樣如此，光伏產(chǎn)業(yè)風(fēng)水水起，在國家大力扶持下還處在風(fēng)口期，中國地區(qū)處于低緯度，陽光資源頗為豐富。如果能夠讓太陽能利用更具效率與效能，無疑對國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)具有較大價值，并為后代發(fā)展保留更大空間獲得可持續(xù)性。1.1.2利用太陽能的優(yōu)勢為了讓不可再生化學(xué)能源能夠利用更長時間，且迫于沉重的環(huán)境壓力，人類開始認(rèn)識到發(fā)展不能沒有后代觀，要始終關(guān)注人類長期生存利益，這就使得清潔能源開發(fā)成為全球熱議話題。如果是上個世紀(jì)人類技術(shù)還停留在化學(xué)能源為主階段，那么新世紀(jì)必然會是一個環(huán)保與高效的新能源開發(fā)及大規(guī)模改變能源結(jié)構(gòu)的時代。各種新能源形態(tài)與模式如光能、風(fēng)能等都將發(fā)揮更大作用。中國地區(qū)處于北半球，太陽能資源豐富。因此我國的太陽能光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。國內(nèi)光伏發(fā)電事業(yè)亟需加大投資以此提高其發(fā)展速度，實(shí)現(xiàn)在較短時間內(nèi)能源結(jié)構(gòu)達(dá)到滿意比例，從而讓可持續(xù)發(fā)展能夠在能源層面上得到實(shí)現(xiàn)。而在所有能源中，太陽能具有如下優(yōu)勢：(1)存在的普適性:雖然太陽光照存在著維緯度方面的差異但是其覆蓋面依舊不是其他能源方式可比，其輻射范圍十分廣，這對太陽能的開發(fā)利用是一個巨大的優(yōu)勢。(2)利用的清潔性:與傳統(tǒng)能源形態(tài)比，其具有可再生且無次生污染的特性，其開發(fā)與利用都會造成殘留與污染，這因此與當(dāng)前綠色發(fā)展導(dǎo)向高度適配。(3)儲量的巨大性:具有巨大儲能，一旦人類能夠?qū)ζ涞睦寐侍岣叩囊欢ㄋ?，將有望成為支撐性能源來源?4)應(yīng)用的長期性:由宇宙時間尺度來看，太陽能核能能夠利用數(shù)百億年，相比較人類區(qū)區(qū)歷史，顯然其已經(jīng)近乎無限，因此太陽能完全可以視作可再生且長期性能源來源。國內(nèi)外太陽能跟蹤的研究現(xiàn)狀國外對太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)研究一直十分重視。1994年，捷克科學(xué)院物理研究所研發(fā)出一種單軸被動太陽光追蹤器，采用形狀記憶合金調(diào)節(jié)器收集陽光溫度的變化[2]；美國科學(xué)家布萊克于1997年研制出了單軸跟蹤器，跟蹤裝置采用太陽在赤道坐標(biāo)系下的工作原理，完成太陽橫方向自動跟蹤，縱方向還需手動調(diào)整，不能夠較精準(zhǔn)的進(jìn)行跟蹤，接收熱量效率提高15%[3]；1998年，美國加州大學(xué)成功研發(fā)出ATM雙軸太陽能跟蹤設(shè)備，增強(qiáng)太陽能板能量轉(zhuǎn)化率[4]；2002年2月，亞利桑那大學(xué)推出了一種新的太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)。采用電機(jī)跟蹤，鋁型材料框架，有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)[5]；2006年2月，西班牙太陽能公司Acciona建造了西班牙最大的太陽能發(fā)電廠，整個設(shè)施由14400個太陽能電池板和400個太陽能跟蹤托盤組成。這些托盤一年中每天都沿著太陽從東到西的軌跡運(yùn)行，高度角固定在45°的斜坡上，在縱方向并沒有實(shí)行追蹤。此設(shè)備收集太陽輻射，比固定平面系統(tǒng)可增加35%的能量輸出[6]；日本大成建筑公司研發(fā)了一種新的室內(nèi)采光產(chǎn)品，稱為T-Soleil。T-Soleil由自動陽光跟蹤反射器和多個反射器組成。陽光自動跟蹤反射器安裝在屋頂上，由一個小電機(jī)驅(qū)動，可以隨著陽光的運(yùn)動同步旋轉(zhuǎn)。陽光通過多個反射器反射，使高層建筑內(nèi)部與室外一樣明亮，有效節(jié)約能耗[7]。國內(nèi)對太陽能發(fā)電技術(shù)的研究起步較晚。近年來，開始許多專家和學(xué)生對其進(jìn)行深入研究。中國科學(xué)院工程熱物理研究所王志峰研發(fā)了一種單軸跟蹤太陽聚集系統(tǒng)[8]；張曉霞等人研發(fā)了蝴蝶式集中光伏發(fā)電自動跟蹤裝置，采用視日軌跡算法，以AT89C51單片機(jī)為主控制器，實(shí)現(xiàn)了雙軸主動追蹤，控制精度為0.1°[9]；東南大學(xué)的朱凱開和周世悅研發(fā)了一套極軸式太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)，太陽能電池板的極軸與地軸平行，極軸的安裝角為當(dāng)?shù)鼐暥冉?。電池極與極軸之間的安裝角為太陽赤緯角。由于太陽赤緯角每天都在變化，大約0.4°左右，電池板安裝的仰角和傾角需要定期調(diào)整。采用PLC作為主控制器，跟蹤機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，但需要人工維護(hù)調(diào)整[10]；海河大學(xué)卞新高、楊縫縫等人提出了一種聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模太陽光線自動跟蹤方法。該方法采用太陽視軌跡算法對太陽光線進(jìn)行粗略定位，當(dāng)跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行到一定的精度范圍內(nèi)，精細(xì)定位光跟蹤傳感器進(jìn)行精細(xì)定位調(diào)整。采用DSP作為主控制器，系統(tǒng)的理論跟蹤精度可達(dá)1.48°，其設(shè)備較為復(fù)雜[11]。論文課題的意義和主要研究內(nèi)容1.3.1本課題的研究意義相關(guān)研究表明，采用太陽能電池板智能跟蹤系統(tǒng)相比于固定太陽能電池板可以有效提高太陽能的利用效率，加強(qiáng)對太陽能電池板智能跟蹤系統(tǒng)的研究對未來大規(guī)模太陽能光伏發(fā)電和太陽能工程建設(shè)具有重大的意義。本文在研究現(xiàn)有光跟蹤理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心控制芯片的全天候?qū)崟r跟蹤太陽系統(tǒng)。下面用香港大學(xué)的KPCheng和SCMHui兩位教授的研究成果來分析太陽跟蹤的理論意義。圖1-1中為香港大學(xué)兩位教授比較固定太陽能板接收裝置與太陽光追蹤裝置的情況下的能量獲取情況。圖1-1固定太陽光接收和追蹤太陽光裝置所吸收能量對比圖從圖1中可以看出，固定太陽能板接收裝置和太陽光追蹤裝置，對能量的接收效率有明顯的差距，研究表明，固定太陽能板接收裝置和太陽能板追蹤裝置其能量的接收率相差大約37.1%。[12-13]因此，提高太陽能利用率并實(shí)現(xiàn)對陽光方向來源的實(shí)時跟蹤就具有重要價值。1.3.2本課題研究內(nèi)容本文方案所涉及的系統(tǒng)能夠一定幅度增強(qiáng)太陽能利用率，以STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)而構(gòu)建成功的具有較高性能及技術(shù)含量的太陽能電池板智能跟蹤系統(tǒng)，其工作邏輯就是對一天中太陽光方向會持續(xù)變化這一現(xiàn)象，進(jìn)行實(shí)時且智能化跟蹤監(jiān)測，以獲得最大陽光利用效率。因此，本文研究包含下述幾點(diǎn)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。確定方案總體結(jié)構(gòu)框架與細(xì)節(jié)思路，明確需要提供或滿足的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，包括綜合效率更好的跟蹤方式與具有更高操作性且實(shí)用的儲能方法。并搭建方案總體框架。硬件設(shè)計(jì)。涉及兩部分內(nèi)容，其一是硬件電路設(shè)計(jì)，其二是方案所涉及主要器件配件選擇。這一設(shè)計(jì)內(nèi)容要滿足兩個目標(biāo)，一方面實(shí)現(xiàn)太陽能板能夠靈活跟蹤當(dāng)前陽光角度與方向變化，其二實(shí)現(xiàn)將電能儲存到18650鋰電池中。軟件設(shè)計(jì)。需要完成三部分系統(tǒng)程序編寫及調(diào)試工作，包括了光電檢測、數(shù)據(jù)采集與主控等，考慮適用性原則決定采用C語言實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作。系統(tǒng)測試。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)完成后，主要是進(jìn)行實(shí)物檢測并基于所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)來判斷本系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期目標(biāo)與任務(wù)要求。二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖見圖2-1。構(gòu)成包括了單片機(jī)最小系統(tǒng)、四區(qū)域光電傳感器、太陽能電池板、YXA50V470μf電容、18650鋰電池，sg90舵機(jī)等幾部分組成。圖2-1系統(tǒng)的總體框圖2.1太陽能能量收集模塊太陽能收集模塊的主要構(gòu)成就是電池板，采用規(guī)格為5V、220mA、117mm×68mm的太陽能電池板吸收光能后，利用光電效應(yīng)原理能夠?qū)崿F(xiàn)光能電能間的轉(zhuǎn)化并收集，另外由于單塊太陽能板無法達(dá)到需要的電流標(biāo)準(zhǔn)，因此在方案中采用2塊板并聯(lián)，從而讓充電達(dá)到預(yù)期的效果。2.2電池充電儲能模塊本文方案中儲能模塊采用的是當(dāng)前主流的鋰電池，并且考慮實(shí)用性，確定為18650鋰電池，并且由于太陽光并不能長時間保持穩(wěn)定光電，也導(dǎo)致太陽能板生成的電流電壓也同樣會出現(xiàn)較大起伏變化，無法穩(wěn)定充電，需要先利用電容現(xiàn)進(jìn)行電力存儲，方案中利用的是YXA50V470μf電容，當(dāng)電容的電壓逐漸提高到一定值，再充入鋰電池。太陽能電池板的正極與YXA50V470μf電容正極相連，YXA50V470μf電容正極與18650鋰電池的正極相連，太陽能電池板的負(fù)極、YXA50V470μf電容負(fù)極和18650鋰電池的負(fù)極連接在一起。只有當(dāng)電容與電池電壓間，是前者高于后者，此時充電才能進(jìn)行，否則不能。2.3防反充模塊防反沖模塊設(shè)計(jì)中，電路方案中利用到了肖特基二極管，這是考慮到其具有低損耗且占用空間小等特點(diǎn)，在太陽能電池板的正極與YXA50V470μf電容的正極的之間、YXA50V470μf電容的正極與鋰電池正極之間，分別與二極管連接，構(gòu)成電路環(huán)境，防止18650鋰電池給YXA50V470μf電容進(jìn)行反充。2.4總之，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了對軟硬件兩方面的開發(fā)與方案供給，其中硬件電路最值得關(guān)注的就是控制器的選擇，方案中利用的是STM32F103C8T6單片機(jī)，此外還涉及到其他重要組件設(shè)計(jì)，如舵機(jī)、光感器等，軟件方案部分，設(shè)計(jì)平臺選擇為KeilMDK5，并將完成的控制程序下載到單品季中。此外對單片機(jī)方案還需要進(jìn)行最小系統(tǒng)的開發(fā)，一般會包括供電與輸出電路、下載電路、晶振電路等[14]。三、硬件設(shè)計(jì)本文方案中控制中樞是利用的單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心，涉及模塊的主要功能方向包括單片機(jī)控制電路、舵機(jī)驅(qū)動電路、電源電路、光電傳感電路等。方案中系統(tǒng)框架如圖3-1。圖3-1硬件總體框圖3.1單片機(jī)控制系統(tǒng)本文方案中對于主控系統(tǒng)的選擇，綜合考慮了性能與適用兩個因素確定為STM32F103C8T6，其是一種當(dāng)前主流較為認(rèn)可的32位微處理器，從資料來看，其內(nèi)核規(guī)則與型號選用的是ARMCortex-M，能夠在低電壓狀態(tài)下正常運(yùn)行，只要3.3V電壓即可實(shí)現(xiàn)，工作可承受溫度范圍達(dá)到工業(yè)級，最低為-40℃，最高能達(dá)到85℃，工作頻率測算所得最高值為72MHZ，內(nèi)存容量64KB，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)為控制簡易且提供豐富可擴(kuò)展性，經(jīng)濟(jì)性突出但能夠應(yīng)對較復(fù)雜問題，低功耗等等[15]。3.2光電檢測電路3.2.1光電傳感器布局本次設(shè)計(jì)方案的核心問題就是如何定位到當(dāng)前太陽能光強(qiáng)最顯著的方位，在解決方案中本文設(shè)計(jì)了針對性的追蹤模塊，其主要特色就是布局方式，為達(dá)到最大感應(yīng)范圍而采用四區(qū)域光電傳感器，具體分布位置見圖3-2，其中詳細(xì)列出的①、②、③、④點(diǎn)都是預(yù)先設(shè)計(jì)好的追蹤模塊安裝位，會分別在這些地方置入forKY-018型光電傳感器，從結(jié)構(gòu)來看，形似十字交叉的隔板，且其規(guī)格大小是嚴(yán)格按照電路板尺寸及實(shí)際具備的光敏面積等進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得傳感器能夠基于當(dāng)前太陽實(shí)際照射方向進(jìn)行光線接收角度的調(diào)整。其中兩個遮光板在其中主要功能是切割受光區(qū)域。當(dāng)陽光普照時，由于遮陽板會遮擋陽光，因此這四個放置點(diǎn)的光敏電阻接收光線強(qiáng)度存在較大差異，使得輸出電流或電壓也各自具有不同數(shù)據(jù)。微處理器會據(jù)此運(yùn)行調(diào)整程序，發(fā)出信號到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，讓其實(shí)現(xiàn)方向調(diào)整，從而讓這四個放置點(diǎn)的光敏電阻能夠輸出同樣標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓。且太陽能電池板具有追光的要求，而這需要其能夠垂直對準(zhǔn)太陽光來源方向，其設(shè)計(jì)見圖3-2?？傮w來說，這種光電傳感器布局方式實(shí)用性非常突出，完全匹配太陽光照射變化，對其東西向與南北向的運(yùn)動變化都納入了設(shè)計(jì)要素，讓傳感器檢測范圍達(dá)到了最優(yōu)化，并增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，同時該布局方式也簡化了電路設(shè)計(jì)。圖3-2四象限光敏電阻分布圖3.2.2四象限光敏電阻探測器前文已經(jīng)提到，光電檢測部分出于環(huán)境適用性的考量而確定利用forKY-018型光敏電阻傳感器，并且數(shù)量為4個，在安裝位置上，以電池板平行平面作為放置點(diǎn)，將這一區(qū)域劃分為4個象限，具體可見圖3-2，每個象限分別放置一個光敏傳感器，且依據(jù)數(shù)字順序?qū)鞲衅鞯腁O引腳分別與控制器的對應(yīng)引腳相連，也即是①號位置傳感器AO引腳與控制器A1引腳連接，以此類推，具體見圖3-3，每兩個光敏傳感器會構(gòu)成一個感知組。由于光電效應(yīng)，當(dāng)太陽能電池板接收到太陽光，此時上面放置的光敏電阻也會準(zhǔn)確感知并給出具體的值，具體是通過將其內(nèi)部的光信號接收器實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，又將這個信號輸送到單片機(jī)，其中A/D模塊將獲取到4個通道的值，并采取相鄰光敏電阻取均值之后將一對均值進(jìn)行比較，如可以是①②和③④這樣的劃分模式進(jìn)行比較等，當(dāng)兩個數(shù)值并不一致，且彼此將差值較大，已經(jīng)高于原來設(shè)定的舵機(jī)靈敏度時，此時會進(jìn)行舵機(jī)轉(zhuǎn)動，直到太陽能板能夠與太陽光間接受角度已經(jīng)變成了垂直，并且所有電阻采集到同樣的光強(qiáng)信號，彼此間不再檢測到電壓差，單片機(jī)才會停止進(jìn)行舵機(jī)調(diào)整。3.3舵機(jī)驅(qū)動電路所謂舵機(jī)，就是一種伺服電機(jī)，其功能就是依據(jù)信號脈沖時長來獲取最終需要實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)的控制信號PWM，給舵機(jī)提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個與之對應(yīng)的角度上，直到下一個不同的脈寬出現(xiàn)，轉(zhuǎn)到新的對應(yīng)角度。當(dāng)舵機(jī)接收來自信號線的控制信號，在實(shí)際工作時，舵機(jī)轉(zhuǎn)動，會讓其內(nèi)部配件反饋電位計(jì)保持同樣轉(zhuǎn)動角度，其將當(dāng)前轉(zhuǎn)動情況進(jìn)行信號輸出，并與控制板控制信號進(jìn)行比對，從而根據(jù)信號間差值不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向的調(diào)整，這一操作過程需要等兩個信號相同才會終止。因此本文所利用的驅(qū)動舵機(jī)也依據(jù)轉(zhuǎn)向的不同進(jìn)行了劃分，也就是水平和垂直兩個方向。舵機(jī)是由電信號的脈沖持續(xù)時間決定的旋轉(zhuǎn)角度的一種伺服電機(jī)。這兩個不同控制方向舵機(jī)，其PWM控制線也會與不同單片機(jī)端口連接，其中水平舵機(jī)與PB7口，而垂直舵機(jī)則是與PB6口。具體可見圖3-4。實(shí)際控制流程為當(dāng)主控器接收到光前信號，將提供PWM調(diào)速流程，其中控制信號從PWM傳導(dǎo)電路板，電機(jī)啟動并將傳動到輸出舵盤。隨后舵盤轉(zhuǎn)動又會被電位計(jì)采集到的信號并反饋到電路板，并進(jìn)行比對反饋，根據(jù)差值得到特定轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，并據(jù)此驅(qū)動電路并實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動，直到兩個信號差值已經(jīng)滿足靈敏度條件才終止。圖3-3光敏傳感器電路圖

圖3-4舵機(jī)驅(qū)動電路圖3.4電源模塊電路本系統(tǒng)中舵機(jī)型號是sg90，需要將這個型號性能納入考慮范圍，包括充電率、承載力等，本文系統(tǒng)中將采用太陽能板并聯(lián)這種供電模式，因此并非直接進(jìn)行放電，而是需要把電輸送到電容，當(dāng)電容的電壓逐漸提高到一定值，再向鋰電池放電，從而能夠有效防止因?yàn)殡妷翰畛霈F(xiàn)反充的情況。為了實(shí)現(xiàn)這一充電形式，在太陽能板與電容、電容與鋰電池之間進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)并組合，前者間加入了二極管D1，從而構(gòu)成一個閉合回路；后者加入二極管D2，投誠一個回路。電容電壓與鋰電池間電壓形成一個0.5V差值，而太陽能板與鋰電池之間也同樣存在一個電壓差值且同樣是0.5V。這一結(jié)構(gòu)具體可見圖3-5。圖3-5電源模塊電路四、軟件描述本文系統(tǒng)開發(fā)平臺考慮適用性選擇而確定為KeilMDK5，并且利用到了C語言。其中主程序開發(fā)流程圖已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)描繪并列于圖4-1、系統(tǒng)上電后，先會進(jìn)行模塊初始化，此時光強(qiáng)信號也會被光敏電阻采集到的相應(yīng)光信號，并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了信號轉(zhuǎn)換，之后將處理后的信號輸送到系統(tǒng)核心部件單片機(jī)。A/D口分別接收到4個信號源數(shù)據(jù)，并將它們進(jìn)行兩兩劃分，一組為水平向，一組為垂直向，獲得兩個組進(jìn)行電壓均值計(jì)算，判斷這兩個均值的電壓差是否滿足光電傳感器預(yù)先設(shè)定的靈敏度條件，若不滿足，則會控制對應(yīng)方向的舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，直到滿足靈敏度要求，此時太陽能板將保持與光線之間是一種垂直狀態(tài)。[16]圖4-1主程序算法流程圖五.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)上文提供的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案內(nèi)容與細(xì)節(jié)描述，并據(jù)此制作太陽能自動追光模型，并對該模型的充電性能進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證并獲得相應(yīng)的結(jié)果，具體數(shù)據(jù)可見圖5-1，可以看到其中鋰電池存在著一個初始電壓值，數(shù)據(jù)顯示是3.8v，此時需要對其進(jìn)行放電，這是為了能夠讓充電順利完成，電壓保持低于3.5V，并進(jìn)行具體太陽能板充電測試，此時測試場條件為，有陽光，且溫度條件是19℃，濕度條件為38%，測試內(nèi)容有五項(xiàng)內(nèi)容，首先是光強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取，其次是電路四個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取，這里包括太陽能板電壓當(dāng)前具體數(shù)值、電容正極電壓當(dāng)前具體數(shù)值、鋰電池正壓當(dāng)前具體數(shù)值。充電電流等，5min為一個采集周期，并持續(xù)測試到7組數(shù)據(jù)，測試項(xiàng)數(shù)據(jù)可見圖9。圖5-1實(shí)測數(shù)據(jù)圖光強(qiáng)條件最好時，太陽能板能獲得最大電壓，由于前文已經(jīng)提到，其與鋰電池間存在著0.5V電壓差，且是正差狀態(tài)時，滿足二極管正向?qū)▔航?，之后會進(jìn)行充電，從數(shù)據(jù)來看，充電35分鐘，鋰電池電壓從原來測量數(shù)據(jù)3.224V，得到穩(wěn)定提升，之后測量數(shù)據(jù)為3.191V，在光照強(qiáng)度為5000LUX左右、太陽能電池板電壓為4.3V左右和穩(wěn)定的0.1A左右的充電電流下18650鋰電池電壓上升了0.273V，鋰電池在原來電壓為3.224V上提高了8.47%，實(shí)現(xiàn)了18650鋰電池能量補(bǔ)充。六、結(jié)論6.1結(jié)論本文在研究國內(nèi)外現(xiàn)有太陽能智能跟蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上，查閱了大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了基于STM32的太陽能電池板智能跟蹤控制系統(tǒng)。且系統(tǒng)中利用了光電編碼檢測電路，從而提供了舵機(jī)閉環(huán)調(diào)整機(jī)制，信號電壓為0時，處于靜止?fàn)顟B(tài)，不進(jìn)行自轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)矩增加，也會讓轉(zhuǎn)速保持著同比例的均勻降幅，從而降低能耗。同時對18650鋰電池的能量進(jìn)行有效補(bǔ)充。該系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、設(shè)計(jì)合理、成本低等特點(diǎn)。無需手動調(diào)整操作姿態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)太陽軌跡全天候自動跟蹤。本文的研究工作和成果總結(jié)如下:(1)在研究分析國內(nèi)外太陽能應(yīng)用領(lǐng)域和太陽跟蹤技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于四區(qū)域光電傳感器跟蹤方式的雙軸跟蹤系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)能夠全天自動跟蹤太陽。該策略采用間歇性跟蹤，避免了系統(tǒng)頻繁位姿調(diào)整造成的功耗損失;設(shè)置四區(qū)域光電傳感器跟蹤精度閾值，避免系統(tǒng)振蕩。(2)本著更智能、更可靠、更靈活的設(shè)計(jì)方針,采用ARM嵌入式芯片stm32f103c8t6作為系統(tǒng)的主控制器,搭建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),并在KeilMDK5集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，用C語言編寫。系統(tǒng)功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確跟蹤太陽軌跡。雖然本文對太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)所涉及的大部分內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的成果，但由于時間、測試條件和自身能力的限制，本系統(tǒng)還存在一些不足和需要改進(jìn)的地方：(1)本文的四區(qū)域光電檢測部分沒有考慮天氣狀況不好的情況，因此有必要進(jìn)一步研究天氣狀況不好對光電檢測精度的影響。(2)受實(shí)驗(yàn)場地氣象數(shù)據(jù)和環(huán)境條件的限制，光強(qiáng)檢測試驗(yàn)不夠充分，需要進(jìn)一步完善。(3)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。太陽自動跟蹤控制裝置大多安裝在電力傳輸不便的地區(qū)或沙漠無人地帶。如果可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，會更加人性化、智能化。6.2展望太陽能作為可再生能源形態(tài)，對我國社會的長期發(fā)展有著重要意義，相信太陽能電池板智能跟蹤設(shè)備在不久的將來將充分應(yīng)用于戶外工作領(lǐng)域。其工作環(huán)境的可預(yù)測性和可控性都比較差，所以需要采取一定的措施。比果刮風(fēng)太大，會對太陽能電池板智能跟蹤設(shè)備造成一定的損壞，所以需要安裝風(fēng)力檢測裝置。當(dāng)風(fēng)力較大時，風(fēng)力檢測的中斷優(yōu)先于面板調(diào)整，以避免風(fēng)吹到面板上，使面板承受較大的風(fēng)。此外，在大型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中可以添加上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以實(shí)時了解每個面板的工作動態(tài)，而且在遇到冰雹等惡劣環(huán)境時，上位機(jī)可以控制面板，使太陽能電池板板直立在地面上，降低損壞程度。這樣，整個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以更有效的長時間工作。在未來大規(guī)模太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷普及中，可以大大減少人工勞動力，同時也提高了系統(tǒng)的智能化水平，使太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用價值更高。能源一直是人類社會進(jìn)步和發(fā)展的支柱，在當(dāng)前能源儲量有限、消耗巨大的情況下，太陽能取之不盡、用之不竭、無污染等特點(diǎn)，自然成為人類首要大力發(fā)展的可再生能源。由于現(xiàn)在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)趨于成熟，并且具有使用簡單方便等特點(diǎn)，可以擔(dān)起新一代能源的重任。我們相信，當(dāng)化石能源退出能源的主導(dǎo)地位時，太陽能光伏發(fā)電將展示出巨大的能力。從近幾年可以看出，太陽能光伏發(fā)電量逐年大幅度提高，太陽能電池板智能跟蹤設(shè)備越來越智能化，從而減少了大量的人力工作量。隨著光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，太陽能光伏發(fā)電將不斷深入人們的日常生活，并將成為一種主要的能源。參考文獻(xiàn)余海.太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J].新能源研究與利用，200