[基于STC89C516的太阳能旋转跟踪器]KLNG-C型太阳能工程控制器

时间：2019-05-15 03:18:52　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　太阳能作为一种绿色能源，取之不尽，用之不绝，发展前景广阔。由于太阳能具有间歇性及强度和方向不确定的特点，给其收集带来了一定难度。本文根据安装地区的经纬度计算出太阳的日出日落的起始时间，确定太阳能电池板在起始角度和终止角度时太阳直射太阳能电池板的时间，将这个两个时间的时段和太阳能电池板旋转角度与太阳运转轨迹的特性进行分配。由跟踪器控制系统内时钟所产生的时间和系统设定太阳能电池板运转转执行时间两个参数，控制让太阳能电池板旋转和停止，从而保证太阳能电池板始终对着太阳运转，提高太阳能电池板的发电效率，增加太阳能电池板的发电量。
　　设计基于太阳运动轨迹运行的光伏阵列跟踪智能控制器，以STC89C516单片机为核心，以独立4按键配合1602液晶做为人机交互模块，达到查看系统运行状态和设置系统参数的目的，太阳能电池板的跟踪时间和运行速度由DS12887时钟模块来控制。在设计中，加入了手动控制太阳能电池板正、反转和停止的开关，辅助正反向两个行程开关便于安装时的调试工作。
　　设计目的
　　某地区早上日出时间为7：30、晚上日落时间6：30，太阳早晚照射时间为11小时，太阳能电池板的旋转角度为135°30至下午17：00，太阳能电池板受太阳直射跟踪旋转时间为8.5个小时，根据太阳运行轨迹的规律，太阳在早上和下午时直射太阳能电池板时太阳能电池板旋转角度较大，正午时候时直射太阳能电池板时太阳能电池板旋转角度较小的特点，在太阳能跟踪器控制系统内建立以时间为基准，太阳能电池板动作时间在不同时段时变化的数据库。依据数据库的参数要求，使太阳能电池板跟踪太阳运行轨迹。
　　
　　跟踪器的主要功能
　　(1)光伏阵列的位置控制。
　　(2)通信功能。
　　(3)运行参数和基本控制参数可以通过人机界面或者USB接口输入或者输出。
　　设计方案
　　1、电机调速控制模块：
　　由于是用于控制太阳能电池板的旋转，要求速度低，转速稳定均匀，在系统中加入L7812作为稳压模块，给电机驱动芯片TA7267供电。因此没有在系统中加入电机调速控制模块。
　　2、电机旋转方向控制模块：
　　用单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向。
　　3、PWM调脉宽方式：
　　调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了调宽调频方式，因为采用这种方式，可以满足系统设计要求的步进式跟踪要求。
　　4、PWM软件实现方式：
　　方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
　　方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源。
　　
　　本系统采用方案一。
　　系统分析与设计
　　总体设计方案的硬件部分详细框图如右图所示。
　　键盘可以向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P2.0与P2.1高低电平的组合实现电机转向的控制，脉宽和频宽由软件控制。电动机的运转方向和是否到达行程开关处通过LED显示出来。由于单片机的外围器件较多，IO资源紧张，故采用并口扩展芯片8255。单片机系统由5V供电，直流电机由12v供电，而整个跟踪系统由蓄电池供电，因此本系统单独设计了一个电源模块。时钟芯片用于提供外部中断源控制跟踪器。液晶用于显示当前系统状态（例如：蓄电池电压、电池板电压）。数模转换芯片用于将模拟量转换为数字量。电机驱动芯片用于给电机提供足够的电压和电流。
　　系统的硬件电路设计与分析
　　电动机驱动模块的电路设计与实现具体电路见图1。
　　电动机驱动和单片机所用电源不一致，在实验中的控制系统电压统一为5v电源，实际上加到电动机两端的电压需要有12V左右。基于上述考虑，我们运用了TLP521-2光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。4个输入端口其中两个470�%R的限流电阻再接5V电源，另外两个端口分别接单片机的P2.0和P2.1口；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。
　　在控制方面，由于需要设计手动正反转开关和行程开关，因此我们引入了门电路。在实际应用中我们选择的是集成门电路，这样的好处是可靠性能高、驱动能力强、在制作PCB电路板时所占的空间小。采用的门电路集成芯片有二输入与非门4011，三输入与门4073，反向器4069，构成一个两级控制电路。手动开关和单片机控制平级，都为第二级控制；行程开关为第一级控制。第一级控制优先于第二级控制，这样做的目的是保护电机和电池板旋转支架，以免发生电机和电池板憋死的情况。
　　
　　另外，在电机驱动芯片TA7267需要注意两点，一是6、7脚接12V电源之间一定要并联接一个10�%eF的电容，电容的作用是滤波，保证电机的快速启动；二是3、5之间一定要接一个消弧电容，大小根据控制距离的远近选择，防止瞬态电流过大烧坏电机。
　　系统的软件设计
　　本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和LCD显示等部分的设计。
　　单片机资源分配如下表：
　　系统主函数流程如下图：
　　①PWM脉宽控制：本系统中采用的是定时中断控制，利用单片机的定时记数器T0, PWM脉频控制：本系统中也是采用定时中断控制，利用单片机的定时记数器T0,T1的组合控制，其中用到的参数是由键盘输入，如果不输入将采用默认参数。
　　
　　②键盘扫描子程序：采用循环查询的方式。本系统设有4个独立按键，分别是循环上下移动键，循环左右移动键，确认键和取消键。它们分别与单片机的P3.4-P3.7口连接。当按下某一键时，其对应的IO口将产生一个低电平，单片机响应该按键处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。
　　③显示子程序：本系统用1602液晶显示，1602有一个8位的控制寄存器和一个8位的显示字符寄存器，我分别写了两子程序，写控制命令和写字符。通过这两个子程序的组合来实现各种界面的显示功能。本系统中我做了一个两级的菜单，第一级菜单包括两个选项，分别是查看参数和设置参数。第二级查看参数里面包括光伏板电压、蓄电池电压、当前时间三个选项，第二级设置参数里面包括光伏板电压跟踪时蓄电池的最小电压，光伏板的跟踪速度和光伏板启动跟踪的时间三个选项。
　　④外部中断处理程序：本系统中外部中断信号是有时钟芯片DS12887来产生的，主要用来控制光伏板跟踪的起始时刻和回转时刻。
　　⑤模数转换子程序：本系统所用的是模数转换芯片是MAX197，它是并口的8路12位的模数转换芯片，采用的是逐次逼进式的转换方式。它的优点是转换速度快、精度高，缺点是成本高。8位数据总线接口，每次转换完毕，先读低8位数据，再读高4位数据。在此，我用它主要来测量光伏板电压和蓄电池电压。由于我只用了两路，还有六路可用，为以后跟踪器功能的升级和扩展留有余地。
　　测试结果与分析
　　本设计在硬件上采用了基于PWM技术驱动电路，解决了电机的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率，且具有一定的防飞能力。但该设计也有不足之处，主要是在关于速度的反馈上，无法提供较为直观的速度表示方式，因此，有必要引入传感器技术对速度进行反馈，以rpm或rps表达当前的转速进行显示。
　　（作者单位：湖北大学）

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