摘要：太陽能以其普遍性、永久性、無污染、分布廣、利用方便等優(yōu)點成為各國競相研究和開發(fā)的熱點。對太陽能跟蹤控制系統(tǒng)中的傾角傳感器應(yīng)用進行了研究，以檢測太陽能電池板的傾角，使得太陽能電池板在俯仰方向上與太陽的高度保持一致。設(shè)計了傾角傳感器檢測電路，通過對傾角傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集和濾波處理，濾除了太陽能電池板在轉(zhuǎn)動過程中因抖動而產(chǎn)生的隨機誤差信號，實現(xiàn)了在俯仰方向上的精確測量。
關(guān)鍵詞：太陽能跟蹤系統(tǒng)；傾角傳感器；角度測量；軟件濾波

0 引言
    隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，對于能源的需求和由之帶來的高污染問題日趨突出。太陽能作為一種新型、清潔能源，發(fā)展前景相當(dāng)廣闊，目前已成為各國競相研究和開發(fā)的熱點，而如何高效地獲得太陽能資源是當(dāng)前一個重要的課題。傳統(tǒng)的太陽能接收板大部分采用固定安裝形式，而太陽的方位角度和高度是隨時間變化的，所以這種固定安裝的電池接收板的轉(zhuǎn)換效率較低。經(jīng)理論分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)是否采用對太陽的自動跟蹤方式，能量的接收效率相差達40％～50％之多，而采用雙軸跟蹤可增加發(fā)電量35％～40％，因此，開展對太陽光線自動跟蹤方面的研究，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展有著積極的實際意義。
    本文對太陽能跟蹤控制系統(tǒng)中的傾角檢測與控制進行了研究，重點對傾角傳感器檢測電路、傾角傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集和濾波處理進行研究，從而實現(xiàn)傾角的精確測量。

1 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)方案
    本文研究的太陽能跟蹤系統(tǒng)由監(jiān)控中心、太陽能跟蹤控制兩大部分組成。監(jiān)控中心主要完成太陽能板的狀態(tài)監(jiān)測與控制，而太陽能跟蹤控制則是本系統(tǒng)的核心部分，由水平方向與俯仰方向(即傾角)上的兩個電機驅(qū)動，完成電池板的自動跟蹤功能，其機械示意圖如圖1所示。

    實際系統(tǒng)控制中，根據(jù)GPS輸出的時間信息、經(jīng)緯度信息，可以得到太陽的實時方位角和高度角，通過控制電機來調(diào)整雙軸支架，完成對太陽的跟蹤。系統(tǒng)采用步進式視日跟蹤，即雙軸支架的運轉(zhuǎn)并非連續(xù)性的，而是給定一個閾值，如果當(dāng)前太陽角度與太陽能電池板角度的差值超過設(shè)定的閾值時，再啟動兩個電機完成角度的調(diào)整，這樣既降低了支架轉(zhuǎn)動而消耗的能量，又提高了太陽能轉(zhuǎn)換效率，其控制流程如圖2所示。

2 傾角檢測模塊設(shè)計
2．1 芯片的選取
    本文中選擇了SCA60C單軸傾角傳感器，是一種加速度計，內(nèi)部由一個硅微傳感器和信號處理芯片組成，采用SMD形式封裝，先測量地球引力在測量方向上的分量，再將其轉(zhuǎn)換為重力加速度與傳感器敏感軸之間的夾角，以此來測量支架的傾角。該傳感器單極5 V供電，靈敏度為2V／g，測量范圍為-1～1 g(對應(yīng)的傾角變化范圍為-90°～90°)，電壓輸出范圍為0．5～4．5V。傾角與輸出電壓的對應(yīng)計算公式為：
   
    式中：Offset為傾角傳感器處于相對水平位置時的輸出電壓；Sensitivily為傾角傳感器的靈敏度。
    針對SCA60C單軸傾角傳感器的輸出特性，本文選用了STC12C5604AD單片機，是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘／機器周期的新一代8051單片機，具有高速、低功耗、超強干擾的特性，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍。具有4路PWM、8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，無需專用編程器與仿真器，通過串口(P3．0／P3．1)就可以直接下載程序，大大地節(jié)約了設(shè)計成本。
2．2 傾角檢測模塊設(shè)計
2．2．1 硬件電路設(shè)計
    傾角傳感器模塊安裝在太陽能電池板的下表面，完成支架傾角的采集。工作狀態(tài)下，SCA60C的模擬電壓輸出信號輸入到單片機的A／D采集端口，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號通過串口與主控箱中的單片機通信，完成角度反饋，其硬件電路設(shè)計如圖3所示。

2．2．2 軟件設(shè)計
    單片機的8路A／D口需要通過對ADC_CONTR寄存器中CHS0＼CHS1＼CHS2三位的設(shè)置來選擇使用的模擬輸入通道，并且必須將其設(shè)置為開漏模式或高阻模式，即需要對P1M0(0～7)，P1M1(0～7)中相應(yīng)位進行設(shè)置，如本例中選擇P1．2為SCA60C的電壓信號采集端，為開漏模式，則設(shè)置為：
   
    第一次啟動A／D轉(zhuǎn)換時，需給適當(dāng)延時以確保內(nèi)部模擬電源的穩(wěn)定；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，結(jié)束標(biāo)志位需要由軟件清零。該傾角模塊軟件流程圖如圖4所示。

3 傾角傳感器數(shù)據(jù)采集與濾波處理
    本文中，每隔300 ms采集一次傾角傳感器輸出電壓，電池板從0°勻速轉(zhuǎn)到90°后得到的數(shù)據(jù)如圖5所示。圖中x軸表示電池板轉(zhuǎn)動90°所用的時間，y軸為對應(yīng)時間下傳感器輸出的電壓值。圖5中所示的傳感器輸出電壓信號顯然不能作為電池板的角度信號反饋給MCU，否則可能會導(dǎo)致俯仰方向上驅(qū)動電機的誤動作，產(chǎn)生意想不到的后果，因此需要進行濾波，去除毛刺信號。

    設(shè)傾角傳感：器輸出電壓值為xi，則每N組數(shù)據(jù)進行平均后，得到平滑后的輸出值為：
   
    如果N取值很大，輸出信號的平滑度則很高，但是會降低靈敏度，且還受到本文中所選擇單片機RAM的大小的限制；N取值很小則又達不到濾波效果。實驗驗證，本應(yīng)用中N取20可得到很好的濾波效果。
    由圖5可以看出，輸出信號脈沖干擾信號很多，所以必須要做限幅處理。限幅濾波設(shè)置一個閾值，如果前后兩次輸出值的差值小于等于這個閾值時，本次值有效；相反則舍棄本次值，同時用上次值代替本次值。本文依據(jù)太陽初升及落山時刻，電池板初始對準(zhǔn)及回收動作下的電壓變化最大幅值設(shè)置閾值?？伤愕闷渥畲筠D(zhuǎn)動速度為0．75°／s，則對應(yīng)的輸出電壓最大差值應(yīng)該為25mV。
    本方法有效地結(jié)合了限幅濾波和算術(shù)平均濾波各自的優(yōu)點，先利用限幅濾波算法去除了超出閾值的無效脈沖數(shù)據(jù)，再使用算術(shù)平均濾波平滑輸出信號，輸出信號效果圖如圖6所示。

    可以看出，其平滑度有了很大的改善，滿足了控制系統(tǒng)的要求，表明了此聯(lián)合濾波算法的應(yīng)用是有效的。

4 結(jié)語
    本文研究了傾角傳感器在太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計了模塊的硬件電路，根據(jù)本應(yīng)用環(huán)境的因素，利用兩種濾波方法的優(yōu)點對輸出信號進行了處理，達到了理想的輸出效果，精確地反饋了太陽能電池板俯仰角度，使得對太陽的跟蹤實時有效，提高了太陽能電池板的接收效率。