0 引言
    經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源日益短缺的矛盾一直都是現(xiàn)代社會(huì)面臨的一大難題，資源的緊缺和能源成本的持續(xù)增長(zhǎng)使得眾多發(fā)達(dá)國(guó)家將注意的目光轉(zhuǎn)向了新能源，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用備受重視。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成。其中控制器即為太陽(yáng)能追蹤采集系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板追蹤太陽(yáng)方向，使太陽(yáng)光線始終能垂直照射太陽(yáng)能電池板，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大化的機(jī)電控制裝置，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電不可缺少的重要組成部分。
    目前，太陽(yáng)追蹤的控制系統(tǒng)劃分不外乎三類(lèi)：閉環(huán)、開(kāi)環(huán)、混合控制方式。實(shí)際應(yīng)用中，常用的有光電追蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤兩種方式；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開(kāi)環(huán)的程控系統(tǒng)。視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤的優(yōu)點(diǎn)
是能夠全天候?qū)崟r(shí)追蹤，但算法復(fù)雜且固定，導(dǎo)致處理速度慢，追蹤軌跡固定，不能因地制宜、因時(shí)制宜地對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行快速追蹤；光電追蹤靈敏度高，但受天氣的影響很大，甚至?xí)鹫`動(dòng)。
    本文提出一種基于MSP430單片機(jī)的太陽(yáng)能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，綜合光電追蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，即混合控制方式，其特點(diǎn)是在進(jìn)行軌跡追蹤時(shí)并不需要像單一視日運(yùn)動(dòng)追蹤方式采用復(fù)雜算法，從而減少控制器運(yùn)算時(shí)間，提高處理速度；同時(shí)又避免了光電追蹤方式的誤動(dòng)。能夠根據(jù)時(shí)鐘時(shí)間和光電檢測(cè)自動(dòng)調(diào)整硅太陽(yáng)能電池板的方位角、俯仰角，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且可以通過(guò)無(wú)線射頻通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別適合在復(fù)雜環(huán)境無(wú)人值守情況下，有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)
    太陽(yáng)能追蹤采集系統(tǒng)由無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端、無(wú)線數(shù)據(jù)接收端和機(jī)械裝置端三大部分組成，又可細(xì)分為微控制模塊、電機(jī)控制模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、太陽(yáng)能充電模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、無(wú)線射頻模塊、電源電路模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊和鍵盤(pán)控制
模塊等11個(gè)功能模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端中的光強(qiáng)、時(shí)間、溫度等檢測(cè)模塊會(huì)把太陽(yáng)光照強(qiáng)度、天氣溫度、時(shí)鐘時(shí)間、電池充電狀態(tài)等信息采集到微控制器模塊，通過(guò)對(duì)白天黑夜、天氣晴陰的辨別以及此刻的時(shí)鐘時(shí)間，微控制器模塊會(huì)適時(shí)地驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊，調(diào)整機(jī)械裝置端，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤的控制。
    同時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端又會(huì)把這些采集來(lái)的信息通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送到無(wú)線數(shù)據(jù)接收端，然后上傳上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
1．1 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
    光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱(chēng)為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。而硅太陽(yáng)能電池板實(shí)際上也是一個(gè)大面積的PN結(jié)，把太陽(yáng)幅射能直接轉(zhuǎn)換成電流，原理和光電二極管一樣。
    光強(qiáng)度檢測(cè)模塊包括兩部分，一個(gè)是利用光電二極管光強(qiáng)感應(yīng)對(duì)天氣晴陰的判斷，如圖2(a)所示；另一部分在太陽(yáng)能充電模塊中，對(duì)硅太陽(yáng)能電池板上受到的陽(yáng)光照射強(qiáng)度的測(cè)量，如圖2(b)圈起部分。光電二極管對(duì)光強(qiáng)的敏感產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流，電阻R10把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)MSP430單片機(jī)的AD1212位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣出相應(yīng)的電壓值，相應(yīng)的也就得到該時(shí)刻光強(qiáng)度，用以判斷天氣的晴陰。硅太陽(yáng)能電池板是電流型的，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)其輸出的電流強(qiáng)度亦會(huì)增加，根據(jù)這一特點(diǎn)，運(yùn)用AD12，在太陽(yáng)能電池板隨太陽(yáng)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)時(shí)可以記錄各個(gè)角度的光強(qiáng)度，產(chǎn)生光照強(qiáng)度系列值，然后再把太陽(yáng)能電池板精確調(diào)整到光照強(qiáng)度最強(qiáng)的方位角和俯仰角的位置上。

1．2 太陽(yáng)能充電模塊設(shè)計(jì)
    如圖2(b)太陽(yáng)能充電模塊的電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要圍繞太陽(yáng)能電池供電的鋰電池充電管理芯片CN3063進(jìn)行，應(yīng)用5～6 V硅太陽(yáng)能電池板可為單節(jié)4．2 V鋰電池或鎳鋅電池充電。D5，D4是充電狀態(tài)的指示燈，D5是紅色LED表示正在充電，D4是綠色LED表示充電完成；為了詳細(xì)了解電池電量狀況，利用MSP430中12位ADC對(duì)電池兩端電壓、電流進(jìn)行A／D采樣，確定電量從空到滿(mǎn)的5種狀態(tài)(如圖3，在液晶屏上顯示)；P6.2，R7，R8是用作對(duì)硅太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量的，J6是太陽(yáng)能電池板的充電接口。

1．3 無(wú)線射頻模塊設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)采用Nordic Semiconductor ASA公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905，設(shè)計(jì)了無(wú)線射頻模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)通過(guò)軟件模擬SPI傳輸方式和nRF905通信，把外界采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。nRF905與MSP430接口電路如圖4所示。

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    nRF905常用的10個(gè)引腳：和MCU通信的SPI接口的4個(gè)引腳分別是數(shù)據(jù)線SPI_MOSI，SPI_MISO，時(shí)鐘線SCLK，使能線SPI_CSN；MCU的3個(gè)控制線分別為控制工作狀態(tài)的PWR_UP，控制正常工作的TX_EN，選擇發(fā)送或接收方式的TRX_CE；nRF905的3個(gè)反饋線分別為檢測(cè)到頻道正被使用的CD(Carrier Detected)，通知接收地址正確的AM(Address Matched)，告訴MCU數(shù)據(jù)接收正確的DR(Data Received)。圖5是nRF905的發(fā)送和接收時(shí)序圖。

1．4 其他模塊設(shè)計(jì)
    無(wú)線數(shù)據(jù)接收端由微控制器模塊、無(wú)線射頻模塊和串行通信模塊3個(gè)模塊組成；而無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端包含所有11個(gè)模塊；機(jī)械裝置端主要由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和硅太陽(yáng)能電池板組成。
    (1)微控制器模塊：無(wú)線數(shù)據(jù)接收端采用AT89S52 8位單片機(jī)；無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端選用MSP430F149 16位超低功耗單片機(jī)，其自帶的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供8通道12位A／D采樣；
    (2)電機(jī)控制模塊：由L298雙路全橋式驅(qū)動(dòng)芯片控制2個(gè)四相八拍的步進(jìn)電機(jī)，以帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板實(shí)現(xiàn)方位角、俯仰角兩個(gè)自由度的角度調(diào)整；
    (3)溫度檢測(cè)模塊：采用Dalias公司生產(chǎn)DS18B20數(shù)字溫度傳感器測(cè)量外界溫度；
    (4)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：選用Dallas公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302進(jìn)行時(shí)間的計(jì)量；
    (5)電源電路模塊：電源電路模塊有12 V，5 V和3．3 V三個(gè)部分，12 V供步進(jìn)電機(jī)使用，5 V供AT89S52單片機(jī)使用，3．3 V供MSP430和其他芯片使用。系統(tǒng)用12 V直流電源供電，利用AMS117-5．0及AMS117-3．3穩(wěn)壓芯片把電源由12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3 V電壓供各個(gè)功能模塊使用；
    (6)液晶顯示模塊：選用12864液晶模塊顯示光強(qiáng)、溫度、時(shí)間等狀態(tài)；
    (7)串行通信模塊：選用MAX232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位機(jī)之間的異步串口通信，傳輸數(shù)據(jù)；
    (8)鍵盤(pán)控制模塊：利用MSP430的P2端口中斷實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的操作，控制系統(tǒng)，調(diào)整時(shí)間。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)工作流程
    由于所處地理位置不同(南北半球、海拔高度)和時(shí)間季節(jié)的不同，并且系統(tǒng)的機(jī)械裝置是隨意放置的，所以系統(tǒng)啟動(dòng)后硅太陽(yáng)能電池板的初始基準(zhǔn)角度是不正確的。系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī)后，首先系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)，調(diào)整基本的方向角和太陽(yáng)能電池板的俯仰角，再進(jìn)一步的微調(diào)使太陽(yáng)光線垂直入射太陽(yáng)能電池板，從而以此點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)入工作模式。第一次上電運(yùn)行系統(tǒng)會(huì)要求輸入時(shí)鐘時(shí)間，然后系統(tǒng)就進(jìn)入了正常工作模式。
    實(shí)時(shí)時(shí)鐘開(kāi)始正常運(yùn)行，每隔1 s會(huì)對(duì)DS1302讀取一次，作為太陽(yáng)能電池板調(diào)整的時(shí)鐘時(shí)間基準(zhǔn)；系統(tǒng)用AD12模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)采樣通道進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換，判斷天氣的晴陰和充電電池的電量狀態(tài)；同時(shí)會(huì)根據(jù)時(shí)鐘時(shí)間和和光照強(qiáng)度對(duì)太陽(yáng)能電池板角度進(jìn)行調(diào)整，使太陽(yáng)光線始終垂直入射太陽(yáng)能電池板，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大化；系統(tǒng)上電以后液晶顯示模塊利用TimerA定時(shí)器每秒10次地刷新屏幕，顯示時(shí)間日期、天氣溫度、光照強(qiáng)度、充電狀態(tài)等信息；而按鍵的動(dòng)作是通過(guò)MSP430單片機(jī)P2端口下降沿的中斷實(shí)現(xiàn)的，完成液晶屏幕的切換和時(shí)間的調(diào)整等；另外系統(tǒng)會(huì)通過(guò)無(wú)線射頻裝置發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端，并上傳到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖6是系統(tǒng)工作的流程圖，分為發(fā)送和接收兩部分流程。

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2．2 太陽(yáng)能電池板角度調(diào)整
    系統(tǒng)綜合光電追蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡兩種追蹤方式的優(yōu)點(diǎn)，從外部時(shí)鐘芯片中讀取時(shí)間，根據(jù)時(shí)間和太陽(yáng)角度的關(guān)系，每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次角度的調(diào)整，調(diào)整到預(yù)定的方位角和俯仰角(通常是稍大于準(zhǔn)確角度)；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，AD12會(huì)記錄各個(gè)位置的光強(qiáng)值，產(chǎn)生光照強(qiáng)度系列值，然后控制步進(jìn)機(jī)再把太陽(yáng)能電池板精確調(diào)整到光照強(qiáng)度最強(qiáng)的位置上。太陽(yáng)能電池板角度調(diào)整的流程圖如圖7所示，當(dāng)時(shí)間在MIN_TIME和MAX_TIME之間時(shí)，每隔一段時(shí)間MINUTE_PER_RUN進(jìn)行一次角度調(diào)整，先是根據(jù)時(shí)鐘時(shí)間調(diào)整到預(yù)定位置，再是根據(jù)光電檢測(cè)強(qiáng)度精確調(diào)整到光照最強(qiáng)位置(時(shí)間上限、下限和每隔多少分鐘檢測(cè)一次太陽(yáng)高度可軟件設(shè)定，系統(tǒng)默認(rèn)MIN_TIME=6，MAX_TIME=18，MINUTE_PER_RUN=15，即時(shí)間在6：00到18：00之間，每隔15 min調(diào)整一次)。

    當(dāng)時(shí)間不在MIN_TIME和MAX_TIME之間時(shí)，即時(shí)間已經(jīng)到了晚上，系統(tǒng)要做的就是把機(jī)械裝置調(diào)整到初始位置，也就是第二天的開(kāi)始位置，然后系統(tǒng)就進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，機(jī)械裝置不在運(yùn)動(dòng)，直至第二天的MIN_TIME以后。

3 實(shí)驗(yàn)
    太陽(yáng)能追蹤采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)物模型如圖8所示，分別為無(wú)線數(shù)據(jù)接收端、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端和機(jī)械裝置端。

    經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)能夠正確驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置，能在MIN_TIME到MAX_TIME范圍內(nèi)，而且每隔一段時(shí)間MINUTE_PER_RUN太陽(yáng)能電池板調(diào)整一次，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行精確、快速追蹤；太陽(yáng)能電池板工作正常，可以有效地為鋰電池充電；實(shí)現(xiàn)了液晶顯示和復(fù)雜的鍵盤(pán)動(dòng)作相協(xié)調(diào)，可以圖形化觀測(cè)電池電量，為系統(tǒng)設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間；光電檢測(cè)、溫度、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、無(wú)線射頻等模塊能夠正常運(yùn)行，通過(guò)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)和上位機(jī)的串口通信，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)達(dá)到且超出了預(yù)期目標(biāo)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的自動(dòng)追蹤采集控制。

4 結(jié)語(yǔ)
    太陽(yáng)能追蹤采集系統(tǒng)利用步進(jìn)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)機(jī)械裝置端進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制，先是根據(jù)時(shí)鐘時(shí)間調(diào)整太陽(yáng)能電池板到預(yù)定位置，再是根據(jù)光電檢測(cè)精確調(diào)整到光照最強(qiáng)處，能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全天候追蹤及精確、快速定位，使追蹤太陽(yáng)更加穩(wěn)定可靠。通過(guò)液晶顯示和無(wú)線射頻傳輸，既可現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控又可遠(yuǎn)程監(jiān)控太陽(yáng)光照強(qiáng)度、天氣溫度、充電池電量狀態(tài)和時(shí)鐘時(shí)間等信息。通過(guò)鍵盤(pán)的動(dòng)作則能完成液晶屏幕的切換、時(shí)間的調(diào)整以及圖形化顯示，而且將以太陽(yáng)能電池板充電的鋰電池作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302的備用電池，可在系統(tǒng)斷電的情況下使實(shí)時(shí)時(shí)鐘依然正常工作，從而保持準(zhǔn)確的時(shí)鐘時(shí)間。如果研究并設(shè)計(jì)電源管理模塊，把系統(tǒng)的外部供電電源、給太陽(yáng)能充電的電源、電機(jī)使用的電源和其他芯片使用的電源統(tǒng)一整合，分別管理，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的太陽(yáng)能自供電。