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基于Atmega16的太陽能電池板光源控制系統設計方案

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基于Atmega16的太陽能電池板光源控制系統設計方案

發布日期:2021-04-12 作者:admin 點擊:

1.前言

  伴隨日益嚴重的能源危機,可再生資源的開發和利用成為人們研究的重點對象。太陽能以其普遍、長久、安全等優點脫穎而出。目前太陽能已被不同程度地用在了多個領域,如電池領域,但普遍存在利用率不高的問題,很多場合下,電池板要么被安裝成固定角度,要么只能按照固定角度偏轉,沒有充分使太陽光垂直照射到電池板上,降低了太陽能的利用率。

  2.系統設計原理

  設計采用光強比較法來跟蹤太陽光源。整機裝置包括:太陽能電池板、電源管理電路、光電管、單片機、電機驅動電路、步進電機以及機械轉動平臺。系統結構如圖1所示。

  系統結構示意圖

  系統工作原理如圖2所示,在太陽能電池板邊沿的中間位置分別安裝一個光電管,根據太陽光照射到電池板對邊兩個光電管的角度(如圖α、β)不相等,使得光電管1、2感受的光照強度不同從而產生大小不同的光電流,將光流轉換成電壓信號,通過比較采集后的電壓信號,控制步進電機向電壓大的方向轉動。

  系統工作原理圖

  3.系統硬件設計

  3.1光強采集電路

  系統使用靈敏度較高的3DU33光電管作為光強檢測器件,其光電流大于2mA,發射極只需串接很小的電阻便可得到可被采集的電壓,而且其響應時間《1ms,反應速度快。

  需要注意的是,強光下,光電流較大,此時光電管發射極電阻不宜過大[2],否則各個光電管輸出電壓均趨于5V,系統不能檢測出對邊兩只光電管的輸出電壓差。該設計中,R1使用330Ω,在冬天中午陽光照射下,測得輸出電壓已達到3.6V.

  3.2 步進電機

  設計使用5線四相減速步進電機28BYJ-48,減速比為1:64,步矩角為5.625°/64=0.087 89°,遠小于不帶減速比的步進電機,這是提高跟蹤精度的很好選擇。

  對于四相步進電機,其工作方式可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等,但單4拍的轉動力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半,因此,8拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。設計采用8拍工作方式,那么1拍轉過的角度為0.087 89°/2=0.043945°,進一步提高了跟蹤精度。

  3.3 電源管理電路

  為了使系統能夠在室外正常運行,設計采用太陽能電池板和鋰電池合理給系統供電。當太陽能電池板輸出功率不夠時,由鋰電池給系統供電;當鋰電池電壓低于3.5V的時候,太陽能電池板給鋰電池充電;否則由太陽能電池板給系統供電。

  測試知,系統正常運行時輸入功率接近2.5W(5V/480mA)。考慮到天氣和季節因素,一般要求電池板的Z大輸出功率要3W以上,故設計采用8片太陽能電池片(0.5V/1.2A)串聯,得到4V/1.2A(Z大輸出4.8W)的輸出,經DC-DC升壓電路給系統供電。

  4.系統軟件設計

  軟件流程圖如圖3所示,系統一上電先進行粗調來確定太陽光源的大概位置。其思想是:將水平面平均分成12個區域,在每個區域中對光照強度采樣8次,并累加保存。進入下一個區域,同樣采樣8次并累加,比較相鄰區域累加值的大小,并讓電機向累加值大的區域方向轉動,直到找到累加值Z大的區域,這時說明太陽位置在這個區域范圍內。

  測試結果

  粗調完成后,對系統電源進行管理,分別對太陽能電池板電壓和鋰電池電壓采樣,經單片機分析,正確的對開關進行操作以合理地為系統配備電能。

  微調思想:先對X方向調整,完成后,再對Y方向調整。為得到較平滑的采樣數據,先使光電管采樣64次,再求和取平均,通過比較對邊光電管的平均值,決定步進機的轉動方向。直到X方向和Y方向的兩個光電管采樣值都相等,則調整完成,此時光源處于電池板中心處。

  5.運行測試

  測試條件:光源距離激光筆105cm,激光筆安裝在電池板的中心,Y方向上,激光筆在偏離光源±30°范圍內。測試結果如表1所示。

  6.結束語

  測試結果表明,在偏離光源±45°范圍內,系統均能在9s內定位光源,并且偏差不大于4cm.實際應用時,系統實時緊跟太陽,不會出現太陽突然偏轉電池板一個較大角度的情況,因此激光筆偏離光源距離是所關心的,而本設計測得的偏離距離不超過4cm,達到設計要求。


本文網址:http://www.kkxwjn.com/news/393.html

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