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基于Atmega16的太阳能电池板光源控制系统设计方案

来源:    编辑:    发布时间:2015-01-09 07:35:58    浏览量:

1.前言

伴随日益严重主板电感的能源危机,可再生资源的开发和利用成为人们研究的重点对象。太阳能以其普遍、长久、安全等优点脱颖而出。目前太阳能已被不同程度地用在了多个领域,如电池领域,但普遍存在利用率不高的问题,很多场合下,电池板要么被安装成固定角度,要么只能按照固定角度偏转,没有充分使太阳光垂直照射到电池板上,降低了太阳能的利用率。

2.系统设计原理

设计采用光强比较法来跟踪太阳光源。整机装置包括:太阳能电池板、电源管理电路、光电管、单片机、电机驱动电路、步进电机以及机械转动平台。系统结构如图1所示。

系统工作原理如图2所示,在太阳能电池板边沿的中间位置分别安装一个光电管,根据太阳光照射到电池板对边两个光电管的角度(如图α、β)不相等,使得光电管1、2感受的光照强度不同从而产生大小不同的光电流,将光流转换成电压信号,通过比较采集后的电压信号,控制步进电机向电压大的方向转动。

3.系统硬件设计

3.1光强采集电路

系统使用灵敏度较高的3DU33光电管作为光强检测器件,其光电流大于2mA,发射极只需串接很小的电阻便可得到可被采集的电压,而且其响应时间<1ms,反应速度快。

需要注意的是,强光下,光电流较大,此时光电管发射极电阻不宜过大[2],否则各个光电管输出电压均趋于5V,系统不能检测出对边两只光电管的输出电压差。该设计中,R1使用330Ω,在冬天中午阳光照射下,测得输出电压已达到3.6V.

3.2 步进电机

设计使用5线四相减速步进电机28BYJ-48,减速比为1:64,步矩角为5.625°/64=0.087 89°,远小于不带减速比的步进电机,这是提高跟踪精度的很好选择。

对于工字电感器四相步进电机,其工作方式可分为单4拍、双4拍、8拍三种工作方式。单4拍与双4拍的步距角相等,但单4拍的转动力矩小。8拍工作方式的步距角是单4拍与双4拍的一半,因此,8拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。设计采用8拍工作方式,那么1拍转过的角度为0.087 89°/2=0.043945°,进一步提高了跟踪精度。

3.3 电源管理电路

为了使系统能够在室外正常运行,设计采用太阳能电池板和锂电池合理给系统供电。当太阳能电池板输出功率不够时,由锂电池给系统供电;当锂电池电压低于3.5V的时候,太阳能电池板给锂电工字电感器池充电;否则由太阳能电池板给系统供电。

测试知,系统正常运行时输入功率接近2.5W(5V/480mA)。考虑到天气和季节因素,一般要求电池板的最大输出功率要3W以上绕行电感,故设计采用8片太阳能电池片(0.5V/1.2A)串联,得到4V/1.2A(最大输出4.8W)的输出,经DC-DC升压电路给系统供电。

4.系统App设计

App流程图如图3所示,系统一上电先进行粗调来确定太阳光源的大概位置。其思想是:将水平面平均分成12个区一体成型电感器域,在每个区域中对光照强度采样8次,并累加保存。进入下一个区域,同样采样8次并累加,比较相邻区域累加值的大小,并让电机向累加值大的区域方向转动,直到找到累加值最大的区域,这时说明太阳位置在这个区域范围内。

粗调完成后,对系统电源进行管理,分别对太阳能电池板电压和锂电池电压采样,经单片机分析,正确的对开关进行操作以合理地为系统配备电能。

微调思想:先对X方向调整,完成后,再对Y方向调整。为得到较平滑的采样数据,先使光电管采样64次,再求和取平均,通过比较对边光电管的平均值,决定步进机的转动方向。直到X方向和Y方向的两个光电管采样值都相等,则调整完成,此时光源处于电池板中心处。

5.运行测试

测试条件:光源距离激光笔105cm,激光笔安装在电池板的中心,Y方向上,激光笔在偏离光源±30°范围内。测试结果如表1所示。

6.结束语

测试结果表明,在偏离光源±45°范围内,系统均能在9s内定位光源,并且偏差不大于4cm.实际应用时,系统实时紧跟太阳,不会出现太阳突然偏转电池板一个较大角度的情况,因此激光笔偏离光源距离是所关心的,而本设计测得的偏离距离不超过4cm,达到设计要求。

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