郭志磊 徐克宝

【摘要】为提高海上太阳能的利用率，达到节约能源、减少海上环境污染的目的，设计了一种基于单片机MSP430的船用太阳能自动跟踪系统。该技术采用全球定位系统和电子指南针定位相结合的方法，再加以光电检测辅助，通过单片机控制步进电机带动机械结构完成对太阳方位的跟踪。系统可以适应海上环境的变化，在夜间或天气不利的情况下自动进入待机状态，保证了系统的可靠性。

【关键词】MPS430;太阳能;自动跟踪;光电检测

引言

传统能源的枯竭以及全球温室效应的加剧促使人类在寻求新能源的道路上，发现太阳能无疑是一种清洁无污染的可持续利用的新能源，并且储备量相当大，开发前景可观，尤其是海上太阳能资源。太阳能资源在海上非常丰富，既可免费使用，又无需运输，而且对环境无任何污染。采用太阳能自动跟踪技术，可以适应海上环境变化，更加有效的利用太阳能资源，而且还可以缓解对传统能源需求的压力，减少船舶对海上环境的污染。随着近年来太阳能光伏技术的飞速发展以及逐渐走向成熟，也给太阳能更广泛的实用带来了契机、奠定了基础。

1.自动跟踪设计

1.1 自动跟踪原理

对于船用太阳能板跟踪系统而言，需要对水平方向方位角和垂直方向仰角两个方向进行跟踪，故采用双轴跟踪系统。由于在海上船舶出现前后倾仰以及左右摇摆的频率相对比较高，若对太阳方位进行实时跟踪，必然造成跟踪调节频率过高，不但消耗较多电能，同时对跟踪机构也不利。根据船体前后倾仰和左右摇摆的幅度计算，对太阳方位采用区域内定位跟踪，完全可以满足系统需求，并提高了系统稳定性。系统单片机首先读取GPS模块时间信息，判断白天黑夜，若是白天，则采用光电检测模块检测阴晴天，若光照较强，则系统进入自动跟踪状态：由单片机根据GPS模块对某地区经纬度及时间的检测数据通过内设函数计算出太阳方位，然后根据电子指南针的检测数据，将太阳能板调整至相应方位角位置，最后结合光电检测模块控制步进电机将太阳能板调整到相应仰角位置。若在黑夜或者系统长时间处于微弱或无光条件下，则进入待机状态。

图1 光照传感器结构示意图

1.2 光照检测模块设计

光照传感器结构示意图如图1所示。

光照检测模块采用圆形结构，在表面水平放置四个性能完全相同的光敏二极管P1、P2、P3、P4，两两对称，主要用于检测不同方向太阳光照的强弱从而判断阴晴天。光敏二极管中间放置遮光板，用于不同方向的遮挡作用，通过调节光敏二极管与遮光板的相对位置，可以扩大监测范围提高检测灵敏度。

1.3 自动跟踪机械结构示意图

图2所示为跟踪机械结构示意图：

1-轮子 2-固定圆筒 3-水平转轴 4、8-步进电机 5、9-涡轮蜗杆 6-支撑圆筒 7-三角架 10-太阳能电池板 11-游丝 12-半圆齿轮 13-立柱 14-电池板安装架

图2 自动跟踪机械示意图

图3 电机驱动局部电路

跟踪机构由步进电机和涡轮蜗杆传动结构组成，涡轮蜗杆具有自锁功能，由步进电机进行驱动，能更精确的对太阳进行跟踪。其中步进电机4带动涡轮蜗杆5转动，在水平方向跟踪太阳;仰角跟踪由步进电机8带动涡轮蜗杆9在垂直方向跟踪太阳。

图4 GPS定位电路

图5 光照检测及机械零点辅助电路

图6 主程序和子程序

2.系统硬件设计

硬件设计主要由单片机MSP430F149、步进电机驱动电路、GPS定位模块、光照检测电路及其辅助电路等组成。

2.1 电机驱动电路

主要由单片机、步进电机驱动电路以及辅助电路组成，局部电路如图3所示。MSP430F149单片机具有超低功耗特性，用于收集并处理各种数据信息，控制步进电机跟踪太阳。电机驱动芯片采用THB6064，一款高性能两相混合式步进电机驱动芯片，具有低噪音、震动小、大功率等特性。单片机与驱动芯片之间通过高速光耦6N137进行电平转换并起到隔离保护作用，拨码开关控制电机的细分和衰减功能。单片机采用专用复位芯片MAX809，保证了系统的可靠性;串行存储器24LC02B用于记录一些配置信息或者运行参数。图中只给出一路步进电机驱动电路，另一路类似，不再重复。

2.2 GPS定位模块

主要由GPS 25LP模块和显示电路LCD12864组成，如图4所示。GPS模块检测当地的经纬度、时间、高度等信息，并通过单片机用匹配液晶LCD12864进行显示，LED灯可以检测GPS模块是否正常工作。RP1用于调节对液晶对比度。

2.3 光照检测及机械零点辅助电路

光照检测电路如图5所示，OP284是单电源高精度轨到轨放大器，具有低噪、低漂移等特性，能够很好的实现光电转换。电信号经过滤波再放大，然后将V0值送入单片机P6口与内设光照度阀值E进行比较，若VO>E则继续跟踪定位，否则系统进入待机状态;另外四個光敏二极管也可以检验方位角跟踪的准确度。HAL13S是微功耗霍尔传感器，通过两片芯片分别确定方位角和仰角的机械零点，便于机械零点复位与跟踪控制。

3.软件设计

初始化以后，首先读取GPS模块时间信息，白天到了且光照较强则读取经纬度信息，计算出太阳方位，再结合电子指南针信息，调整方位角位置，然后再次根据光电模块检测信息继续调整仰角位置，从而提高系统的可靠性。系统主程序流程图和子程序图如图6所示。

4.结束语

系统通过GPS和电子指南针定位相结合的方法实现了对太阳的自动跟踪，利用光电检测提高了系统的准确性和可靠性。系统可以适应天气变化的影响，在更广阔的海上区域内利用太阳能，从而大大提高海上船用太阳能的利用率。将太阳能转换成电能储存，可以对船用电器进行供电，解决部分能源问题，减少海上污染。可移动自动跟踪处理的方式在现场应用中具有广泛的可移植性，随着经济的快速发展，该技术的广泛应用将会带来更多效益。

参考文献

[1]毛桂生.太阳能电池板自动追踪系统的研究[D].华南理工大学，2010.

[2]王立婷.光电检测电路的设计及实验研究[D].吉林大学，2007.

[3]赵杰.基于超声电机的双轴太阳能跟踪系统[D].南京航空航天大学，2012.

[4]龚涵，陈浩宇.微弱光信号检测电路的设计与实现[J].机械与电子，2007（27）：85-87.

[5]孟赟.太阳能电池模拟电源的研究与设计[D].上海交通大学，2008.

作者简介：

徐克宝（1954—），男，山东青岛人，教授，现供职于山东科技大学，主要从事测控技术与机电一体化教学与研究。

郭志磊（1989—），男，河南濮阳人，硕士研究生在读，主要从事测控技术研究。