基于MSP430单片机的太阳能发电装置设计

李亚辉，王 琪,2，李荣敏,2，王 珂, 罗光亮

● （1. 江苏科技大学 张家港校区，江苏 张家港215600；2. 苏州理工学院 机电与动力工程学院，江苏 张家港215600）

基于MSP430单片机的太阳能发电装置设计

李亚辉1，王 琪1,2，李荣敏1,2，王 珂1, 罗光亮1

● （1. 江苏科技大学 张家港校区，江苏 张家港215600；2. 苏州理工学院 机电与动力工程学院，江苏 张家港215600）

太阳能作为清洁能源得到了人们广泛的认同，然而，能够随心所欲利用太阳能，并将其作为不同需求的电能输出，还是一个新的课题。本文基于MSP430单片机设计制作了一套太阳能自动跟踪发电装置。为便于携带，确定了装置整体结构可拆卸方案；同时，进行了跟踪算法的设计；选用了大容量铅酸蓄电池以及多通道的USB可调电压输出接口（DC：0-12V），极大方便了当前家庭数码产品的使用及其他应用。装置通过使用，验证了设计的实用性。

太阳能发电；自动跟踪；MSP430单片机；多功能；便携

1 跟踪系统总体设计

1.1 跟踪方案选择

当前国内外主流的太阳能跟踪发电装置，其从跟踪轴数上可分为：单轴式和双轴式，从跟踪所用方式上可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种[6-9]。因太阳在南北方向每日变化角度很小，所以俯仰轴对整个太阳能充电系统的效率影响并不大，并且考虑制作成本，俯仰轴完全可以按季节手动调整，同时对比以上几种跟踪装置在制作成本及灵敏度方面的差别，以及考虑到光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现的显著优点，本项目最终确定采用：单轴光电式跟踪方案。

1.2 跟踪装置硬件组成

本系统包括太阳能电池板、光敏传感器、智能光伏控制器、铅酸蓄电池、MSP430单片机、BTS7960电机驱动、涡轮蜗杆减速电机、花键结构旋转主轴及 LM2596-ADJ降压电源模块等。光敏传感器通过传感器支架对称地分布在旋转主轴两侧。位于基座内部的MSP430单片机会实时采集来自光敏传感器输送的电压信号，借助单片机的AD转换模块对两个光敏传感器采集到的光强值进行分析比较，如果两个传感器采集到的光强差小于程序设定的某个阀值，则不对电池板进行方向调整，如果大于这个阀值：若左侧光强值大于右侧，则将太阳能电池板向左方向转动，若右侧光强值大于左侧，则将太阳能电池板向右方向转动，最终使太阳能电池板始终达到正对太阳的效果，如图1所示。

1.3 跟踪装置整体结构

根据系统整体结构图并综合考虑装置整体外形美观及便携性能良好的实际要求，课题组对发电装置结构进行了独立自主地设计，并最终确定装置类向日葵形整体跟踪结构，如图2所示。

2 跟踪装置设计

2.1 光敏传感器电路

光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。在本系统中光敏二极管处于反接状态，在没有光照时，电阻很大，暗电流很小，随着光照强度的增加，暗电流增大，电阻减小，如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化，因此将负载电阻的电压值直接联到单片机 AD端口便可通过单片机采集到的电压值来推算出当前两传感器的光照强度，如图3所示。

图1 系统总体结构图

图2 装置总体结构概念设计图

图3 传感器检测电路

2.2 MSP430单片机

MSP430是一款16位单片机，其显著优点是超低功耗，这是课题组选用此款单片机的主要原因，除此之外，其配备的12位ADC模块能够快速精准地将所测得的模拟电压值进行数字化[10-11]。同时借助高效的开发环境IAR可以使程序的开发变得更加快捷方便。

2.3 BTS7960电机驱动

BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960.IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能[12]。根据以上工作原理，只需控制单片机的引脚输出特定频率和脉冲个数的PWM波便可实现对减速电机进行特定转速和转角的控制，如图4所示。

图4 BTS7960全桥驱动电路

2.4 涡轮蜗杆减速电机

涡轮蜗杆减速电机具有很大的传动比，同时电机具备良好的自锁性能。考虑到本系统的旋转驱动负载较大，同时比较涡轮蜗杆减速电机与同等转矩的步进电机价格差异，以及考虑装置整体结构的便携性能设计要求，最终课题组选用减速箱输出轴方向与马达轴是垂直布置的涡轮蜗杆减速电机。这一设计方案既降低了装置设计成本，同时也使装置整体结构体积减小，便携性能得到增强。

2.5 USB可调电压输出接口

为了便于对数码产品充电，本装置特别添加了标准通用USB口，并且借助LM2596-ADJ DC/DC降压电源模块，可将输出电压调至用户所需范围（1.25V～12V），如图 5所示。

图5 USB接口电路图

3 跟踪系统算法设计

光电式太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一定阀值时，执行机构调整太阳能电池板的位置，直到使太阳光线与电池板垂直，实现对太阳高度角和方位角的跟踪[13-14]。装置自动跟踪子程序工作流程如图6所示

装置自动跟踪模式开启后，单片机根据光敏传感器反馈的电压值计算出此时太阳相对于发电装置的大致位置。如果此时太阳处在太阳能电池板的前方位置，单片机则调用相应的位置校正跟踪子程序，对太阳进行间歇性自动跟踪；如果系统检测到太阳此时不在电池板前方位置，则单片机执行自动寻光子程序，从而将电池板旋转到太阳的前方位置，再执行位置校正跟踪序，从而实现对太阳的闭环自动跟踪。

图6 自动跟踪子程序流程图

4 便携多功能设计

4.1 便携可拆卸结构设计

装置设计之初，我们充分考虑了便携性能，因此，我们对旋转主轴进行了部分花键结构的加工，以实现主轴与基座的可拆卸连接，除此之外装置的多个部件均可在短时间内完成拆卸和组装，极大方便了用户的远程运输和日常搬运携带，如图7所示。

图7 花键主轴部分结构图

4.2 跟踪模式独立控制

为了便于对发电装置的自动跟踪系统进行独立控制，我们特地将自动跟踪模块开关与电源总开关、USB直流电压输出开关进行独立分离设计，以便于用户对自动跟踪功能进行自主选择控制，如图8所示。

图8 独立控制开关及USB电压输出接口

4.3 充放电电压表及显示检测电路

为了便于观测装置各部分电压及系统的调试及故障报警，课题组特别添加了充放电电压显示表、四位数码管及蜂鸣器电路，分别用于显示装置此时的太阳能充电电压及USB端口输出电压。同时，数码管可以显示当前阳光强度等级以及太阳相对于发电系统的位置。蜂鸣器则会在开机以及跟踪系统运行时鸣响，同时兼具故障报警功能。

4.4 装置实物图

图9展示了太阳能跟踪发电装置的具体实物图，装置整体为类向日葵结构，自上而下分别是可进行快速拆装的太阳能电池板、旋转主轴、光敏传感器、基座等部件，其中基座包括充放电控制及自动跟踪控制模块，通过基座上安装的两个电压表可直观显示当前太阳能电池板的充电电压及USB端口的输出电压。

5 结论与展望

通过实际测试我们发现，自动跟踪太阳电池板功率增加时段为日出至10时和14时至日落。固定方向太阳电池板全天工作在辐射强度1000W/m2时，只有3小时左右，而自动跟踪的太阳池板达到了6小时，大大增加了充电功率。

目前的资源体系仍旧以不可再生资源为主，但在社会不断快速发展的今天，资源紧缺和环境污染的现状正在逐步制约经济的发展，而太阳能资源因为本身的无污染，以及可再生等优点将会越来越受到人们的重视。今后太阳能的利用范围必然会更加广阔，利用太阳能发电也必然是太阳能利用的主要方面，而这种适合家用、旅行，特别船舶航行等方面需要的小型太阳能自动跟踪发电系统由于其结构简单、价格低廉、较高的稳定性并且对太阳能的利用效率高等的特点，也必然会有极大的发展潜力。

[1]Tom Williams. World directory of Renewable Energy[M], 1998.

[2]孙迎光. 太阳能光伏发电技术[J]. 新能源与工艺,2002, 3(3): 19-33.

[3]徐宏伟. 船用太阳能光伏接线盒设计[J]. 机电设备,2010(5): 17-19, 37.

[4]聂佳芹, 王学强等. 当今世界太阳能发电系统的发展动向[J]. 吉林电力, 2000, 4(4): 30-100.

[5]余海. 太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J]. 新能源研究与利用, 2004, 7(3): 34-37.

[6]Pawlenko et al. Solar Tracking System: United States Patent, US7252084B2[P]. 2007-8-7.

[7]薛建国等. 基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J]. 长春师范学院学报, 2005, 6(7): 23-100.

[8]张常年, 赵红怡, 吕原. 太阳能自动跟踪系统的研制[J]. 电子工程师-计算机应用, 2001, 5(12): 12-19.

[9]陈桂兰等. 光伏发电系统最大功率点跟踪控制[J]. 电子技术应用, 2001, 9(8): 39-90.

[10]杨金焕, 葛亮, 陈焕等. 太阳能发电系统的最佳化设计[J]. 能源工程, 2003(5): 58-111.

[11]王宜用, 董红海, 孙学斌等. 自补偿户用发电系统[J].能源研究与利用, 2004(6): 43-145.

[12]B P Edwards. Computer Based Sun Following System[J].Solar Energy, 1998, 2l(6): 49-498．

[13]Soteris A, Kalogirou. Design and construction of a one-axis solar tracking system[J]. Solar Energy, 1996,57(6): 465-469．

[14]Greg Paula. New processors transform motion control[J].Mechanical Engineering, 1997, 7(4): 79-80．

瓦锡兰新版本发动机通过型式认可

船舶业领先的方案与服务供应商瓦锡兰日前宣布，RT-flex58T D版本 ER-3发动机已经成功地通过了其在许可生产厂商日本联合柴油机公司（DU）的型式认可试验（TAT）。

据悉，RT-flex58T D ER-3发动机是RT-flex58T D发动机的优化版本，可以降低功率的同时提高燃油的经济性。该机是为了满足巴拿马最大型散货船运行需要重新设计而成，通过型式认可标志着它已经满足所有船级社的要求。

瓦锡兰RT-flex58T D ER-3发动机为二冲程共轨发动机，具有很高的行程缸径比。缩小的缸径有助于在没有负面影响满足运行可靠性的情况下减少更多的额定功率。新版本发动机将为较低功率船舶提供低航速，与普通型号的发动机配套巴拿马型散货船相比，可以减少油消耗高达20%。在最大持续功率为12210千瓦时，6缸RT-flex58T D ER-3发动机可以很好地与RT-flex58T D版本5缸和6缸机的功率范围匹配，同时提供延伸的额定功率范围，降低绝对航速和燃油耗。

Design of Automatic Solar Tracking Device based on MSP430 Microcontroller

LI Ya-hui1, WANG Qi1,2, LI Rong-min1,2, WANG Ke1, LUO Guang-liang1
(1. Jiangsu University of Science and Technology Zhangjiagang Campus, Jiangsu Zhangjiagang 215600, China; 2.Suzhou Institute of technology, Mechatronics and Power Engineering School, Jiangsu Zhangjiagang 215600, China)

Solar energy has been widely recognized by people as clean energy. However, the arbitrary use of solar energy to meet the different electricity output needs is still a new research field. A multi-functional portable solar power device which is based on the MSP430 microcontroller has been independently designed in this paper. The overall detachable structure program has been selected so that it is convenient to carry the device. The tracking algorithm has been programmed accordingly. The selection of large-capacity lead-acid batteries and multiple adjustable voltage output USB interface (DC: 0V-12V) greatly facilitates the use of daily digital products and other applications. The actual use verifies the practicality of the design.

solar power; automatic tracking; MSP430 microcontroller; multi-function; portable

TN710，TK513.4

A

0 前言

长期以来，太阳能作为清洁能源倍受欢迎，它的开发利用一直是人类社会关注的热点[1-5]。随着人们生活水平的日益提高，家庭数码产品（例如笔记本电脑、数码相机、手机、照相机等等）的普及率也随之增高。但是，难免会遇到意外断电，或是外出郊游、船舶航行中遇到数码产品电量不足的情况，如果此时阳光灿烂，有一个多功能便携式太阳能发电装置将会弥补这个空缺，同时，赋予自动跟踪功能后，整个太阳能充电系统的使用将会变得更加便捷和高效。

江苏省产学研前瞻性联合研究项目（BY2012179）和江苏科技大学科技创新项目（113032253）

李亚辉（1990-），男，研究生。研究方向：机电一体化控制技术。