浙江工业职业技术学院 浙江绍兴 312000
摘要：本文介绍一种基于 GPS 和单片机控制的单轴太阳自动跟踪系统的设计，系统主要包括机械传动系统和单片机控制系统，提出了一种新型的以RS486和STM32单片机为控制核心的太阳光自动跟踪系统设计方案。该系统通过ＧＰＳ模块获取时间和当地经纬度参数，然后运用天文算法计算出太阳的位置，即高度角和方位角信息，从而驱动跟踪装置随太阳的轨迹变化而变化，最大限度接受太阳能，提高光伏组件的光电转化效率 。
关键词：GPS；单片机；单轴；自动太阳跟踪
0 前言
在太阳能光伏应用方面，传统的固定式光伏阵列不能有效地保证太阳光线随时垂直照射太阳能电池板，发电效率低下，因此太阳能自动跟踪系统在全球范围内得到了越来越广泛的应用。该项技术已经成为业内讨论热点。本文主要介绍基于 GPS 和单片机的单轴太阳自动跟踪系统设计，通过GPS获取安装点的经纬度和时间信息，实时计算出太阳高度角和方位角，然后借由倾角传感器获取电池板的实际角度，根据实际角度和目标角度的差值来驱动直流无刷电机，使电池板对准太阳，实现跟踪器的追日目的，达到最大程度提高太阳能的利用率。
1机械系统
本系统的机械传动部分主要由电机、钢件连杆、滚动件、限位开关等组成，由电机驱动固定在电机盘上的连杆实现东西向的旋转，带动水平连杆东西向摆动，从而带动末端连杆转动，实现太阳能板等组件的转动（如图1）。本系统以高效长寿命的直流无刷电机作驱动部件，采用直流24V供电，设有测速和过流检测电路，使得驱动机构在整个运行过程中都稳定可靠。在主连杆左右设置形成开关，实现硬限位的超行程保护功能。设备向东或向西，支架运转到设置的最大行程时，设备将自动停止运行进行限位保护，以防设备损坏。此时设备将不能继续向同方向运转，而反方向的运转不受限制。
图2 系统框图
2 控制系统
本控制系统要求通过GPS模块自动地获取当地的经纬度和时间信息。系统每次通电在正确解码GPS信号后,更新经纬度参数并存入系统ROM，每口定时校正系统时间。为保证系统长久稳定运行，系统采用图2所示的设计思路，利用RS486作为通讯控制器，STM32（图3）作为主控制器，来解码GPS定位模块，经过数据处理和格式转换后，更新RTC时钟芯片。同时，采集到的数据可以经串口上传到PC上位机上，时钟参数也可以在上位机上修改后发送到主控制器上，方便调试和观察。
图4 motor电路
3 硬件电路设计
本系统长久稳定性考虑，摒弃了传统的光电传感器，采用集成芯片处理固体摆电容倾角传感器输出的微弱信号，通过放大积分将输出的信号转变成与倾角变化成线性关系的电压。以三相绕组星型连接全桥式电路及120度霍尔位置反馈信号，设计直流无刷电机控制系统的电源电路、驱动电路、电流检测及过流保护电路。电源管理部分将输入的24V直流电压经DC-DC降压为5V，然后通过LDO转变为3.3V给微处理器供电。系统上电后，首
先读取GPS信号，解码正确后更新板载RTC芯片时间，然后系统以GPS提供的经纬度和RTC时间为参数，实时计算太阳高度角和方位角。由于天文算法是控制的基石，所以GPS模块和RTC芯片的选取均需满足一定的要求。
图5 倾角电路
4 系统软件设计
系统软件设计主要由单片机通过相应的端口模拟ＲＴＣ读写时序，以1秒为周期采集时钟信息，然后响应PC端发送过来的命令，更新系统时间或上传系统时间。在此过程中，系统一直解码GPS信号，成功解码后更新一次系统时间。系统采用软件模拟的方式进行读写程序中先定义时间Tmie和天文信息TW两个结构体，读写分两个状态来实现为后期的扩容及接口的统一,系统通信采用ModbusM协议，使用其中的RTU传输模式，此协议支持系统中使用的RS485。
5 结论
本系统以GPS 和单片机控制为核心，使用GPS定位模块、RTC实时时钟和USB转UART桥接芯片，设计了光伏跟踪系统中经纬度采集和时钟精确读写的系统，从而驱动跟踪装置随太阳的轨迹变化而变化，最大限度接受太阳能，为提高光伏电站的发电效率及收益提供了更加灵活、可靠的解决方案，有效地提高了能源发电系统之间智能化管理问题。
参考文献
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作者简介：（1980.12），女，副教授，主要从事工业自动化及优化控制研究。项目来源：2017年绍兴市科技计划项目—公益性技术应用研究计划（项目编号：2017B70073）
论文作者:徐君燕
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/9
标签：系统论文; 单片机论文; 太阳论文; 经纬度论文; 时间论文; 连杆论文; 太阳能论文; 《基层建设》2019年第5期论文;