单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计基于TA89C52单片机毕业设计论文.docx

1、单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计基于TA89C52单片机毕业设计论文单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计(基于TA89C52单片机)毕业设计论文 单轴太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计1 引言11 课题背景 能源问题关系到经济是否能够可持续发展一次能源的日益枯竭已引起全世界的极大关注现在人们常用的一次能源有煤炭石油原子能等占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的不可再生的 太阳是个巨大的能源地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的太阳辐射能与煤炭石油核能相比较有如下的优点 1普遍性地球上处处都有太阳能不需要到处去寻找去运输 2无害性利用太阳能作为能源没有废渣废料废气废水的排放没有噪声

2、不会污染环境没有公害 3长久性只要有太阳就有太阳能因此太阳能可以说是取之不尽用之不绝 4巨大性一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍 12 课题内容 我国目前已开始在牧区普及使用无跟踪装置的户用太阳能光伏系统但由于太阳能电池价格昂贵无跟踪装置的光伏系统发电效率较低普遍推广应用受到影响相对于无跟踪装置的光伏系统双轴自动跟踪系统虽然能提高发电效率约提高50但其造价高结构复杂维护困难也难以在牧区推广使用针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善此方法必须满足低成本高可靠性高性价比单轴自动跟踪系统和双轴自动跟踪系统相比结构更简单且费用最低 单轴太阳能电池自动追踪系统主要

3、包括机械部分和控制部分机械装置由电机驱动可以使电池板水平方向角为0- 180控制部分主要由单片机系统构成单片机系统具有成本低智能化程度高扩展性强等优点由单片机系统配合外围的电路元件实现对太阳能电池板的控制垂直方向角变化不大可以手动进行调整太阳能电池板转换的电能信号由转换装置送入单片机通过驱动电机使太阳能电池板朝着与太阳垂直的方向转动 本课题研究的重点及难点 1建立严格的单轴自动跟踪数学模型并与双轴自动跟踪系统进行效率比较从理论上证明它的可行性 2通常自动跟踪系统须采用传感器把电池板法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号以实现跟踪本设计考虑到它主要是牧区等阳光充足地区的居民使用所以要满足高性价比

4、取消了传感器而直接利用太阳能电池板发电量作为电信号输入单片机实现跟踪增加了测控难度 3自动跟踪系统应能排除阴雨天太阳被云层遮挡引起的输出变化负载变化引起的输出功率变化引起的干扰 本设计的主要特点 1采用先进的微电子控制技术AT89C52 单片机为跟踪控制器的核心充分利用其内部功能体积小功耗低 2性价比高具有良好的应用前景2 自动跟踪控制的总体设计方案21控制方法的确定211 本课题设计方法的提出 双轴自动跟踪系统是目前研究开发使用的系统它的跟踪效果好可提高发电量是一种非常有前途的方法但适用于较大型的太阳能发电系统中我国牧区无跟踪光伏系统太阳能发电效率较低针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善

5、此方法必须满足低成本高可靠性高性价比单轴自动跟踪系统和固定式光伏发电系统相比跟踪效果好结构简单且费用较低太阳能发电自动跟踪系统的原理与基本方法我们对双轴自动跟踪系统进行了一定的改进设计出具有很好性能价格比的单轴自动跟踪系统满足牧区的实际需要单轴太阳能发电自动跟踪系统示意图如图41 所示 图21单轴太阳能发电自动跟踪系统 图22自动跟踪系统跟踪示意图 太阳能电池板与地面水平面南北方向成角此高度角可手动进行调整东西方位角通过单片机控制系统进行自动跟踪始终追随太阳的东西方位使太阳能电池保持较大的发电功率后面部分有详细的设计内容这里就不具体介绍了 212 单轴自动跟踪系统数学模型的建立 如图22 所示

6、建立坐标系一XYZ此时日地心连线为X 轴过地心且与地球轨道平面垂直的直线为Z 轴过地心且与XZ 轴都垂直的直线为Y 轴方向如图所示中午时刻太阳能电池板与太阳光直射方向垂直此时太阳能电池板与地平面的夹角为 建立坐标系二XYZ它是坐标系一以Y轴为旋转轴旋转235得到的 假定观测点所在地与地心距离为rAB 的长度为l点A 位于纬度中午12 时AB平行于Z 轴且在Z0 的平面在坐标系一下A 点和B 点的坐标分别为XA1 r cos YA1 0 ZA1 r sin XB1 r cos YB1 0ZB1 r sin l在坐标系二下A 点的坐标和B 点的坐标分别为XA2 r cos YA2 0ZB2 r s

7、in XB2 r cos l sin 235YB2 0ZB2 r sin l cos 235地球绕自转轴旋转的角速度为设旋转时间为t 小时此时在坐标系二下A点旋转t角度变为a点B 点旋转t角度变为b点此时a点的坐标和b点的坐标分别为Xa1 r cos cos tYa1 r cos sin tZa1 r sin Xb1 r cos l sin 235cos tYb1 r cos l sin 235sin tZb2 r sin l cos 在坐标一下a 点和b 点的坐标分别为Xa2 r coscost r sintg 235cos 235此时直线ab 在XOZ 平面投影的直线的斜率为22 设计任务

8、221 设计目标 课题设计目标根据太阳辐射能的特点光伏电池的特性实现对太阳能方位角的跟踪 222 设计要求课题设计要求 自动跟踪的实现 所设计的单轴太阳自动跟踪系统的核心部分是单片机需设计合理的程序近而对电机进行控制适时改变电池板的角度 抗干扰性 为保证跟踪的准确性系统必须具有较强的抗干扰能力设计应从硬件和软件两方面着手来抑制系统的干扰 23 总体设计方案231 硬件设计方案 国内外目前已有了很多光伏电站太阳能发电在我国多采用传感器跟踪式的系统发电成本还很高不利于跟踪系统的推广与发展提高发电效率是降低成本的捷径我们开发的太阳能电池自动跟踪系统使太阳能电池板始终对着太阳保持最大的发电效率具有成本

9、低等优点有较好的推广应用价值 太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件同样的一块太阳能板由于放置的角度不同所接受的光辐射能就不同产生的电能就不同因此为了提高太阳能电池电能的产量可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位角的变化而实现跟踪 如下是我们研制的单轴太阳方位角跟踪系统太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分机械部分主要由电池板支架底座和直流电机构成控制部分驱动电机可以使电池板在东西方向上的0-180度自由旋转控制部分主要由软件算法构成具有成本低智能化程度高扩展性强等优点高度角可以手动进行调整太阳能自动跟踪系统框图如图23所示 太阳能发电自动跟踪系统主要由五部分组成即光电转换装置由太

10、阳能电池构成输入装置单片机控制系统信号放大装置和直流电机由于考虑到最低成本的问题此设计未使用太阳传感器直接利用太阳能电池板的电信号作为单片机控制系统的输入信号 图23 系统框图 太阳跟踪系统的支撑结构常见的有框架式轴架式和旋转台式三种前两种形式是将光伏阵列安装在可进行太阳时角跟踪的轴向移动固定框架或轴架上其特点是结构简单价格便宜安装方便适用于支撑单轴跟踪的小功率光伏阵列可额外附带简单的季节性仰角调节功能旋转台式形式是一个较大的可进行时角跟踪的旋转台上安装可进行仰角跟踪的光伏阵列它适用于支撑大功率的双轴跟踪光伏阵列其缺点是结构复杂造价较高本设计考虑到高性价比采用轴架式 232 软件设计方案 根据

11、本课题的设计任务及系统的硬件结构系统的软件设计方案如下 单片机软件设计包括 跟踪系统主程序设计 INT0中断服务程序设计 电机驱动程序设计 串口发送程序 数据采集和处理程序 通信控制系统程序设计 24 可靠性设计 由于现场环境复杂和各种各样的电磁干扰单片机应用系统的可靠性设计抗干扰技术的应用变得越来越重要本设计分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单片机应用系统抗干扰能力的方法 241 单片机应用系统的硬件抗干扰技术一供电系统 为防止从电源系统引入干扰采取直流稳压电源保证供电的稳定性防止电源的过压和欠压二注意印刷电路板的布线与工艺 印制电路板布置接地网可防止产生地电位差和元件之间的耦合 印制电

12、路板合理分区模拟电路区数字电路区功率驱动区尽量分开地线不能相混分别和电源端的地线相连 元件面和焊接面采用相互垂直斜交或者弯曲走线避免相互平行以减少寄生耦合避免相邻导线平行段过长加大信号线间距高频电路互联导线尽量短使用45度或者圆弧折线布线不要使用90度折线以减小高频信号的发射 印制电路板按单点接电单点接地的原则送电三个区域的电源线地线分三路引出地线电源线要尽量粗噪声元件与非噪声元件尽量离远一些时钟振荡电路部分用地线圈起来让周围电场趋近于零三用满足系统要求的最低频率的时钟时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件在石英晶体振荡器下面加大接地的面积而不走其它信号线四驱动器件功率放大器件尽量靠近印制板的边

13、靠近引出接插件重要的信号线尽量短并要尽量粗并在两侧加上保护地五原则上每个IC元件要加一个去耦电容布线时去耦电容尽量靠近电源脚和接地脚去耦电容焊在印制电路板上时引脚尽量短六闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入单片机不用的IO口定义成输出七提高元器件的可靠性 选用质量好的电子元件并进行严格的测试筛选和老化 设计时元件技术参数要有一定的余量 提高印制板和组装的质量 242 单片机应用系统的软件抗干扰技术一数据采集误差的软件对策 用软件滤波算法可滤掉大部分由输入信号干扰而引起的输出控制错误最常用的方法有算术平均值法比较舍取法中值法一阶递推数字滤波法本设计根据信号的变化规律选择算术平均值法对输入量采

14、用多次采集的办法来消除开启的抖动二程序运行失控的软件对策 对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态并及时将系统引导到初始状态软件冗余技术 AT89C52所有指令都不超过3个字节且多为单字节指令指令由操作码和操作数组成操作码指明CPU完成什么样的操作单字节指令仅有操作码隐含操作数CPU受到干扰后PC内容发生变化当程序弹飞到某一单字节指令时便自动纳入正规当跑飞到某一双字节或3字节指令时若恰恰在取指令时刻落到其操作数CPU就将操作数当做操作码来执行引起程序混乱因此软件设计应采用单字节指令并在关键的地方人为地插入一些空操作指令NOP或将有效的单字节指令重写这称为指令冗余在实际软件设计中往往在双字节

15、指令和3字节指令之后插入2个NOP可以保证程序跑飞后其后面的指令不会拆散后面的程序可以正常运行在那些对程序流向起决定作用的指令例如在RETRETIACALLLJMPJZJNC等之前也插入2条NOP可保证跑飞的程序迅速进入正确的控制轨道软件陷阱技术 软件冗余技术适用于干扰后PC指向不正确的程序区当跑飞程序进入非程序区例如EPROM未使用的空间或表格区时使用冗余指令的措施已不再适用可采用软件陷阱的办法拦截跑飞程序将其迅速引向一个指定的位置执行一段对程序运行出错的处理程序软件陷阱可采用以下形式NOPNOPLJMP ERROR ERROR为指定地址安排有出错处理程序软件陷阱可安排在下面几个区域 a未使

16、用的中断向量区当干扰使未使用的中断开放并激活这些中断时就会引起系统程序的混乱如果在这些地方设置陷阱就能及时捕捉到错误中断 b未使用的EPROM区假设使用了1片EPROM芯片2764但程序并没有用完这个2764芯片的区域这些非程序区可以用020000数据填满020000是指令LJMP0000H的机器码当跑飞程序进入此区后便会迅速自动进入正确轨道 c数据表格区由于表格中内容和检索值有一一对应关系在表格中安排陷阱将会破坏其连续性和对应关系应在表格区的尾部设置软件陷阱 d程序区前面已介绍跑飞的程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余技术加以解决也可以设置软件陷阱更有效地抑制程序跑飞程序设计常采用模块化设计

17、模块化的程序是由一序列执行指令构成的一般不能在这些指令串中间任意安排陷阱否则正常执行的程序也可能被抓走可以将陷阱指令分散放置在各模块之间的空余单元中正常程序中不执行这些陷阱指令但程序跑飞一旦进入陷阱区马上将程序拉回正确轨道 e非EPROM芯片空间除了EPROM芯片占用的地址外还剩余大片未编程的EPROM空间当PC跑飞进入这些空间时读入数据为0FFH对单片机而言相当于指令MOV R7A将修改R7的内容当CPU读程序存储器时会产生一个低电平信号PSEN可利用该信号和EPROM的地址译码信号产生选通信号引起一个空闲的中断在中断服务程序中设置软件陷阱将跑飞程序拉入正规看门狗技术 当跑飞的程序落到非程序

18、的数据表格区或跑飞的程序在没有碰到冗余指令之前已经自动形成一个死循环则指令冗余和软件陷阱均无法使失控程序摆脱死循环这时可采用看门狗WATCHDOG技术解决看门狗技术就是不断监视程序循环运行的时间若发现时间超过正常的循环时间则认为系统陷入了死循环这时强迫系统执行一段出错处理程序使系统脱离死循环转人正轨运行3 太阳能光伏发电系统的基本组成31 概述 太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行系统独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统并网运行光伏发电系统是指与电网相连可以给电网供电的光伏发电系统太阳能光伏发电系统一般由蓄电池太阳能电池方阵控制器逆变器交流配电设备等组

19、成如图31 所示图31光伏放电系统框图 当负载为直流时如通讯设备石油管道阴极保护等电源则可以省略逆变器和交流配电设备系统比较简单成本也降低如果发电系统与交流电网并联运行则可以省略蓄电池组控制器和逆变器合而为一系统的成本可以大大降低同时还可以减少由于蓄电池组造成对环境带来的影响可见太阳能并网发电系统是今后的主要形式但在我国广大的牧区和偏远无电地区户用光伏系统和风光互补系统在很长一个时期内将是主要的供电方式 32 太阳能电池 321 太阳能电池工作原理 太阳能电池工作原理的基础是半导体PN 结的光生伏打效应即当物体受到光照时物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应硅的外层电子受到太

20、阳光辐射时成为自由电子同时在它原来的地方留出一个空位即半导体中的空穴由于电子和空穴的扩散在结合的PN 半导体的交界面处即PN 结的两边形成内建电场又称势垒电场当太阳光照射PN 结时在势垒电场的作用下电子被驱向N 型区空穴被驱向P 型区从而使N 型区有过剩的电子P 型区有过剩的空穴形成了光生电场在N 型区与P 型区之间的薄层产生了电动势即光生伏打电动势接通外电路时便有电能输出 如图32 所示那样当具有适当能量的光子入射于半导体时那么电子向N 型半导体扩散空穴向P 型半导体扩散并分别聚集于两个电极部分即负电荷和正电荷聚集于两端这样如用导线连接这两个电极就有电荷流动产生电能图32 太阳能电池的发电原

21、理 322 太阳能电池的种类 太阳能电池按照材料的不同可分为如下三类 1硅太阳能电池 这种电池是以硅为基体材料的太阳能电池如单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池等制作多晶硅太阳能电池的材料用纯度不太高的太阳级硅即可而太阳级硅由冶金级硅用简单的工艺就可加工制成多晶硅材料又有带状硅铸造硅薄膜多晶硅等多种用它们制造的太阳能电池有薄膜和片状两种 2硫化镉太阳能电池 这种电池是以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池如硫化亚铜硫化镉太阳能电池碲化镉硫化镉太阳能电池铜铟硒硫化镉太阳能电池等 3砷化镓太阳能电池 这种电池是以砷化镓为基体材料的太阳能电池同质结砷化镓太阳能电池异质结砷化镓太阳能电池

22、等 按照太阳能电池的结构来分类其物理意义比较明确因而已被国家采用作为太阳能电池命名方法的依据323 光伏阵列特性一光伏阵列的I-V 方程 光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件其输出的I-V 特性强烈地随日照强度和较强烈地随电池温度T 而变化其等效电路如图33 所示由于器件瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道因此结电容C 在光伏能阵图33 光伏阵列单元等效电路列的理论分析中加以忽略规定图中电压电流方向得出光伏阵列的输出电流电压I-V方程为式3-1式3-1I L光电流AI 反向饱和电流Aq 电子电荷1610-19JKK玻尔兹曼常数13810-23JKT绝对温度KA二极管因子R S 串

23、联电阻R Sh 并联电阻二光伏阵列 I-V 特性曲线 由于光伏阵列的输出特性强烈地受到光照及阵列结温的影响下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的I-V 特性首先让我们来了解光伏阵列的几个重要参数 1短路电流IsC为给定日照强度和温度下的最大输出电流 2开路电压Voc为给定日照强度和温度下的最大输出电压 3最大功率点电流Im在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流 4最大功率点电压Vm在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压 5最大功率点功率Pm在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率PmImVm 其意义如图34 所图34 光伏阵列特性参数说明一 太阳能光伏阵列在相同温度不同日照

24、下的I-V 与P-V 特性 图35不同日照下的I-V 关系曲线图 图36不同日照下的P-V 关系曲线图 图35图36 分别是太阳能光伏阵列在温度为25时不同日照S下表现出的电流-电压I-V和功率-电压P-V特性从图35 可知太阳能光伏阵列的输出短路电流Isc和最大功率点电流Im随日照强度的上升而显著增大也就是说式3-1中IL强烈地控制着I 的大小虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大但对电流与电压相乘的结果-最大输出功率来说变化显著如图2-6 中虚线与各实线的交点所示二 太阳能光伏阵列在相同日照不同温度下的I-V 与P-V 特性 图37 不同温度下的I-V 关系曲线图 图38 不同温

25、度下的P-V 关系曲线图 图37图38 分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1000Wm2 和在变化温度T的情况表现出典型的I-V 和P-V 特性可以看出温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大但对它的输出开路电压影响较大因而对最大输出功率影响明显见图38 各实线的波峰的幅值变化4太阳辐射能量分析 太阳辐射资源变化极其复杂加上储能设备等因素需要建立合理的理论模型本课题在太阳辐射能方面做了研究工作主要介绍日照时间和太阳位置的计算以及太阳辐射能的有关计算41 日照时间和太阳位置的计算411太阳能中天文参数的计算1日地距离 由于地球绕太阳的运行轨迹是一个椭圆所以地球与太阳之间的距离在一年之内是变化的日地

26、平均距离及最大最小距离列在表31中到达地球表面的太阳辐射强度和距离的平方r r02成反比r0为日地平均距离r为任意时刻日地距离的准确值r r0210033cos360n365日期 距离km 日期 距离km1月1日 147001000 7月1日 1520030004月1日 149501000 10月1日 149501000表31 日地距离地变化2太阳赤纬角日地中心的连线与赤道面间的夹角每天实际是每一瞬间均处在变化之中这个角度称为太阳赤纬角2345sin360284n365式中n为一年中的日期序号从每年1月1日算起太阳赤纬随日期序号的变化见图32春分和秋分的正午时刻太阳直射地球的赤道即天赤道的 0

27、北半球夏至的正午时刻太阳直射北回归线 2345北半球冬至的正午时刻太阳直射南回归线时 2345图32 太阳赤纬412水平面太阳位置的计算在太阳能的利用中必然要涉及到太阳高度角方位角日照时间等问题1太阳高度角s地球上观测点同太阳中心连线与地平面的夹角为太阳高度角太阳高度角s的计算公式为sin sin sin cos cos cos 式中太阳赤纬角当地的地理纬度当时的太阳时角其计算公式为 Ts 12 1534式中Ts0-24h为每日时间时角上午为正下午为负2太阳方位角s地球上观测点同太阳中心连线在地平面上的投影与正南方向之间的夹角就是太阳方位角太阳方位角s的计算式为cos sin sin sin

28、cos coss s s 353日出日没角hss cos1tan tan 36式中负值表示日出时角正值表示日没时角s 0cos sin cos s 374正午时刻s 0385理论日照时间N 由下式给出 3942 太阳辐射能的有关计算日辐射与小时辐射一般从气象部门所能得到的太阳能辐射资料多为日总辐射量当需要用每小时的辐时数据时可根据日辐射数据来估算小时值用日总辐射量来推算小时辐射量的方法在晴天条件下结果和实际情况吻合5 控制系统的硬件设计51 总体设计方案 本文设计的单轴自动跟踪电路主要包括电压电流传感器单元单片机控制单元和电机驱动电路如图51所示图51 自动跟踪控制电路结构框图 电压传感器和电

29、流传感器如图52和图53所示电流传感器采用50A150mV的分流器和运算放大器AD820当负载一定时太阳能电池板的输出电压随输入光功率变化而变化通过电压传感器检测电压值可知道当前功率的大小进而可以得到太阳光线偏离太阳能电池板法线的角度变化当负载变化时电流值变化通过电流传感器可观测电流的变化情况当电流稳定后再通过检测电压传感器的电压值而得到太阳光线偏离太阳能电池板法线的角度变化图52 电压传感器示意图图图 53 电流传感器示意图52 单片机AT89C52简介 控制电路的核心器件是由美国Atmel公司生产的AT89C52单片机属于MCS51系列AT89C52是一种低能耗高新能的CMOS 8位微控制

30、器具有8K在系统可编程Flash存储器采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失储器技术片上Flash允许程序存储器在系统可编程在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活超有效的解决方案价格低廉性能可靠抗干扰能力强因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中晶体振荡器采用110952MHz晶振根据设计和功能需要AT89C52的引脚分配如表1 所示引脚 P0 P1 P2 P3设计控制 显示控制 按键辅助 控制控制 传感检测功能 模块 模块 显示模块 显示模块引脚配置 图54 AT89C52芯片引脚 53 时钟芯片的选择 时钟芯片选择了DALLA

31、S 公司推出的Ds1302它是涓流充电时钟芯片内含有实时时钟日历和31字节静态RAM通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AMPM指示决定采用24或12小时格式DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需要用到三个口线1RES 复位2IO数据线3SCLK 串行时钟线时钟RAM的读写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW54 印制板电路的制作 印制电路板PCB是电子产品中电路元件和器件的支撑件它提供电路元件和器件之间的电气连接要使电子电路获得最佳性能元器件的布局及导线的布设是很重要的为了设计质量好造价低的PCB本设计主要注意了以下几个方面 一布局首先考虑PCB尺寸大小 PCB尺寸过大时印制线条长阻抗增加抗噪声能力下降成本也增加过小则散热不好且邻近线条易受干扰在确定PCB尺寸后再确定特殊元件