傾角傳感器在太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：太陽(yáng)能以其普遍性、永久性、無(wú)污染、分布廣、利用方便等優(yōu)點(diǎn)成為各國(guó)競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。對(duì)太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)中的傾角傳感器應(yīng)用進(jìn)行了研究，以檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的傾角，使得太陽(yáng)能電池板在俯仰方向上與太陽(yáng)的高度保持一致。設(shè)計(jì)了傾角傳感器檢測(cè)電路，通過(guò)對(duì)傾角傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集和濾波處理，濾除了太陽(yáng)能電池板在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中因抖動(dòng)而產(chǎn)生的隨機(jī)誤差信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了在俯仰方向上的精確測(cè)量。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)；傾角傳感器；角度測(cè)量；軟件濾波

0 引言
    隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于能源的需求和由之帶來(lái)的高污染問(wèn)題日趨突出。太陽(yáng)能作為一種新型、清潔能源，發(fā)展前景相當(dāng)廣闊，目前已成為各國(guó)競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，而如何高效地獲得太陽(yáng)能資源是當(dāng)前一個(gè)重要的課題。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能接收板大部分采用固定安裝形式，而太陽(yáng)的方位角度和高度是隨時(shí)間變化的，所以這種固定安裝的電池接收板的轉(zhuǎn)換效率較低。經(jīng)理論分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)是否采用對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤方式，能量的接收效率相差達(dá)40％～50％之多，而采用雙軸跟蹤可增加發(fā)電量35％～40％，因此，開(kāi)展對(duì)太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤方面的研究，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展有著積極的實(shí)際意義。
    本文對(duì)太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)中的傾角檢測(cè)與控制進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)傾角傳感器檢測(cè)電路、傾角傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集和濾波處理進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)傾角的精確測(cè)量。

1 太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)方案
    本文研究的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)由監(jiān)控中心、太陽(yáng)能跟蹤控制兩大部分組成。監(jiān)控中心主要完成太陽(yáng)能板的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制，而太陽(yáng)能跟蹤控制則是本系統(tǒng)的核心部分，由水平方向與俯仰方向(即傾角)上的兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成電池板的自動(dòng)跟蹤功能，其機(jī)械示意圖如圖1所示。

    實(shí)際系統(tǒng)控制中，根據(jù)GPS輸出的時(shí)間信息、經(jīng)緯度信息，可以得到太陽(yáng)的實(shí)時(shí)方位角和高度角，通過(guò)控制電機(jī)來(lái)調(diào)整雙軸支架，完成對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。系統(tǒng)采用步進(jìn)式視日跟蹤，即雙軸支架的運(yùn)轉(zhuǎn)并非連續(xù)性的，而是給定一個(gè)閾值，如果當(dāng)前太陽(yáng)角度與太陽(yáng)能電池板角度的差值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，再啟動(dòng)兩個(gè)電機(jī)完成角度的調(diào)整，這樣既降低了支架轉(zhuǎn)動(dòng)而消耗的能量，又提高了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，其控制流程如圖2所示。

2 傾角檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
2．1 芯片的選取
    本文中選擇了SCA60C單軸傾角傳感器，是一種加速度計(jì)，內(nèi)部由一個(gè)硅微傳感器和信號(hào)處理芯片組成，采用SMD形式封裝，先測(cè)量地球引力在測(cè)量方向上的分量，再將其轉(zhuǎn)換為重力加速度與傳感器敏感軸之間的夾角，以此來(lái)測(cè)量支架的傾角。該傳感器單極5 V供電，靈敏度為2V／g，測(cè)量范圍為-1～1 g(對(duì)應(yīng)的傾角變化范圍為-90°～90°)，電壓輸出范圍為0．5～4．5V。傾角與輸出電壓的對(duì)應(yīng)計(jì)算公式為：
   
    式中：Offset為傾角傳感器處于相對(duì)水平位置時(shí)的輸出電壓；Sensitivily為傾角傳感器的靈敏度。
    針對(duì)SCA60C單軸傾角傳感器的輸出特性，本文選用了STC12C5604AD單片機(jī)，是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期的新一代8051單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)干擾的特性，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍。具有4路PWM、8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，無(wú)需專用編程器與仿真器，通過(guò)串口(P3．0／P3．1)就可以直接下載程序，大大地節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。
2．2 傾角檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
2．2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
    傾角傳感器模塊安裝在太陽(yáng)能電池板的下表面，完成支架傾角的采集。工作狀態(tài)下，SCA60C的模擬電壓輸出信號(hào)輸入到單片機(jī)的A／D采集端口，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號(hào)通過(guò)串口與主控箱中的單片機(jī)通信，完成角度反饋，其硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2．2．2 軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)的8路A／D口需要通過(guò)對(duì)ADC_CONTR寄存器中CHS0＼CHS1＼CHS2三位的設(shè)置來(lái)選擇使用的模擬輸入通道，并且必須將其設(shè)置為開(kāi)漏模式或高阻模式，即需要對(duì)P1M0(0～7)，P1M1(0～7)中相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置，如本例中選擇P1．2為SCA60C的電壓信號(hào)采集端，為開(kāi)漏模式，則設(shè)置為：
   
    第一次啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，需給適當(dāng)延時(shí)以確保內(nèi)部模擬電源的穩(wěn)定；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，結(jié)束標(biāo)志位需要由軟件清零。該傾角模塊軟件流程圖如圖4所示。

3 傾角傳感器數(shù)據(jù)采集與濾波處理
    本文中，每隔300 ms采集一次傾角傳感器輸出電壓，電池板從0°勻速轉(zhuǎn)到90°后得到的數(shù)據(jù)如圖5所示。圖中x軸表示電池板轉(zhuǎn)動(dòng)90°所用的時(shí)間，y軸為對(duì)應(yīng)時(shí)間下傳感器輸出的電壓值。圖5中所示的傳感器輸出電壓信號(hào)顯然不能作為電池板的角度信號(hào)反饋給MCU，否則可能會(huì)導(dǎo)致俯仰方向上驅(qū)動(dòng)電機(jī)的誤動(dòng)作，產(chǎn)生意想不到的后果，因此需要進(jìn)行濾波，去除毛刺信號(hào)。

    設(shè)傾角傳感：器輸出電壓值為xi，則每N組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后，得到平滑后的輸出值為：
   
    如果N取值很大，輸出信號(hào)的平滑度則很高，但是會(huì)降低靈敏度，且還受到本文中所選擇單片機(jī)RAM的大小的限制；N取值很小則又達(dá)不到濾波效果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本應(yīng)用中N取20可得到很好的濾波效果。
    由圖5可以看出，輸出信號(hào)脈沖干擾信號(hào)很多，所以必須要做限幅處理。限幅濾波設(shè)置一個(gè)閾值，如果前后兩次輸出值的差值小于等于這個(gè)閾值時(shí)，本次值有效；相反則舍棄本次值，同時(shí)用上次值代替本次值。本文依據(jù)太陽(yáng)初升及落山時(shí)刻，電池板初始對(duì)準(zhǔn)及回收動(dòng)作下的電壓變化最大幅值設(shè)置閾值?？伤愕闷渥畲筠D(zhuǎn)動(dòng)速度為0．75°／s，則對(duì)應(yīng)的輸出電壓最大差值應(yīng)該為25mV。
    本方法有效地結(jié)合了限幅濾波和算術(shù)平均濾波各自的優(yōu)點(diǎn)，先利用限幅濾波算法去除了超出閾值的無(wú)效脈沖數(shù)據(jù)，再使用算術(shù)平均濾波平滑輸出信號(hào)，輸出信號(hào)效果圖如圖6所示。

    可以看出，其平滑度有了很大的改善，滿足了控制系統(tǒng)的要求，表明了此聯(lián)合濾波算法的應(yīng)用是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文研究了傾角傳感器在太陽(yáng)能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了模塊的硬件電路，根據(jù)本應(yīng)用環(huán)境的因素，利用兩種濾波方法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行了處理，達(dá)到了理想的輸出效果，精確地反饋了太陽(yáng)能電池板俯仰角度，使得對(duì)太陽(yáng)的跟蹤實(shí)時(shí)有效，提高了太陽(yáng)能電池板的接收效率。