基本信息
- 项目名称：
- 高效太阳能发电系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本系统设计了基于太阳能电池板自动跟踪太阳的高效太阳能发电系统。包括:太阳能电池板跟踪装置、夜晚电池板自动复位装置、锂电池充电装置、无线数据传输、TFT彩屏显示、VC上位机界面显示、以太网数据访问。系统根据光电传感器确定阳光最强的位置，实现电池板跟踪太阳。无线模块把采集数据发送到基站进行处理。基站实现密码保护、红外热释电检测、数据存储、红外抄表、以太网数据传输和访问以及VC上位机显示等功能。
- 详细介绍：
- 1 系统整体设计 1.1 系统可以实现的功能 1、能够通过光电传感器实现太阳能电池板正对太阳。 2、能够实现太阳能跟踪系统尽可能低的功耗。 3、能够实时检测系统的各个状态值并显示在段码液晶上。 4、能够通过键盘调节太阳能跟踪系统采集跟踪时间间隔。 5、能够通过无线模块NRF24L01实现太阳能跟踪系统与基站无线数据传输。 6、能够通过键盘和TFT彩屏建立起良好的人机界面且系统应易于操作。 7、能够通过键盘实现开机密码保护以及修改系统密码。 8、能够实现多种通信方式进行通信交互数据。 9、能够通过红外热释电模块检测人体的功能。 10、能够通过红外实现手持式抄表功能。 11、能够通过VC界面实现系统各个状态的数值曲线的显示功能。 12、能够通过以太网访问本系统的实时数据。 1.2 系统的思路 系统设计的中心思想是采用低功耗单片机MSP430F1611实现太阳能电池板自动跟踪太阳光系统，实现在0~180度范围内，根据光电传感器确定阳光最强的角度，然后通过低功耗单片机控制电机转动，实现太阳能电池实时跟踪太阳。在此基础上，加入无线模块把采集数据发送到基站进行数据处理。基站实现系统密码保护、红外热释电人体检测、Flash实时数据存储、红外数据抄表、远程以太网数据传输和访问以及串口VC上位机数据曲线显示等功能。 1.3 系统的构成 1.3.1 整体系统组成框图 系统的各部分框图如下： 图1.1 太阳能跟踪从机系统设计方案 图1.2基站数据处理设计方案 图1.3系统的整体构成 1.3.2 太阳能跟踪从机系统方案选择 1.3.2.1 微控制器的选择 因为太阳能跟踪系统要求低功耗，所以本系统采用了TI公司的MSP430单片机作为控制模块。此型号单片机电源电压采用的是1.8～3.6V，电压要求低。根据实际情况，选择MSP430F1611，该单片机中断源比较多，并且可以任意嵌套，使用起来非常方便；其有内置的12位A/D转换，可以在不外加A/D芯片的前提下采集数据，减少了功耗。由于系统采用的工作模式不同，芯片的功耗有显著的不同，在系统中总共有一种工作模式和四种低功耗模式，可根据实际情况选择，从而使系统既能正常稳定的工作，又能降低功耗。 1.3.2.2 光电信号采集方案 采光系统采用两个光敏电阻分压，用单片机的ADC实时检测其中心电压值并判断此时的太阳能电池是否正对太阳光，从而通过电机调整太阳能电池的位置。利用AD检测光敏电阻中心电压可以转换到对太阳的检测。当太阳光正对太阳能电池板时，理论上测得的两个光敏电阻中心电压值为1.25V。实际测量中，中心电压值为1.24V~1.26V时，电机保持稳定状态。在此范围之外，控制电机正转或反转。 1.3.2.3 电机转动控制方案 电机选择3V直流电机，为实现电机的正向和反向转动，采用H桥驱动电路，如图1.4所示。H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。当Q1和Q4导通时，电流将从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极；当Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机。因此，根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。通过单片机对光敏电路检测判断以及对Ｈ桥进行控制，即可实现跟踪太阳光的目的。 图1.4 电机控制 1.3.2.4 显示模块控制方案 由于设计要求不需要太多内容的显示，考虑到功耗及性价比问题，利用液晶驱动IC（HT1621）以及配套的液晶LCD玻璃片，自制16位段码液晶。另外驱动IC上装有两种频率的蜂鸣驱动电路，可以实现报警功能。自制段码LCD显示状态时电流为60uA，省电模式时小于5uA，工作电压3.0V时即可正常显示，其显示清晰，稳定可靠，使用编程简单，很适合低功耗的要求。 1.3.2.5 无线收发模块 nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。nRF24L01适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。 1.3.2.6 锂电池充电模块 选用美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片BQ2057对锂子电池充电。其特点是高效率、低功耗、显示锂子电池充电状态以及外围电路简单。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。充电分为三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。具有智能充电功能，当锂子电池的电压低于2V以下，BQ2057会启动充电。电路如图1.5所示。 图1.5锂电池充电电路 1.3.3 基站总台控制系统方案选择 1.3.3.1 TFT彩屏显示控制 选用MzTH24V10彩屏显示，MzTH24V10是MzTH系列彩色多功能显示模块中的一款2.4英寸（对角线）彩色TFT显示模块，MzTH24V10自带四种字号的ASCII码西文字库，并且自带基本绘图GUI功能，包括画点、画直线、矩形、圆形等；而如其它型号的MzTH系列模块一样，模块内部有4M bytes大小的资源存储器，支持GBK2312的二级（包含一级和二级）汉字库、BMP位图、ASCII码西文字库的资源。模块为串行UART接口，接口简单、操作方便；与各种MCU均可进行方便简单的接口操作。 1.3.3.2 红外热释电模块 红外热释电模块的核心为双元热释电红外传感器RE200B该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。红外热释电感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强。 1.3.3.3 温湿度检测模块 温湿度传感器采用DHT11数字温湿度传感器，此传感器是一款含有已校准数信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。 1.3.3.4 以太网数据传输模块 在这使用了RTL8019AS 10M ISA网卡芯片接入以太网。选它的好处是：NE2000兼容，软件移植性好；接口简单不用转换芯片如PCI-ISA桥。8019有3种配置模式：跳线方式、即插即用P&P方式、串行Flash配置方式。与这部分硬件相对应的软件是网卡驱动。所谓驱动程序是指一组子程序，它们屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软件提供硬件无关接口。驱动程序可以写成子程序嵌入到应用程序里(如DOS下的I/O端口操作和ISR)，也可以放在动态链接库里，用到的时候再动态调入以便节省内存。在WIN98中，为了使V86、WIN16、WIN32三种模式的应用程序共存，提出了虚拟机的概念，在CPU的配合下，系统工作在保护模式，OS接管了I/O、中断、内存访问，应用程序不能直接访问硬件。这样提高了系统可靠性和兼容性，也带来了软件编程复杂的问题。任何网卡驱动都要按VXD或WDM模式编写，对于硬件一侧要处理虚拟机操作、总线协议(如ISA、PCI)、即插即用、电源管理；上层软件一侧要实现NDIS规范。因此在WIN98下实现网卡驱动是一件相当复杂的事情。 1.3.3.5 红外数据传输模块 发送部分，当数据为0时，S9012-1导通，38K载波波形经S9012-2发送；当数据为1时，S9012-1不导通，没有波形被发送。接收部分，当有波形检测到时判断发送数据为0，否则判为1；在没有数据发送时，接收始终为1，经串口通信协议判断为没有数据发送，所以实现了数据的通信。其电路图如图1.6，图1.7所示。 图1.6：红外发射部分 图1.7：红外接收部分 1.3.3.6 RS232和RS485数据传输模块 RS232采用MAX3232芯片由单片机的串口发送数据和电脑进行通信。采用RS485总线实现系统与上位机或终端之间的通信，相对RS232,RS485采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，使用屏蔽双绞线传输，具有传输距离远、抗干扰性强、与外部通信接口容易对接的优点。在本系统中，波特率可预置，在这采用2400 baud，可以满足通信距离超过100米。 2 硬件设计 2.1 太阳能跟踪从机系统硬件设计总电路图如下 图2.1 太阳能跟踪从机系统原理图 2.1.1 采光系统模块设计 通过MSP430F1611自带12位AD，利用AD检测光敏电阻中心电压可以转换到对太阳光的检测。应用电路为： 图2.2 光电传感器检测原理图 当太阳光正对太阳能电池板时，此时测得的光敏电阻中心电压值为VCC/2。实际测量在一定的范围内，其误差为0.01V。通过软硬件滤波算法可以做到数据采集准确很好的实现了跟踪太阳。 2.1.2 无线收发木块nRF24L01芯片 2.1.2.1 nRF24L01芯片简介 nRF24L01 是NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK 调制，内部集成NORDIC 自己的Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是1 对6 的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模块的GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5 个GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU 系统构建无线通信功能。 2.1.2.2 nRF24L01应用电路 nRF24L01的应用电路如下图： 图2.3 nRF24L01 应用电路 2.2 基站总台控制系统方案选择总控制电路图如下 图2.4 基站总台控制系统原理图 2.2.1 系统按键模块选择 系统按键选择4*4矩阵键盘作为输入，主要考虑系统按键密码需要0到9数字选择。 图2.5 系统按键模块原理图 硬件部分设计了相应的键盘界面，16个键的功能如图所示。 图2.6 键盘功能定义图 其中数字键“0~9” 用来输入相应按键控制命令以及系统密码进入，C为系统界面返回键控制返回和退出。 3 软件设计 3.1 太阳能跟踪从机系统软件设计 3.1.1 跟踪流程图 图3.1 主程序软件流程 图3.2 中断函数流程 3.1.2 无线模块子程序以及上位机程序流程图 图3.3 无线数据发送模块流程图 图3.4上位机主程序流程图 3.2 上位机系统流程图以及PC机软件设计 图3.5上位机主程序流程图 3.3.1 PC机功能介绍 通过编写VC界面可以通过PC机软件实时显示当前中心电压、太阳能电池电压、锂电池电压、锂电池充电电流等各个状态的变化，分为数字、曲线及状态显示等，整个界面美观大方，可操作性强，互动性好。串口协议满足以下格式： 第一路中心电压上传：AXXXB，其中A表示中心电压值上传开始，B表示中心电压值上传结束，中间三位数值分别为所采集中心电压的个位、小数点后第一位、小数点后第二位。其他各路依次类推：CXXXD ,EXXXF分别代表着太阳能电池电压和锂电池电压上传等。 3.3.2 PC机界面设计图 下图为PC机显示界面： 图3.6 VC上位机实时数据监测 图3.7 Flash数据存储显示 4 系统调试 4.1 太阳能跟踪从机系统调试 4.1.1 光电传感器对阳光调整 将编写的程序下载到单片机中，连接好硬件电路，单片机开始采集数据这时要调整光电传感器的位置使得太阳能电池板正对太阳。观察LCD上的中心电压值此时应该在1.24-1.26之间为正常值，通过LCD还可以看到当前锂电池的电压和充电电流以及太阳能电池板的电压。 系统测试LCD显示的中心电压值与实际的中心电压值的对比： 表4.1 LCD显示的中心电压值与实际中心电压值的对比表 测试次数 项目 1 2 3 4 5 6 LCD上中心电压/V 1.24 1.25 1.24 1.26 1.25 1.26 实际中心电压/V 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 误差/V 0.01 0 0.01 0.01 0 0.01 经过测试，中心电压的误差在允许范围内，系统能够稳定的运行。当系统跟踪太阳失败后系统会把信息发送到基站中心，基站会发出声光报警提醒检修人员及时的到设备现场检修设备。 LCD显示图片如下 图4.1 系统状态信息显示（中心电压、充电电流、锂电池电压、光电池电压） 4.1.2 无线模块的调试 将无线模块连接好，打开基站总台系统。先让太阳能跟踪系统发送一组数据。基站总台进行接收。通过自动应答模式可以看到系统指示灯闪烁2次说明基站已经接收到数据，经测试数据可用无误的传送到基站。此时把跟踪系统的各个状态值如中心电压、太阳能电池电压值等发送给基站总台进行数据的处理。经过测试，太阳能跟踪系统和基站总控制系统都能正常工作，且误码率低，工作稳定。 4.1.3 系统采集时间调整 通过按键可以设定系统的采集时间最小为1S最大为9999S系统默认值为3S方便演示，在系统的实际应用中可以加大采集时间间隔，并且系统在设定采集时间后会把采集的时间存储到Flash中这样系统掉电后还是上一次设定的采集时间，而不是恢复系统默认采集时间。经测试系统的整体低功耗为8MA活跃状态为16MA在一次采集时间中活跃状态在整个周期中占比重很小为ms级从而保证系统整体低功耗最大限度的利用太阳能。 太阳能跟踪系统的整体实物图如下 图4.2 太阳能跟踪系统整体实物图 4.2 基站总台控制系统调试 4.2.1 基站彩屏主菜单显示调试 首先进行基站硬件连接，上电初始化。然后输入系统默认密码，进入系统主界面显示 图4.3.1 系统进入显示图 图4.3.2 系统主界面显示 第二层菜单链接显示，在这测试监控数据显示和通信方式选择这两项 图4.3.3 监控数据显示 图4.3.4 通信方式显示 4.2.2 以太网数据访问调试 以太网数数据访问界面显示如下 图4.4以太网数据访问 4.2.3 红外数据读取调试 通过红外读取系统数据，方便分析系统状态值的变化，使得抄表更为方便快捷。红外抄表实物图片如下 图4.5红外抄表实物图 基站总台控制系统的整体实物图如下 图4.6 基站总台控制系统整体实物图 4.3 上位机及PC机调试 首先进行上位机的硬件连接，连接完成后进行上电初始化和打开PC机的VC界面，当VC界面正常打开时，会出现“串口已打开”的提示；当VC界面无法正常打开时，会出现“串口无法打开”的提示，出现此情况时首先检测硬件连接，再检查选定串口通道是否正确。经过测试系统各部分协调稳定工作。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的 为了充分、高效地利用太阳能, 除了提高太阳能电池板对光能的转换效率外, 跟踪太阳是提高太阳能利用率的有效手段。据实验, 采用太阳自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%。在这设计了基于太阳能电池板自动跟踪太阳的高效太阳能发电系统。 基本思路 微处理器根据光电传感器确定阳光最强的角度，然后通过闭环控制算法控制电机转动，实现太阳能电池板正对太阳，在此基础上，加入无线模块把采集数据发送到基站总台进行数据分析处理。基站总台实现系统密码保护、红外热释电人体检测、Flash实时数据存储、红外数据抄表、远程以太网数据传输和访问以及串口VC上位机数据曲线显示等功能。 创新点 ①设计了太阳能发电系统的太阳能电池板始终正对太阳模型； ②设计了从太阳能发电到无线数据处理以及远程抄表整个系统模型； ③实现多种通信方式进行数据传输以及远程以太网数据访问； 技术关键 电机控制算法应用技术 光电检测控制技术、单片机应用技术和多方式数据传输技术。 技术指标 ①太阳能跟踪从机低功耗模式为8mA，数据采集模式为15mA，电机控制转动为29mA； ②无线传输距离20米，传输速率最高可达2Mbps； ③红外数据传输为5米； ④RS485传输为大于100米；
科学性、先进性
- 科学性先进性 ①与传统的固定太阳能电池板发电系统相比，本系统采用微处理器对光电传感器实时采样确定太阳光最强位置使得太阳能电池板正对太阳。 ②与传统的跟踪装置相比，本作品控制装置简单实用灵活性大大增加，避免了安装投资，成本低。 ③与传统单一数据传输相比，本作品实现了无线数据传输、红外数据传输、RS232和RS485传输、以太网数据访问。 ④与传统的人工抄表相比，本作品实现了自动实时采集太阳能发电系统的状态信息，并通过LCD在线显示，具有实时性强、准确性高等特点。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 模型 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 由于本系统采用了先进的光电检测控制技术以及高效控制算法让太阳能电池板在发电过程中时刻与太阳光线保持垂直已获得最佳光照。在这个过程中通过无线模块与基站总台进行数据交互，利用红外抄表可以实时的读取基站总台数据方便数据分析处理。本系统具有以下优点： ①本系统安装简单操作灵活而且投资少、成本低； ②本系统具有很强的稳定性、可靠性、实时性； ③通过无线数据传输节约了大量的人力、物力、财力； ④多种通信方式的选择提高了系统数据传输的实时性灵活性。 因此，本系统具有良好的应用推广价值和广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 太阳能追光技术国内外研究现状 据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能发电利用中，有必要进行太阳追踪。 视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。 一、单轴追踪 单轴追踪一般采用:①倾斜布置东西追踪;②焦线南北水平布置，东西追踪;③焦线东西水平布置，南北追踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪，工作原理基本相似。采用这种追踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大;而在上午或下午太阳光线都是斜射。单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。 二、双轴追踪 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴追踪又可以分为两种方式:极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。 (l)极轴式全追踪 极轴式全追踪原理:聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴;另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。 (2)高度角一方位角式太阳追踪 高度角和方位角式太阳追踪方法又称为地平坐标系双轴追踪。集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。这种追踪系统的特点是追踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。由上文得知， 我国国内太阳能自动跟踪器主要有:压差式太阳能跟踪器，控放式太阳跟踪器，时钟式太阳跟踪器，比较控制式太阳跟踪器。由于纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低，因此，本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的太阳跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳。
