использование программно-технических средств для управления

П.В. Захаров, С.Ю. Колосков
ФГБОУ ВПО «Алтайская государственная академии образования
имени В.М. Шукшина»
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ
УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
В последнее время все больше получают распространение
электростанции на основе не традиционных источников энергии. Все это
является важным этапом децентрализации систем электроснабжения, как целых
населенных пунктов, так и отдельных объектов. В данной работе
рассматривается программно-технические средства для управления комплексом
солнечных батарей (СБ). Без использования современных технологий в
производстве солнечных электростанций и в управлении ими невозможно
получить максимальную эффективность и производительность
Для реализации данного комплекса используется следующие технические
средства: персональный компьютер (ПК), макетная плата AVR-USB-MEGA16,
шаговый двигатель (ШД), драйвер ШД и источник питания 12 Вольт.
Программные средства: среда программирования Delphi , прошивка [2],
библиотека libusb-win32, драйвер USBasp и программа для прошивки
микроконтроллера Khazama AVR Programmer.
Для реализации комплекса управления СБ нами используется макетная
плата AVR-USB-MEGA16, которая подключается к ПК через USB порт (рис. 1).
Она включающая в себя микроконтроллер ATmega32А оснащенный
загрузчиком – bootloadHID, тактовую частоту 12 МГц, разъем MINI USB и 22
свободных линий ввода/вывода. Питание платы осуществляется от 5 вольт
шины USB. Загрузчик bootloadHID позволяет многократно прашивать или
перепрашивать микроконтроллер с помощью USB порта, что отбрасывает
надобность в программаторе или в каком либо переходнике [3].
Рис. 1. Макетная плата AVR-USB-MEGA16 [3].
В микроконтроллере ATmega32А используется пакет V-USB,
разработанный компанией Objective Development Software GmbH. Пакет
распространяется по лицензии GPL [3].
Для реализации адекватного общения макетной платы с ПК, а в частности
со средой программирования Delphi, нами было использована прошивка
ATMEGA32 с частотой 12 МГц [3], что соответствовала параметрам нашей
платы: маркировки микроконтроллера и частоте кварца. Для закачки прошивки
в микроконтроллер была использована программа Khazama AVR Programmer –
это графическая оболочка консольной программы avrdude. Она
предназначенная для прошивки микроконтроллеров фирмы Atmel семейства
AT90/ATtiny/ATmega/ATXmega. В дальнейшем был вручную установлен
драйвер USBasp-driver, для распознания ПК устройства. После чего макетная
плата AVR-USB-MEGA16 была полностью готова к работе.
В качестве силовой установки для поворота комплекса СБ за солнцем
использовался ШД. При соответствующем соединении обмоток их можно
разделить на [4]:
А) Биполярный;
Б) Униполярный;
В) Четырехобмоточный.
Рис. 2. Виды шаговых двигателей;
Выбор его обусловлен рядом его положительных особенностей, которые
наиболее подходят для системы слежения за солнцем, перечислим них [4]:
 Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые
поданы на двигатель
 Двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если
обмотки запитаны)
 Повторяемость. Шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины
шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
 Возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
 Высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы
шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
 Однозначная зависимость положения от входных импульсов
обеспечивает позиционирование без использования обратной связи
 Возможность получения очень низких скоростей вращения для
нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без редуктора
 Большой диапазон скоростей
 Низкая стоимость
Так же он имеет ряд недостатков [4]:
 Резонанс
 Возможен пропуск шагов, и как следствие - потеря контроля
положения (ввиду отсутствия обратной связи)
 Потеря момента и стабильности на высоких скоростях (можно смело
вычеркнуть как так для управления комплексом СБ не требуются большие
скорости)
 Невысокая удельная мощность
Для соединения макетной платы AVR-USB-MEGA16 и ШД используется
драйвер для униполярного ШД. Он обеспечивает соединение каждой обмотке
двигателя со своей единственной свободной линией ввода\вывода на плате, что
позволяет управлять ими независимо друг от друга. Драйвер представлен в
виде платы состоящий из: 4-х транзисторов (КТ972Б), 4-х диодов (1N4001S), 4х резисторов (330 Ом). Тип транзисторов зависит от мощности подключаемого
двигателя, напряжения его питания и нагрузочной способности портов
микроконтроллера. Он играет роль ключа, который открывает доступ тока к
обмоткам ШД. Диод используется как предохранитель для исключения
пробивания макетной платы AVR-USB-MEGA16 [1]. Вместо него можно
использовать обычный резистор с сопротивлением чуть больше сопротивления
обмотки ШД. Так же к драйверу ШД подключается внешний источник питания
12 вольт. Источник выбирается в зависимости от мощности ШД.
Для облечения разработки ПО в среде Delphi использовалась библиотека
libusb-win32. Она работает с операционными системами семейства Windows и
поставляется по лицензии GPL. Так же были рассмотрена уже разработанная
программа в среде Delphi для управления макетной платы AVR-USB-MEGA16
[2]. Из нее была взята и отредактирована общая часть, которая сообщает об
ошибках подключения макетной платы AVR-USB-MEGA16 и позволяется
приложению через специальную процедуру посылать команды ей.
Наше приложение осуществляет наведение СБ на солнце. Это
достигается тем, что в нем используется системное время и дата ПК, так же
особенности региона в котором установлена система. Опираясь на эти данные
приложение, посылает сигнал (0 или 1) на свободные линии ввода\вывода
макетной платы AVR-USB-MEGA16. Она же в свою очередь посылает ток на
базу транзистора. Он, получив напряжение, открывает доступ тока от внешнего
источника на обмотку ШД, что осуществляет поворот системы. Так же
предусмотрено ручное управление. Что позволит пользователю самому
регулировать положение СБ со своего ПК.
Литература
1.
Сворень Р. Электроника шаг за шагом: Практическая энциклопедия
юного радиолюбителя [Текст]: / Р. Сворен.– Изд. 3-е, доп. и исп. М.: Дет. лит.,
1991. 446 с.
2.
Заморочки одного автолюбителя [Электронный ресурс] // Работа с
USB для чайников на примере AVR-USB-MEGA16. – URL: http://vanoid.ru/avr/
(дата обращения: 2.03.2014.
3.
Макетная плата AVR-USB-MEGA16 [Электронный ресурс] //
Microsin.net. [сайт] –
URL: http://microsin.net/programming/AVR/avr-usbmega16.html (дата обращения: 2.03.2014).
4.
Энциклопедию компании Purelogic RnD [Электронный ресурс] //
Устройство
и
управление
шаговым
двигателем
[сайт] .
– URL:
http://wiki.purelogic.ru/ (дата обращения: 2.03.2014).