太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宗磊　徐源　楊晨

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)。該系統(tǒng)將單片機(jī)選為控制器，太陽(yáng)能電池作為傳感器，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用光電追蹤方式，控制太陽(yáng)能電池板自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光，能有效提高太陽(yáng)能的利用率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；光電追蹤

0 引言

能源是關(guān)系一個(gè)國(guó)家全面發(fā)展的重要因素；太陽(yáng)能作為一種新興能源不但能夠有效解決能源短缺的問(wèn)題，還能在很大程度上改善環(huán)境污染，具有較大的研發(fā)前景。我國(guó)的太陽(yáng)能資源非常豐富，但是對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)還面臨著很大挑戰(zhàn)，如何提高太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)能的采集效率是充分利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全方位跟蹤，具有兩個(gè)自由度的跟蹤能力。其原理圖如圖1所示。利用AT89C51單片機(jī)對(duì)橋式電路的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，進(jìn)而控制能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整高度角和方位角的步進(jìn)電機(jī)工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光全方位跟蹤。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，能夠有效提高太陽(yáng)能的利用率，具有有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 追蹤方式的選擇

目前，用于實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)的方法較多，概括為兩類(lèi)：視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤和光電追蹤方式。

太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡是有規(guī)律的，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)和地球之間的位置關(guān)系進(jìn)行分析，利用球面三角公式來(lái)計(jì)算出太陽(yáng)在任何地點(diǎn)任何時(shí)間相對(duì)于地球的位置，被稱(chēng)為視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式。此方案建立在太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律的天文算法的基礎(chǔ)上，需要利用微處理器對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，再利用電子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。其優(yōu)點(diǎn)是不受天氣變化的影響。缺點(diǎn)有：（1）計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，開(kāi)發(fā)成本很高；（2）屬于開(kāi)環(huán)控制，容易產(chǎn)生積累誤差，且無(wú)法自動(dòng)消除這一誤差。

光電追蹤方式是利用對(duì)太陽(yáng)光朝向的即時(shí)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)追蹤，需要用到光敏元件組成檢測(cè)電路。比如，采用四象限硅光電池傳感器作為光電轉(zhuǎn)換元件，以微處理器為核心構(gòu)建電路控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)四象限的四個(gè)輸出電壓信號(hào)的分析和運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終由電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成追光的任務(wù)。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：（1）閉環(huán)控制，能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制；（2）跟蹤精度好、靈敏度高。缺點(diǎn)是：受天氣影響大，陰雨天無(wú)法工作。

本文綜合考慮，采用光電追蹤方式。 如果追求整體更高的追蹤精度，可將兩種方式結(jié)合起來(lái)取長(zhǎng)補(bǔ)短，即在晴天時(shí)采用閉環(huán)控制，陰天時(shí)采用開(kāi)環(huán)控制。

2 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、光電傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓電源、步進(jìn)電機(jī)控制等幾個(gè)模塊，總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。設(shè)計(jì)中將太陽(yáng)能電池板劃分為四小塊，在四小塊電池板上分別安裝傳感器來(lái)構(gòu)造四象限探測(cè)器。相比較單個(gè)探測(cè)器跟蹤，這種方案的跟蹤精確度高，穩(wěn)定性好。系統(tǒng)總體硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

本設(shè)計(jì)選擇AT89C51單片機(jī)。它是一種帶4K字節(jié)flash存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

穩(wěn)壓電源模塊是為整個(gè)控制電路提供能源的，是保障控制電路中所有控制芯片的穩(wěn)定運(yùn)行的前提。本設(shè)計(jì)將兩塊可充電的鋰電池串聯(lián)在一起，通過(guò)穩(wěn)壓芯片來(lái)獲得單片機(jī)所需的+5V電源。

太陽(yáng)光強(qiáng)信號(hào)是一種模擬信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，才能轉(zhuǎn)化成單片機(jī)控制模塊可直接運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)。本項(xiàng)目選用PCF8591P作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是一個(gè)具有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入、1路D/A模擬輸出和1個(gè)串行總線接口的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

所設(shè)計(jì)的追蹤系統(tǒng)要隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于距離太陽(yáng)非常遙遠(yuǎn)，檢測(cè)裝置無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)感覺(jué)到太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，需過(guò)一段時(shí)間才能感覺(jué)到太陽(yáng)已經(jīng)偏移。如此以來(lái)，對(duì)電機(jī)的要求是隔一段時(shí)間能轉(zhuǎn)一個(gè)角度，然后立馬停下。本系統(tǒng)選擇步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是一種跟蹤給定脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，能夠根據(jù)脈沖信號(hào)控制轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)精確的定位控制。但單純給步進(jìn)電機(jī)施加電壓是不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，必須借助控制電路，這需要用到專(zhuān)用芯片。在本系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)的P0口輸出方波信號(hào)再經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

3 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體的程序采用模塊化進(jìn)程的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：即首先對(duì)各功能模塊的子程序進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立調(diào)試，然后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。這種方案便于程序的移植和修改，同時(shí)又有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。本部分主要包含主程序設(shè)計(jì)、A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)、光敏電阻數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)和太陽(yáng)能追蹤子程序設(shè)計(jì)等。

其中主程序主要是完成系統(tǒng)初始化后，循環(huán)檢測(cè)光照強(qiáng)度，對(duì)反饋回來(lái)的電壓值進(jìn)行比較運(yùn)算，判斷當(dāng)前光照的亮度差是否達(dá)到定值，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)去調(diào)整太陽(yáng)能板以便正對(duì)太陽(yáng)。

光敏電阻數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中需要注意，由于硬件上的缺陷無(wú)法將外界干擾信號(hào)全部濾除，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集結(jié)果具有較大波動(dòng)。因此本系統(tǒng)設(shè)置了軟件濾波環(huán)節(jié)，所用的光強(qiáng)傳感器采用中值濾波法進(jìn)行軟件濾波。其基本原理是進(jìn)行幾次連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)從大到小排序。然后分別去除首尾相同數(shù)量的幾個(gè)值，只保留排在中間的數(shù)值，再對(duì)其取平均值。該法能夠有效避免采樣過(guò)程中因系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的跳變干擾。

追光程序設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心，流程圖如圖4所示。利用光電檢測(cè)單元檢測(cè)太陽(yáng)位置，并對(duì)檢測(cè)到的電信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)偏差信號(hào)的分析，判斷追光裝置是否正對(duì)太陽(yáng)，將比較結(jié)果送達(dá)單片機(jī)，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)能電池板正對(duì)太陽(yáng)時(shí)，程序跳出太陽(yáng)追蹤子程序返回主程序。

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種基于AT89C51單片機(jī)的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)。對(duì)追光方式進(jìn)行了對(duì)比闡述，分別介紹了其硬件和軟件設(shè)計(jì)大體思路。本裝置實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池板自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光，提高了太陽(yáng)能的利用率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]