太陽光自動(dòng)追蹤系統(tǒng)

李永新 陳宗耀 吳登鵬 沈建立

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興314000）

0 前言

我國是以火力發(fā)電為主的能源消費(fèi)大國，其中煤炭的燃燒占絕大部分，我國二氧化碳的排放量也居于世界的前列。環(huán)境污染及其嚴(yán)重，由于開采能源造成的損失更是巨大的。 因此，用可再生的清潔能源代替化石能源具有非常重大的意義。太陽能發(fā)電是一種可再生的新型清潔能源，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，開發(fā)利用太陽能是勢(shì)在必行的。

對(duì)于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，太陽能電池板是其中最核心的部件之一，其轉(zhuǎn)換率決定光伏電站發(fā)電效率的重要因素之一。 由于大部分太陽能電池板采光時(shí)期都是固定到一個(gè)方向的，而太陽的位置是隨著時(shí)間而改變的，因此，無法保證太陽光的長久的能夠垂直照射，太陽能電池不能充分接收太陽能資源，發(fā)電效率非常低下。 采用太陽跟蹤系統(tǒng)，雖然增加了建設(shè)和維護(hù)的成本，但是卻大大提高了發(fā)電效率，反而獲得的效益會(huì)成倍增長。 特別是對(duì)于一些大型光伏發(fā)電站，以及一些中高溫聚光集熱裝置，效率更會(huì)有著巨大的提升。 采用太陽光自動(dòng)跟蹤技術(shù)在光伏產(chǎn)業(yè)中定會(huì)具有廣闊的應(yīng)用前景，因此，研究太陽光自動(dòng)跟蹤技術(shù)是具有重要意義的。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要有PIC18F4520 控制板， 光電檢測(cè)模塊， 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)，1602 液晶顯示屏，鍵盤等模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1 是本次設(shè)計(jì)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖， 控制核心采用美國Microchip 公司生產(chǎn)PIC18F4520 芯片，該芯片具有IIC 接口，內(nèi)置PWM模塊和10 位AD 模塊，且價(jià)格低廉，無需外加AD 轉(zhuǎn)換器，十分方便；光敏三極管采用金封3DU5C，光敏三極管具有電流放大作用，它的集電極電流隨著光輻射強(qiáng)弱變化而變化，與普通的光敏電阻相比，具有靈敏度高、聚光性能好，采光能力強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)。 光敏三極管采集到光照信號(hào)，三極管放大所得信號(hào)，傳送到PIC18，由PIC18 進(jìn)行處理判斷， 從而輸出不同占空比PWM 信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，達(dá)到調(diào)節(jié)采光板的目的。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用ULN2003，ULN2003 是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，他的輸出端允許通過電流200mA,飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V,采用集電極開路輸出，輸出電流大，可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 電機(jī)使用五線四相步進(jìn)電機(jī)，五線四相步進(jìn)電機(jī)是一種利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，四相時(shí)序控制電流的感應(yīng)電機(jī)。給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，具有較強(qiáng)的快速啟停能力。 本系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽所處的具體位置，對(duì)太陽光進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，而且調(diào)試簡單，成本比較低。

2 主要電路分析

2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理及設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是五線四相步進(jìn)電機(jī)28YBJ-48，在空轉(zhuǎn)情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向以及停止的位置是由單片機(jī)發(fā)出脈沖的數(shù)量，時(shí)間間隔以及方向決定的，當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過5.624 度，即轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)的速度取決于兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間，時(shí)間越短，步進(jìn)電機(jī)速度越快。通過調(diào)節(jié)PIC18 單片機(jī)的脈沖時(shí)間間隔，即可進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制了。為了全方位的跟蹤太陽，我們使用兩塊驅(qū)動(dòng)電路分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)， 使采光板能夠左右和上下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位角和高度角的跟蹤。

驅(qū)動(dòng)輸入端IN1-IN4， 與單片機(jī)四個(gè)IO 口相接， 四個(gè)上拉電阻R1-R4 都選用4.7K 歐姆的電阻， 使用5V 直流電壓，ULN2003A 芯片另一端接MA-MD 接電機(jī)的四個(gè)輸入口，另一線接+5V 電壓。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 光電檢測(cè)模塊原理及設(shè)計(jì)

光源照射到光敏三極管表面上，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了的信號(hào)電流，該電流的大小與光照的強(qiáng)弱有關(guān)。

光敏三極管3DU5C 是采用半導(dǎo)體制作工藝制成的具有NPN 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體三極管。為適應(yīng)光電檢測(cè)，它的基極面積較大，并且裝在帶有玻璃透鏡金屬管殼內(nèi)，當(dāng)光照射時(shí)，入射光被基極吸收，光線通過透鏡集中照射在芯片上。 光敏三極管的集電極接5V 電壓， 其發(fā)射極接地。

采用光敏三極管來檢測(cè)光照強(qiáng)度，三極管擴(kuò)大電流的作用。 對(duì)于點(diǎn)光源的檢測(cè)，除了使用高靈敏度的三極管外，三極管的數(shù)量和布局的選擇也至關(guān)重要，在本系統(tǒng)中，三極管的布局采用如下的形式，八個(gè)光敏三極管分別檢測(cè)上下左右四個(gè)方位的光強(qiáng)，根據(jù)光強(qiáng)來判斷光源的位置，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)激光筆的運(yùn)動(dòng)。

圖3 光敏三極管布局圖

2.3 液晶顯示與手動(dòng)調(diào)節(jié)按鍵的設(shè)計(jì)

1602 是一種專門用來顯示字母、 數(shù)字、 符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16 個(gè)字符液晶模塊，5V 工作電壓，對(duì)比度可調(diào)，內(nèi)含復(fù)位電路，提供各種控制命令。3 端為背光調(diào)節(jié)端，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器即可改變液晶屏的亮度，RS端為數(shù)據(jù)命令選擇端，RW 為讀寫控制輸入端，E 端為使能端，DB0-DB7 為數(shù)據(jù)并行端口，15 和16 管腳為背光的電源與接地端口。 本系統(tǒng)利用1602 顯示AD 采集到的上、下、左、右四個(gè)光敏三極管的電壓值。

圖4 LCD 電路及手動(dòng)調(diào)節(jié)鍵盤

手動(dòng)調(diào)節(jié)鍵盤由四個(gè)獨(dú)立鍵盤構(gòu)成， 上拉電阻R01-R04 使用10K 歐姆的電阻，電源使用+5V 直流電源，當(dāng)按鍵空置時(shí)，單片機(jī)IO口接收電壓為5V, 當(dāng)按下按鍵時(shí)， 電路導(dǎo)通， 返回到IO 口的電壓為0V，即當(dāng)PIC18 接收到的信號(hào)為低電平時(shí)，確定按下鍵盤。 其中K1 和K2 負(fù)責(zé)電機(jī)上轉(zhuǎn)和下轉(zhuǎn)，K3 和K4 負(fù)責(zé)另一電機(jī)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。

3 智能工作程序框圖

程序采用C 語言編寫，通過Microchip 的開發(fā)平臺(tái)MPLAB IDE 編譯。 程序框圖如圖5 所示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)處于模式判定狀態(tài)，按鍵可以選擇自動(dòng)初始化尋光和手動(dòng)初始化尋光。手動(dòng)尋光時(shí)，四個(gè)獨(dú)立鍵盤，通過人工調(diào)節(jié)，更快捷的尋找到光源。然后轉(zhuǎn)入到自動(dòng)尋光模式中，當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，光照強(qiáng)度隨時(shí)間改變時(shí)，光敏傳感器感應(yīng)到光照強(qiáng)度的變化，從而轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的強(qiáng)弱，然后將信號(hào)傳給送單片機(jī)，單片機(jī)通過四路AD 轉(zhuǎn)換器采集電壓，得到電壓數(shù)據(jù)后，先是到1602LCD 液晶屏上，然后比較左右、上下電壓值的壓差，然后將比較結(jié)果反饋給PIC18 單片機(jī)中，單片機(jī)產(chǎn)生不同的PWM 信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路中，從而調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)改變接收器的方向。

圖5 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將PIC18F4520 控制板，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，光電檢測(cè)模塊，液晶顯示模塊等部分進(jìn)行整合后調(diào)試， 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果完全符合預(yù)期效果。 本系統(tǒng)可以通過光敏三極管進(jìn)行檢測(cè)，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)雙向步進(jìn)電機(jī)，使得采光板始終面對(duì)光源，跟蹤效果好，運(yùn)行穩(wěn)定。 也可人工進(jìn)行定期的校對(duì)。

5 結(jié)論

當(dāng)今社會(huì)， 節(jié)能環(huán)保已經(jīng)深入人心，成為社會(huì)的主流，而太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源， 更是深受廣大消費(fèi)者的青睞。

本文設(shè)計(jì)的基于PIC18 的太陽光自動(dòng)追蹤系統(tǒng)通過多次測(cè)試表明， 該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的跟蹤。 該自動(dòng)追蹤系統(tǒng)具有跟蹤精度高， 結(jié)構(gòu)簡單， 成本低，抗干擾能力強(qiáng)。 因此本文所設(shè)計(jì)的太陽光自動(dòng)追蹤系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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