太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

【摘要】該文以Atmega16單片機(jī)為控制核心，通過(guò)光電管對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)度采樣，采樣信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，進(jìn)行運(yùn)算分析來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)X/Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到跟蹤太陽(yáng)光源的目的。

【關(guān)鍵詞】光源跟蹤；步進(jìn)電機(jī)

1.引言

伴隨日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，可再生資源的開(kāi)發(fā)和利用成為人們研究的重點(diǎn)對(duì)象。太陽(yáng)能以其普遍、長(zhǎng)久、安全等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。目前太陽(yáng)能已被不同程度地用在了多個(gè)領(lǐng)域，如電池領(lǐng)域，但普遍存在利用率不高的問(wèn)題，很多場(chǎng)合下，電池板要么被安裝成固定角度，要么只能按照固定角度偏轉(zhuǎn)，沒(méi)有充分使太陽(yáng)光垂直照射到電池板上，降低了太陽(yáng)能的利用率。為提高利用率，本文設(shè)計(jì)了一種基于Atmega16單片機(jī)的太陽(yáng)能電池板光源跟蹤控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤太陽(yáng)并使太陽(yáng)光充分垂直照射電池板，從而提高了太陽(yáng)能的利用率。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)采用光強(qiáng)比較法來(lái)跟蹤太陽(yáng)光源。整機(jī)裝置包括：太陽(yáng)能電池板、電源管理電路、光電管、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)以及機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理如圖2所示，在太陽(yáng)能電池板邊沿的中間位置分別安裝一個(gè)光電管，根據(jù)太陽(yáng)光照射到電池板對(duì)邊兩個(gè)光電管的角度（如圖α、β）不相等，使得光電管1、2感受的光照強(qiáng)度不同從而產(chǎn)生大小不同的光電流，將光流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)比較采集后的電壓信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)向電壓大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1光強(qiáng)采集電路

系統(tǒng)使用靈敏度較高的3DU33光電管作為光強(qiáng)檢測(cè)器件，其光電流大于2mA，發(fā)射極只需串接很小的電阻便可得到可被采集的電壓，而且其響應(yīng)時(shí)間<1ms，反應(yīng)速度快。

需要注意的是，強(qiáng)光下，光電流較大，此時(shí)光電管發(fā)射極電阻不宜過(guò)大[2]，否則各個(gè)光電管輸出電壓均趨于5V，系統(tǒng)不能檢測(cè)出對(duì)邊兩只光電管的輸出電壓差。該設(shè)計(jì)中，R1使用330Ω，在冬天中午陽(yáng)光照射下，測(cè)得輸出電壓已達(dá)到3.6V。

3.2 步進(jìn)電機(jī)

設(shè)計(jì)使用5線四相減速步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48，減速比為1：64，步矩角為5.625°/64=0.087 89°，遠(yuǎn)小于不帶減速比的步進(jìn)電機(jī)，這是提高跟蹤精度的很好選擇。

對(duì)于四相步進(jìn)電機(jī)，其工作方式可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等，但單4拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半，因此，8拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。設(shè)計(jì)采用8拍工作方式，那么1拍轉(zhuǎn)過(guò)的角度為0.087 89°/2=0.043 945°，進(jìn)一步提高了跟蹤精度。

3.3 電源管理電路

為了使系統(tǒng)能夠在室外正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能電池板和鋰電池合理給系統(tǒng)供電。當(dāng)太陽(yáng)能電池板輸出功率不夠時(shí)，由鋰電池給系統(tǒng)供電；當(dāng)鋰電池電壓低于3.5V的時(shí)候，太陽(yáng)能電池板給鋰電池充電；否則由太陽(yáng)能電池板給系統(tǒng)供電。

測(cè)試知，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)輸入功率接近2.5W（5V/480mA）。考慮到天氣和季節(jié)因素，一般要求電池板的最大輸出功率要3W以上，故設(shè)計(jì)采用8片太陽(yáng)能電池片（0.5V/1.2A）串聯(lián)，得到4V/1.2A（最大輸出4.8W）的輸出，經(jīng)DC-DC升壓電路給系統(tǒng)供電。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖3所示，系統(tǒng)一上電先進(jìn)行粗調(diào)來(lái)確定太陽(yáng)光源的大概位置。其思想是：將水平面平均分成12個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中對(duì)光照強(qiáng)度采樣8次，并累加保存。進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域，同樣采樣8次并累加，比較相鄰區(qū)域累加值的大小，并讓電機(jī)向累加值大的區(qū)域方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到找到累加值最大的區(qū)域，這時(shí)說(shuō)明太陽(yáng)位置在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)。

粗調(diào)完成后，對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行管理，分別對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓和鋰電池電壓采樣，經(jīng)單片機(jī)分析，正確的對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作以合理地為系統(tǒng)配備電能。

微調(diào)思想：先對(duì)X方向調(diào)整，完成后，再對(duì)Y方向調(diào)整。為得到較平滑的采樣數(shù)據(jù)，先使光電管采樣64次，再求和取平均，通過(guò)比較對(duì)邊光電管的平均值，決定步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。直到X方向和Y方向的兩個(gè)光電管采樣值都相等，則調(diào)整完成，此時(shí)光源處于電池板中心處。

5.運(yùn)行測(cè)試

測(cè)試條件：光源距離激光筆105cm，激光筆安裝在電池板的中心，Y方向上，激光筆在偏離光源±30°范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

6.結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，在偏離光源±45°范圍內(nèi)，系統(tǒng)均能在9s內(nèi)定位光源，并且偏差不大于4cm。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)緊跟太陽(yáng)，不會(huì)出現(xiàn)太陽(yáng)突然偏轉(zhuǎn)電池板一個(gè)較大角度的情況，因此激光筆偏離光源距離是所關(guān)心的，而本設(shè)計(jì)測(cè)得的偏離距離不超過(guò)4cm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：306-321.

[2]張?zhí)扃?，姜寶均，鄧興成.基于MCS-51單片機(jī)的光源跟蹤[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2006（12）：39-40.