太陽能跟蹤系統(tǒng)的研究

趙小圣　言家權(quán)　米仁騰　章文鶴　姚毅

【摘 要】太陽能是一種理想的可再生能源，為了提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計了一種基于光敏電阻檢測的智能跟光系統(tǒng)。本課題主要研究的是該系統(tǒng)以STC12單片機為核心的太陽光線自動跟蹤設(shè)備，利用光敏電阻以及步進電機驅(qū)動雙軸跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終垂直于太陽照射的光線，從而大大的提高太陽能的利用率。

【關(guān)鍵詞】太陽能跟蹤系統(tǒng)；單片機；光敏電阻

Research on Solar Tracking System

ZHAO Xiao-sheng YANG Jia-quan MI Ren-teng ZHANG Wen-he YAO YI

（Hunan University of Humanities and science and technology of electronic information engineering， Loudi Hunan 417000， China）

【Abstract】Solar energy is an ideal renewable energy. In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell ， a kind of intelligent light system based on photoelectric detection has been designed. This paper mainly discusses the system STC12 microcontroller as the core of the sun's rays automatic tracking equipment ， the use of light-sensitive resistors and stepper motor drive dual-axis tracking system ， and the solar panels is always perpendicular to the suns rays ， thus greatly improving the solar utilization.

【Key words】Solar tracking system； MCU； Photosensitive resistance

0 引言

太陽能是一種可以不斷持續(xù)利用的清潔能源，同時也是一種特別理想的可再生能源。由于太陽能能量密度低，就目前的技術(shù)而言，對太陽能的接收連續(xù)性比較差，并且隨著季節(jié)、晝夜、氣候條件的變化而有比較大的變化。如今，太陽能的應(yīng)用主要集中在太陽暖房和太陽能熱水器等采光時間不連續(xù)、能量密度要求不高和用戶分散的一些領(lǐng)域，這就使得這些設(shè)備無法提高太陽能的利用效率。大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電是節(jié)約礦石能源、降低二氧化碳排放、確保能源安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一，太陽能作為一種綠色可再生能源，對其充分利用是非常重要的，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研究是當(dāng)前研究的一個熱點[1-4]。目前，制約太陽能光伏發(fā)電的主要因素是光電轉(zhuǎn)換成本高、發(fā)電量波動大以及不適合于遠距離輸送[5-6]。采用自動跟蹤系統(tǒng)可延長太陽能發(fā)電時間，增加發(fā)電量，一定程度上降低發(fā)電量的波動，降低太陽能發(fā)電成本。由于太陽在天空中的位置是不斷變化的，影響太陽能的吸收效率，為此本次研究了一種太陽能自動跟蹤系統(tǒng)來跟蹤太陽光線，用來提高太陽能利用率。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 光敏檢測的原理

光敏采集電路接口原理圖如圖1所示。

圖1 光敏采集電路接口原理圖

當(dāng)光敏電阻被光照射，光敏電阻的阻值就會變小，采集點電壓就會升高，從而達到檢測試否有光照的作用。

單片機時刻掃描采集點的電壓（分四個方向：東、南、西、北），并且進行比較，得出光照的最強點，從而控制舵機工作。

1.2 舵機控制原理

1.2.1 PWM信號的定義

PWM 信號為脈寬調(diào)制信號，其特點在于它的上升沿與下降沿之間存在一定的寬度，本次設(shè)計采用的HG14-M舵機采用傳統(tǒng)的PWM協(xié)議，具有產(chǎn)業(yè)化，成本低，旋轉(zhuǎn)角度大易控制等優(yōu)點，不用隨時接收指令，減少CPU占有時間，可以位置自鎖，位置跟蹤。

1.2.2 PWM信號控制精度制定

本設(shè)計采用的是8 位的微控制器STC12A60S2，其數(shù)據(jù)分辨率為28=256，對HG14-M而言，將其劃分為250 份最為合適，且PWM上升沿最少為0.5ms，最多2.5ms，那么0.5mS—2.5Ms 的寬度為2mS= 2000uS。則PWM 的控制精度為2000 / 250=8us，故以8uS 為單位遞增控制舵機轉(zhuǎn)動與定位。HG14-M舵機可以轉(zhuǎn)動的角度為185 度，則其控制的精度為185 / 250=0.74 度。

1.3 時間采集原理

圖2 時鐘驅(qū)動電路

本設(shè)計采用的時鐘驅(qū)動電路如圖2所示，采用DS1302芯片來讓系統(tǒng)獲取精準(zhǔn)時間，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時、且具有閏年補償?shù)榷喾N功能，功耗低且實時性高。DS1302與MCU進行數(shù)據(jù)交換時，首先由MCU向DS1302發(fā)送命令字節(jié)，字節(jié)最高位（bit7）必須為0，寫1時則無法對芯片進行讀寫；其次bit6為0時指定時鐘數(shù)據(jù)，為1時指定RAM數(shù)據(jù)；bit5～1指定輸入或輸出的特定寄存器；最低位bit0為邏輯0，指定寫操作，為邏輯1時則指定讀操作。

1.4 液晶顯示原理

本設(shè)計顯示部分采用LCD1602進行數(shù)據(jù)的實時顯示，并通過按鍵來顯示不同的數(shù)據(jù)。LCD1602專門用于顯示字符的點陣型液晶，此次采用的液晶由5*11的點陣字符位組成，每一個點陣字符位都可以顯示一個字符，字符位每一行存在間隔，并且在相鄰點陣字符位之間也存在間隔。MCU通過發(fā)出指令來控制LCD工作。LCD通過數(shù)據(jù)總線DB0～7和E（使能端）、R/W（讀寫端）、R/S（寄存器選擇位）與MCU連接，兩者通過一定的時序相互傳輸數(shù)據(jù)。主控芯片發(fā)出的指令和數(shù)據(jù)，存放在液晶的字符存儲區(qū)中，進行一系列的查找之后最終顯示出字符數(shù)據(jù)。并且MCU通過發(fā)出不同的指令，可以使得液晶實現(xiàn)字符的閃爍，移位等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

由舵機控制的太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計主要分為五個模塊：主要有主控電路、光電檢測模塊，時鐘模塊，LCD1602顯示模塊，按鍵選擇模塊，每個模塊的銜接和驅(qū)動都由程序控制。它的主要原理是：它的主要原理是把太陽能跟蹤傳感模塊采集的信號通過AD轉(zhuǎn)換電路輸入到單片機進行處理比較。經(jīng)過單片機的判斷數(shù)值比較，單片機隨之輸出相應(yīng)的PWM波控制舵機轉(zhuǎn)角。直到太陽跟蹤傳感器接收到的信號相等為停止，也就是指向太陽的時候停止。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括光電檢測，舵機控制，時間采集、數(shù)據(jù)顯示4部分。其工作流程圖如圖4所示；系統(tǒng)軟件設(shè)計如下：系統(tǒng)啟動后，首先進行各個模塊的初始化，之后為循環(huán)過程：通過DS1302獲取精確的時間，沒到達工作時間系統(tǒng)不開啟跟蹤，僅顯示基本時間數(shù)據(jù)。達到工作時間之后，自動開啟光電檢測裝置，開始跟蹤， 判斷太陽能電池板是否垂直于太陽光。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)采用手電筒作為光源，通過改變手電筒的亮度來模擬太陽光照的強弱，通過改變手電筒的位置來模擬太陽的轉(zhuǎn)動，把光電傳感器采集到的信號輸入給STC12昨相應(yīng)的處理來控制舵機的轉(zhuǎn)動，實驗結(jié)果表明，舵機能夠依據(jù)四個方向的光照強弱做正反轉(zhuǎn)運動，當(dāng)四個方向的光強差值較大時，舵機轉(zhuǎn)動的角度也較大；當(dāng)差值小時，舵機轉(zhuǎn)動角度也小，初步認定系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤太陽。跟蹤系統(tǒng)太陽能的利用率和電量損耗是限制太陽能跟蹤系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的又一問題。系統(tǒng)在夜晚時不啟動跟蹤，利于減小電源損耗，因此該系統(tǒng)具有較好的實用價值。

圖4 太陽能跟蹤系統(tǒng)工作流程圖

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[責(zé)任編輯：湯靜]