基于STC15的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

阿 杰，高金鳳

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院自動(dòng)化研究所，杭州 310018）

基于STC15的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

阿 杰，高金鳳

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院自動(dòng)化研究所，杭州 310018）

太陽(yáng)能是一種無(wú)污染且取之不盡的清潔能源，但是它有一定的分散性、方向性和不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種能定向跟蹤太陽(yáng)方位的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由STC單片機(jī)主控部分、光線檢測(cè)部分和雙軸機(jī)械跟蹤部分三部分組成。并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性，且具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高太陽(yáng)能的實(shí)際利用率有重大意義。

雙軸機(jī)械跟蹤； 定位系統(tǒng)； 太陽(yáng)能

0 引言

相比于傳統(tǒng)能源，太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、普遍存在且取之不盡、用之不竭的清潔能源，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前實(shí)際使用的太陽(yáng)能電池板陣列大多是不能移動(dòng)的，因此，太陽(yáng)能資源不能得到充分利用，而且發(fā)電效率低下。在相同的太陽(yáng)光照條件下，經(jīng)過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的電池板陣列要比固定陣列的發(fā)電量高35%左右[1,2]。這表明太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)可以使太陽(yáng)能電池板陣列的發(fā)電效率大幅度提高。

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)在主控單元上可以分為單片機(jī)控制和可編程邏輯控制器（PLC）控制。PLC控制程序在出廠時(shí)由專業(yè)人員編寫開(kāi)發(fā)，技術(shù)成本比較高，不適合大批量定制生產(chǎn)。而單片機(jī)學(xué)習(xí)使用比較容易，一般由多個(gè)子函數(shù)模塊，可以直接調(diào)用，并且單片機(jī)能夠提供多種通訊接口，可以比較方便地建立通訊組網(wǎng)。羅維平等[4]研究了基于PLC構(gòu)建的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，由PLC控制和監(jiān)控程序以及PC監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理程序構(gòu)成。高磊等[5]搭建了以單片機(jī)為核心的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，分析了細(xì)分驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤精度的影響。結(jié)果說(shuō)明采用單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案較優(yōu)。

1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的組成

1.1 光電檢測(cè)電路部分

圖1是光線檢測(cè)電路裝置中二極管的放置方式示意圖，其包含9個(gè)二極管。正中央1個(gè)，周圍8個(gè)圍成一圈，檢測(cè)板上覆蓋有一個(gè)不透明的圓柱體。圖2為光電檢測(cè)電路的信號(hào)處理單元電路，兩個(gè)光電二級(jí)管分別接到一個(gè)傳感器的輸入端，當(dāng)光電二極管沒(méi)有受到光照時(shí)，運(yùn)放輸出的低電平會(huì)通過(guò)電路傳到傳感器的輸入端。而當(dāng)陽(yáng)光輻射到光電二極管時(shí)，光敏電阻的阻值減小，lkΩ可變電阻的壓降隨之增大[6]，最終產(chǎn)生與太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度有直接關(guān)系的電壓信號(hào)。把傳感器輸出端與單片機(jī)進(jìn)行連接，單片機(jī)進(jìn)行比較運(yùn)算[7]，最后輸出正確的信號(hào)驅(qū)動(dòng)雙軸機(jī)械定位跟蹤定位部分的步進(jìn)電機(jī)。

圖1 光電檢測(cè)電路俯視圖

1.2 雙軸機(jī)械跟蹤定位部分

雙軸機(jī)械跟蹤定位部分主要是由兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸、絕對(duì)值伺服電機(jī)、電池板支架和底座構(gòu)成。太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可同時(shí)在高度角和方位角兩個(gè)方向上進(jìn)行跟蹤。在機(jī)械裝置的幫助下，電池板可以在垂直方向上0～90°和水平方向上360°之間自由旋轉(zhuǎn)。2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)部位都安裝有滾珠軸承。在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的齒輪上分別安裝2塊小磁鐵和干簧管，并調(diào)整其位置使小齒輪上的磁鐵干簧管時(shí)能夠閉合，由單片機(jī)判斷此信號(hào)從而確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和位置[8～10]。單片機(jī)發(fā)出方位角和高度角電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，分別加在兩個(gè)方位的電機(jī)上，從而構(gòu)成實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。

圖2 信號(hào)處理單元電路

1.3 時(shí)鐘電路部分

時(shí)鐘電路采用DALLAS串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，如圖3所示。它通過(guò)串行通訊的方式與單片機(jī)進(jìn)行連接。將DS1302的I/O、SCLK、RST三根引腳分別與單片機(jī)AT89C52的三根輸入口相連接即可。DS1302主要引腳有：X1，X2，連接32.768kHz晶振。其中GND連接電源地。I/O口是數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。SCLK是串行時(shí)鐘輸入引腳。VCC1、VCC2是主電源與后備電源引腳。

圖3 DS1302時(shí)鐘電路圖

1.4 單片機(jī)控制部分

單片機(jī)采用STC15單片機(jī)，圖4為IAP15F2K61S2封裝腳位圖。其處理速度快，響應(yīng)及時(shí)，一條指令耗時(shí)1個(gè)時(shí)鐘周期，有高速、高可靠的特性，并且內(nèi)部具有高精度R/C時(shí)鐘和8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，不需要外部另加昂貴的晶振，節(jié)約了成本，在系統(tǒng)和應(yīng)用里都能自由編程。

圖4 IAP15F2K61S2封裝腳位圖

2 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

為了提高太陽(yáng)能電池板的利用率，通常要求從高度角和方位角兩個(gè)方向上跟蹤太陽(yáng)，以確保太陽(yáng)光能實(shí)時(shí)垂直地照射在電池板[10]。

太陽(yáng)能高度角α計(jì)算方式如下：

太陽(yáng)能方位角γ計(jì)算方式如下：

式(1)、式(2)中，φ代表當(dāng)?shù)鼐暥?，δ代表太?yáng)赤緯角，ω代表太陽(yáng)時(shí)角。

式(3)中，n是積日，一月一日為1，一月二日為2，依此類推。且：

式(4)中，t（小時(shí)）是一天當(dāng)中的時(shí)刻。

根據(jù)式(1)～式(4)[11,12]計(jì)算出太陽(yáng)高度角和方位角，再通過(guò)對(duì)兩個(gè)角度進(jìn)行雙軸跟蹤，即可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤。

開(kāi)機(jī)首先進(jìn)行時(shí)間校正。若第一次調(diào)整時(shí)遇到的是陰天，可用手電筒模擬太陽(yáng)進(jìn)行定位。有了初始數(shù)據(jù)后，程序就可自動(dòng)調(diào)整。高度角和方位角合用二個(gè)字節(jié)，并且將時(shí)間的分和時(shí)組成一個(gè)字節(jié)，把這三個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)到STC15指定的RAM中。如果陰天，則直接調(diào)用上次在同一時(shí)間的位置。由微機(jī)采集固定光強(qiáng)、跟蹤光強(qiáng)和電瓶溫度等數(shù)據(jù)，并對(duì)蓄電池放電和充電進(jìn)行分級(jí)控制。

硬件連接如圖5所示。

圖5 硬件連接圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示。系統(tǒng)首次安裝使用時(shí)會(huì)讀取時(shí)鐘芯片的初始化設(shè)置。步進(jìn)電機(jī)在單片機(jī)的控制下反向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至碰觸限位開(kāi)關(guān)后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此位置的太陽(yáng)能電池板的高度角和方位角均是確定的。

然后軟件將時(shí)鐘提供的日出日落時(shí)間和單片機(jī)儲(chǔ)存的日出日落時(shí)間進(jìn)行比較，如果是日出后日落前，傳感器電路由光照強(qiáng)度判斷是否為晴天，如果是晴天，進(jìn)行時(shí)鐘跟蹤，也就是把單片機(jī)里存儲(chǔ)的太陽(yáng)角度數(shù)據(jù)與實(shí)際的高度角和方位角進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出數(shù)據(jù)差值，然后將其轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)據(jù)，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度，再通過(guò)傳感器電路檢測(cè)陽(yáng)光是否垂直照射電池板，若沒(méi)有，則把信號(hào)重新發(fā)送給單片機(jī)，在其二次處理下再次驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至太陽(yáng)光垂直照射電池板；若為陰天，則只需進(jìn)行時(shí)鐘跟蹤即可。

3 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)誤差分析

傳動(dòng)部分是太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的誤差主要來(lái)源。傳動(dòng)部分是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行單元，主要作用是將接收到的來(lái)自控制部分的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而使得太陽(yáng)能電池板垂直跟蹤太陽(yáng)。本文采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸輪與蝸桿之間的傳動(dòng)存在有很多不可避免的誤差，例如蝸輪、蝸桿本身的制造誤差，由于磨損產(chǎn)生的誤差和中心距誤差等，由于磨損而產(chǎn)生的誤差主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷大小以及潤(rùn)滑情況決定。對(duì)系統(tǒng)傳動(dòng)精度有較大影響的誤差是齒輪中心距誤差，但是中心距誤差在系統(tǒng)裝配過(guò)程中不可避免，所以，只能盡量減小其對(duì)精度的影響。

控制系統(tǒng)誤差包含兩個(gè)部分：軟件系統(tǒng)誤差和硬件系統(tǒng)誤差。該部分精度一般都很高，不存在大的優(yōu)化空間。此外，還包括安裝連接帶來(lái)的誤差、工作平臺(tái)本身的誤差和密封潤(rùn)滑造成的誤差等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種能定向跟蹤太陽(yáng)方位的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由STC單片機(jī)主控部分、光線檢測(cè)部分和雙軸機(jī)械跟蹤部分三部分組成。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有結(jié)果簡(jiǎn)單、成本低廉、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。此外，還對(duì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能最大面積地吸收太陽(yáng)光能，從而大幅度提高太陽(yáng)能電池板陣列的發(fā)電效率，提高太陽(yáng)能的實(shí)際利用率。

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The design of the solar automatic tracking system based on STC15

A Jie, GAO Jin-feng

TH112.1

A

1009-0134(2016)12-0101-03

2016-08-02

浙江省科技廳項(xiàng)目（2014C31082）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61374083）

阿杰（1991 -），男，也門，碩士研究生，主要從事太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方面的研究。