基于單片機(jī)的光伏板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆星源 段宇凡 張航 楊昌登 蓋新鵬 任守華 李少飛

摘? 要：現(xiàn)代社會對綠色能源的需求與日俱增，太陽能因其環(huán)保、綠色、可再生，而且分布范圍廣，具有廣闊的利用前景。由于固定方式安裝光伏板導(dǎo)致太陽能利用效率低，一直影響著太陽能技術(shù)的應(yīng)用效率。太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新方法，從而提高了太陽能的利用效率。設(shè)計(jì)中采用光電跟蹤的方法，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動水平方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，由光電傳感器感受太陽的位置并發(fā)送至單片機(jī)中，單片機(jī)通過對跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平方向控制，調(diào)整太陽能電池板的角度實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。

關(guān)鍵詞：太陽能;跟蹤;單片機(jī);步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號：TM615? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0025-02

Abstract： The demand for green energy in modern society is increasing day by day. Solar energy has a broad utilization prospect because of its environmental protection， green， renewable， and wide distribution. The fixed installation of photovoltaic panels leads to low solar energy utilization efficiency， which has been affecting the application efficiency of solar energy technology. The design of solar energy automatic tracking system provides a new method to solve this problem， thus improving the utilization efficiency of solar energy. The method of photoelectric tracking is adopted in the design， and the horizontal motion mechanism is driven by the stepper motor. The position of the sun is sensed by the photoelectric sensor and sent to the single-chip microcomputer. The single-chip microcomputer controls the horizontal direction of the tracking mechanism by adjusting the angle of the solar panel to achieve the tracking of the sun.

Keywords： solar energy; tracking; single chip microcomputer; stepper motor

1 概述

隨著常規(guī)能源資源的有限性和不可再生，使世界上許多國家重新加強(qiáng)了對新能源和可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持。煤炭巨量消費(fèi)已成為我國大氣污染的主要來源。我國具有豐富的太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿刃履茉春涂稍偕茉促Y源，開發(fā)利用前景廣闊。目前太陽能利用最普遍的形式是通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，為了收集到盡可能多的太陽能，多數(shù)研究方案采取跟蹤方式，使太陽光收集器的采光面始終對準(zhǔn)太陽。本設(shè)計(jì)方案就是一個簡單的一個單軸跟蹤系統(tǒng)。

2 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)組成及工作原理以單片機(jī)為控制核心，采用光強(qiáng)度檢測電路測量，以光敏傳感器作為測量元件，構(gòu)成光電測量模塊。該系統(tǒng)可分為電源控制模塊電路、光電測量電路、時鐘電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、單片機(jī)、LED顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。選用的主要器件有：光敏電阻，時鐘芯片74LS74，AT89C52，LED數(shù)碼管，步進(jìn)電機(jī)與轉(zhuǎn)換芯片ADC0809等。

采集電路的設(shè)計(jì)思路：首先通過驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度后采集光敏電阻光強(qiáng)信號后進(jìn)行顯示并進(jìn)行記錄，利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊板兩側(cè)，如果太陽光垂直照射太陽能電池板，兩個光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同時，它們的輸出信號相等，單片機(jī)發(fā)出信號停止驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動;當(dāng)太陽光方向與采光板垂直方向不平衡時，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值將減小，顯示的光照強(qiáng)度就會強(qiáng)于另一個傳感器輸出的信號，此時驅(qū)動電機(jī)向光強(qiáng)度較高的一側(cè)運(yùn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強(qiáng)度信號相同，停止電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的目的。當(dāng)系統(tǒng)處于光線較弱或夜晚時，系統(tǒng)檢測光照強(qiáng)度信號低于光伏板最低工作條件時，系統(tǒng)自行停止對光信號的采集和電機(jī)的驅(qū)動，達(dá)到節(jié)約能源的目的。光強(qiáng)度采集傳感器如圖1所示。

太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是通過對裝置機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)角度的精確控制，實(shí)現(xiàn)對太陽運(yùn)行軌跡的跟蹤。并且要求整個系統(tǒng)能夠全天候的自動運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單可靠。由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對控制對象位置角度的精確控制，并且對控制對象的移動速度要求不高，因此控制部件首先考慮采用步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。

3 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的軟件程序部分使用了AT89C52的P0.0-P0.7和P1.0-P1.3口來進(jìn)行對數(shù)據(jù)的顯示，顯示所測得的當(dāng)時的太陽光強(qiáng)度，即驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動停止后，采集的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)對太陽光的跟蹤，首先要判斷是不是外面的光照很強(qiáng)，如果光照很弱的話，就需要外界一點(diǎn)很強(qiáng)的光源做模擬太陽光，準(zhǔn)備好以后開機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動一個設(shè)定好的角度后停止，采集這點(diǎn)的光強(qiáng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后顯示出此時的光強(qiáng)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個角度，一直轉(zhuǎn)到一圈為止，通過之前采集的數(shù)據(jù)做一個對比，選擇出光強(qiáng)最大的位置后控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)回原來光照最強(qiáng)的位置停止。此次跟蹤系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對系統(tǒng)硬件和軟件的調(diào)試，最后設(shè)計(jì)出了一塊成品。接通電源，A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行初始化設(shè)定，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度后停止，開始采集光強(qiáng)A/D轉(zhuǎn)換后顯示，電機(jī)再轉(zhuǎn)動一個角度后停止，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動過一周以后時，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出光強(qiáng)最強(qiáng)的位置，通過電機(jī)反轉(zhuǎn)到這個位置。根據(jù)查閱資料，得出光照強(qiáng)度并沒有一個特定的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。在實(shí)測中，第一次測量的數(shù)據(jù)如表1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動12個角度時采集到的12組電壓，對比以后知道第一次測試的電壓第5組最大，那就說明在第5次采集的時候，光照強(qiáng)度最高，使光敏電阻的阻值最小，導(dǎo)致采集的電壓變大，第5次的位置就是太陽光照射的位置。

第二次測量的數(shù)據(jù)如表2所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動12個角度時采集到的12組電壓，對比以后知道第二次測試的電壓第8組最大，那就說明在第8次采集的時候，光照強(qiáng)度最高，使光敏電阻的阻值最小，導(dǎo)致采集的電壓變大，第8次的位置就是太陽光照射的位置。

5 結(jié)束語

本文的主要研究內(nèi)容是基于單片機(jī)的光伏板自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在前人研究的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的細(xì)化和實(shí)物設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)是將光電跟蹤方式和視日運(yùn)動軌跡跟蹤方式用一種新的方法（兩種方式同時采用，而非相互切換）結(jié)合在一起，提高了系統(tǒng)的追蹤精度、可靠性，降低了整個裝置的整體成本。

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