基于單片機的太陽自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

楊文婷 田海濤 甘 泉 范聚源 溫昌盛

（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530007）

0 引言

我國有著豐富的太陽能資源，全國2/3 的國土面積年日照在2300 小時以上，96%的地區(qū)有可利用的太陽能資源。1997 年，美國研制了可以進行東西方向自動跟蹤的單軸跟蹤器，將接收器的熱接收率提高了15%；1998 年，美國成功地研制了兩軸跟蹤器，進一步提高了熱接收率[1]。

我國也有不少科學家在太陽能利用方面開展了多項研究。 1990 年，國家氣象局計量站研制了FST 型全自動太陽跟蹤器，1992 年， 推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)，成功地應用于太陽輻射觀測；2004 年，中國科學院上海物理技術(shù)研究所分析和研究了太陽全年中每一天的運行軌跡，建立了以太陽運行軌跡為理論的太陽跟蹤器運動數(shù)字模型，研制了兩維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)，通過微機運程控制，實現(xiàn)太陽的跟蹤[2]。

1 太陽跟蹤方案

1.1 光電跟蹤

光電跟蹤結(jié)構(gòu)簡易，設(shè)計簡單，靈敏度高，通過調(diào)整遮光板的位置光電管受到陽光照射，產(chǎn)生信號后輸出微電流，經(jīng)電路放大，由機械軸轉(zhuǎn)動來調(diào)整角度使追蹤裝置對準太陽，對太陽進行追蹤。 如果出現(xiàn)陰雨天或天氣即使是晴天，偶爾有云彩遮擋太陽，使光強發(fā)生變化光照不穩(wěn)定，硅光電管接收到太陽光線不準確，導致追蹤裝置無法對準太陽，而使系統(tǒng)誤動作。

1.2 視日運動軌跡跟蹤

視日運動軌跡是根據(jù)全年太陽運行規(guī)律，計算一天內(nèi)太陽高度角和方位角的理論值，模擬太陽在一天內(nèi)運動軌跡， 然后運行控制程序調(diào)整定追蹤裝置，在不受天氣影響的情況下，完成對太陽的實時跟蹤。 此類跟蹤控制的優(yōu)點是追蹤不受天氣影響、 結(jié)構(gòu)簡單、可靠，缺點是由于太陽一直在運動，理論上追蹤裝置的高度角和方位角也會在時刻調(diào)整，只能定期校正。

1.3 光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結(jié)合

將光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤結(jié)合，各取其長處，互補跟蹤。 晴天，太陽光線較強，采用光電傳感器跟蹤模式；在陰雨天，當太陽光照不穩(wěn)定時，采用視日運動軌跡跟蹤模式。這樣能再次提高裝置的效率，在任何氣候條件下都保證了穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制，更大限度地提高了跟蹤精度，目前適用于自動跟蹤裝置。

1.4 跟蹤控制方案

本系統(tǒng)設(shè)計為自動檢測陰晴天， 自動檢測晝夜。檢測為晴天，直接在光電跟蹤模式下進行追蹤；檢測為陰天， 自動進入視日運動軌跡的太陽角度跟蹤模式；檢測是黑夜，啟用中斷服務(wù)程序，進入停止狀態(tài)。光電檢測跟蹤模式下，利用光電二極管作為光電傳感器，判斷太陽方位，配合機械軸的轉(zhuǎn)動達到了追蹤太陽的目的；視日運動軌跡跟蹤模式下，則主要是通過運行控制程序調(diào)整定追蹤裝置的方位角和高度角，再配合機械軸的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對太陽的追蹤。 因此，即使天氣陰晴多變， 云彩遮擋太陽等多種復雜情況下，也能正常地追蹤太陽。同時在視日運動軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個高精度角度傳感器，最大限度地避免外界的干擾，提高了追蹤的精度。 該跟蹤方案可以在天氣變化比較復雜情況下，也能實現(xiàn)對太陽高精度的實時跟蹤，具有一定的經(jīng)濟實用性。

1.5 光電檢測電路的設(shè)計

在本系統(tǒng)中，AT89C51 單片機是整個系統(tǒng)的核心部分，發(fā)揮了十分重要的協(xié)調(diào)各個部件的作用，使整個追蹤系統(tǒng)溝通運行良好。其中核心部件光電檢測電路，有三個電路，均選擇光敏二極管作為光電傳感器。電路一是光電跟蹤模式下的光電檢測，當光敏二極管受到光照產(chǎn)生穿透電流，接通電路，無光照時無電流，斷開電路，由光敏二極管發(fā)出接通和斷開信號，作為單片機的輸入信號；電路二是陰晴檢測電路，由于電流大小隨光照強度影響，判斷是陰天還是晴天，單片機可以通過查詢高低電位來實現(xiàn)。電路三是晝夜檢測電路，當黑夜時，檢測電路會檢測到低電位，系統(tǒng)啟用外部中斷接口上的中斷服務(wù)程序，進入停止狀態(tài)。

1.5.1 光電檢測部分原理

光電檢測裝置主要部件是光電二極管，裝置的安裝保證光電二極管的檢測面正對太陽。電路檢測板采用了9 個光敏二極管作為陽光的檢測電路，排列見圖1， 呈中心環(huán)繞式排列，D0 放置在中間， 其余分布在D0 周圍。除D0 外8 個光敏二極管通過導線負端連在一起， 正端分別連接到放大器LM324 的輸入端，LM324 輸出信號到單片機AT89C51。 此時就D0 與D1～D8 分別組成了比較電路，當檢測板受到光照時，就會形成電平差，以此來判斷太陽光的方向。

圖1 光電二極管排列圖

經(jīng)過實驗得知，當D0 受到光照時，導通，8 組運放的同相檢測到高電位，8 組運放的反相由于被遮擋檢測到低電位。 為了確保系統(tǒng)的正常運行，將9 個電位器的阻值調(diào)到合適時，一旦光線照到某個光敏二極管上時，對應的電位器的電壓輸出低電位，其余則輸出高電位。因此，系統(tǒng)首先檢測中央的D0 是否受到了光照，若D0 受到了光照，轉(zhuǎn)動軸保持不動。 如果檢測到哪個光電二極管受到了光照，說明采光板未正對太陽，這時系統(tǒng)指揮相對應的電機轉(zhuǎn)動，直至D0 受到光照。

1.5.2 陰晴天檢測電路

當陽光不足時， 光電跟蹤模式會表現(xiàn)得不靈敏，無法追蹤太陽。因此，當陰天的時候，太陽光變得比較弱，系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換到視日運動軌跡跟蹤模式。 本系統(tǒng)使用軟硬件結(jié)合來控制，光電二極管檢測裝置和視日運動軌跡跟蹤軟件。 當太陽光的強度不足時，輸出低電平，系統(tǒng)進入視日運動軌跡跟蹤模式。

晴天時，程序正常運行光電跟蹤模式進行追蹤；陰天時，光電二極管所受到的光照不能使其導通，經(jīng)過比較之發(fā)現(xiàn)運放的反相輸入端的電位要高于其同相輸入端的電位，此時進入視日運動軌跡模式；天氣由陰轉(zhuǎn)晴時，光電二極管導通，系統(tǒng)就由視日運動軌跡模式下跳出，繼續(xù)回到光電跟蹤模式。 陰晴天自由切換，解決了陰天時光電跟蹤模式不能正常追蹤的問題。

1.5.3 晝夜檢測電路

檢測白天還是黑夜與檢測陰晴天的電路原理類似，都是利用運放比較電路，區(qū)別在于是電路中電阻的大小不同，同時電路需要接到中斷0 上。夜晚，中斷0 檢測到低電位后被激活，系統(tǒng)進入停止狀態(tài)。 白天，檢測到高電位，程序正常檢測陰晴天如常運行。

2 太陽自動跟蹤系統(tǒng)調(diào)試

將光電檢測模塊、驅(qū)動模塊、控制板等進行整合后調(diào)試， 系統(tǒng)啟動初始自動進入光電跟蹤模式下追蹤，陰雨天成功切換到視日運動軌跡跟蹤模式，晚上停止。軟件控制系統(tǒng)設(shè)置15 分鐘延時，避免轉(zhuǎn)動過于頻繁。 實驗室測量結(jié)果符合預期效果，采光板始終面對太陽光，運行穩(wěn)定。

設(shè)計的太陽自動跟蹤系統(tǒng)以AT89C51 單片機為控制核心，結(jié)構(gòu)簡單、跟蹤精度高、穩(wěn)定可靠，在不同天氣情況下可以進行光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤這兩種跟蹤方式相互切換，實現(xiàn)了對太陽的高精度跟蹤，跟蹤精度達到18″。 實現(xiàn)了高精度、全天候的太陽自動跟蹤，提高了太陽能的利用率。