太陽能自動(dòng)跟蹤機(jī)器人

費(fèi)敏，毛麗民，張?bào)揖懹裘?/p>

（常熟理工學(xué)院電器與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

太陽能自動(dòng)跟蹤機(jī)器人

費(fèi)敏，毛麗民，張?bào)揖懹裘?/p>

（常熟理工學(xué)院電器與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

提出一種基于AT89S52單片機(jī)的雙軸太陽能自動(dòng)跟蹤機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，以跟蹤傳感器為跟蹤元件，判斷太陽能電池板是否與太陽光垂直，同時(shí)通過控制系統(tǒng)對(duì)雙軸跟蹤裝置進(jìn)行調(diào)整.實(shí)驗(yàn)表明該機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，跟蹤效率高，具有較高的實(shí)用價(jià)值.

太陽能；雙軸跟蹤；機(jī)器人

在現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)中，主要是石油，天然氣，煤炭等化石能源.然而，這些能源都是不可再生能源.并且這些能源的資源也非常有限[1].面對(duì)有限的能源和人類對(duì)能源的無限需求，人們開始探尋可替代當(dāng)前能源的新型能源.太陽能無疑是一種環(huán)保、綠色的能源，而且它是巨量的、可再生的能源.太陽能板的發(fā)電效率與太陽光照射到太陽能板的角度有關(guān)[2].在發(fā)電過程中，若太陽能板實(shí)時(shí)與太陽光保持垂直的角度，則能較大地提高發(fā)電效率[3].本文設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的雙軸自動(dòng)跟蹤太陽能機(jī)器人.

1 太陽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 太陽能跟蹤方案設(shè)計(jì)

太陽能跟蹤機(jī)器人如圖1所示，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為太陽能電池驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與其它類型電機(jī)相比具有容易實(shí)現(xiàn)精確開環(huán)控制，無積累誤差等優(yōu)點(diǎn).太陽能跟蹤控制裝置有兩個(gè)自由度，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制著太陽能電池板在水平和垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng).太陽能跟蹤裝置依靠水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)太陽方位角的跟蹤，垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)太陽高度角的跟蹤.太陽能電池板與過充過放保護(hù)電路連接.蓄電池給單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)供電，單片機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率的跟蹤.

1.2 太陽跟蹤裝置設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)使用較為廣泛的是單軸跟蹤裝置，單軸跟蹤裝置只能控制水平方位，俯仰方位則固定一個(gè)角度（-23.5°到23.5°之間[4]）.這種裝置的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是不能始終與太陽光保持垂直，也就不能獲得最大的發(fā)電功率.本文設(shè)計(jì)的太陽跟蹤裝置設(shè)計(jì)如圖2所示.裝置采用雙軸跟蹤方式，能夠在太陽高度和方位的變化上都跟蹤太陽，在工作時(shí)該系統(tǒng)根據(jù)太陽光的入射角度控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到太陽能板與太陽光始終垂直.這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易[5].

圖1 太陽能跟蹤機(jī)器人示意圖

圖2 機(jī)器人雙軸跟蹤裝置示意圖

2 太陽跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是51系列單片機(jī).51單片機(jī)價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，是開發(fā)低端產(chǎn)品的首選.它具有豐富的內(nèi)部資源，較大的數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)區(qū).本系統(tǒng)使用AT89S52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制.系統(tǒng)工作所需外圍電路包括：電源、復(fù)位電路及晶振電路，如圖3所示.

2.2 跟蹤傳感器的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，本數(shù)據(jù)采集電路由雙運(yùn)放LM324與R1、R2構(gòu)成兩個(gè)電壓比較器，參考電壓為VDD（12 V）的1/2.光敏電阻RT1、RT2與電位器RP1和光敏電阻RT3、RT4與電位器RP2分別構(gòu)成光敏傳感電路，該電路的特殊之處在于能根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償.將RT1和RT3安裝在垂直遮陽板的一側(cè)，RT4和RT2安裝在另一側(cè).當(dāng)RT1、RT2、RT3和RT4同時(shí)受環(huán)境自然光作用時(shí)，RP1和RP2的中心點(diǎn)電壓不變.如果只有RT1、RT3受太陽光照射，RT1的內(nèi)阻減小，LM324的3腳電位升高，1腳輸出高電平.同理，如果只有RT2、RT4受太陽光照射，7腳輸出高電平.這部分主要功能就是采集信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)，由單片機(jī)作進(jìn)一步處理.

2.3 蓄電池過充過放保護(hù)電路設(shè)計(jì)

鉛蓄電池如果放電過度，將使硫酸鉛晶體增大，這不僅增加了極板的電阻，而且在充電時(shí)很難使它再還原，直接影響蓄電池的容量和壽命[6].蓄電池過充過放保護(hù)電路如圖5所示.

蓄電池保護(hù)電路分欠電壓保護(hù)和充電保護(hù)電路兩部分.當(dāng)蓄電池電壓在9 V以上時(shí)，VZ1擊穿導(dǎo)通，A點(diǎn)電壓為正，VT1反向截止，VT2導(dǎo)通，電流經(jīng)C2觸發(fā)V1導(dǎo)通，蓄電池正常輸出電壓，發(fā)光二極管LED1熄滅，發(fā)光二極管LED2發(fā)光，作電池電壓正常指示.當(dāng)蓄電池電壓下降到9 V時(shí)，VZ1截止，A點(diǎn)電壓為負(fù)，VT1正向?qū)?，C2正極所充電荷經(jīng)V2加于V1陰極，使V1陰極瞬間加上反向電壓而截止，輸出端無電壓輸出，發(fā)光二極管LED2熄滅，發(fā)光二極管LEDI發(fā)光，指示電池電壓不足，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的保護(hù).

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖

圖4 數(shù)據(jù)采集電路原理圖

圖5 蓄電池過充過放保護(hù)電路原理圖

當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到13.5 V左右時(shí)，VZ2擊穿導(dǎo)通，B點(diǎn)電位為正，VT3反向截止，VD1導(dǎo)通，并觸發(fā)V4導(dǎo)通.C3正極在原先VT3導(dǎo)通時(shí)所充電荷經(jīng)V4加于V3陰極，使V3瞬時(shí)加上反向電壓而截止，關(guān)斷充電電源.同時(shí)充電指示燈LED3停止發(fā)光，而電壓正常指示燈LED2卻正常發(fā)光.當(dāng)電池電壓低于或等于13 V時(shí)，VZ2截止，VT3正偏導(dǎo)通，電流經(jīng)C3觸發(fā)V3導(dǎo)通，充電回路又連通，同時(shí)C3也被充電.

圖6 太陽能跟蹤機(jī)器人系統(tǒng)流程圖

3 太陽跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，照射到太陽板電池的角度發(fā)生變化，太陽能跟蹤控制裝置有兩個(gè)自由度，通過控制方位角步進(jìn)電機(jī)控制著太陽能電池板在水平方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制高度角步進(jìn)電機(jī)控制太陽能電池板垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng).使太陽能電池板自動(dòng)正對(duì)太陽光，提高太陽能的利用效率.其系統(tǒng)流程圖如圖6所示.

4 調(diào)試

太陽跟蹤指的是在太陽照射過程中受光面跟太陽光線始終趨于垂直，以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能[7].除了提高太陽光電池本身的轉(zhuǎn)換效率和提高蓄電池充放電效率外，太陽跟蹤是太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段.實(shí)驗(yàn)表明精確的太陽跟蹤可使太陽能利用率大大提高.

圖中α為太陽板電池與太陽光的角度.由圖可得相同的外界情況下，α越大，太陽板電池越正對(duì)太陽光，太陽能輸出功率越大，因此增大光伏電池的光照強(qiáng)度就可以增大光伏電池的輸出效率.由圖可以看出太陽光的光照強(qiáng)度不同時(shí)，太陽能電池的輸出特性有較大的改變.

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的太陽能自動(dòng)跟蹤機(jī)器人能夠追蹤太陽方位角，使光伏發(fā)電系統(tǒng)獲得最大輸出功率.本系統(tǒng)具有適用范圍廣、工作穩(wěn)定可靠和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，具有較為廣泛的應(yīng)用前景.太陽能發(fā)電技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的推廣應(yīng)用，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展和我國正在實(shí)施的節(jié)能減排都具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義[2].

圖7 不同角度的太陽能電池功率特性曲線

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The Design of the Solar Automatic Tracking Robot

FEI Min,MAO Li-min,ZHANG Li-jun,LU Yu-min
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

This paper presents a microcontroller AT89S52-based dual-axis solar tracking robot design methodology by making full and efficient use of solar energy.The method is based on tracking sensor for tracking components, judging whether the solar panels are vertical to sunlight,and at the same time the panels can be adjusted by the control system dual-axis tracking device.The experiments show that the robot is running stably,that the tracking efficiency is relatively high,and that it has a high practical value.

solar energy;dual-axis tracking;robot

TP23

B

1008-2794（2012）04-0069-04

2012-03-16

校青年教師科研啟動(dòng)項(xiàng)目“粒子濾波算法在FPGA中的研究”（QZ1101）；江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“太陽能自動(dòng)跟蹤機(jī)器人的設(shè)計(jì)”（S1135）

費(fèi)敏（1989—），男，江蘇靖江人，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院2008級(jí)學(xué)生.

毛麗民（1981—），男，江蘇常熟人，講師，碩士，研究方向：機(jī)器人與目標(biāo)跟蹤研究.