太陽光自動追蹤系統

李永新 陳宗耀 吳登鵬 沈建立

（嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興314000）

0 前言

我國是以火力發電為主的能源消費大國，其中煤炭的燃燒占絕大部分，我國二氧化碳的排放量也居于世界的前列。環境污染及其嚴重，由于開采能源造成的損失更是巨大的。 因此，用可再生的清潔能源代替化石能源具有非常重大的意義。太陽能發電是一種可再生的新型清潔能源，在環境污染越來越嚴重的今天，開發利用太陽能是勢在必行的。

對于太陽能發電系統的設計，太陽能電池板是其中最核心的部件之一，其轉換率決定光伏電站發電效率的重要因素之一。 由于大部分太陽能電池板采光時期都是固定到一個方向的，而太陽的位置是隨著時間而改變的，因此，無法保證太陽光的長久的能夠垂直照射，太陽能電池不能充分接收太陽能資源，發電效率非常低下。 采用太陽跟蹤系統，雖然增加了建設和維護的成本，但是卻大大提高了發電效率，反而獲得的效益會成倍增長。 特別是對于一些大型光伏發電站，以及一些中高溫聚光集熱裝置，效率更會有著巨大的提升。 采用太陽光自動跟蹤技術在光伏產業中定會具有廣闊的應用前景，因此，研究太陽光自動跟蹤技術是具有重要意義的。

1 總體系統設計

系統主要有PIC18F4520 控制板， 光電檢測模塊， 步進電機及驅動，1602 液晶顯示屏，鍵盤等模塊。

圖1 系統硬件結構框圖

圖1 是本次設計的硬件總體結構框圖， 控制核心采用美國Microchip 公司生產PIC18F4520 芯片，該芯片具有IIC 接口，內置PWM模塊和10 位AD 模塊，且價格低廉，無需外加AD 轉換器，十分方便；光敏三極管采用金封3DU5C，光敏三極管具有電流放大作用，它的集電極電流隨著光輻射強弱變化而變化，與普通的光敏電阻相比，具有靈敏度高、聚光性能好，采光能力強、使用方便等特點。 光敏三極管采集到光照信號，三極管放大所得信號，傳送到PIC18，由PIC18 進行處理判斷， 從而輸出不同占空比PWM 信號到步進電機驅動電路中，調節步進電機轉動方向，達到調節采光板的目的。 步進電機驅動芯片采用ULN2003，ULN2003 是集成達林頓管IC，內部還集成了消線圈反電動勢的二極管，他的輸出端允許通過電流200mA,飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V,采用集電極開路輸出，輸出電流大，可直接驅動步進電機。 電機使用五線四相步進電機，五線四相步進電機是一種利用電子電路，將直流電變成分時供電的，四相時序控制電流的感應電機。給電機加一個脈沖信號，電機就轉過一個步距角，具有較強的快速啟停能力。 本系統能夠根據太陽所處的具體位置，對太陽光進行實時跟蹤，而且調試簡單，成本比較低。

2 主要電路分析

2.1 步進電機驅動電路原理及設計

本系統使用的是五線四相步進電機28YBJ-48，在空轉情況下，電機的轉速、方向以及停止的位置是由單片機發出脈沖的數量，時間間隔以及方向決定的，當給步進電機加一個脈沖信號時，電機就會轉過5.624 度，即轉過一個步距角。步進電機的速度取決于兩個脈沖的間隔時間，時間越短，步進電機速度越快。通過調節PIC18 單片機的脈沖時間間隔，即可進行步進電機調速控制了。為了全方位的跟蹤太陽，我們使用兩塊驅動電路分別驅動兩個電機， 使采光板能夠左右和上下轉動，實現方位角和高度角的跟蹤。

驅動輸入端IN1-IN4， 與單片機四個IO 口相接， 四個上拉電阻R1-R4 都選用4.7K 歐姆的電阻， 使用5V 直流電壓，ULN2003A 芯片另一端接MA-MD 接電機的四個輸入口，另一線接+5V 電壓。

圖2 步進電機驅動電路

2.2 光電檢測模塊原理及設計

光源照射到光敏三極管表面上，由此產生的光生電流由基極進入發射極，從而在集電極回路中得到一個放大了的信號電流，該電流的大小與光照的強弱有關。

光敏三極管3DU5C 是采用半導體制作工藝制成的具有NPN 結構的半導體三極管。為適應光電檢測，它的基極面積較大，并且裝在帶有玻璃透鏡金屬管殼內，當光照射時，入射光被基極吸收，光線通過透鏡集中照射在芯片上。 光敏三極管的集電極接5V 電壓， 其發射極接地。

采用光敏三極管來檢測光照強度，三極管擴大電流的作用。 對于點光源的檢測，除了使用高靈敏度的三極管外，三極管的數量和布局的選擇也至關重要，在本系統中，三極管的布局采用如下的形式，八個光敏三極管分別檢測上下左右四個方位的光強，根據光強來判斷光源的位置，進而驅動激光筆的運動。

圖3 光敏三極管布局圖

2.3 液晶顯示與手動調節按鍵的設計

1602 是一種專門用來顯示字母、 數字、 符號等的點陣型液晶模塊。 1602LCD 是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16 個字符液晶模塊，5V 工作電壓，對比度可調，內含復位電路，提供各種控制命令。3 端為背光調節端，調節滑動變阻器即可改變液晶屏的亮度，RS端為數據命令選擇端，RW 為讀寫控制輸入端，E 端為使能端，DB0-DB7 為數據并行端口，15 和16 管腳為背光的電源與接地端口。 本系統利用1602 顯示AD 采集到的上、下、左、右四個光敏三極管的電壓值。

圖4 LCD 電路及手動調節鍵盤

手動調節鍵盤由四個獨立鍵盤構成， 上拉電阻R01-R04 使用10K 歐姆的電阻，電源使用+5V 直流電源，當按鍵空置時，單片機IO口接收電壓為5V, 當按下按鍵時， 電路導通， 返回到IO 口的電壓為0V，即當PIC18 接收到的信號為低電平時，確定按下鍵盤。 其中K1 和K2 負責電機上轉和下轉，K3 和K4 負責另一電機的左轉和右轉。

3 智能工作程序框圖

程序采用C 語言編寫，通過Microchip 的開發平臺MPLAB IDE 編譯。 程序框圖如圖5 所示，對系統進行初始化，系統處于模式判定狀態，按鍵可以選擇自動初始化尋光和手動初始化尋光。手動尋光時，四個獨立鍵盤，通過人工調節，更快捷的尋找到光源。然后轉入到自動尋光模式中，當系統處于工作狀態時，光照強度隨時間改變時，光敏傳感器感應到光照強度的變化，從而轉換成電壓信號的強弱，然后將信號傳給送單片機，單片機通過四路AD 轉換器采集電壓，得到電壓數據后，先是到1602LCD 液晶屏上，然后比較左右、上下電壓值的壓差，然后將比較結果反饋給PIC18 單片機中，單片機產生不同的PWM 信號到驅動電路中，從而調節步進電機轉動改變接收器的方向。

圖5 程序流程圖

4 實驗結果及分析

將PIC18F4520 控制板，步進電機驅動模塊，光電檢測模塊，液晶顯示模塊等部分進行整合后調試， 實驗室測量結果完全符合預期效果。 本系統可以通過光敏三極管進行檢測，輸出信號驅動雙向步進電機，使得采光板始終面對光源，跟蹤效果好，運行穩定。 也可人工進行定期的校對。

5 結論

當今社會， 節能環保已經深入人心，成為社會的主流，而太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源， 更是深受廣大消費者的青睞。

本文設計的基于PIC18 的太陽光自動追蹤系統通過多次測試表明， 該系統能夠準確的實現對光照的跟蹤。 該自動追蹤系統具有跟蹤精度高， 結構簡單， 成本低，抗干擾能力強。 因此本文所設計的太陽光自動追蹤系統具有廣闊的應用前景。

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