太陽能自動跟蹤系統

【摘要】該文以Atmega16單片機為控制核心，通過光電管對太陽光強度采樣，采樣信號經AD轉換成數字信號后，進行運算分析來控制步進電機的轉動方向，實現工作臺X/Y方向轉動，從而達到跟蹤太陽光源的目的。

【關鍵詞】光源跟蹤；步進電機

1.引言

伴隨日益嚴重的能源危機，可再生資源的開發和利用成為人們研究的重點對象。太陽能以其普遍、長久、安全等優點脫穎而出。目前太陽能已被不同程度地用在了多個領域，如電池領域，但普遍存在利用率不高的問題，很多場合下，電池板要么被安裝成固定角度，要么只能按照固定角度偏轉，沒有充分使太陽光垂直照射到電池板上，降低了太陽能的利用率。為提高利用率，本文設計了一種基于Atmega16單片機的太陽能電池板光源跟蹤控制系統，能夠實時跟蹤太陽并使太陽光充分垂直照射電池板，從而提高了太陽能的利用率。

2.系統設計原理

設計采用光強比較法來跟蹤太陽光源。整機裝置包括：太陽能電池板、電源管理電路、光電管、單片機、電機驅動電路、步進電機以及機械轉動平臺。系統結構如圖1所示。

系統工作原理如圖2所示，在太陽能電池板邊沿的中間位置分別安裝一個光電管，根據太陽光照射到電池板對邊兩個光電管的角度（如圖α、β）不相等，使得光電管1、2感受的光照強度不同從而產生大小不同的光電流，將光流轉換成電壓信號，通過比較采集后的電壓信號，控制步進電機向電壓大的方向轉動。

3.系統硬件設計

3.1光強采集電路

系統使用靈敏度較高的3DU33光電管作為光強檢測器件，其光電流大于2mA，發射極只需串接很小的電阻便可得到可被采集的電壓，而且其響應時間<1ms，反應速度快。

需要注意的是，強光下，光電流較大，此時光電管發射極電阻不宜過大[2]，否則各個光電管輸出電壓均趨于5V，系統不能檢測出對邊兩只光電管的輸出電壓差。該設計中，R1使用330Ω，在冬天中午陽光照射下，測得輸出電壓已達到3.6V。

3.2 步進電機

設計使用5線四相減速步進電機28BYJ-48，減速比為1：64，步矩角為5.625°/64=0.087 89°，遠小于不帶減速比的步進電機，這是提高跟蹤精度的很好選擇。

對于四相步進電機，其工作方式可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等，但單4拍的轉動力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半，因此，8拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。設計采用8拍工作方式，那么1拍轉過的角度為0.087 89°/2=0.043 945°，進一步提高了跟蹤精度。

3.3 電源管理電路

為了使系統能夠在室外正常運行，設計采用太陽能電池板和鋰電池合理給系統供電。當太陽能電池板輸出功率不夠時，由鋰電池給系統供電；當鋰電池電壓低于3.5V的時候，太陽能電池板給鋰電池充電；否則由太陽能電池板給系統供電。

測試知，系統正常運行時輸入功率接近2.5W（5V/480mA）。考慮到天氣和季節因素，一般要求電池板的最大輸出功率要3W以上，故設計采用8片太陽能電池片（0.5V/1.2A）串聯，得到4V/1.2A（最大輸出4.8W）的輸出，經DC-DC升壓電路給系統供電。

4.系統軟件設計

軟件流程圖如圖3所示，系統一上電先進行粗調來確定太陽光源的大概位置。其思想是：將水平面平均分成12個區域，在每個區域中對光照強度采樣8次，并累加保存。進入下一個區域，同樣采樣8次并累加，比較相鄰區域累加值的大小，并讓電機向累加值大的區域方向轉動，直到找到累加值最大的區域，這時說明太陽位置在這個區域范圍內。

粗調完成后，對系統電源進行管理，分別對太陽能電池板電壓和鋰電池電壓采樣，經單片機分析，正確的對開關進行操作以合理地為系統配備電能。

微調思想：先對X方向調整，完成后，再對Y方向調整。為得到較平滑的采樣數據，先使光電管采樣64次，再求和取平均，通過比較對邊光電管的平均值，決定步進機的轉動方向。直到X方向和Y方向的兩個光電管采樣值都相等，則調整完成，此時光源處于電池板中心處。

5.運行測試

測試條件：光源距離激光筆105cm，激光筆安裝在電池板的中心，Y方向上，激光筆在偏離光源±30°范圍內。測試結果如表1所示。

6.結束語

測試結果表明，在偏離光源±45°范圍內，系統均能在9s內定位光源，并且偏差不大于4cm。實際應用時，系統實時緊跟太陽，不會出現太陽突然偏轉電池板一個較大角度的情況，因此激光筆偏離光源距離是所關心的，而本設計測得的偏離距離不超過4cm，達到設計要求。

參考文獻

[1]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：306-321.

[2]張天鐘，姜寶均，鄧興成.基于MCS-51單片機的光源跟蹤[J].實驗科學與技術，2006（12）：39-40.