一種利用單片機實現太陽跟蹤的設計方法

申來明　楊亞龍

摘 要： 由于單片機對追光系統中太陽高度角和方位角的計算公式計算能力不足等缺點，往往會導致追光系統不夠精確和穩定。該設計在處理太陽高度角和方位角時摒棄了單片機直接套用太陽高度角和方位角計算公式的做法，而是利用計算機將某一地點確定月份的太陽高度角與方位角進行計算和統計，得到了其近似擬合函數，單片機可根據此擬合函數進行太陽高度角與方位角的近似計算并進行太陽跟蹤，在完成近似跟蹤后啟動由四象限硅光電池和凸透鏡組成的光電跟蹤系統，完成對系統的精確調整。該方法的應用解決了單片機對天文算法計算能力不足的缺點，同時實現了對太陽高效、實時、精確的追蹤，對實際工程實踐有一定的指導意義。

關鍵字： PIC18F6520； 數據擬合； 太陽高度角與方位角； 四象限硅光電池

中圖分類號： TN919?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0158?05

Abstract： Since the calculating ability of single?chip microcomputer （SCM） for dealing with the calculational formula in the sun?tracking system for computing sun altitude angle and azimuth angle is insufficient， which often leads to inaccuracy and instability of the spotlight system， the calculation and statistics of the solar altitude angle and azimuth angle in a certain month are made by a computer to obtain their approximate fitting functions when the sun altitude angle and azimuth angle need to be calculated， instead of straightly using the sun altitude angle and azimuth angle calculation formula to calculate the sun altitude angle and azimuth. According to the fitting functions， SCM can be used to approximately calculate the sun altitude angle and azimuth angle， and realize the sun tracking. After fulfilling the approximate tracking， the photoelectric tracking system composed of four quadrant silicon photocell and convex lens is started to complete the precise adjustment of the system. The method overcame the disadvantage of SCM for astronomical algorithm calculation， and at the same time realized the efficient， real?time and accurate tracking to the sun. It has certain guiding significance for the actual engineering application.

Keywords： PIC18F6520； data fitting； solar elevation angle and azimuth angle； four?quadrant silicon photovoltaic cell

0 引 言

太陽能的利用是現代能源新的發展方向，由于太陽能與其他能源如煤炭、石油相比有著無污染、用之不竭等優點[1]，太陽能的利用在西方國家已經有了很大的發展，我國光伏產業起步較晚，但最近幾年發展較快。在太陽能的利用過程中提高太陽能的轉化率始終是國內外太陽能利用的一個瓶頸，傳統的做法是把太陽能板放在一個固定朝向的支架上，由于太陽一直在不停地運動，這樣就不能夠保證時時刻刻太陽能電池板和太陽的入射光線處于垂直關系，太陽能電池板也就不能獲得最大的光照值，這樣在很大程度上限制了太陽能的轉化利用率[2]。基于以上現狀和工程實際的需要，國內外對太陽追蹤的研究也在不斷深入，但大多設計和計算都比較復雜，一般的單片機微處理器很難實現對復雜的天文算法進行計算分析，因此只能用作實驗，而不能工程實際應用。目前，跟蹤太陽的方法主要有三種方式：光電跟蹤、視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤與視日跟蹤相互切換的跟蹤[3]。光電跟蹤是閉環的隨機系統，其結構簡單、靈敏度高，但是易受天氣條件的影響。視日運動軌跡跟蹤是開環的程控系統，其跟蹤過程不受外界環境干擾，有較高的可靠性，但是跟蹤過程易產生誤差。雖然光電跟蹤與視日跟蹤相互切換的跟蹤方法在一定程度上解決了光電跟蹤易受天氣環境干擾導致系統運行不穩定的問題，但是并沒有解決視日運動軌跡跟蹤容易產生累積誤差而造成跟蹤精度不高的問題[4?5]。

本設計在前人研究的基礎上采用視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合的方法，采用數據擬合的方法將復雜的不斷變化的太陽高度角與方位角的計算進行簡化，從實際應用的角度出發，得到適合單片機運算的簡單追光公式，解決了跟蹤系統精度不高，易受天氣條件影響，穩定性差等問題。成功地實現了對太陽的精確追蹤，操作性和實用性強，從而實現了太陽能電池板發電效率的最大化，對實際的工程應用和太陽能的開發有著極為重要的指導意義。

1 跟蹤系統原理圖

系統采用PIC18單片機作為整個系統的核心控制芯片，系統在上電之后首先從DS1302實時時鐘讀取當前的時間并判斷是否開啟跟蹤系統，如果讀取的時間在預先設定的時間范圍內（8：00—18：00），則開啟系統跟蹤，否則，不進入系統跟蹤模式。系統在開始跟蹤后首先讀取當前實時時鐘DS18B20的時間信息（年、月、時），并按相應時間信息調用提前擬合好的太陽高度角與方位角的變化公式進行追光跟蹤。系統通過按鍵輸入來決定單片機每隔多長時間啟動一次擬合跟蹤，當一次擬合跟蹤完成后再將主控制權交由光電跟蹤，通過四象限硅光電儀判斷太陽和太陽能電池板的位置進行精確調整，并將調整量加載到兩個直流電機來驅動追光裝置[3]。

2 光電轉換儀

光電轉換采用對光特別敏感的四象限硅光電池作為光電轉換元器件，同時用LM358P集成放大器把微弱的電信號放大，供單片機判斷追光探頭與太陽的位置關系[2]。工作原理：追光探頭即光電轉換模塊由凸透鏡、四象限硅光電池、信號放大電路組成，其原理示意圖如圖2所示。當有太陽光照射時，凸透鏡會將入射光線匯聚然后照射在硅光電池上，這時硅光電池就會有電壓產生，然后再在放大電路LM358P的放大下輸出給單片機的第21～24控制引腳RA0/AN0，RA1/AN1，RA2/AN2，RA3/AN3進行A/D轉換，單片機經過算法分析后輸出PWM脈沖電機控制量控制直流電機的速度和轉向。

5.2 軟件設計流程圖

系統軟件設計流程圖如圖6所示。

在系統上電初始化完成之后追光裝置首先會回到預先設定的初始位置，然后單片機通過讀取DS1302實時時鐘的時間值來判斷當前的時間是否在日出后與日落前（8：00～18：00，可按當地時間設定），如果在這個時間段內，單片機再次讀取實時時鐘的當前時間值，并判斷是否應該啟動視日軌跡太陽跟蹤（按鍵是用來設置每隔多長時間啟動一次），如果是就啟動視日軌跡跟蹤，如果不是就一直判斷當前時間值，直到啟動視日軌跡跟蹤。

圖6 系統軟件控制流程圖

啟動視日軌跡跟蹤后調用相應的計算太陽高度角與方位角的擬合公式并計算當前太陽高度角與方向角，然后通過相應電機驅動調節追光裝置的高度角與方位角，當完成第一次調節之后，再將控制權轉交光電跟蹤，由光電傳感器再次進行精確調節，當光電調節完成之后釋放控制權，系統開始再次循環讀取當前的時間值來決定是否啟動下一次跟蹤過程[11]。

6 結 語

太陽高度角與方位角的準確實時獲得是實現太陽能電池板精確追蹤太陽的重要前提。本文采用簡化方法得到了適合單片機運算的實時太陽高度角與方位角計算公式。但是這種方法的弊端就是在經緯度一定的條件下，才能實現太陽的高精度追蹤，如果追蹤裝置在地面上放置位置發生較大變化，系統提供的擬合追光公式將不再適用，需要重新對其進行計算。

參考文獻

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[2] 賀曉雷，于賀軍，李建英，等.太陽方位角的公式求解及其應用[J].太陽能學報，2008，29（1）：69?73.

[3] 呂文華，賀曉雷.全自動太陽跟蹤器的研制和應用[J].光學精密工程，2008，16（12）：2544?2549.

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[8] 胖瑩，王振臣.太陽能智能追光裝置設計[J].水電能源科學，2011，29（8）：207?210.

[9] HOSSAIN E， MUHIDA R， ALI A. Efficiency improvement of solar cell using compound parabolic concentrator and sun tracking system [C]// Proceedings of IEEE Electrical Power & Energy Conference. Vancouver， BC： IEEE， 2008： 1?8.

[10] Seme S， Stumberger G， Vorsic J. Maximum efficiency trajectories of a two?axis sun tracking system determined considering tracking system consumption [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2011， 26（4）： 1280?1290.

[11] 沈潔，丁瑋.基于PLC的太陽能追光系統的設計[J].工業控制計算機，2011，24（11）：113?114.

[12] 杜偉巍，鄒麗新，尤金正，等.基于COMS圖像傳感器的太陽自動跟蹤控制器設計與實現[J].現代電子技術，2010，33（11）：125?128.

1 跟蹤系統原理圖

系統采用PIC18單片機作為整個系統的核心控制芯片，系統在上電之后首先從DS1302實時時鐘讀取當前的時間并判斷是否開啟跟蹤系統，如果讀取的時間在預先設定的時間范圍內（8：00—18：00），則開啟系統跟蹤，否則，不進入系統跟蹤模式。系統在開始跟蹤后首先讀取當前實時時鐘DS18B20的時間信息（年、月、時），并按相應時間信息調用提前擬合好的太陽高度角與方位角的變化公式進行追光跟蹤。系統通過按鍵輸入來決定單片機每隔多長時間啟動一次擬合跟蹤，當一次擬合跟蹤完成后再將主控制權交由光電跟蹤，通過四象限硅光電儀判斷太陽和太陽能電池板的位置進行精確調整，并將調整量加載到兩個直流電機來驅動追光裝置[3]。

2 光電轉換儀

光電轉換采用對光特別敏感的四象限硅光電池作為光電轉換元器件，同時用LM358P集成放大器把微弱的電信號放大，供單片機判斷追光探頭與太陽的位置關系[2]。工作原理：追光探頭即光電轉換模塊由凸透鏡、四象限硅光電池、信號放大電路組成，其原理示意圖如圖2所示。當有太陽光照射時，凸透鏡會將入射光線匯聚然后照射在硅光電池上，這時硅光電池就會有電壓產生，然后再在放大電路LM358P的放大下輸出給單片機的第21～24控制引腳RA0/AN0，RA1/AN1，RA2/AN2，RA3/AN3進行A/D轉換，單片機經過算法分析后輸出PWM脈沖電機控制量控制直流電機的速度和轉向。

5.2 軟件設計流程圖

系統軟件設計流程圖如圖6所示。

在系統上電初始化完成之后追光裝置首先會回到預先設定的初始位置，然后單片機通過讀取DS1302實時時鐘的時間值來判斷當前的時間是否在日出后與日落前（8：00～18：00，可按當地時間設定），如果在這個時間段內，單片機再次讀取實時時鐘的當前時間值，并判斷是否應該啟動視日軌跡太陽跟蹤（按鍵是用來設置每隔多長時間啟動一次），如果是就啟動視日軌跡跟蹤，如果不是就一直判斷當前時間值，直到啟動視日軌跡跟蹤。

圖6 系統軟件控制流程圖

啟動視日軌跡跟蹤后調用相應的計算太陽高度角與方位角的擬合公式并計算當前太陽高度角與方向角，然后通過相應電機驅動調節追光裝置的高度角與方位角，當完成第一次調節之后，再將控制權轉交光電跟蹤，由光電傳感器再次進行精確調節，當光電調節完成之后釋放控制權，系統開始再次循環讀取當前的時間值來決定是否啟動下一次跟蹤過程[11]。

6 結 語

太陽高度角與方位角的準確實時獲得是實現太陽能電池板精確追蹤太陽的重要前提。本文采用簡化方法得到了適合單片機運算的實時太陽高度角與方位角計算公式。但是這種方法的弊端就是在經緯度一定的條件下，才能實現太陽的高精度追蹤，如果追蹤裝置在地面上放置位置發生較大變化，系統提供的擬合追光公式將不再適用，需要重新對其進行計算。

參考文獻

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[12] 杜偉巍，鄒麗新，尤金正，等.基于COMS圖像傳感器的太陽自動跟蹤控制器設計與實現[J].現代電子技術，2010，33（11）：125?128.

1 跟蹤系統原理圖

系統采用PIC18單片機作為整個系統的核心控制芯片，系統在上電之后首先從DS1302實時時鐘讀取當前的時間并判斷是否開啟跟蹤系統，如果讀取的時間在預先設定的時間范圍內（8：00—18：00），則開啟系統跟蹤，否則，不進入系統跟蹤模式。系統在開始跟蹤后首先讀取當前實時時鐘DS18B20的時間信息（年、月、時），并按相應時間信息調用提前擬合好的太陽高度角與方位角的變化公式進行追光跟蹤。系統通過按鍵輸入來決定單片機每隔多長時間啟動一次擬合跟蹤，當一次擬合跟蹤完成后再將主控制權交由光電跟蹤，通過四象限硅光電儀判斷太陽和太陽能電池板的位置進行精確調整，并將調整量加載到兩個直流電機來驅動追光裝置[3]。

2 光電轉換儀

光電轉換采用對光特別敏感的四象限硅光電池作為光電轉換元器件，同時用LM358P集成放大器把微弱的電信號放大，供單片機判斷追光探頭與太陽的位置關系[2]。工作原理：追光探頭即光電轉換模塊由凸透鏡、四象限硅光電池、信號放大電路組成，其原理示意圖如圖2所示。當有太陽光照射時，凸透鏡會將入射光線匯聚然后照射在硅光電池上，這時硅光電池就會有電壓產生，然后再在放大電路LM358P的放大下輸出給單片機的第21～24控制引腳RA0/AN0，RA1/AN1，RA2/AN2，RA3/AN3進行A/D轉換，單片機經過算法分析后輸出PWM脈沖電機控制量控制直流電機的速度和轉向。

5.2 軟件設計流程圖

系統軟件設計流程圖如圖6所示。

在系統上電初始化完成之后追光裝置首先會回到預先設定的初始位置，然后單片機通過讀取DS1302實時時鐘的時間值來判斷當前的時間是否在日出后與日落前（8：00～18：00，可按當地時間設定），如果在這個時間段內，單片機再次讀取實時時鐘的當前時間值，并判斷是否應該啟動視日軌跡太陽跟蹤（按鍵是用來設置每隔多長時間啟動一次），如果是就啟動視日軌跡跟蹤，如果不是就一直判斷當前時間值，直到啟動視日軌跡跟蹤。

圖6 系統軟件控制流程圖

啟動視日軌跡跟蹤后調用相應的計算太陽高度角與方位角的擬合公式并計算當前太陽高度角與方向角，然后通過相應電機驅動調節追光裝置的高度角與方位角，當完成第一次調節之后，再將控制權轉交光電跟蹤，由光電傳感器再次進行精確調節，當光電調節完成之后釋放控制權，系統開始再次循環讀取當前的時間值來決定是否啟動下一次跟蹤過程[11]。

6 結 語

太陽高度角與方位角的準確實時獲得是實現太陽能電池板精確追蹤太陽的重要前提。本文采用簡化方法得到了適合單片機運算的實時太陽高度角與方位角計算公式。但是這種方法的弊端就是在經緯度一定的條件下，才能實現太陽的高精度追蹤，如果追蹤裝置在地面上放置位置發生較大變化，系統提供的擬合追光公式將不再適用，需要重新對其進行計算。

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[12] 杜偉巍，鄒麗新，尤金正，等.基于COMS圖像傳感器的太陽自動跟蹤控制器設計與實現[J].現代電子技術，2010，33（11）：125?128.