基于單片機(jī)的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李宗濤，李志剛，于存貴，陳 娜

（1.南京理工大學(xué) 江蘇 南京 210094；2.燕山大學(xué) 河北 秦皇島 066004）

基于單片機(jī)的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李宗濤1，李志剛1，于存貴1，陳 娜2

（1.南京理工大學(xué) 江蘇 南京 210094；2.燕山大學(xué) 河北 秦皇島 066004）

針對(duì)固定式太陽(yáng)能利用裝置的光能利用率低，設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)由單片機(jī)智能控制，采用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)照射下遮光器的陰影，從而精確定位太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用裝置的全程太陽(yáng)追蹤，使太陽(yáng)光能最大限度地得到利用。

太陽(yáng)追蹤；遮光器；單片機(jī)；智能控制

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，自然資源被大量地、甚至是掠奪性地開(kāi)發(fā)和利用，人類(lèi)的自然資源即將枯竭，因此，尋找新能源已迫在眉睫。而太陽(yáng)能作為一種干凈環(huán)保并且取之不盡的可再生新能源在人類(lèi)生產(chǎn)生活中具有廣泛作用。于是，合理開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能利用率有著極其重要的意義。目前，太陽(yáng)能利用裝置的放置位置大多是固定不變的，而一天當(dāng)中太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置的相對(duì)位置是時(shí)刻變化的，這也就無(wú)法保證太陽(yáng)能利用裝置時(shí)刻受到陽(yáng)光直射，從而使太陽(yáng)光能的利用率大大降低[1]。為了提高太陽(yáng)能的利用率，設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能利用裝置時(shí)刻接受陽(yáng)光直射，最大限度的利用太陽(yáng)光能。

1 總體方案的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)由控制模塊、檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊3部分組成。其中，控制模塊主要包括STC89C52單片機(jī)組成的中央處理器；檢測(cè)模塊主要由遮光器配合下的光電傳感器、位置傳感器及其外圍電路構(gòu)成；執(zhí)行模塊主要包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其樣機(jī)如圖2所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure diagram

圖2 太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)樣機(jī)圖Fig.2 The solar tracking system prototype

陽(yáng)光照射下的物體會(huì)產(chǎn)生陰影，陰影的方向與太陽(yáng)光線(xiàn)的方向一致。根據(jù)這一原理，本系統(tǒng)采用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)照射下遮光器的陰影，精確定位太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置相對(duì)位置。

太陽(yáng)在一天中的運(yùn)動(dòng)軌跡可以分解為水平方向和俯仰方向。如圖3所示，在水平方向上，當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)直射太陽(yáng)能利用裝置時(shí)，水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4；在俯仰方向上，當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)直射太陽(yáng)能利用裝置時(shí)，俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6。當(dāng)兩個(gè)光電傳感器同時(shí)完全處在陰影下時(shí)，太陽(yáng)能利用裝置處在陽(yáng)光直射狀態(tài)下。

圖3 太陽(yáng)追蹤檢測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the solar tracking detection schemes

如圖3所示，當(dāng)水平遮光器3的陰影沒(méi)有完全遮住水平光電傳感器4時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)能利用裝置2在水平方向上沒(méi)有達(dá)到太陽(yáng)直射，控制模塊接收到此時(shí)水平光電傳感器4傳遞的信號(hào)后會(huì)控制執(zhí)行模塊水平方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4，水平方向上的電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在水平方向上達(dá)到太陽(yáng)直射；當(dāng)俯仰遮光器5的陰影沒(méi)有完全遮住俯仰光電傳感器6時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)能利用裝置2在俯仰方向上沒(méi)有達(dá)到太陽(yáng)直射，控制模塊接收到此時(shí)俯仰光電傳感器6傳遞的信號(hào)后會(huì)控制執(zhí)行模塊俯仰方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6，俯仰方向上的電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在俯仰方向上達(dá)到太陽(yáng)直射；當(dāng)水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4、俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6時(shí)，太陽(yáng)能利用裝置此時(shí)達(dá)到太陽(yáng)直射。

陰天時(shí)太陽(yáng)光線(xiàn)暗，但是遮光器在太陽(yáng)照射下產(chǎn)生的陰影與太陽(yáng)光線(xiàn)之間仍然存在著明顯對(duì)比，故本系統(tǒng)可以繼續(xù)精確定位太陽(yáng)位置，從而使太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)不受天氣變化的影響；當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)暗到不適合太陽(yáng)能利用裝置工作時(shí)，檢測(cè)光照強(qiáng)度的光電傳感器將信號(hào)傳遞給控制模塊，控制模塊會(huì)使太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)停止工作，降低太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的能源損耗。

水平方向上太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡：從早晨到晚上，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是自東向西，執(zhí)行模塊的初始設(shè)定軌跡也是自東向西，初始設(shè)定位置是朝向東方的。晚上，執(zhí)行模塊是朝向西方的，第二天早晨，朝向西方的執(zhí)行模塊會(huì)繼續(xù)自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度觸動(dòng)水平位置傳感器，控制模塊接受到水平位置傳感器的信號(hào)后會(huì)使執(zhí)行模塊在水平方向上復(fù)位，從而使執(zhí)行模塊一直追蹤太陽(yáng)自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)。俯仰方向上太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡：從早晨到中午，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是自低到高，從中午到晚上，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是自高到低。從早晨到中午，執(zhí)行模塊跟隨太陽(yáng)自低到高轉(zhuǎn)動(dòng)；從中午到晚上，執(zhí)行模塊首先會(huì)繼續(xù)自低到高轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度觸動(dòng)第一俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第一俯仰位置傳感器的信號(hào)后會(huì)使執(zhí)行模塊跟隨太陽(yáng)自高到低運(yùn)動(dòng)；第二天早晨，執(zhí)行模塊首先會(huì)繼續(xù)自高到低轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度觸動(dòng)第二俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第二俯仰位置傳感器的信號(hào)后會(huì)使執(zhí)行模塊跟隨太陽(yáng)自低到高運(yùn)動(dòng)。

2 太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

為了使執(zhí)行模塊帶動(dòng)太陽(yáng)能利用裝置全程追蹤太陽(yáng)，執(zhí)行模塊必須能夠在水平和俯仰兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿(mǎn)足太陽(yáng)水平方向：東-西，俯仰方向：低-高-低的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。因此，執(zhí)行模塊裝有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的配合轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行模塊在水平跟俯仰方向上的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)全程追蹤太陽(yáng)。

兩步進(jìn)電機(jī)由兩個(gè)ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)，兩驅(qū)動(dòng)芯片與控制模塊中單片機(jī)的P0口相連接。其中，P0.0-P0.3控制水平方向上的步進(jìn)電機(jī)，P0.4-P0.8控制俯仰方向上的步進(jìn)電機(jī)，在單片機(jī)的控制信號(hào)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。兩步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路[2]如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Stepper motor drive circuit

2.2 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

水平光電傳感器及其相配合的水平遮光器結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖5所示。用水平光電傳感器檢測(cè)水平遮光器產(chǎn)生的陰影來(lái)確定太陽(yáng)能利用裝置與太陽(yáng)的水平相對(duì)位置。

俯仰光電傳感器及其相配合的俯仰遮光器結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖6所示。用俯仰光電傳感器檢測(cè)俯仰遮光器產(chǎn)生的陰影來(lái)確定太陽(yáng)能利用裝置與太陽(yáng)的俯仰相對(duì)位置。

遮光器配合下光電傳感器檢測(cè)電路主要由光電傳感器[3]、電阻、電位器以及LM393芯片[4]組成。當(dāng)光電傳感器接受的光照強(qiáng)度大于設(shè)定值時(shí)，LM393芯片-IN管腳電位低于+IN管 腳電位，此時(shí)，LM393芯片OUT管腳輸出高電平；當(dāng)光電傳感器接受的光照強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí)，LM393芯片-IN管腳電位高于+IN管腳電位，此時(shí)，LM393芯片OUT管腳輸出低電平。LM393芯片-INT管腳和+IN管腳分別與單片機(jī)的P2.0和P2.1口相連。兩光電傳感器的檢測(cè)電路如圖7所示。

圖5 水平光電傳感器、水平遮光器實(shí)物圖Fig.5 Product picture of horizontal photoelectric sensor and light chopper

圖6 俯仰光電傳感器、俯仰遮光器實(shí)物圖Fig.6 Product picture of vertical photoelectric sensor and light chopper

圖7 光電傳感器檢測(cè)電路Fig.7 Photoelectric sensor detection circuit

根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，執(zhí)行模塊在水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180度，執(zhí)行模塊水平方向上裝有兩個(gè)位置傳感器，用來(lái)限定執(zhí)行模塊的水平運(yùn)動(dòng)范圍；執(zhí)行模塊在俯仰方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90度，執(zhí)行模塊俯仰方向上也裝有兩個(gè)限位傳感器，用來(lái)限定執(zhí)行模塊的的俯仰運(yùn)動(dòng)范圍。

2.3 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊以一片STC89C52芯片[5]為核心，接受檢測(cè)模塊傳遞的信號(hào)后，通過(guò)對(duì)信號(hào)處理使執(zhí)行模塊的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，從而保證太陽(yáng)能利用裝置接受最大強(qiáng)度光照。控制模塊中應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)由STC89C52RC芯片、供電電路、復(fù)位電路、晶振電路四部分組成。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的軟件主要由一個(gè)主程序及一些子程序組成[6]。主程序由一些狀態(tài)選擇語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句組成，主要是在系統(tǒng)復(fù)位后重新檢測(cè)執(zhí)行模塊與太陽(yáng)的相對(duì)位置。當(dāng)傳感器傳回相應(yīng)的光照、位置等信息后，STC89C52響應(yīng)相應(yīng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。子程序的主要作用是通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制執(zhí)行模塊的動(dòng)作，使太陽(yáng)能利用裝置在水平與俯仰方向上組合運(yùn)動(dòng)。

程序流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 程序流程圖Fig.8 Program flow chart

太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于仿照向日葵，遵循太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用采用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)照射下遮光器的陰影精確定位太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置相對(duì)位置，通過(guò)單片機(jī)智能控制，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用裝置的全程太陽(yáng)追蹤。本系統(tǒng)的主要功能是提高太陽(yáng)光能的利用率，以緩解當(dāng)前能源緊張的現(xiàn)狀。將其應(yīng)用在太陽(yáng)能發(fā)電站、太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶以及所有固定式太陽(yáng)能電池板等處，能夠大大提高這些裝置的利用率[7]。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷提高，它將被應(yīng)用到更廣泛的場(chǎng)合。

[1]王志峰.拋物跟蹤式太陽(yáng)高溫集熱器的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2000（5）：5-13.

WANG Zhi-feng.The optical analysis and heat transfer of parabolic[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2000（5）:5-13.

[2]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程：入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]曾光宇.現(xiàn)代傳感器技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[4]秦曾煌.電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]侯建華.基于51單片機(jī)的溫室測(cè)試[J].電子技術(shù)，2007（7）：3-7.HOU Jian-hua.Greenhouse testing system based on 51

single chip[J].Modern Electronics Technique，2007（7）:3-7.

[6]馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

[7]張力明，杜春旭，吳玉庭，等.基于8051單片機(jī)的碟式太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)[J].太陽(yáng)能，2007，（6）：3-4.

ZHANG Li-ming，DU Chun-xu，WU Yu-ting，etal.The tracking control system of dish solar based on 8051 SCM[J].Solar Energy，2007（6）:3-4.

Design of the solar tracking system based on the single-chip microcomputer

LI Zong-tao1， LI Zhi-gang1， YU Cun-gui1， CHEN Na2
（1.Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China；2.Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China）

In view of the low utilization rate of light energy of the fixed solar energy device，designing a system of solar tracking， This system is controlled by a single-chip microcomputer intelligent， detects shadow of light chopper under the sun by the photoelectric sensor， which can accurately locate the relative position of the sun and solar energy device， realize the whole course tracing of the solar energy device，maximize utilization of solar energy.

solar tracking；light chopper；SCM；intelligent control

TN79

A

1674-6236（2014）02-0188-03

2013-06-03 稿件編號(hào)：201306018

李宗濤（1989—），男，山東泰安人，碩士。研究方向：隨動(dòng)控制。