太陽能電池板自動追光系統設計

張宗磊　徐源　楊晨

【摘 要】本文設計了一種太陽能電池板自動追光系統。該系統將單片機選為控制器，太陽能電池作為傳感器，步進電機作為執行機構，采用光電追蹤方式，控制太陽能電池板自動旋轉對準太陽光，能有效提高太陽能的利用率，具有一定的實用價值。

【關鍵詞】太陽能；單片機；步進電機；光電追蹤

0 引言

能源是關系一個國家全面發展的重要因素；太陽能作為一種新興能源不但能夠有效解決能源短缺的問題，還能在很大程度上改善環境污染，具有較大的研發前景。我國的太陽能資源非常豐富，但是對太陽能的開發還面臨著很大挑戰，如何提高太陽能電池板對太陽能的采集效率是充分利用太陽能的關鍵。

本文設計的太陽能電池板自動追光系統可實現對太陽的全方位跟蹤，具有兩個自由度的跟蹤能力。其原理圖如圖1所示。利用AT89C51單片機對橋式電路的檢測結果進行邏輯運算后，進而控制能夠實時調整高度角和方位角的步進電機工作，從而實現對太陽光全方位跟蹤。該系統結構簡單、成本低，能夠有效提高太陽能的利用率，具有有較好的推廣應用價值。

1 追蹤方式的選擇

目前，用于實現追蹤太陽的方法較多，概括為兩類：視日運動軌跡追蹤和光電追蹤方式。

太陽的運行軌跡是有規律的，通過對太陽和地球之間的位置關系進行分析，利用球面三角公式來計算出太陽在任何地點任何時間相對于地球的位置，被稱為視日運動軌跡追蹤方式。此方案建立在太陽運行規律的天文算法的基礎上，需要利用微處理器對太陽的高度角和方位角進行實時計算，再利用電子系統驅動電機實現對太陽的實時跟蹤。其優點是不受天氣變化的影響。缺點有：（1）計算過程復雜，開發成本很高；（2）屬于開環控制，容易產生積累誤差，且無法自動消除這一誤差。

光電追蹤方式是利用對太陽光朝向的即時檢測實現追蹤，需要用到光敏元件組成檢測電路。比如，采用四象限硅光電池傳感器作為光電轉換元件，以微處理器為核心構建電路控制系統，通過對四象限的四個輸出電壓信號的分析和運算，輸出相應的控制信號去驅動電機，最終由電機驅動執行機構完成追光的任務。該方式的優點是：（1）閉環控制，能實現自適應控制；（2）跟蹤精度好、靈敏度高。缺點是：受天氣影響大，陰雨天無法工作。

本文綜合考慮，采用光電追蹤方式。 如果追求整體更高的追蹤精度，可將兩種方式結合起來取長補短，即在晴天時采用閉環控制，陰天時采用開環控制。

2 太陽能電池板自動追光系統硬件設計

所設計系統主要包括單片機、光電傳感器、A/D 轉換、穩壓電源、步進電機控制等幾個模塊，總體設計方案如圖2所示。設計中將太陽能電池板劃分為四小塊，在四小塊電池板上分別安裝傳感器來構造四象限探測器。相比較單個探測器跟蹤，這種方案的跟蹤精確度高，穩定性好。系統總體硬件電路結構框圖如圖3所示。

本設計選擇AT89C51單片機。它是一種帶4K字節flash存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

穩壓電源模塊是為整個控制電路提供能源的，是保障控制電路中所有控制芯片的穩定運行的前提。本設計將兩塊可充電的鋰電池串聯在一起，通過穩壓芯片來獲得單片機所需的+5V電源。

太陽光強信號是一種模擬信號，必須經過A/D轉換，才能轉化成單片機控制模塊可直接運算的數字信號。本項目選用PCF8591P作為A/D轉換芯片，它是一個具有4路A/D轉換輸入、1路D/A模擬輸出和1個串行總線接口的A/D轉換芯片。

所設計的追蹤系統要隨著太陽轉動，但由于距離太陽非常遙遠，檢測裝置無法在短時間內感覺到太陽的運動，需過一段時間才能感覺到太陽已經偏移。如此以來，對電機的要求是隔一段時間能轉一個角度，然后立馬停下。本系統選擇步進電機作為執行機構，它是一種跟蹤給定脈沖信號轉動的電機，能夠根據脈沖信號控制轉角和轉速，實現精確的定位控制。但單純給步進電機施加電壓是不會轉動的，必須借助控制電路，這需要用到專用芯片。在本系統中，AT89C51單片機的P0口輸出方波信號再經過電機驅動芯片轉換成脈沖信號來驅動步進電機。

3 太陽能電池板自動追光系統軟件設計

本系統整體的程序采用模塊化進程的原則進行設計：即首先對各功能模塊的子程序進行獨立設計、獨立調試，然后進行系統聯調。這種方案便于程序的移植和修改，同時又有利于系統功能的擴展。本部分主要包含主程序設計、A/D 轉換程序設計、光敏電阻數據處理程序設計和太陽能追蹤子程序設計等。

其中主程序主要是完成系統初始化后，循環檢測光照強度，對反饋回來的電壓值進行比較運算，判斷當前光照的亮度差是否達到定值，進而驅動步進電機去調整太陽能板以便正對太陽。

光敏電阻數據處理程序設計在設計中需要注意，由于硬件上的缺陷無法將外界干擾信號全部濾除，導致數據采集結果具有較大波動。因此本系統設置了軟件濾波環節，所用的光強傳感器采用中值濾波法進行軟件濾波。其基本原理是進行幾次連續的數據采集，將所測得的數據從大到小排序。然后分別去除首尾相同數量的幾個值，只保留排在中間的數值，再對其取平均值。該法能夠有效避免采樣過程中因系統不穩定造成的跳變干擾。

追光程序設計是整個軟件設計的核心，流程圖如圖4所示。利用光電檢測單元檢測太陽位置，并對檢測到的電信號進行 A/D 轉換，通過對偏差信號的分析，判斷追光裝置是否正對太陽，將比較結果送達單片機，以控制步進電機的轉動。當太陽能電池板正對太陽時，程序跳出太陽追蹤子程序返回主程序。

4 結論

本文主要介紹了一種基于AT89C51單片機的太陽能電池板自動追光系統。對追光方式進行了對比闡述，分別介紹了其硬件和軟件設計大體思路。本裝置實現了太陽能電池板自動旋轉對準太陽光，提高了太陽能的利用率，具有一定的實用價值。

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[責任編輯：張濤]