基于單片機的太陽能電池板自動跟蹤系統設計

王 哲，朱士成

(黃山學院，安徽 黃山 245041)

0 引言

在能源緊缺及全球氣候問題中，太陽能作為清潔能源，存在分布比較廣泛同時又便于獲取等特點，因此發展太陽能發電意義很重要[1]。實現對于太陽位置的準確追蹤，這一問題受到了極大的關注，如何構建跟蹤式太陽能光伏板追光控制系統成為關鍵[2]。太陽能追蹤發電系統與傳統的太陽能電池板發電相比，其包含自動跟蹤太陽的控制系統設計，可以使太陽能電池板始終跟蹤著太陽的位置，極大地提高太陽能電池板的利用率[3]。因此可以研究一款裝置，使光伏發電板自動跟蹤太陽光，提高光能利用率，高效地轉換光能。

1 光電檢測裝置

采用單軸反饋控制來達到對陽光的跟蹤。資料表明，當光垂直照射太陽能電池板時其對光接收的效率值便會越高，實驗采用光元件作為轉換元件，其可以將被測非電量通過光電量的變化轉化成電量[4]。光電采集如圖1所示，光敏電阻1、2分別采集該處光照強度，后分別用光敏電阻1、2采集的值送入單片機，單片機對數據進行比較后確定向電機發出指令控制電機轉動，使太陽能電池板朝向光強的一面，通過信號采集裝置的信號反饋實時調控信號采集裝置與太陽能發電裝置始終與太陽光保持垂直狀態[5]。因此，只需要用光敏傳感器在太陽能電池板周圍分布。

圖1 光電檢測系統

光電檢測電路(圖2)采用PCF8591AD/DA轉換芯片作為光電檢測電路核心。8腳為地線因此5、6、7、8共同接地。而9、10腳分別為I2C總線的SDA(串行數據線)和SCL(串行時鐘線)。

圖2 光電檢測及模數轉換電路

12腳是時鐘選擇引腳，此研究中選擇的是內部時鐘。因此12腳接低電平，且11腳懸空。13腳是模擬GND，因此直接與VDD連接，14腳是模擬電源此研究中直接與電源連接。

由于使用的是光敏電阻，只需要測得光敏電阻阻值即可，將硬件光敏電阻采集到的光信號經過單片機轉換成有效數據，模擬量AO 可以和AD模塊相連，通過AD 轉換，可以獲得環境光強的數值[6]。因此，可以將光敏電阻阻值信號通過電阻串聯分壓的形式變為電壓信號從而接到PCF8591的模擬量輸入端上，方便被識別。

2 電機驅動電路

采用步進電機作為驅動電機，其精度高、響應快、穩定性高等優點對于太陽能追蹤有著比較大的幫助。因此選用了ULN2003作為步進電機的驅動芯片。芯片1、2、3、4、5、6、7號引腳為MCU信號輸入引腳，因為使用的為四路信號的步進電機，因此只需要使用2、3、4、5的輸入引腳，且輸出同理。對于P1端為排針引腳，接入步進電機。步進電機驅動電路如圖3所示。

圖3 步進電機驅動電路

3 振蕩與復位電路設計

振蕩電路為單片機提供類似于時鐘的基準信號，單片機內部都是以該時鐘作為基準運行。STC89C52中的18、19號引腳為外接晶振引腳，采用12 MHz的晶振，外加兩個幫助起振的電容，同時保持晶振信號穩定。

單片機運作時如遇突發情況，如掉電、死機等，需要重新啟動單片機或者使單片機初始化達到單片機正常運作目的。在STC89C52上9號引腳即為復位引腳(Reset)。查閱資料顯示，STC89C52單片機只需要在9號引腳接高電平持續2 μs即可實現對單片機復位,因此當系統上電時，電容充電，電容兩端電壓升高，9號引腳接收到高電平信號。而當手動復位時，手動按下開關S1，9號引腳直接接電源，從而高電平復位。

對于整個系統，由光電檢測電路、電機驅動電路、振蕩電路、復位電路共同組成，如圖4所示的電路系統，以達到驅動電機追蹤太陽光的目的。

圖4 整體電路系統結構

4 步進電機驅動程序

步進電機不能直接接到直流或者交流電源上，其驅動需要有脈沖控制，即每次給一相脈沖信號，依次發出四相脈沖信號，即可完成電機一個步進角。該程序同時也為整個程序的主程序，在主程序中，對模數轉換芯片采集并轉換后的模擬量信號進行對比，將AIN0與AIN1口即Read ADC(0)與Read ADC(2)接收到信號進行對比，當其中一方大于另一方時，即可視為陽光對于兩個光敏電阻的光照強度不一致，即太陽能電池板需要改變方向以追蹤太陽光，即可驅動步進電機轉動完成。

5 結語

該研究采用 STC89C52單片機作為整個系統的控制核心，以光敏電阻加PCF8591芯片為光電采集電路，以步進電機及ULN2003芯片為驅動。完成了一個基于單片機的太陽能電池板自動跟蹤系統。

該系統采用反饋控制系統，使用光敏電阻來檢測光強變化，光敏電阻由于光照阻值發生變化后與其串聯部分的10 kΩ電阻分壓，PCF8591芯片采集光敏電阻與10 kΩ電阻中間電壓值，后將信息以串行數據的方式使用I2C總線通訊傳入MCU內，MCU對數據進行分析對比后，選擇對步進電機驅動芯片發出脈沖信號驅動電機朝向光照較強的方向轉動，當光的方向變化或者轉動過度時光敏電阻變化繼續推動步進電機轉動，以完成對陽光跟蹤目的。分析得知，設計的太陽能電池板追光系統的控制穩定性較好，具有很好的應用價值。