基于視日運動軌跡追蹤的太陽光追蹤系統設計

董超，張瑜，高詩雨，魏曉艷，李灶榮，劉豪，楊佳俊，任宇

（西安思源學院，陜西西安，710038）

0 引言

“3060”雙碳目標提出后，推動能源清潔，低碳高效安全利用迫在眉睫，太陽能作為一種被廣泛使用的新型能源，各國對光伏發電的重視逐步增加，對于西部地區大規模發電來說，太陽能光伏發電系統的使用量更高。太陽光追蹤系統在光伏發電領域不斷改進，并且引起了更多研究人員的關注與研究，具有重要的研究價值，在未來的發電模式中，太陽能發電技術將發揮重要作用，用戶范圍也將越來越廣。

本設計針對已有的大部分太陽能發電裝置不能追蹤太陽光的問題，給出了實際科學的解決方案。結合太陽光伏發電與電機的控制讓太陽光伏板隨日光移動而轉動，可以很大程度提高太陽能的利用率。視日運動軌跡追蹤和光電追蹤是當前應用于太陽光追蹤裝置的主流方法，本設計基于視日運動軌跡追蹤，將太陽能板傾斜放置，東西追蹤太陽光，通過比較太陽能板兩側光照來尋找最大光照強度位置。

1 系統結構設計

本文設計的基于視日運動軌跡追蹤的太陽光追蹤系統，采用單片機作為核心控制器，通過太陽能板、光敏電阻與直流電機等裝置的配合，完成對太陽光的追蹤。本設計的主要作用是讓太陽能板隨著太陽光直射點的移動而轉動，從而提高光能利用率。其原理是采用視日運動軌跡追蹤的方法，把太陽能板傾斜放置，可以在東西方向單軸追蹤太陽光。基于這個原理，完成下面的設計。

首先，在光照采集模塊中，選用光敏電阻，配置于多晶光伏板兩側，當太陽東升西落，根據光伏板兩側所獲取的光照強度的不同，采集數據，經A/D轉換送入控制器，控制器接收并處理從光電檢測部分傳遞的信號，處理后的數據經顯示屏顯示，并將該數據比較后，輸出追蹤策略給驅動電路，驅動電路采用H橋控制直流電機，帶動光伏板轉動，實現對太陽光的追蹤，最終將光伏板產生的電能存儲在電池中，可對外輸出，也可供給系統自身使用。太陽追蹤裝置控制系統總體設計如圖1所示。

圖1 太陽追蹤裝置控制系統總體結構設計圖

2 系統硬件設計

基于上述總體結構設計，本設計的核心控制器選用STC89C52單片機，光敏電阻器作為信號采集芯片，電機采用直流電機，電機驅動中采用LM393芯片作為比較器，LCD1602液晶顯示屏作為顯示器。下文在各個模塊中將一一進行介紹與設計應用。

2.1 控制模塊

單片機是本設計的主要處理器件，它的實現主要功能是接收信號，信號處理，發送信號。接著通過電機驅動電路控制直流電機的正反運轉，從而帶動太陽能板裝置轉動，最終實現對太陽光的追蹤。

控制系統的核心運算器件采用STC89C52單片機抗干擾性強、功耗低、集成度高。本設計還需對設計的軟件程序進行存儲，而此單片機具有8K的存儲空間，能夠滿足本設計的需求。

本設計在光照采集模塊中主要與第26、27、28引腳相連,實現光照信息的信號接收。在電機驅動模塊中主要與第12、13、14、15引腳相連。在顯示模塊中主要與第32至39引腳相連，用于顯示當前光照強度。本設計會用到單片機的最小系統電路，這是為了避免程序運行時出現程序運算錯誤與死循環狀態，保證了系統的正常工作。控制器與其引腳圖如圖2所示。

圖2 控制器與其引腳應用圖

2.2 光照采集模塊

光照采集模塊選用MG45光敏電阻，該光敏電阻靈敏度較高，以硫化鎘半導體材料為基材，基于光電效應，當光照增強，阻值隨之降低。

在光照信息轉換為單片機可讀的數字信息過程中，選用ADC0832完成模數轉換，該芯片分辨率高，兼容性強，可完成雙數據輸出和數據校驗。

2.3 電機驅動模塊

電機驅動首先要做光照對比，給出一個轉動方向，然后驅動電機做相應的轉動。

（1）光照對比電路

光照對比電路中選用LM393芯片作為比較器。LM393是集成運放的非線性應用電路，該器件將模擬電壓和參考電壓比對，當接近相同振幅時，輸出電壓跳躍，相應輸出對應的電壓狀態。該比較器可形成非正弦波型轉換電路，并可用于模擬和數字信號轉換。其硬件連接圖如圖3所示。

圖3 LM393電路圖

（2）電機控制電路

本設計采用直流電機帶動光伏板完成視日運動軌跡追蹤，直流電機具有良好的調速性能，過載能力和抗干擾能力強，適合于本設計的應用要求。電機的控制電路設計為H橋電路，其電路連接圖如圖4所示。

圖4 電機控制電路連接圖

本設計采用4個二極管和4個三極管構成H橋電路，其中二極管的作用是截止電流導通。本電路的H橋用來實現直流電機的電流雙向流動。當out1的輸出為“0”，out2的輸出為“1”時，電機中的電流在Q3和Q5導通時正向流動，直流電機處于正轉狀態。當out1的輸出為“1”，out2的輸出為“0”時，電機中的電流在Q4和Q6導通時反向流動，直流電機處于反轉狀態。因此，電機的正轉與反轉是由out1和out2來控制的。

2.4 顯示模塊

顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，該顯示屏共有16個引腳，第3引腳用于調節顯示對比度，LCD1602的第7至第14引腳作為顯示屏的數據控制口，與單片機的第32至39引腳連接，單片機通過引腳以此來向液晶顯示屏輸入數據，顯示屏會時刻顯示當時光照強度值。

2.5 太陽能板充電模塊

本設計為太陽能光伏發電系統，就需考慮電能的存儲。設計中把電能儲存于鋰電池，因為太陽能板工作輸出不穩定的直流電壓，所以在本設計中需要設計出穩壓電路，它可以把輸出電壓穩定到5V的固定值，然后儲存到鋰電池中。如果電池中的電壓值未達到5V，系統就存在一定的危險性。如果直接儲存電能于鋰電池中，就會減少鋰電池的有效使用期，甚至損壞鋰電池，燒壞設備，引發安全事故，因此，需要添加一個穩壓電路，系統才能夠正常工作。太陽能充電電路如圖5所示。

圖5 太陽能充電電路圖

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

在系統的主流程中，系統初始化后開始工作，用光敏電阻在太陽能板兩側收集陽光，把模擬量電壓信號進行比較，當一側光強明顯大于另一側時，驅動直流電機向光強的一側轉動，同時，利用模數轉換器在LCD在液晶顯示屏上顯示當前環境的光強值。系統主程序流程如圖6所示。

圖6 系統主程序圖

3.2 模數轉換程序設計

模數轉換程序流程中，先將ADC0832的芯片片選打開，將該芯片的D0端設為高阻態。然后，設置起始位和雙通道單極性輸入，當D0為高電平時，最終選擇通道1。緊接著，D0取消高阻態，接收并讀取數據，最后取消片選。數模轉換子程序流程如圖7所示。

圖7 模數轉換程序圖

3.3 電機控制程序設計

本設計采用直流電機控制太陽能板轉動，首先給出模擬太陽光當P3.4=1，P3.5=0時，直流電機反轉；當P3.4=0,P3.5=1時，直流電機正轉。當P3.4P3.5都等于1或者0時電機靜止，最終可以實現太陽光的追蹤。

4 總結

本設計實現了單片機整體控制、光照采集、液晶顯示和電機驅動等功能。系統開機后，LCD1602液晶顯示屏顯示當前環境下的光照強度值，經光照比較，太陽能板左側光照強度大于右側光照強度，直流電機轉向了光強大的左側，將光強側調換，直流電機轉向了光強大的右側。實物調試后的現象符合了本設計的理論結果，本裝置將太陽能轉換成電能存儲在鋰電池當中，同時系統采用鋰電池供電，實現了太陽光追蹤，有效提高太陽能利用率。