基于光敏電阻的太陽自動追蹤系統

0 引言

太陽能被廣泛地應用于人類的生產和生活，研究表明當太陽光線垂直照射太陽能電池板時可獲得更高的太陽能利用率。因此研發太陽追蹤裝置來提高太陽能光伏發電效率，具有非常重要的理論意義和實際應用價值。近年來太陽追蹤裝置得到了廣泛的關注與研究，在跟蹤裝置方面單軸裝置結構簡單，但追蹤精度不高；在控制算法方面文獻[1]采用模糊控制算法與PID算法相結合的方法實現太陽追蹤，文獻[2]通過對SPA和PSA算法的對比，提出以程序粗跟蹤與傳感器精確跟蹤相結合的方法實現太陽追蹤，兩種算法雖可顯著提高太陽能利用率，但是控制算法和控制程序都過于復雜。本文提出一種基于光敏電阻的太陽自動追蹤系統，根據光敏電阻的工作原理設計制作了高效低成本的光照強弱檢測模塊，采用雙軸追蹤控制，實現控制算法簡單化，太陽能利用率最大化。

1 系統方案

太陽自動追蹤系統主要由五部分組成：①光照強弱檢測模塊，主要由光敏電阻組成，采集不同方位光照強度信息，傳入單片機進行分析處理；②單片機；③控制算法；④太陽追蹤機構，本文設計的太陽自動追蹤系統采用二維追蹤裝置，可以使太陽能電池板實現八個方向轉動，這樣既可以對太陽自東向西的運動軌跡進行追蹤，也可以對太陽的高度變化進行追蹤，提高了太陽能電池板對光照角度變化的追蹤效率；⑤太陽能電池板。太陽自動追蹤系統整體框圖如圖1所示。

圖1 太陽自動追蹤系統整體框圖

2 光照強弱檢測模塊

由于地球上的方向分為北、南、西、東四個方向，以太陽能電池為中心，為了檢測太陽能電池板北、南、西、東四個方向的太陽光照強弱，將光敏電阻通過和一個固定阻值的電阻串聯后，分別安裝在太陽能電池板的上、下、左、右四個位置分別用于檢測北、南、西、東四個方向的太陽光照強弱，如圖2所示。光電檢測傳感器使用了四個光敏電阻用以檢測太陽能電池板北、南、西、東四個方向的太陽光照強弱，由于光敏電阻的工作原理是光照強度越強，阻值越小，光照強度越弱，阻值越大[3]。所以將和光敏電阻串聯的電阻分壓得到的電壓值作為檢測到的光照強弱值，為了有統一的參考標準，四個光敏電阻R1、R2、R3、R4分別和阻值大小相同的固定電阻R5、R6、R7、R8串聯后，并連在電壓5V的電源正極和負極上，如圖3所示。

圖2 光敏電阻位置示意圖

圖3 光電檢測傳感器電路原理圖

3 太陽追蹤機構

為了滿足太陽能電池板可以向轉向北、南、西、東四個方向的設計要求，在水平面中建立平面坐標系，將西、東方向作為坐標系的X軸的正方向和負方向，將北、南方向作為坐標系的Y軸的正方向和負方向，將與舵機1輸出軸連接的U型架安裝于太陽能電池板背面的中間位置，與舵機1輸出軸連接的U型架可以左右轉動，代表X軸的西、東方向，將與舵機2輸出軸連接的U型架安裝于舵機1的殼體上，與舵機2輸出軸連接的U型架和與舵機1輸出軸連接的U型架垂直，可以前后轉動，代表Y軸的北、南方向[4]。

4 單片機選型

太陽自動追蹤系統是利用光電檢測傳感器采集光強信息，通過單片機的A/D轉換模塊將不同光強所對應的電壓值轉化為數字信號，并送入單片機中，單片機通過比較不同電壓值來確定各個方向光照強度的強弱，從而發出相應指令來控制追蹤機構，實現太陽追蹤，所以所選用的單片機一定要具有高精度的A/D轉換功能，在單片機的學習使用過程中常用的有以下兩種。

4.1 80C51單片機

80C51單片機屬于MCS-51系列單片機，由Intel公司開發，其結構是8048的延伸，改進了8048的缺點，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、減（SUBB）、比較（CMP）、16位數據指針、布爾代數運算等指令，以及串行通信能力和5個中斷源。采用40引腳雙列直插式DIP（Dual In Line Package），內 有128Byte的RAM單 元 及4K的ROM。80C51有兩個16位定時計數器，兩個外中斷，兩個定時計數中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口，A/D轉換精度8位數據。

4.2 AVR mega16單片機

ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數據吞吐率，A/D轉換精度10位數據。

通過以上分析可知80C51單片機和AVR mega16單片機性能都很卓越，但是80C51單片機的A/D轉換精度8位數據，電壓模擬量轉換為數字量最大值為28即256，AVR mega16單片機的A/D轉換精度10位數據，電壓模擬量轉換為數字量最大值為210即1024，AVR mega16單片機的A/D轉換精度更高，由于太陽自動追蹤系統需要精確比較經過A/D轉換過的北、南、西、東四個方向的太陽光照強弱，然后發出控制指令控制太陽能電池的轉向，所以本文選用A/D轉換精度更高的AVR mega16單片機太陽自動追蹤系統控制元件。

5 太陽自動追蹤系統控制算法設計

由于AVR mega16單片機的A/D轉換模塊轉換精度是10位數據，即最大值為210為1024[5]，因此將北、南、西、東四個方向的光敏電阻檢測到的太陽光照強弱，經過AVR mega16單片機的A/D轉換模塊轉換得到的數字量設為u1、u2、u3、u4，e1=u1-u2、e2=u3-u4、e3=u2-u1、e4=u4-u3。

根據多次實驗測試得出的閾值數據，光電檢測追蹤方法的具體工作過程可以分為八種情況具體討論：

①若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u3-u4=e2＜100，則北方比南方光照強，西方比東方光照強；進一步分析，若-100＜e1-e2＜100，則北方光照強度和西方光照強度差距較小，系統控制采用比例控制：

式中：y1為X軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；

式中：y2為Y軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出X軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y1的控制下向北方向轉動，Y軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y2的控制下向西方向轉動，最終太陽能電池板轉向西北方向接受光照。

②若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u3-u4=e2＜100，則北方比南方光照強，西方比東方光照強；進一步分析，若100＜e1-e2＜200，則北方光照強度大于西方光照強度，系統控制采用比例控制：

式中：y1為X軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出X軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y1的控制下向北方向轉動，Y軸光照角度調節舵機保持不動，最終太陽能電池板轉向北方向接受光照。

③若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u3-u4=e2＜100，則北方比南方光照強，西方比東方光照強；進一步分析，若-200＜e1-e2＜-100，則北方光照強度小于西方光照強度，系統控制采用比例控制：

式中：y2為Y軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出Y軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y2的控制下向西方向轉動，X軸光照角度調節舵機保持不動，最終太陽能電池板轉向西方向接受光照。

④若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u4-u3=e4＜100，則南方比北方光照強，東方比西方光照強；進一步分析，若-100＜e3-e4＜100，則南方光照強度和東方光照強度差距較小，系統控制采用比例控制：

式中：y3為X軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；

式中：y4為Y軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出X軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y3的控制下向南方向轉動，Y軸光照角度調節舵機在AVR mega16單片機輸出控制量y4的控制下向東方向轉動，最終太陽能電池板轉向東南方向接受光照。

⑤若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u4-u3=e4＜100，則南方比北方光照強，東方比西方光照強；進一步分析，若100＜e3-e4＜200，則南方光照強度大于東方光照強度，系統控制采用比例控制：

式中：y3為X軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出X軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y3的控制下向南方向轉動，Y軸光照角度調節舵機保持不動，最終太陽能電池板轉向南方向接受光照。

⑥若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u4-u3=e4＜100，則南方比北方光照強，東方比西方光照強；進一步分析，若-200＜e3-e4＜-100，則南方光照強度小于東方光照強度，系統控制采用比例控制：

式中：y4為Y軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出Y軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y2的控制下向東方向轉動，X軸光照角度調節舵機保持不動，最終太陽能電池板轉向東方向接受光照。

⑦若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u4-u3=e4＜100，則北方比南方光照強，東方比西方光照強；進一步分析，若-100＜e1-e4＜100，則北方光照強度和東方光照強度差距較小，系統控制采用比例控制：

式中：y5為X軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；

式中：y6為Y軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出X軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y5的控制下向北方向轉動，Y軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y6的控制下向東方向轉動，最終太陽能電池板轉向東北方向接受光照。

⑧若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u3-u4=e2＜100，則南方比北方光照強，西方比東方光照強；進一步分析，若-100＜e3-e2＜100，則南方光照強度和西方光照強度差距較小，系統控制采用比例控制：

式中：y7為X軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；

式中：y8為Y軸光照角度調節舵機單片機輸出控制量；k1為光照強度差距較小時的常數比例因子取2；得出X軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y7的控制下向南方向轉動，Y軸光照角度調節舵機在單片機輸出控制量y8的控制下向西方向轉動，最終太陽能電池板轉向西南方向接受光照。

因此采用此算法，不僅可實現快速準確的角度跟蹤，北、南、西、東、西北、東南、東北、西南八個都有兼顧，而且降低了系統震蕩，提高系統跟蹤的穩定性。

6 實驗研究

在戶外進行日照充電實驗，實驗采用兩塊同樣規格的太陽能電池板，一塊調至最佳角度固定安裝；另外一塊采用太陽自動追蹤系統。實驗所用的12V蓄電池容量為6AH，實驗采用的12V-10W電池板理論電流為0.83A，12V-6AH蓄電池理論充電時間為7.3小時。

實驗從上午8:00開始，直到下午18:00兩種太陽能電池板充電控制器的蜂鳴器都沒有響起，于是在第二天上午8:00繼續進行測試，在上午9:15時采用太陽自動追蹤系統的太陽能電池板充電控制器蜂鳴器響起，用時11小時15分鐘，在上午12:06采用固定安裝角度的太陽能電池板充電控制器蜂鳴器響起，用時14小時6分鐘。

7 結論

蓄電池理論充電時間為7.3小時，但是兩種充電系統用時都較長，分析其中原因有兩個。第一、兩塊太陽能電池板本身質量問題；第二、實際測試過程中天空中時常有云層出現，影響了太陽能電池板的充電效率。但是從實驗中依舊可以得出，采用太陽自動追蹤系統的太陽能電池板充電系統比采用固定安裝角度的太陽能電池板充電系統充電效率高。