基于Arduinouno單片機的太陽能追隨系統設計

王鈺 黃開亮 楊笑然 鄧旭東

摘要：隨著社會的發展，新能源的研究與應用已經成為必然趨勢。作為新能源的太陽能，雖然是清潔能源，但利用率有待提高。為了提高太陽能的利用率，文章提出了基于Arduino uno單片機的太陽能追隨系統。當太陽光照充足的時候，系統進行光電檢測，Arduino uno單片機控制著舵機隨光轉動，太陽能電池板進行追光運動，蓄電池不斷地進行蓄電；當太陽光變暗的時候，蓄電池進行放電，從而點亮LED。太陽能追隨系統，有效地提高了太陽能的利用率，達到節能的目的。

關鍵詞：太陽能追隨系統；Arduino uno單片機；太陽能電池板；節能

中圖分類號：TP39? 文獻標志碼：A

0 引言

如今，人們對能源的需求日益增大，不可再生能源不斷地被消耗，能源問題逐漸成為人們重點研究的對象。隨著科技的進步，大量的新能源不斷地被開發與利用，有效地緩解了能源問題。作為清潔能源的太陽能，不斷地被應用到生產生活中，比如新能源汽車、太陽能熱水器、節能路燈以及光伏發電等。

國內外學者不斷地研究如何更高效地利用太陽能，為此提出不同的設計方案。韓竺秦等［1］提出了基于STC89C52單片機的太陽能追蹤系統，主要設計了驅動電路、檢測電路以及太陽定位電路等。石玉軍等［2］通過四象限光敏傳感器探測太陽的位置，并利用STC89C52單片機控制步進電機運行，從而實現對太陽能的跟蹤。隨云飛等［3］開發了一套太陽能自動追蹤系統，使得太陽能電池板和集熱管垂直于太陽光線，實現較高的跟蹤精度。韓悅等［4］基于STM32單片機設計追蹤系統，通過角度追蹤和光電感應方式全方位地追蹤太陽能。邱錫強［5］基于STM32單片機研制了一種可移動的太陽能自動追蹤裝置，利用GPS模塊和傾角傳感器測量太陽和裝置的角度。陳沛宇等［6］從機械結構方面設計了一種太陽能目標雙軸追蹤機械系統，將光電傳感器和雙軸追蹤相融合，實現快速追蹤太陽能。張雙華等［7］為提高光電轉換效率通過時控和光控方式跟蹤太陽能，設計了一種高精度太陽能雙軸跟蹤系統。太陽能追蹤系統可以應用到生活中，比如家用電器、汽車行業、農業等，充分利用新能源太陽能，減少了空氣污染，改善了人們的生活環境。因此，研究和設計太陽能追蹤系統具有很大意義。

本文提出了基于Arduino uno單片機的太陽能追隨系統。軟件設計部分，通過Arduino平臺進行軟件編程，并將編譯無誤的程序加載到Arduino uno單片機內，根據是否有太陽光判斷是否進行光電檢測，通過單片機控制著舵機和太陽能電池板的角度進行追光運動；硬件設計部分，本文設計了追隨系統的電路并進行實物制作與調試，確保該系統可以達到實時追光的效果。當有太陽光照射時，光敏電阻模塊給Arduino uno單片機提供信號，單片機控制著舵機和太陽能電池板進行追光運動，蓄電池持續蓄電操作；當光線變暗時，蓄電池進行放電，點亮LED。

1 太陽能追隨系統的總體設計

基于Arduino uno單片機的太陽能追隨系統的總體結構如圖1所示，以光敏電阻模塊為觸發開關，Arduino uno單片機作為太陽能追隨系統的主控芯片，搭載了舵機、太陽能電池板和蓄電池等模塊［8］。該太陽能追隨系統在有太陽光的時候可進行自動追光運動，提高了太陽能的利用率，達到了節能的目的。

基于Arduino uno單片機的太陽能追隨系統的總體設計流程如下：

（1）當有太陽光照射到光敏電阻模塊時，光敏電阻模塊為Arduino uno單片機提供信號，驅動單片機運行。

（2）通過Arduino平臺進行編程，并將程序加載到Arduino uno單片機內，控制著兩個舵機追隨太陽光進行水平運動和垂直運動。

（3）太陽能電池板隨著舵機進行追光運動，并且太陽能電池板通過充電模塊TP4056給蓄電池充電。

（4）當太陽光光線變暗時，舵機和太陽能電池板不再運動，蓄電池進行放電，從而點亮LED。

2 太陽能追隨系統的軟件設計

太陽能追隨系統的程序是通過Arduino uno單片機在Arduino平臺上編程實現的，其軟件設計總體流程如圖2所示。

根據是否有太陽光來判斷程序是否進行光電檢測，如果沒有太陽光，程序進入初始化狀態；如果有太陽光，經光電檢測后設置兩個舵機的水平和垂直運動的角度等參數。在Arduino平臺編譯好程序后，將程? 序加載到單片機內，并調試舵機能否正常運行。為了消除舵機轉動發生抖動的現象，進行了濾波處理。

3 太陽能追隨系統的硬件設計

3.1 太陽能追隨系統的電路設計

基于Arduino uno單片機的太陽能追隨系統的電路原理是利用太陽光照射到太陽能電池板上方的光敏電阻模塊時，舵機就會受到Arduino uno單片機的控制，實時地調整舵機的角度，進行追光運動，其電路原理如圖3所示。

本設計選用的是5 V的太陽能電池板，將太陽能電池板一正一負接到電池充電模塊TP4056輸入上，再把充電模塊輸出接上充電的電池。當太陽光照射的時候，太陽能經處理后通過充電模塊給蓄電池充電，蓄電池持續蓄電操作。

將PNP三極管8550的發射極接到充電模塊OUT+，集電極經過一個10 Ω的限流電阻接上LED，三極管的基極和太陽能電池板的正極接在一起。當太陽光照射太陽能電池板時，太陽能電池板有電壓，正極就是高電位給到PNP三極管的基極，三極管就被截止了，LED不亮，相當于給充電電池充電。當光線變弱的時候，太陽能電池板兩端的電壓就會逐漸降低，低到比較小的電壓的時候，電池板的正極就相當于一個低電位，正極和三極管的基極相接，此時三極管導通。從充電電池里面流出的電流經過三極管和限流電阻，點亮LED，從而實現有光照時追光蓄電、光線暗時給LED供電的功能。

3.2 太陽能追隨系統的硬件設計與實現

通過Arduino uno單片機控制兩個舵機轉動來實現系統自動追光的效果。當有太陽光照射時，光敏電阻模塊檢測到光線亮度，會給Arduino uno單片機提供信號。Arduino uno單片機控制舵機進行追光運動，太陽能電池板的方位隨著舵機的運動而改變，達到實時追光的效果。

利用舵機來控制太陽能電池板運動時，使用兩個舵機分別控制太陽能電池板的方位，從而進行垂直運動和水平運動，這兩個舵機的布局如圖4所示。兩個舵機的運動范圍是0～180°，在組裝的時候要進行調整，防止在追光運動過程中舵機卡住，從而導致舵機損壞。由于舵機的工作角度受限，太陽能追隨系統有時候停留的地方光線較弱，按下Arduino uno開發板上的紅色按鈕或者盾板上的RESET鍵重新尋找并跟隨太陽光，從而實時掌握當前的坐標位置。根據照射角傳感器的變化來調整定位角度，從而增強太陽能電池板的追光效果，提高了太陽能的利用率。

在制作實物時，實驗器材的使用情況如下表所示，追隨系統實物如圖5所示。當有太陽光照射時，光敏電阻模塊會給Arduino uno單片機提供信號，單片機發揮控制作用，舵機和太陽能電池板進行追光運動，蓄電池進行蓄電操作；當光線變暗時，舵機和太陽能電池板不運動，蓄電池不斷放電，LED被點亮。表1為實驗器材。

4 結語

本文設計了一種基于Arduino uno單片機的太陽能追隨系統，提高了太陽能的利用率，達到節能的目的。當太陽光照射到光敏電阻模塊上，Arduino uno單片機控制著舵機進行水平和垂直運動，太陽能電池板進行追光運動，并通過蓄電池進行蓄電操作；當光線變暗時，舵機和太陽能電池板不運動，蓄電池釋放電能，從而點亮LED。太陽能追隨系統有效地提高了太陽能的利用率，經研究后也可以應用到人們的日常生活中，比如太陽能電動車、太陽能充電寶以及太陽能風扇等，有效地緩解了能源問題，減少了空氣污染，營造美好的生活環境。

參考文獻

［1］韓竺秦，牛王元，李玉華，等.基于STC89C52的太陽能追蹤系統設計［J］.電子質量，2016（2）：31-34.

［2］石玉軍，劉振來，向根祥.太陽能追蹤系統的設計［J］.河西學院學報，2015（5）：51-55.

［3］隨云飛，趙建偉.太陽能自動追蹤系統的設計與研究［J］.山西電子技術，2016（4）：82-83.

［4］韓悅，劉忠富，張可，等.基于STM32的多功能太陽能追蹤系統［J］.山西電子技術，2019（6）：52-55.

［5］邱錫強.一種可移動太陽能自動跟蹤裝置的研制［D］.成都：西華大學，2016.

［6］陳沛宇，歐陽華兵，何克勁，等.基于Arduino單片機的太陽能目標追蹤系統設計［J］.上海電機學院學報，2019（5）：255-261.

［7］張雙華，文小玲，邵鵬程，等.高精度雙軸太陽能跟蹤控制系統的設計［J］.武漢工程大學學報，2018（3）：315-319.

［8］蔣嬋靜，羅志榮.基于AT89S52芯片的LED路燈控制系統的設計［J］.照明工程學報，2018（3）：86-88.

（編輯 傅金睿）

Design of solar tracking system based on Arduino uno microcontroller

Wang? Yu， Huang? Kailiang， Yang? Xiaoran， Deng? Xudong

（Nanjing Normal University Taizhou College， Taizhou 225300， China）

Abstract： With the development of society， the research and application of new energy has become an inevitable trend. As a new energy， solar energy is a clean energy， but its utilization needs to be improved. In order to improve the utilization of solar energy， this paper proposes a solar tracking system based on Arduino uno microcontroller. When the sun is shining， the system performs photoelectric detection，? the servo is controlled by the Arduino uno microcontroller to rotate with the sun， at the same time，the solar panel moves with the sun， then the battery keeps charging with the system tracking the sun；when the sun dims， the battery is discharged， so the LED is lit. The solar tracking system can effectively improve the utilization of solar energy and achieve the purpose of saving energy.

Key words： solar tracking system; Arduino uno microcontroller; solar panel；save energy