常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 劉冉冉 鄭恩興

1.前言

太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽(yáng)能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。然而它也存在著間歇性、光照時(shí)間和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提高了更高的要求[2]。目前很多太陽(yáng)能電池板陣列基本上都是固定的，沒(méi)有充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)電率低下。據(jù)試驗(yàn)，在太陽(yáng)能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，因此在太陽(yáng)能利用中，進(jìn)行跟蹤是十分必要的[3-4]。

按照不同的分類方法，太陽(yáng)跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤（程序控制），還有單軸跟蹤和雙軸跟蹤。傳感器跟蹤是利用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光是否偏離，當(dāng)太陽(yáng)光偏離時(shí)，傳感器發(fā)出偏差信號(hào)，經(jīng)放大運(yùn)算后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光。這種跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)是受天氣影響大，陰雨天無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。視日運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤（程序控制），是根據(jù)太陽(yáng)的實(shí)際運(yùn)行軌跡按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤太陽(yáng)，這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，但其精度比較低。單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽(yáng)，高度角做季節(jié)性調(diào)整，雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個(gè)方向跟蹤太陽(yáng)。

本文提出一種新型的基于單片機(jī)的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用傳感器跟蹤方式，實(shí)現(xiàn)方位角單軸一維機(jī)械跟蹤。不僅能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光方向來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且在跟蹤過(guò)程中能自動(dòng)記憶和更正不同時(shí)間的坐標(biāo)位置，不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無(wú)人值守的情況，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖1 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文是基于單片機(jī)的太陽(yáng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)，將控制器分為軟硬件兩部分來(lái)設(shè)計(jì)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)跟蹤的基本功能。

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置主要是由光電檢測(cè)電路[5]、機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)等幾部份組成。電源電路采用5V/500mA的集成穩(wěn)壓電源，輸出高電平和低電位；機(jī)械跟蹤系統(tǒng)主要由支架、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、直流電機(jī)；單片機(jī)選用低損耗、高性能、COMS八位微處理器AT89C52，片內(nèi)有8K字節(jié)的可擦寫存儲(chǔ)器，4組I/O口。

主控制單元主要完成：過(guò)濾干擾，定時(shí)器每隔一段時(shí)間采樣一次用數(shù)組進(jìn)行緩沖過(guò)濾掉干擾；計(jì)算功能，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；控制功能，編程控制手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)整，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

主要通過(guò)微機(jī)處理器對(duì)光敏二極管采集的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度等進(jìn)行控制，從而對(duì)跟蹤太陽(yáng)的控制，本設(shè)計(jì)采用的是被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 硬件總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)、光傳感器、電機(jī)以及硬件電路板等板塊的組合運(yùn)用來(lái)控制太陽(yáng)能的跟蹤，達(dá)到和太陽(yáng)形成同步運(yùn)動(dòng)的目的，從而提高太陽(yáng)能的利用率。該系統(tǒng)主要包含的模塊有：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、光敏傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵調(diào)整模塊等模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.3 軟件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)一維坐標(biāo)系，自動(dòng)跟蹤裝置具有一個(gè)垂直的轉(zhuǎn)軸，即垂直軸，垂直于水平面，傳感板圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位角的變化[6-9]。本系統(tǒng)為軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)，在硬件的基礎(chǔ)上用軟件實(shí)現(xiàn)一些功能。軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能：過(guò)濾干擾，定時(shí)器每隔一段時(shí)間采樣一次用數(shù)組進(jìn)行緩沖過(guò)濾掉干擾；計(jì)算功能，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)整需要三個(gè)調(diào)整鍵，分別為手動(dòng)/自動(dòng)切換、電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖3 主程序流程

圖4 光敏二極管的排列

本系統(tǒng)的軟件由以下幾個(gè)部分組成：系統(tǒng)初始化模塊、掃描按鍵、自動(dòng)跟蹤模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)初始化模塊主要由軟件實(shí)現(xiàn)，如圖3所示：

2.3.1 系統(tǒng)初始化模塊

系統(tǒng)初始化模塊主要確定跟蹤裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)位置。機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)到基準(zhǔn)位置后，觸發(fā)開關(guān)向控制端口發(fā)送電平信號(hào)，單片機(jī)收到消息后立即終止驅(qū)動(dòng)脈沖的發(fā)送。這種模式主要是針對(duì)系統(tǒng)工作異常和日落后系統(tǒng)自動(dòng)返回基準(zhǔn)位置設(shè)置的，也可以減小因機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工和直流電機(jī)的傳動(dòng)而產(chǎn)生的誤差積累。

2.3.2 自動(dòng)跟蹤模塊

自動(dòng)跟蹤模塊是由8個(gè)光敏二極管組成的一個(gè)傳感器[10]。如圖4所示，將傳感器分成兩個(gè)區(qū)域，具體是光敏二極管D2、D3、D4為一組，D5、D6、D7為一組，形成左右各一區(qū)域的狀態(tài)，將此檢測(cè)板用兩個(gè)不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑要正好圈住三個(gè)光敏二極管。圓柱體的上方中央開一個(gè)與檢測(cè)用的光電二極管直徑相同的洞，以讓光線通過(guò)。傳感器檢測(cè)部分實(shí)現(xiàn)的功能是能準(zhǔn)確判斷是左偏還是右偏，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域都有信號(hào)時(shí)為正對(duì)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。如果有一個(gè)區(qū)域的傳感器信號(hào)被遮擋則產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，即采集的信號(hào)利用運(yùn)放放大信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集的信號(hào)分析電機(jī)是否轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的話，是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。

2.3.3 按鍵電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由按鍵掃描完成和單片機(jī)控制同時(shí)完成的。主要由單片機(jī)控制單元以軟件形式完成，再由按鍵輔助完美化。在本系統(tǒng)中，選擇的電機(jī)是5V的直流電機(jī)，其本身有很大的磁場(chǎng)，對(duì)繼電器有很大的工作干擾，所以使用的是橋式驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)中共有三個(gè)功能鍵：分別為手動(dòng)/自動(dòng)切換、電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了基于方位角單軸一維機(jī)械跟蹤定位的太陽(yáng)跟蹤定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了太陽(yáng)輻射與環(huán)境亮度的比較，使得該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性強(qiáng)，在晴天檢測(cè)過(guò)程中能實(shí)時(shí)回存正確的時(shí)間和角度數(shù)據(jù)，消除因季節(jié)變化而產(chǎn)生的積累誤差。在陰天時(shí)能自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到以前晴天時(shí)的位置。即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，提高了太陽(yáng)能的利用效率。

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