李宗濤，李志剛，于存貴，陳 娜

（1.南京理工大學 江蘇 南京 210094；2.燕山大學 河北 秦皇島 066004）

基于單片機的太陽追蹤系統(tǒng)的設計

李宗濤1，李志剛1，于存貴1，陳 娜2

（1.南京理工大學 江蘇 南京 210094；2.燕山大學 河北 秦皇島 066004）

針對固定式太陽能利用裝置的光能利用率低，設計一種太陽追蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)由單片機智能控制，采用光電傳感器檢測太陽照射下遮光器的陰影，從而精確定位太陽與太陽能利用裝置相對位置，實現(xiàn)太陽能利用裝置的全程太陽追蹤，使太陽光能最大限度地得到利用。

太陽追蹤；遮光器；單片機；智能控制

隨著經濟發(fā)展和社會進步，自然資源被大量地、甚至是掠奪性地開發(fā)和利用，人類的自然資源即將枯竭，因此，尋找新能源已迫在眉睫。而太陽能作為一種干凈環(huán)保并且取之不盡的可再生新能源在人類生產生活中具有廣泛作用。于是，合理開發(fā)利用太陽能，提高太陽能利用率有著極其重要的意義。目前，太陽能利用裝置的放置位置大多是固定不變的，而一天當中太陽與太陽能利用裝置的相對位置是時刻變化的，這也就無法保證太陽能利用裝置時刻受到陽光直射，從而使太陽光能的利用率大大降低[1]。為了提高太陽能的利用率，設計一種太陽追蹤系統(tǒng)，使太陽能利用裝置時刻接受陽光直射，最大限度的利用太陽光能。

1 總體方案的設計

太陽追蹤系統(tǒng)由控制模塊、檢測模塊、執(zhí)行模塊3部分組成。其中，控制模塊主要包括STC89C52單片機組成的中央處理器；檢測模塊主要由遮光器配合下的光電傳感器、位置傳感器及其外圍電路構成；執(zhí)行模塊主要包括步進電機、驅動電路。其總體結構如圖1所示，其樣機如圖2所示。

圖1 整體結構圖Fig.1 The overall structure diagram

圖2 太陽追蹤系統(tǒng)樣機圖Fig.2 The solar tracking system prototype

陽光照射下的物體會產生陰影，陰影的方向與太陽光線的方向一致。根據這一原理，本系統(tǒng)采用光電傳感器檢測太陽照射下遮光器的陰影，精確定位太陽與太陽能利用裝置相對位置。

太陽在一天中的運動軌跡可以分解為水平方向和俯仰方向。如圖3所示，在水平方向上，當太陽光線直射太陽能利用裝置時，水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4；在俯仰方向上，當太陽光線直射太陽能利用裝置時，俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6。當兩個光電傳感器同時完全處在陰影下時，太陽能利用裝置處在陽光直射狀態(tài)下。

圖3 太陽追蹤檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of the solar tracking detection schemes

如圖3所示，當水平遮光器3的陰影沒有完全遮住水平光電傳感器4時，說明太陽能利用裝置2在水平方向上沒有達到太陽直射，控制模塊接收到此時水平光電傳感器4傳遞的信號后會控制執(zhí)行模塊水平方向上的電機轉動，直到水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4，水平方向上的電機才停止轉動，使太陽能利用裝置在水平方向上達到太陽直射；當俯仰遮光器5的陰影沒有完全遮住俯仰光電傳感器6時，說明太陽能利用裝置2在俯仰方向上沒有達到太陽直射，控制模塊接收到此時俯仰光電傳感器6傳遞的信號后會控制執(zhí)行模塊俯仰方向上的電機轉動，直到俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6，俯仰方向上的電機才停止轉動，使太陽能利用裝置在俯仰方向上達到太陽直射；當水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4、俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6時，太陽能利用裝置此時達到太陽直射。

陰天時太陽光線暗，但是遮光器在太陽照射下產生的陰影與太陽光線之間仍然存在著明顯對比，故本系統(tǒng)可以繼續(xù)精確定位太陽位置，從而使太陽追蹤系統(tǒng)不受天氣變化的影響；當太陽光線暗到不適合太陽能利用裝置工作時，檢測光照強度的光電傳感器將信號傳遞給控制模塊，控制模塊會使太陽追蹤系統(tǒng)停止工作，降低太陽追蹤系統(tǒng)的能源損耗。

水平方向上太陽追蹤系統(tǒng)的運動軌跡：從早晨到晚上，太陽的運動軌跡是自東向西，執(zhí)行模塊的初始設定軌跡也是自東向西，初始設定位置是朝向東方的。晚上，執(zhí)行模塊是朝向西方的，第二天早晨，朝向西方的執(zhí)行模塊會繼續(xù)自東向西轉動一定角度觸動水平位置傳感器，控制模塊接受到水平位置傳感器的信號后會使執(zhí)行模塊在水平方向上復位，從而使執(zhí)行模塊一直追蹤太陽自東向西轉動。俯仰方向上太陽追蹤系統(tǒng)的運動軌跡：從早晨到中午，太陽的運動軌跡是自低到高，從中午到晚上，太陽的運動軌跡是自高到低。從早晨到中午，執(zhí)行模塊跟隨太陽自低到高轉動；從中午到晚上，執(zhí)行模塊首先會繼續(xù)自低到高轉動一定角度觸動第一俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第一俯仰位置傳感器的信號后會使執(zhí)行模塊跟隨太陽自高到低運動；第二天早晨，執(zhí)行模塊首先會繼續(xù)自高到低轉動一定角度觸動第二俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第二俯仰位置傳感器的信號后會使執(zhí)行模塊跟隨太陽自低到高運動。

2 太陽追蹤系統(tǒng)的硬件設計

2.1 執(zhí)行模塊設計

為了使執(zhí)行模塊帶動太陽能利用裝置全程追蹤太陽，執(zhí)行模塊必須能夠在水平和俯仰兩個方向轉動，以滿足太陽水平方向：東-西，俯仰方向：低-高-低的運動特點。因此，執(zhí)行模塊裝有兩個步進電機，通過兩個步進電機的配合轉動實現(xiàn)執(zhí)行模塊在水平跟俯仰方向上的運動，從而實現(xiàn)全程追蹤太陽。

兩步進電機由兩個ULN2003芯片驅動，兩驅動芯片與控制模塊中單片機的P0口相連接。其中，P0.0-P0.3控制水平方向上的步進電機，P0.4-P0.8控制俯仰方向上的步進電機，在單片機的控制信號下實現(xiàn)轉動或停止。兩步進電機的驅動電路[2]如圖4所示。

圖4 步進電機驅動電路Fig.4 Stepper motor drive circuit

2.2 檢測模塊設計

水平光電傳感器及其相配合的水平遮光器結構實物如圖5所示。用水平光電傳感器檢測水平遮光器產生的陰影來確定太陽能利用裝置與太陽的水平相對位置。

俯仰光電傳感器及其相配合的俯仰遮光器結構實物如圖6所示。用俯仰光電傳感器檢測俯仰遮光器產生的陰影來確定太陽能利用裝置與太陽的俯仰相對位置。

遮光器配合下光電傳感器檢測電路主要由光電傳感器[3]、電阻、電位器以及LM393芯片[4]組成。當光電傳感器接受的光照強度大于設定值時，LM393芯片-IN管腳電位低于+IN管 腳電位，此時，LM393芯片OUT管腳輸出高電平；當光電傳感器接受的光照強度小于設定值時，LM393芯片-IN管腳電位高于+IN管腳電位，此時，LM393芯片OUT管腳輸出低電平。LM393芯片-INT管腳和+IN管腳分別與單片機的P2.0和P2.1口相連。兩光電傳感器的檢測電路如圖7所示。

圖5 水平光電傳感器、水平遮光器實物圖Fig.5 Product picture of horizontal photoelectric sensor and light chopper

圖6 俯仰光電傳感器、俯仰遮光器實物圖Fig.6 Product picture of vertical photoelectric sensor and light chopper

圖7 光電傳感器檢測電路Fig.7 Photoelectric sensor detection circuit

根據太陽的運動軌跡，執(zhí)行模塊在水平方向上的轉動角度為180度，執(zhí)行模塊水平方向上裝有兩個位置傳感器，用來限定執(zhí)行模塊的水平運動范圍；執(zhí)行模塊在俯仰方向上的轉動角度為90度，執(zhí)行模塊俯仰方向上也裝有兩個限位傳感器，用來限定執(zhí)行模塊的的俯仰運動范圍。

2.3 控制模塊設計

控制模塊以一片STC89C52芯片[5]為核心，接受檢測模塊傳遞的信號后，通過對信號處理使執(zhí)行模塊的兩個步進電機動作，從而保證太陽能利用裝置接受最大強度光照?？刂颇K中應用的單片機系統(tǒng)由STC89C52RC芯片、供電電路、復位電路、晶振電路四部分組成。

3 系統(tǒng)軟件的設計

該控制系統(tǒng)的軟件主要由一個主程序及一些子程序組成[6]。主程序由一些狀態(tài)選擇語句、循環(huán)語句組成，主要是在系統(tǒng)復位后重新檢測執(zhí)行模塊與太陽的相對位置。當傳感器傳回相應的光照、位置等信息后，STC89C52響應相應信號，控制步進電機轉動。子程序的主要作用是通過電機正反轉控制執(zhí)行模塊的動作，使太陽能利用裝置在水平與俯仰方向上組合運動。

程序流程圖如圖8所示。

4 結束語

圖8 程序流程圖Fig.8 Program flow chart

太陽追蹤系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于仿照向日葵，遵循太陽運動規(guī)律，采用采用光電傳感器檢測太陽照射下遮光器的陰影精確定位太陽與太陽能利用裝置相對位置，通過單片機智能控制，實現(xiàn)太陽能利用裝置的全程太陽追蹤。本系統(tǒng)的主要功能是提高太陽光能的利用率，以緩解當前能源緊張的現(xiàn)狀。將其應用在太陽能發(fā)電站、太陽能路燈、太陽能熱水器、太陽灶以及所有固定式太陽能電池板等處，能夠大大提高這些裝置的利用率[7]。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的不斷提高，它將被應用到更廣泛的場合。

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Design of the solar tracking system based on the single-chip microcomputer

LI Zong-tao1， LI Zhi-gang1， YU Cun-gui1， CHEN Na2
（1.Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China；2.Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China）

In view of the low utilization rate of light energy of the fixed solar energy device，designing a system of solar tracking， This system is controlled by a single-chip microcomputer intelligent， detects shadow of light chopper under the sun by the photoelectric sensor， which can accurately locate the relative position of the sun and solar energy device， realize the whole course tracing of the solar energy device，maximize utilization of solar energy.

solar tracking；light chopper；SCM；intelligent control

TN79

A

1674-6236（2014）02-0188-03

2013-06-03 稿件編號：201306018

李宗濤（1989—），男，山東泰安人，碩士。研究方向：隨動控制。