摘 要：文章介紹一自動追蹤太陽能裝置，能使太陽能面板隨日照的方向轉(zhuǎn)動，讓太陽能轉(zhuǎn)換面板始終垂直于光線，從而充分吸收光源，提高轉(zhuǎn)換效率，最大限度利用太陽能。本裝置包括機(jī)械和電控兩大部分，分別為太陽能裝置轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)和光線感應(yīng)系統(tǒng)的控制軟硬件。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；太陽能；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

隨著人類社會的不斷發(fā)展，對能源的需求量也越來越大，太陽能作為一種可再生取之不盡、用之不竭的天然能源，是新能源的發(fā)展方向之一，太陽能的廣泛應(yīng)用，使太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。但是縱觀市場，大多數(shù)太陽能裝置在采光時(shí)，面板基本是面向南方，固定不動的。而一個(gè)既符合人們簡潔實(shí)用的要求，又滿足綠色能源高效利用理念的自動追蹤太陽能裝置很少見。本設(shè)計(jì)的目的是充分利用太陽能光照，提高轉(zhuǎn)換效率。并在環(huán)保、節(jié)能方面有巨大的優(yōu)勢，有很大的推廣前景。

文章研究的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一種能實(shí)現(xiàn)面板垂直太陽光線，保持對太陽照射方向跟蹤，充分利用太陽能源的裝置。本裝置突破了固化的太陽能源轉(zhuǎn)換利用，集合了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)字化三維設(shè)計(jì)與制造及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等知識的綜合與統(tǒng)一。“自動追蹤”太陽能裝置項(xiàng)目的完成，能很好的將專業(yè)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，能拓展知識，鍛煉動手能力，同時(shí)為大學(xué)生課外創(chuàng)新提供一定的方法和捷徑。

2 控制系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)分析

2.1 主控芯片模塊

控制器STC89C52的介紹：

89C52是一種小型單片機(jī)。其主要優(yōu)點(diǎn)為：采用Flash Memory存儲器技術(shù)，生產(chǎn)成本得到很好的降低；其軟件、硬件與MCS-51相兼容，其程序包含有電可擦特性，使得開發(fā)與試驗(yàn)比較輕松。

圖1 AT89C52引腳圖

在引腳的驅(qū)動能力上，89C52具備超強(qiáng)的下拉能力。P1、P3的下拉能力最高二十毫安；通過比較，89C51的端口下拉能力最高只有十五毫安，并且九腳電流和總和不大于81毫安。因此，引腳的平均電流僅九毫安。所以89C52驅(qū)動能力比較強(qiáng)，這樣它直接驅(qū)動發(fā)光二極管。

本系統(tǒng)的主要控制器件采用89C52單片機(jī)。在51系列的單片機(jī)中，目前盛行一種單片機(jī)，其內(nèi)含flash程序存儲器。由于本身含有flash程序存儲器，就直接通過編程器非常輕松的寫代碼和擦除代碼，擦除次數(shù)達(dá)到一萬次以上，同時(shí)還擁有禁止讀寫兩層保密技術(shù)，其存儲空間從1KB到64KB不等，有的甚至更大。這種芯片一般都擁有片上和在線修改的功能。

此芯片，有138B或256B的片內(nèi)RAM兩種，當(dāng)處理的數(shù)據(jù)不復(fù)雜時(shí)，一個(gè)芯片就是最小的單片機(jī)系統(tǒng)。89C5X型單片機(jī)不但將數(shù)據(jù)線和存儲器等外圍器件省去，使嵌如式系統(tǒng)的體積減小，而且工作的可靠性、開發(fā)的方便性和程序的保密性得到提高，其價(jià)格也廉價(jià)。

根據(jù)以上原因和這次研究系統(tǒng)的實(shí)際情況，全天候太陽能系統(tǒng)的核心控制器件選擇該系列的89C52單片機(jī)。

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的介紹。直流電機(jī)是日常生活中廣泛使用的一個(gè)電氣產(chǎn)品，太陽能全天候跟蹤系統(tǒng)跟蹤太陽這樣的動作，需要能進(jìn)行轉(zhuǎn)動控制和立刻停止控制的電路，實(shí)際中通常采用微控制器和專用IC芯片。單獨(dú)使用直流電機(jī)尚不能達(dá)到精確的定位控制，只有將它與旋轉(zhuǎn)編碼器組合起來，才能實(shí)現(xiàn)精確的位置控制和速度控制。步進(jìn)電機(jī)是一種能夠根據(jù)脈沖（通常為方波）控制轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、并適合微控制器控制的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)（也稱脈沖電機(jī)）是一種跟蹤給定脈沖信號轉(zhuǎn)動的電機(jī)。因此，單純向它施加電壓是不會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動的。換句話說，要使它轉(zhuǎn)動必須借助控制電路，在這個(gè)控制電路中，往往需要微控制器或?qū)Ｓ眯酒?。步進(jìn)電機(jī)能根據(jù)給定的脈沖信號實(shí)現(xiàn)精確的定位控制，而且即使在停止時(shí)也有制動轉(zhuǎn)矩，這些特性全天候跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動控制都是很有利的。

由于全天候控制系統(tǒng)是隨著太陽轉(zhuǎn)動的，因?yàn)樘栯x地球太遠(yuǎn)了，在很短時(shí)間內(nèi)，檢測系統(tǒng)是感覺不到太陽在移動，需過一段時(shí)間才能感覺到太陽已經(jīng)偏移原來位置，所以要求電機(jī)隔一段時(shí)間轉(zhuǎn)一個(gè)角度后馬上停下來。綜合上面對直流和步進(jìn)電機(jī)的性能等進(jìn)行的比較分析，我選用步進(jìn)電機(jī)。

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)控制原理

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當(dāng)一個(gè)脈沖信號發(fā)送給步進(jìn)驅(qū)動器接，步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的特性。（1）步距角。步距角指每給一個(gè)電脈沖信號電機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機(jī)的相數(shù)決定共同決定步進(jìn)電機(jī)步距角。（2）響應(yīng)頻率。在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。

2.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路（見圖2）。本設(shè)計(jì)選用ULN2003（國產(chǎn)型號為5G1413）是七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列。

2.3 總體系統(tǒng)原理圖（如圖3）

本設(shè)計(jì)給出的基于單片機(jī)的太陽自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，使用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，主要由電機(jī)驅(qū)動部分，點(diǎn)光源檢測部分，電源轉(zhuǎn)換模塊等部分組成。利用4路光敏三極管來檢測點(diǎn)光源的位置并將檢測到的信號經(jīng)過放大傳給控制器STC89C52單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算和處理來確定點(diǎn)光源的運(yùn)動趨勢，并將運(yùn)算的控制信號傳給兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，使其跟隨點(diǎn)光源運(yùn)動。當(dāng)水平方向上的光敏三極管測量數(shù)值相對接近，同時(shí)豎直方向上的光敏三極管測量數(shù)值也相對接近時(shí)，電池板將精確的指向太陽。同時(shí)將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向及時(shí)間顯示在LCD液晶屏幕上。

作者簡介：朱亮亮（1994-），男，浙江龍游人，工作單位：紹興文理學(xué)院元培學(xué)院，職務(wù)：學(xué)生，研究方向：機(jī)電一體化。