曲春英，卞秀芬

（海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院自動(dòng)化系，?？?71158）

光電位置傳感器在高精度太陽自動(dòng)對準(zhǔn)中的應(yīng)用*

曲春英*，卞秀芬

（海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院自動(dòng)化系，海口571158）

分析了目前太陽跟蹤方式中存在的問題，為進(jìn)一步提高太陽跟蹤精度和利用率，設(shè)計(jì)了基于光電位置傳感器的太陽追光系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了跟蹤裝置，達(dá)到了跟蹤的穩(wěn)定性；跟蹤策略上采用光電跟蹤與視日跟蹤相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全天候自動(dòng)跟蹤。經(jīng)試驗(yàn)表明：該方法簡單，跟蹤精度高，穩(wěn)定性好。

太陽能；光電位置傳感器；自動(dòng)跟蹤；單片機(jī)

為應(yīng)對全球資源短缺，太陽能作為潔凈無污染的可再生能源，成為人類研究的熱點(diǎn)。為提高太陽能的利用率，對太陽的跟蹤是必不可少的［1］。香港大學(xué)建筑系的Hui S C M和Cheung K P［2］教授研究了太陽光角度與太陽能接受率的關(guān)系，理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%。國內(nèi)外研究的跟蹤方式無外乎以下幾種：視日軌跡跟蹤系統(tǒng)，光電跟蹤系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像處理的跟蹤系統(tǒng)和混合跟蹤系統(tǒng)［3-4］。其中混合跟蹤即為視日跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合，這種方法彌補(bǔ)其他方法的不足，既避免了累計(jì)誤差，也解決了陰雨天不能工作的問題，控制精度較高［5-6］。

本文從精度、性價(jià)比角度考慮，采用混合跟蹤系統(tǒng)，重點(diǎn)是經(jīng)過試驗(yàn)選取合適的光電傳感器來對準(zhǔn)太陽，并設(shè)計(jì)工作平臺，尋求更高跟蹤精度的太陽追光系統(tǒng)。

1　PSD傳感器的選擇

光電傳感器是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的感光元件。這里首先考慮采用四象限硅光電池，用四個(gè)光電池分布在四象限，其工作原理為：當(dāng)傳感器軸線對準(zhǔn)太陽時(shí)，由于四片定位光電池布置在四個(gè)不同的方向，四片光電池受到的輻照度產(chǎn)生差異，引起光電流的差異，光電流經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后引起了電壓的差異，輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)整跟蹤傳感器的位置［7-8］。但是由于四個(gè)光電池的實(shí)際安裝與理想的設(shè)計(jì)總會(huì)存在偏差，外加光電池的自身特性，經(jīng)過試驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤。

為進(jìn)一步提高傳感器跟蹤精度，考慮采用光電位置傳感器PSD（Position Sensitive Device），它具有二極管陣列和CCD的定位性能外，還具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快和電路配置簡單等優(yōu)點(diǎn)。作為新型器件，PSD已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在位置坐標(biāo)的精確測量上［9］。保證系統(tǒng)啟用光電跟蹤時(shí)可達(dá)0.2°的跟蹤精度，可實(shí)現(xiàn)各種天氣情況下，全天候的自動(dòng)跟蹤。

PSD是一種對其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件。即當(dāng)入射光斑落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD將對應(yīng)輸出不同的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光斑在PSD的位置，與入射光的強(qiáng)度和尺寸無光。二維PSD在方形機(jī)構(gòu)上有兩對互相垂直的輸出電極。一對用來確定X方向位置坐標(biāo)，另一對用來確定Y方向位置坐標(biāo)，如圖1［10］所示。

圖1　二維PSD結(jié)構(gòu)

二維PSD輸出與入射光電位置的關(guān)系為：

式中X1，X2，Y1，Y2表示各信號的輸出電流（光生電流），Px，Py表示入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)（坐標(biāo)原點(diǎn)在光敏面中心），L表示PSD器件光敏有效區(qū)域邊長。

2　提高系統(tǒng)精度的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

為了避免傳感器受到外界雜光的干擾，使追光的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性變差，這里采用圓筒遮光的方案如圖2所示。

圖2　太陽對準(zhǔn)裝置

作為感光元件的PSD傳感器置于底座的中心，套上不透光的遮光圓筒，并將凸透鏡置于圓筒的頂部，透過的光會(huì)在凸透鏡的匯聚作用下照射在PSD上，光強(qiáng)調(diào)整機(jī)構(gòu)采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制一個(gè)帶有不同大小孔徑的圓盤，用來調(diào)節(jié)采集光信號光孔的大小，這個(gè)根據(jù)單片機(jī)采集的光強(qiáng)電壓大小來控制的，當(dāng)電壓值大于規(guī)定值時(shí)就像孔徑小的一方旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度是固定的，孔徑在圓盤上也是按照等間距安排的。機(jī)械跟蹤部分不在此贅述。

3　追光系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，選用Cygnal公司生產(chǎn)的C805IF021單片機(jī)主控芯片。C8051F021有8位端口組織的32個(gè)數(shù)字I/O引腳，端口P0、Pl、P2和P3既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址。所有引腳都耐5 V電壓，都可以被配置為漏極開路或推挽輸出方式和弱上拉［11］?？梢源_保系統(tǒng)的跟蹤精度，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3　追光系統(tǒng)硬件框圖

PSD產(chǎn)生的微弱光電流，經(jīng)過I/V變換，產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)MAX197放大，然后輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集的信號對步進(jìn)電機(jī)加以控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對太陽的自動(dòng)跟蹤。同時(shí)根據(jù)采集的PSD的光強(qiáng)信號的大小確定開啟光電跟蹤還是視日跟蹤。視日跟蹤采用時(shí)鐘芯片DS1302，通過讀取當(dāng)前時(shí)間，計(jì)算出太陽的高度、角度位置，單片機(jī)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)日歷查詢跟蹤。CH451實(shí)現(xiàn)對鍵盤的控制和數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)采用數(shù)碼管顯示當(dāng)前時(shí)間。

當(dāng)檢測到陰雨天氣時(shí)啟動(dòng)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，實(shí)時(shí)的跟蹤太陽的運(yùn)行，出現(xiàn)太陽光后并達(dá)到光強(qiáng)的跟蹤范圍時(shí)，重新啟動(dòng)光電跟蹤。根據(jù)光強(qiáng)的大小可以實(shí)現(xiàn)光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式之間的切換，從而達(dá)到高精度的對太陽進(jìn)行跟蹤。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總流程圖如圖4所示。開機(jī)之后，首先進(jìn)行上電復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化完成后，系統(tǒng)首先判斷是白天還是黑夜，如果是黑夜系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，如果是白天系統(tǒng)啟動(dòng)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤完成后進(jìn)入到光電跟蹤的視場范圍之內(nèi)，根據(jù)采集的PSD的光強(qiáng)信號的大小判斷啟用哪種跟蹤方式，達(dá)到光電跟蹤的光強(qiáng)時(shí)啟動(dòng)光電跟蹤，如果沒有達(dá)到光電跟蹤時(shí)，繼續(xù)運(yùn)行視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

驗(yàn)證系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置，本系統(tǒng)采用的方法是在室外將太陽追光裝置和長1 m的直尺安裝在一起，保持在同一水平面上，且都與水平面垂直。通過測量直尺產(chǎn)生的影子長度來驗(yàn)證跟蹤精度。設(shè)影子長度為h（mm），則有太陽的跟蹤誤差為：

根據(jù)系統(tǒng)要求，光電跟蹤要達(dá)到0.2°的精度，h的取值范圍應(yīng)該小于等于3.5 mm。經(jīng)過反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，下面給出其中一組測量數(shù)據(jù)，如表1所示。

通過試驗(yàn)可得，設(shè)計(jì)的太陽追光系統(tǒng)達(dá)到了0.2°的高精度要求，且具備長期工作的穩(wěn)定性。

為了盡可能提高跟蹤精度，可從機(jī)械裝置部分入手，傳動(dòng)齒輪的選擇，控制電機(jī)的選擇［12-14］；另外安裝時(shí)盡可能保持裝置與水平面垂直。

表1　系統(tǒng)跟蹤誤差

6　結(jié)束語

（1）本文設(shè)計(jì)了一高精度的太陽自動(dòng)對準(zhǔn)系統(tǒng)，采用PSD光電位置傳感器，設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，跟蹤策略是光電跟蹤與視日跟蹤相結(jié)合。經(jīng)過測試，系統(tǒng)可進(jìn)行全天跟蹤，跟蹤精度不低于0.2°。

（2）系統(tǒng)性價(jià)比高，加工簡單，安裝方便。

（3）系統(tǒng)精確地對準(zhǔn)太陽，有效地提高能量的接收率，適用于光伏利用、光熱利用中各種需要太陽追蹤的場合。

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曲春英（1979-），女，吉林省公主嶺人，海南師范大學(xué)，副教授，碩士。研究方向?yàn)閭鞲衅鳈z測技術(shù)、太陽能利用技術(shù)，quchunying123@163.com。

Application of Photoelectric Position Sensor in High Precision Automatic Sun Tracker*

QU Chunying*，BIAN Xiufen
（Department of Automation，College of Physics&Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

To improve the utilization rate of solar energy，the current problems of sun tracking is analyzed，the solar spotlight system is developed based on photoelectric position sensor；the tracking device is designed to achieve stability；tracking strategy adopts photoelectric tracking combined with calendar-reckoning，and all-weather automatic tracking was realized.Experimental results show the method is simple，and it has high tracking precision，good stability.

solar energy；photoelectric position sensor；automatic tracking；single chip microcomputer

TK513.5

A

1005-9490（2016）05-1145-04

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51466002）；海南師范大學(xué)建設(shè)物理學(xué)碩士點(diǎn)項(xiàng)目（20140092102）

2015-09-23修改日期：2015-10-26

EEACC:7230C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.025