張 龍，黃振勇

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

太陽能作為一種新型綠色可再生能源備受人們的重視，提高光電轉(zhuǎn)換效率成為亟待解決的難題[1]。本文設(shè)計(jì)了一種太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)追蹤光源，能實(shí)現(xiàn)上下左右地追蹤，使得太陽光線隨時(shí)垂直照射太陽能電池板，顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。

1 系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以51單片機(jī)為核心，由光電傳感器、電機(jī)控制電路、I/O接口、鍵盤、顯示電路等器件組成。利用4個(gè)光敏電阻來接受光照，將收集到的模擬信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)來運(yùn)算并判斷光源的軌跡，從而控制一個(gè)雙軸電機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤光源。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制器

核心控制器采用STC89C51單片機(jī)。該單片機(jī)具有功耗較低、穩(wěn)定性高、性價(jià)比高等特點(diǎn)[2]。同時(shí)該單片機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)和80C51引腳結(jié)構(gòu)兼容，集成了通用8位中央處理器和ISP閃存存儲(chǔ)單元，并具有系統(tǒng)內(nèi)可編程（ISP）功能，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換裝置用來接收太陽光照射，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并根據(jù)采集的信號(hào)，通過單片機(jī)對(duì)最終受控的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制[2]。光電轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，光敏電阻G3和G4檢測(cè)光源水平方向的變化，當(dāng)光敏電阻G3測(cè)到光源向左移動(dòng)并且逐漸遠(yuǎn)離，會(huì)向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，則控制步進(jìn)電機(jī)1在水平方向向左移動(dòng)；光敏電阻器G1和G2則檢測(cè)光源的在垂直角度上的變化，光敏電阻器G1和G2接收光源照射后將信號(hào)發(fā)給單片機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)2在垂直角度上下旋轉(zhuǎn)。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本文采用的是5V-4相-5線的28BYJ-48-5V步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)單靠交流供電或直流電源無法運(yùn)動(dòng)，必須與驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)使用時(shí)才能發(fā)揮其功能[3]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。本文采用的是ULN2803芯片為驅(qū)動(dòng)芯片，其輸入端I1～I(xiàn)8接單片機(jī)的P2.0～ P2.7，其輸出端O1～O8接步進(jìn)電機(jī)1和步進(jìn)電機(jī)2，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)判定光線方向的細(xì)微改變，系統(tǒng)主程序如圖5所示。當(dāng)光線與太陽能電池板面不垂直時(shí)，傳感器失衡，引起系統(tǒng)輸出信號(hào)產(chǎn)生偏差，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始進(jìn)行糾正，使得光電傳感器重新達(dá)到平衡，即太陽能面板與光線構(gòu)成90°角時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而完成一次調(diào)整周期，如此不斷地調(diào)整。

圖5 系統(tǒng)主程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)由4個(gè)光敏電阻、單片機(jī)、雙軸電機(jī)，驅(qū)動(dòng)芯片、電源等組成，實(shí)物如圖6所示。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式。當(dāng)紅色指示燈亮?xí)r，系統(tǒng)處于手動(dòng)控制模式，此時(shí)需要手動(dòng)控制上下左右4個(gè)按鍵來追蹤光源；當(dāng)綠色指示燈亮?xí)r，系統(tǒng)處于自動(dòng)控制模式，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別光源并且驅(qū)動(dòng)雙軸步進(jìn)電機(jī)來跟蹤光源。在自動(dòng)控制模式下，施加光源并將光源向左遠(yuǎn)離，則步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)追蹤光源，直到垂直于光源時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)能夠通過單片機(jī)控制系統(tǒng)追蹤光源，控制太陽能電池板的方向，使其始終垂直對(duì)著太陽入射光，從而提高太陽能光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，能夠上下左右地追蹤太陽光源。