董超，張瑜，高詩雨，魏曉艷，李灶榮，劉豪，楊佳俊，任宇

（西安思源學(xué)院，陜西西安，710038）

0 引言

“3060”雙碳目標(biāo)提出后，推動能源清潔，低碳高效安全利用迫在眉睫，太陽能作為一種被廣泛使用的新型能源，各國對光伏發(fā)電的重視逐步增加，對于西部地區(qū)大規(guī)模發(fā)電來說，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用量更高。太陽光追蹤系統(tǒng)在光伏發(fā)電領(lǐng)域不斷改進(jìn)，并且引起了更多研究人員的關(guān)注與研究，具有重要的研究價(jià)值，在未來的發(fā)電模式中，太陽能發(fā)電技術(shù)將發(fā)揮重要作用，用戶范圍也將越來越廣。

本設(shè)計(jì)針對已有的大部分太陽能發(fā)電裝置不能追蹤太陽光的問題，給出了實(shí)際科學(xué)的解決方案。結(jié)合太陽光伏發(fā)電與電機(jī)的控制讓太陽光伏板隨日光移動而轉(zhuǎn)動，可以很大程度提高太陽能的利用率。視日運(yùn)動軌跡追蹤和光電追蹤是當(dāng)前應(yīng)用于太陽光追蹤裝置的主流方法，本設(shè)計(jì)基于視日運(yùn)動軌跡追蹤，將太陽能板傾斜放置，東西追蹤太陽光，通過比較太陽能板兩側(cè)光照來尋找最大光照強(qiáng)度位置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于視日運(yùn)動軌跡追蹤的太陽光追蹤系統(tǒng)，采用單片機(jī)作為核心控制器，通過太陽能板、光敏電阻與直流電機(jī)等裝置的配合，完成對太陽光的追蹤。本設(shè)計(jì)的主要作用是讓太陽能板隨著太陽光直射點(diǎn)的移動而轉(zhuǎn)動，從而提高光能利用率。其原理是采用視日運(yùn)動軌跡追蹤的方法，把太陽能板傾斜放置，可以在東西方向單軸追蹤太陽光?；谶@個(gè)原理，完成下面的設(shè)計(jì)。

首先，在光照采集模塊中，選用光敏電阻，配置于多晶光伏板兩側(cè)，當(dāng)太陽東升西落，根據(jù)光伏板兩側(cè)所獲取的光照強(qiáng)度的不同，采集數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入控制器，控制器接收并處理從光電檢測部分傳遞的信號，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)顯示屏顯示，并將該數(shù)據(jù)比較后，輸出追蹤策略給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路采用H橋控制直流電機(jī)，帶動光伏板轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對太陽光的追蹤，最終將光伏板產(chǎn)生的電能存儲在電池中，可對外輸出，也可供給系統(tǒng)自身使用。太陽追蹤裝置控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 太陽追蹤裝置控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于上述總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的核心控制器選用STC89C52單片機(jī)，光敏電阻器作為信號采集芯片，電機(jī)采用直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動中采用LM393芯片作為比較器，LCD1602液晶顯示屏作為顯示器。下文在各個(gè)模塊中將一一進(jìn)行介紹與設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2.1 控制模塊

單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的主要處理器件，它的實(shí)現(xiàn)主要功能是接收信號，信號處理，發(fā)送信號。接著通過電機(jī)驅(qū)動電路控制直流電機(jī)的正反運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動太陽能板裝置轉(zhuǎn)動，最終實(shí)現(xiàn)對太陽光的追蹤。

控制系統(tǒng)的核心運(yùn)算器件采用STC89C52單片機(jī)抗干擾性強(qiáng)、功耗低、集成度高。本設(shè)計(jì)還需對設(shè)計(jì)的軟件程序進(jìn)行存儲，而此單片機(jī)具有8K的存儲空間，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求。

本設(shè)計(jì)在光照采集模塊中主要與第26、27、28引腳相連,實(shí)現(xiàn)光照信息的信號接收。在電機(jī)驅(qū)動模塊中主要與第12、13、14、15引腳相連。在顯示模塊中主要與第32至39引腳相連，用于顯示當(dāng)前光照強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)會用到單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路，這是為了避免程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)程序運(yùn)算錯誤與死循環(huán)狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的正常工作。控制器與其引腳圖如圖2所示。

圖2 控制器與其引腳應(yīng)用圖

2.2 光照采集模塊

光照采集模塊選用MG45光敏電阻，該光敏電阻靈敏度較高，以硫化鎘半導(dǎo)體材料為基材，基于光電效應(yīng)，當(dāng)光照增強(qiáng)，阻值隨之降低。

在光照信息轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可讀的數(shù)字信息過程中，選用ADC0832完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片分辨率高，兼容性強(qiáng)，可完成雙數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動首先要做光照對比，給出一個(gè)轉(zhuǎn)動方向，然后驅(qū)動電機(jī)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。

（1）光照對比電路

光照對比電路中選用LM393芯片作為比較器。LM393是集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電路，該器件將模擬電壓和參考電壓比對，當(dāng)接近相同振幅時(shí)，輸出電壓跳躍，相應(yīng)輸出對應(yīng)的電壓狀態(tài)。該比較器可形成非正弦波型轉(zhuǎn)換電路，并可用于模擬和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換。其硬件連接圖如圖3所示。

圖3 LM393電路圖

（2）電機(jī)控制電路

本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)帶動光伏板完成視日運(yùn)動軌跡追蹤，直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，過載能力和抗干擾能力強(qiáng)，適合于本設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求。電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)為H橋電路，其電路連接圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)控制電路連接圖

本設(shè)計(jì)采用4個(gè)二極管和4個(gè)三極管構(gòu)成H橋電路，其中二極管的作用是截止電流導(dǎo)通。本電路的H橋用來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的電流雙向流動。當(dāng)out1的輸出為“0”，out2的輸出為“1”時(shí)，電機(jī)中的電流在Q3和Q5導(dǎo)通時(shí)正向流動，直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)out1的輸出為“1”，out2的輸出為“0”時(shí)，電機(jī)中的電流在Q4和Q6導(dǎo)通時(shí)反向流動，直流電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)是由out1和out2來控制的。

2.4 顯示模塊

顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，該顯示屏共有16個(gè)引腳，第3引腳用于調(diào)節(jié)顯示對比度，LCD1602的第7至第14引腳作為顯示屏的數(shù)據(jù)控制口，與單片機(jī)的第32至39引腳連接，單片機(jī)通過引腳以此來向液晶顯示屏輸入數(shù)據(jù)，顯示屏?xí)r(shí)刻顯示當(dāng)時(shí)光照強(qiáng)度值。

2.5 太陽能板充電模塊

本設(shè)計(jì)為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，就需考慮電能的存儲。設(shè)計(jì)中把電能儲存于鋰電池，因?yàn)樘柲馨骞ぷ鬏敵霾环€(wěn)定的直流電壓，所以在本設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)出穩(wěn)壓電路，它可以把輸出電壓穩(wěn)定到5V的固定值，然后儲存到鋰電池中。如果電池中的電壓值未達(dá)到5V，系統(tǒng)就存在一定的危險(xiǎn)性。如果直接儲存電能于鋰電池中，就會減少鋰電池的有效使用期，甚至損壞鋰電池，燒壞設(shè)備，引發(fā)安全事故，因此，需要添加一個(gè)穩(wěn)壓電路，系統(tǒng)才能夠正常工作。太陽能充電電路如圖5所示。

圖5 太陽能充電電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的主流程中，系統(tǒng)初始化后開始工作，用光敏電阻在太陽能板兩側(cè)收集陽光，把模擬量電壓信號進(jìn)行比較，當(dāng)一側(cè)光強(qiáng)明顯大于另一側(cè)時(shí)，驅(qū)動直流電機(jī)向光強(qiáng)的一側(cè)轉(zhuǎn)動，同時(shí)，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器在LCD在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前環(huán)境的光強(qiáng)值。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序圖

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程中，先將ADC0832的芯片片選打開，將該芯片的D0端設(shè)為高阻態(tài)。然后，設(shè)置起始位和雙通道單極性輸入，當(dāng)D0為高電平時(shí)，最終選擇通道1。緊接著，D0取消高阻態(tài)，接收并讀取數(shù)據(jù)，最后取消片選。數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序流程如圖7所示。

圖7 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序圖

3.3 電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)控制太陽能板轉(zhuǎn)動，首先給出模擬太陽光當(dāng)P3.4=1，P3.5=0時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)P3.4=0,P3.5=1時(shí)，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)P3.4P3.5都等于1或者0時(shí)電機(jī)靜止，最終可以實(shí)現(xiàn)太陽光的追蹤。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)整體控制、光照采集、液晶顯示和電機(jī)驅(qū)動等功能。系統(tǒng)開機(jī)后，LCD1602液晶顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境下的光照強(qiáng)度值，經(jīng)光照比較，太陽能板左側(cè)光照強(qiáng)度大于右側(cè)光照強(qiáng)度，直流電機(jī)轉(zhuǎn)向了光強(qiáng)大的左側(cè)，將光強(qiáng)側(cè)調(diào)換，直流電機(jī)轉(zhuǎn)向了光強(qiáng)大的右側(cè)。實(shí)物調(diào)試后的現(xiàn)象符合了本設(shè)計(jì)的理論結(jié)果，本裝置將太陽能轉(zhuǎn)換成電能存儲在鋰電池當(dāng)中，同時(shí)系統(tǒng)采用鋰電池供電，實(shí)現(xiàn)了太陽光追蹤，有效提高太陽能利用率。