包祖超，張 含，程泰之，卜凡朕，李 昂

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著城市化的快速發(fā)展，諸多挑戰(zhàn)接踵而至，如資源的破壞和環(huán)境的污染限制了城市發(fā)展的速度，影響了居民的生存和發(fā)展。2017 年，國務(wù)院轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部《生活垃圾分類制度實施方案》，大力推進生活垃圾分類，提升城市管理和服務(wù)，創(chuàng)造優(yōu)良的生活環(huán)境，并在46 個城市先行試點實施，取得良好效果[1]。垃圾分類有助于減少占地與污染，變廢為寶。由此，智能垃圾桶應(yīng)運而生，但卻面臨供電困難的問題。隨著能源危機和環(huán)境壓力不斷加大，如何高效利用太陽能已然成為當(dāng)今研究的熱點。太陽能是一種高品質(zhì)的清潔能源，其具有資源豐富、安全、廉價、可自由利用等特性。然而在大多數(shù)太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能采集板的架設(shè)方向均固定，無法隨著太陽光線的偏斜而變化，大大降低了太陽能的使用率。采用太陽能自動追蹤技術(shù)可以有效提升太陽能的發(fā)電效率，據(jù)相關(guān)研究調(diào)查顯示：同等條件下，采用自動跟蹤系統(tǒng)相比固定裝置系統(tǒng)的發(fā)電量提高約30%[2]。因此，如何實現(xiàn)高效的太陽能自動追蹤是當(dāng)前急需解決的問題。

目前，國內(nèi)外實現(xiàn)的太陽能自動追蹤技術(shù)主要分為兩種：一種是視日追蹤法，其由程序控制，預(yù)先設(shè)計好運動軌跡，根據(jù)所在地區(qū)的經(jīng)緯度和具體時間，由javascript：void（0）程序計算太陽的方位角、高度角。它可以不受天氣狀況的影響實現(xiàn)全天候自動追蹤。但同時也存在弊端，該方法對經(jīng)緯度和時間信息的精準(zhǔn)性有著很高的要求。另一種是光電跟蹤法，其通過光敏傳感器實時監(jiān)控太陽位置，依據(jù)光照強度的不同轉(zhuǎn)換成不同的數(shù)字信號，然后把電信號傳輸?shù)娇刂破?，再由控制器控制軸運動。該方法與視日追蹤法相比，操作更便捷，靈敏度更高，追蹤的準(zhǔn)確度也更高，但易受天氣影響，特別是遇到陰雨天氣，存在較大的誤判風(fēng)險[3]。

據(jù)此，本文設(shè)計了一款基于Arduino 單片機的4 路光敏傳感器與雙軸結(jié)合的自動太陽能追蹤系統(tǒng)。通過系列試驗驗證了該系統(tǒng)的正確性和有效性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由Arduino 單片機、光敏電阻、SG90 舵機、GN3795 太陽能充電模塊等組成?？傮w設(shè)計框架如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計框架

1.1 Arduino 單片機

Arduino 單片機處理速度快、兼容性好，硬件資源豐富，核心為ATmega328P 微控制器。它有14 個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6 個可用作PWM 輸出），6 個模擬輸入，16 MHz晶振時鐘，USB 連接，電源插孔，ICSP 接頭和復(fù)位按鈕。其功能強大，功耗低，只需5 V 電壓便可驅(qū)動，使用方便。

1.2 追光模塊設(shè)計

為保證光敏傳感器能夠精確檢測到有效信號，本設(shè)計將4 個光敏電阻傳感器分布在平面直角坐標(biāo)系的4 個象限內(nèi)[4]。此設(shè)計較5 個光敏電阻傳感器的設(shè)計而言，追光效果更明顯。原因在于5 個光敏傳感器（位于4 個象限和原點）中原點接收的光照強度最大，不能準(zhǔn)確識別太陽的具體方位。當(dāng)太陽光線照射到光敏電阻傳感器時，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器將信號傳輸給單片機的微控制器。

1.3 雙軸裝置設(shè)計

為充分提高自動追蹤效率，自動追蹤裝置采用雙軸追蹤方式，如圖2（a）、圖2（b）所示。裝置包括水平轉(zhuǎn)軸和豎直轉(zhuǎn)軸，確保太陽光線照射的方向始終與太陽能電池板保持垂直，進而提高太陽能采集效率。

圖2 裝置設(shè)計

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 追光模塊的原理及其算法設(shè)計

本設(shè)計使用的追光模塊為光敏電阻，如圖3（a）所示。這是由一種半導(dǎo)體材料制成的光電子元件，光敏電阻較其他光電傳感器具有靈敏度高、成本低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。光敏電阻受光照射后電阻值發(fā)生變化，光照強度與其阻值負相關(guān)，光照強度越強，其對應(yīng)的阻值就越小。光敏電阻的工作原理如圖3（b）所示。

圖3 光敏電阻及其工作原理

追光模塊的工作原理：用兩塊不透明且中軸線有槽的木板把平面隔成平面直角坐標(biāo)系的4 個象限，當(dāng)太陽光線照射到追光模塊時，某個象限內(nèi)的光敏傳感器檢測到光照強度最強時，其余3 個象限可能由于被木板所擋，不能被照射到或照射的光照強度比較弱。進而獲取4 個象限內(nèi)光敏電阻的檢測值，傳輸給微處理器，經(jīng)過一系列算法分析處理，確定追蹤裝置的轉(zhuǎn)動方向[5-6]。

追光模塊模型如圖4 所示。在水平方向：當(dāng)Ⅰ和Ⅳ象限的測量值大于Ⅱ和Ⅲ象限的測量值時，表明Ⅰ、Ⅳ象限的光照比較強，水平方向的舵機向左轉(zhuǎn)；反之，向右轉(zhuǎn)。在豎直方向：當(dāng)Ⅰ和Ⅱ象限的測量值大于Ⅲ和Ⅳ象限的測量值時，豎直方向的舵機會向上翻轉(zhuǎn)；反之，向下翻轉(zhuǎn)。水平方向轉(zhuǎn)軸追蹤算法如圖5 所示[4]，其中，模擬量a值代替光敏電阻的測量值。

圖4 追光模塊模型

圖5 水平方向轉(zhuǎn)軸追蹤算法

2.2 追光舵機控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計選用的是適用于角度不斷變化并可以保持的SG90 伺服舵機，如圖6 所示。工作原理：由接收機發(fā)出信號驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動，通過減速齒輪將動力傳遞給擺臂，同時由位置檢測器送回信號，進而判斷是否已經(jīng)到達指定位置[7]。位置檢測器的實質(zhì)是一個可變電阻，當(dāng)舵機轉(zhuǎn)動時電阻發(fā)生變化，由此可知舵機轉(zhuǎn)動的角度。如轉(zhuǎn)軸的位置與控制信號相符時，電機關(guān)閉。如果控制電路察覺到轉(zhuǎn)動角度不對時，便會啟動電機，直至角度到達預(yù)定位置。

圖6 SG90 伺服舵機

3 實驗結(jié)果

組裝好的太陽能自動雙軸追蹤裝置如圖7 所示，實驗硬件控制裝置如圖8 所示。

圖7 太陽能自動雙軸追蹤裝置

圖8 實驗硬件控制裝置

為確保實驗的有效性，本測試方案將該裝置置于光照較弱的室內(nèi)和光照較強的室外，在早、中、晚三個時間段分別測試，得出更準(zhǔn)確有效的結(jié)論。將裝置置于光照較弱的室內(nèi)，在早晨和傍晚光照極弱的環(huán)境下，追光裝置對光線追蹤不太準(zhǔn)確。在光照較強的室外，無法準(zhǔn)確追蹤太陽的方位。因光敏電阻的阻值與光照強度呈負相關(guān)，光敏電阻的阻值變化還與光的波長、光敏電阻本身的材料特性有關(guān)[8-10]，因此在選擇光敏電阻時，需考慮光敏電阻自身的材料特性。為保證本裝置能在光照較強的室外正常工作，我們在光敏電阻前加了一塊有色玻璃，降低太陽直接照射的光照強度。實驗證明，該方法行之有效。測試結(jié)果見表1 所列。

表1 測試結(jié)果

據(jù)此實驗測試結(jié)果得出以下改進措施：

（1）本自動追光裝置在光照較強的環(huán)境下，需要在光敏電阻前加上有色玻璃，可有效減弱光強，進而增強追光裝置的靈敏度。

（2）在光照較弱的環(huán)境下，光敏電阻的感光靈敏度還有待提升，可以換用靈敏度更高的光敏電阻。

4 結(jié) 語

面向小型電子系統(tǒng)的智能光伏電源基于Arduino 單片機設(shè)計。本設(shè)計將光電追蹤與雙軸轉(zhuǎn)動相結(jié)合，極大提高了系統(tǒng)對太陽光線追蹤的準(zhǔn)確性，進而切實提高了太陽能的轉(zhuǎn)化效率。而在選擇光敏電阻時，因光照強度過大導(dǎo)致光敏電阻失靈，本文提出了兩種解決方法：一是在光敏電阻前加上有色玻璃，有效削弱光照強度過大對光敏電阻的影響；二是換用耐光性更強的光敏電阻。相信本設(shè)計能夠極大助力太陽能發(fā)電，節(jié)約能源。

注：本文通訊作者為李昂。