單片機光伏板自動跟蹤系統(tǒng)研究

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摘要：現(xiàn)代社會對綠色能源的需求與日俱增，太陽能因其環(huán)保、綠色、可再生，而且分布范圍廣，具有廣闊的利用前景。由于固定方式安裝光伏板導(dǎo)致太陽能利用效率低，一直影響著太陽能技術(shù)的應(yīng)用效率。太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計為解決這一問題提供了新方法，從而提高了太陽能的利用效率。設(shè)計中采用光電跟蹤的方法，利用步進(jìn)電機驅(qū)動水平方向運動機構(gòu)，由光電傳感器感受太陽的位置并發(fā)送至單片機中，單片機通過對跟蹤機構(gòu)進(jìn)行水平方向控制，調(diào)整太陽能電池板的角度實現(xiàn)對太陽的跟蹤。

關(guān)鍵詞：太陽能；跟蹤；單片機；步進(jìn)電機

1概述

隨著常規(guī)能源資源的有限性和不可再生，使世界上許多國家重新加強了對新能源和可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持。煤炭巨量消費已成為我國大氣污染的主要來源。我國具有豐富的太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿刃履茉春涂稍偕茉促Y源，開發(fā)利用前景廣闊。目前太陽能利用最普遍的形式是通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，為了收集到盡可能多的太陽能，多數(shù)研究方案采取跟蹤方式，使太陽光收集器的采光面始終對準(zhǔn)太陽。本設(shè)計方案就是一個簡單的一個單軸跟蹤系統(tǒng)。

2本系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)組成及工作原理以單片機為控制核心，采用光強度檢測電路測量，以光敏傳感器作為測量元件，構(gòu)成光電測量模塊。該系統(tǒng)可分為電源控制模塊電路、光電測量電路、時鐘電路、步進(jìn)電機控制電路、單片機、LED顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。選用的主要器件有：光敏電阻，時鐘芯片74LS74，AT89C52，LED數(shù)碼管，步進(jìn)電機與轉(zhuǎn)換芯片ADC0809等。采集電路的設(shè)計思路：首先通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動一個角度后采集光敏電阻光強信號后進(jìn)行顯示并進(jìn)行記錄，利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊板兩側(cè)，如果太陽光垂直照射太陽能電池板，兩個光敏電阻接收到的光照強度相同時，它們的輸出信號相等，單片機發(fā)出信號停止驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；當(dāng)太陽光方向與采光板垂直方向不平衡時，接收光強多的光敏電阻阻值將減小，顯示的光照強度就會強于另一個傳感器輸出的信號，此時驅(qū)動電機向光強度較高的一側(cè)運動，直至兩個光敏電阻上的光照強度信號相同，停止電機運行，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的目的。當(dāng)系統(tǒng)處于光線較弱或夜晚時，系統(tǒng)檢測光照強度信號低于光伏板最低工作條件時，系統(tǒng)自行停止對光信號的采集和電機的驅(qū)動，達(dá)到節(jié)約能源的目的。光強度采集傳感器如圖1所示。太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是通過對裝置機械執(zhí)行機構(gòu)角度的精確控制，實現(xiàn)對太陽運行軌跡的跟蹤。并且要求整個系統(tǒng)能夠全天候的自動運行，結(jié)構(gòu)簡單可靠。由于系統(tǒng)要實現(xiàn)對控制對象位置角度的精確控制，并且對控制對象的移動速度要求不高，因此控制部件首先考慮采用步進(jìn)電機，因為步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。

3本系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

本系統(tǒng)的軟件程序部分使用了AT89C52的P0.0-P0.7和P1.0-P1.3口來進(jìn)行對數(shù)據(jù)的顯示，顯示所測得的當(dāng)時的太陽光強度，即驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動停止后，采集的光照強度轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。本系統(tǒng)的設(shè)計主要是為了實現(xiàn)對太陽光的跟蹤，首先要判斷是不是外面的光照很強，如果光照很弱的話，就需要外界一點很強的光源做模擬太陽光，準(zhǔn)備好以后開機控制步進(jìn)電機開始轉(zhuǎn)動一個設(shè)定好的角度后停止，采集這點的光強，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后顯示出此時的光強，繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個角度，一直轉(zhuǎn)到一圈為止，通過之前采集的數(shù)據(jù)做一個對比，選擇出光強最大的位置后控制步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)回原來光照最強的位置停止。此次跟蹤系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。圖

4設(shè)計結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對系統(tǒng)硬件和軟件的調(diào)試，最后設(shè)計出了一塊成品。接通電源，A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行初始化設(shè)定，控制電機轉(zhuǎn)動一個角度后停止，開始采集光強A/D轉(zhuǎn)換后顯示，電機再轉(zhuǎn)動一個角度后停止，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動過一周以后時，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出光強最強的位置，通過電機反轉(zhuǎn)到這個位置。根據(jù)查閱資料，得出光照強度并沒有一個特定的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。在實測中，第一次測量的數(shù)據(jù)如表1所示。電機轉(zhuǎn)動12個角度時采集到的12組電壓，對比以后知道第一次測試的電壓第5組最大，那就說明在第5次采集的時候，光照強度最高，使光敏電阻的阻值最小，導(dǎo)致采集的電壓變大，第5次的位置就是太陽光照射的位置。第二次測量的數(shù)據(jù)如表2所示。電機轉(zhuǎn)動12個角度時采集到的12組電壓，對比以后知道第二次測試的電壓第8組最大，那就說明在第8次采集的時候，光照強度最高，使光敏電阻的阻值最小，導(dǎo)致采集的電壓變大，第8次的位置就是太陽光照射的位置。

5結(jié)束語

本文的主要研究內(nèi)容是基于單片機的光伏板自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計，在前人研究的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的細(xì)化和實物設(shè)計。本系統(tǒng)是將光電跟蹤方式和視日運動軌跡跟蹤方式用一種新的方法（兩種方式同時采用，而非相互切換）結(jié)合在一起，提高了系統(tǒng)的追蹤精度、可靠性，降低了整個裝置的整體成本。

作者:閆星源 段宇凡 張航 楊昌登 蓋新鵬 任守華 李少飛 單位:1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 2.國網(wǎng)黑龍江大慶供電公司