太阳能光源追踪系统的设计

太阳能光源追踪系统的设计摘要：本文设计了一款太阳能自动跟踪采集系统，该系统由机械系统，太阳能采集系统，硬件控制系统，软件部分组成。

太阳能采集系统由太阳能电池板，蓄电池组成。

硬件控制系统以AT89C52单片机为核心构成自动跟踪太阳控制电路。

通过光电信息采集电路，信号处理电路，步进电机转动控制电路，结合C语言编程的太阳能采集控制程序，实现了对太阳能采集过程的自动追踪，达到太阳能采集的光电转换最大化，提高太阳能的利用率。

关键词：太阳能，采集，单片机，软件，自动跟踪。

1 引言随着经济发展和社会进步，人类对自然资源的开发程度加剧，面临资源枯竭的困境，人类对自然资源的需求越来越高，因此，寻找可循环利用绿色环保的新能源成为当务之急。

太阳能就是符合这一要求的,而且是取之不尽用之不竭的可再生新能源，合理开发并提高太阳能的利用率具有非常重要的意义。

目前，太阳能电池板装置安放位置大多是固定不变的。

而根据光伏电池原理，只有当阳光与电池板接收面照射角度为直角时，光电转化效率最高，因此目前太阳能电池装置转化效率较低。

自动追光控制电路以AT89C51单片机为基础，利用光电二极管检测光信号，步进电机及时控制转盘位置，能够精确追踪太阳，使太阳光在一天当中始终直射到太阳能电池板接收面上，最大限度的提高太阳能转化率。

此控制电路利用广泛，可在太阳能发电站、太阳能电池、太阳能路灯、太阳能热水器等方面使用。

2.太阳能自动追光系统设计方案图1 系统总体原理框图3.太阳能自动追光系统电路原理图如图2所示，该图为整体电路原理图，主要分为三个模块，电路正常工作时，先由光电传感器电路检测到光信号，经过转换电路输出高低电平信号。

单片机接收相应电信号，判断出是否检测到光，然后将控制信号输出到步进电机驱动芯片内，最后步进电机会根据相应控制信号驱动步进电机，从而控制步进电机的转速和转角，实现太阳能电池板实时追踪光心。

图 2 自动追光控制电路图4.硬件电路模块4.1 步进电机控制模块4.1.1 步进电机介绍及选择步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

本设计中，因为事先机械设计时加入了轴承，因此选用28BYJ-48，5V 4相5线步进电机，减速比 1/64，步距角为 5.625°/64，牵入转矩达到300gf.cm。

故选用这种型号的步进电机可以实现本设计的功能。

4.1.2 步进电机工作原理（ A相通电）（ B相通电）（ C相通电）图 3 步进电机工作原理示意图设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A´轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。

这时A、A´极就成为电磁铁的N、S极。

在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A´极的位置（图a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30°，它的齿和C、C´极对齐（图C）。

可以看出，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→C→B→A→…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。

这种通电方式称为1相励磁方式。

4.1.3 步进电机驱动考虑到本课题基本功能和程序的可行性，步进电机驱动芯片选用ULN2003，该芯片是大电流达灵顿管阵列电路，用于驱动大电流功率负载电子电路[]6。

图4 步进电机引脚RP1 与ULN2003 连接电路原理图如上图所示步进电机的四相对应RP1的2、3、4、5引脚与ULN2003相连，引脚1接电源VCC。

右边引脚为单片机的P1信号输出口，通过软件程序循环输出四组方波，通过P1.0～P1.3分别与ULN2003的四个输入口相接，从而实现实时控制步进电机转速和转角。

4.2光电传感器控制模块4.2.1 光电传感器介绍光电二极管是工作在反向电压下，基于光照的变化而引起光电二极管输出电流变化的原理，这就可以把光信号转换成相应的电信号，从而成为一种光电传感器件[]6。

图5 硅光电二极管结构图如上图所示，图（a）为光电二极管的内部结构原理图，当入射光照射到光敏管上时，内部PN结中的空穴——电子流发生变化，从而引起输出电流变化。

4.3 光电传感器工作原理图 6 硅光电二极管输出特性曲线正如特性曲线所示：没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。

光的强度越大（其中E1<E2<E3），反向电流也越大。

4.3.1 光电传感器应用电路图 7光电传感器电路原理图如上图所示，当有光照到光电二极管时，Q1导通，Q2截止，1端输出低电平。

无光照时，Q1截止，Q2导通，1端输出高电平。

其中利用电压比较器很好地对电信号进行处理，将电压低于3V的处理为低电平，电压高于3V的处理为高电平。

这样将光传感器采集到的光信号转换为相应的电信号，从而输入到单片机的P2.0接口，这样在驱动步进电机时以接收到光信号作为相应的触发点，电池板将一直找寻光源点。

4.4 单片机控制模块4.4.1 AT89C51单片机芯片性能介绍AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256B的随机存取数据存储器（RAM），能够与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[]7。

主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；8k字节可重擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz－24MHz；三级加密程序存储器；256×8字节内部RAM；32个可编程I ／O口线；3个16位定时／计数器；8个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。

图 8 单片机结构框图4.4.2 单片机主要引脚工作介绍VCC：供电电压，GND:接地。

XTAL1:反向震荡放大器的输入和内部时钟工作电路的输入。

XTAL2:振荡器的反相放大器的输出端[]6。

RST：复位输入端。

当振荡器复位器件时，保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

P0口(PO.0-PO.7):P0口是一个8位漏极开路双向I/0口。

每脚可吸收8位TTL门电流，当P0口锁存器写“1”时，被定义为高阻抗输入。

它能用于访外部程序数据时存储器，它被定义为地址/数据总线的第八位。

在对Flash编程时，PO口接收指令字节;而在FLASH验证程序时，则输出指令字节,此时P0外接上拉电阻。

P1口(P1.0-P1.7):P1口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口。

Pl的输出可驱动4个TTL输入。

作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在Flash编程和验证时，P1口作为第八位地址接收。

P2口(P2.0-P2.7):P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。

当P2口被写“1”时，由于内部的上拉电阻，其管脚电位被拉高，且作为输入。

作为输入时，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

P2口在FLASH编程和验证时4，接收高八位地址信号和控制信号。

4.4.3 单片机外围电路图 9 单片机晶振电路图 10 单片机复位电路晶振电路：是由两个电容和一个晶振并联而组成的并联谐振电路，这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路[]6。

手动复位电路：刚上电瞬间，由于电容电压不能越变，所以reset两端电压为电源电压，单片机9号引脚复位有效开始复位，随着电容充电，reset两端电压开始下降，当将至3.5V时消耗时间T=RC100ms 远大于两个机器时间2us，满足复位时间要求，从而实现复位。

5.软件程序控制部分图11 光电跟踪模块的程序流程图步进电机的四相分别与单片机最小系统P1.0～P1.3相连，通过每次赋值并延时的思想实现步进电机正反转。

定义：#define Coil_A1 {A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}A相通电，其他相断电执行： Coil_A1 DelayMs(Speed)；其中Speed可以调节转速。

下面是摘录的步进电机和光电采集处理程序，其中转速和转角可以通过赋值来实现调控。

void DelayUs2x(unsigned char t){while(--t);}void DelayMs(unsigned char t){while(t--){DelayUs2x(245);DelayUs2x(245);}}void bujin(void){unsigned int i=213;//旋转一周时间Speed=30;Coil_OFFwhile(i--) //正向{Coil_A1 //遇到Coil_A1 用{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}代替DelayMs(Speed); //改变这个参数可以调整电机转速,//数字越小，转速越大,力矩越小Coil_B1DelayMs(Speed);Coil_C1DelayMs(Speed);Coil_D1DelayMs(Speed);}Coil_OFFi=213;while(i--)//反向{Coil_D1 //遇到Coil_A1 用{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}代替DelayMs(Speed); //改变这个参数可以调整电机转速,//数字越小，转速越大,力矩越小Coil_C1DelayMs(Speed);Coil_B1DelayMs(Speed);Coil_A1DelayMs(Speed);}}void main() // 光电采集信息检测主程序{while(1){if(guang == 1){bujin();}}}6.硬件机械装置设计图 12 机械装置示意图在设计的过程中要做到自动追踪太阳，因此要设计一个合适的支架[]1。

如上图所示，为了减小转动轴与钻孔之间的摩擦力，提高步进电机的驱动能力,在第一个钻孔处焊接一个竖直轴3，4[]2。

其中16、17分别是光信号采集管，由光电二极管组成。

7、8为太阳能电池板左右转向转动轴，11、13为太阳能电池板竖直方向转动轴。

16、17采集的光电信号，经由单片机处理后驱动步进电机进行相应的转速和转角控制[]3。

7.实验结果分析表1 太阳自动循日系统记录通过对以上数据的分析可以看出，本设计基本上可以实现自动追光控制，但是由于光电传感器采集光信息点较少和机械装置尺寸存在偏差，所以在中午12：30至下午13：30这段时间误差较大，可能由于这段时间光线较强，传感器采集有效信息少而造成。