“太阳能跟踪系统追日装置”的设计与实现

“太阳能跟踪系统追日装置”的设计与实现

摘要：

本追日装置是由STC51单片机、光敏三极管和云台等组成闭环控制系统，主要组成模块有主控模块、光能检测模块和云台控制模块。在日照环境下，通过光能检测模块比较各方位日照强度，控制云台转动，使光能检测模块正对光源，实现追日功能。本装置具有高效、简易的特点，能应用于太阳能领域，以提高太阳能的转换效率。

关键词：单片机，感光模块，云台控制

The design and implementation of“Solar Tracking System”

Zhang zhe Wen yi Yu hai

(Science and Technology Innovation Center of Electrician and Electron, HuaZhong University of Science and Technology, WuHan 430074) Abstract：

The Silversun device was made from STC51 MCU, PTZ composed of photosensitive transistor, and closed-loop control system.The main component modules are main control module, light detection module and PTZ control module.

Meanwhile ,through light detection module to compare sunshine intensity and control PTZ rotation, it can devote to the device being in line to the light ,which reaches the eternal function. This device has high efficiency, simple features, which can be applied to solar energy, to enhance solar energy conversion efficiency.

Key Words：Microcontroller Unit, hotosensitive module, PTZ

一、总体方案设计与论证

1.方案的设计与选择

方案一：设计一个二维电机转动装置，通过单片机来控制两个电机的转动，以实现对任意方向的跟踪。单片机通过记忆或者计算任何时刻的太阳的位置，然后控制电机转动对准太阳直射方向。单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳的预期位置，与编码器提供的当前位置比较，输出控制信号。驱动装置根据单片机提供的信号转动，同时通过编码器将运行速度或位置增量反馈到单片机，形成闭环控制系统。由于当前位置是由增量式计算得到的，若当前位置的计算出

现偏差，则不能够由反馈得到校正，从而形成累积位置偏差。为此，必须通过传感器监视聚光镜的位置是否与太阳偏离，当偏离时启动一个校正程序，达到消除当前位置误差的作用。此外还需要判断天空直射辐射的强度，在直射辐射较弱时不启动校正程序，从而避免多云天气的盲目跟踪。

在中科院的一篇论文中我们看到此种方法。通过查阅资料，发现该方案原理比较复杂。另外，对太阳方位的计算超出我们知识范畴。若采用这种方法，短时间内很难实现。

方案二：设计一个感光面板，将面板固定在转动平台上，将光敏器件部署在面板的不同位置，通过各位置反馈的光强信号差异，获得当前阳光的方位信息。同时，使用单片机对光强信号进行采样，采集结果通过一系列运算后，产生转动控制信号，控制转动平台，进而保证感光面板正对太阳直射的方向。实现这个方案，主要解决两方面问题，一是光敏器件的选择，二是转动平台的搭建。在光敏器件的选择方面，我们尝试了光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管，甚至考虑了用四象限探测仪。由于考虑到装置的实用性和性价比，我们放弃了用四象限探测仪。通过设计了不同的光照实验，我们检测不同光敏器件的感光效果。实验结果显示，在不同的光照下，光敏三级管的导通电流与光照强度呈线性关系。在光敏三极管射极外加电阻，经过三级管放大的感应电流转变为电压信号，便于后续的信号采样和信号处理。经过实验论证最终确定了光敏三极管的方案，具体选型为3DU33。在转动平台的搭建方面，我们考虑了自制转动平台和云台。在实验测试中，由于受工艺、结构和控制接口等多因素的制约，我们放弃了自制转动平台的方案，选择了云台作为转动平台。

系统整体框图如图1所示：

图1、系统整体框图

以下分别对各个子模块进行论证。

——光能采集模块

方案一：采用光敏电阻来接收阳光。光照越强的时候，光敏电阻的阻值会变小，把光敏电阻连接在一个分压电路上，采集电流信号，则在不同的光照强度的时候电流的强度会不一样。将电流信号转变为电压信号，然后用但单片机采样分析。通过程序进行判断，进而控制转动平台，使装置接收到最大电流。

方案二：采用光敏三级管接收阳光。光敏三极管直接输出放大后的感应电流信号，通过将电流信号转变为电压信号交给单片机分析，进而控制转动平台。

选择：方案二。光敏三级管光感应电流大，反应灵敏，电路简单，可以根据本实验的需要来筛选光电参数。光敏电阻的阻值对度光照的变化反应不够灵敏，不适合本项目的要求。

——光能采集结构模块

方案一：部分遮光法。使用一个光敏三级管，将光敏三极管固定在转板上，在光敏三极管的感光头上套一个遮光圆筒。只有当遮光圆筒正对着太阳的时候才能使得光敏三极管达到最大电流，进而输出最大电压。

方案二:差值比较法。使用四个光敏三极管，将光敏三极管以十字架形状放置。当阳光从不同的方向照射时，在十字架对应端的两个光敏三极管的输出电流值不同，用单片机分别采集并比较由这两组电流信号转变而来的电压信号，产生对应输出信号控制转动平台。

方案三：投影法。在转板上安装一根立柱，将立柱周围放置一圈的光敏三极管。当阳光非直射时，立柱的投影会遮住某一个方向的光照，使得对应的光敏三极管所在的回路的电流值与其它的回路电路不同。通过单片机对这些信号进行采样和分析，产生对应输出信号控制转动平台。

选择：方案二。方案一中，若光敏三极管与阳光直射角度偏差较大，则光敏三极管将接收不到任何光照。这样就难以产生控制信号，控制转动平台。方案三中，需要使用较多光敏三极管，而且光敏三极管方位需要采用坐标的方式来定位，根据坐标来控制电机的转动比较有难度。方案二的控制比较方便，耗材较少。经过试验效果比较理想。

——转动平台结构模块

方案一：如下图所示，把装有感光器件的感光板固定在可以绕支点转动的横杆上，通过横杆的垂直90°摆动，和水平360°转动，来控制转板的的朝向。竖直的轴由底座内部的电机带动齿轮控制，另外一个控制横轴转动的电机位于右边的圆柱体内。经过论证，上面部分的重量比较大，底座的步进电机不足以带动整个装置的转动。