基于AVR的太阳能电池板自动追日系统的设计_刘瑞歌

第35卷 第6期 2013-06(下) 【121】

收稿日期：2013-01-18

基金项目：山东省滨州学院科研基金项目（BZXYLG200704）

作者简介：刘瑞歌（1978 -），女，讲师，硕士，研究方向为计算机测控技术和过程控制。

基于AVR的太阳能电池板自动追日系统的设计

The design of solar panel automatically tracking the sun system based on AVR

刘瑞歌1， 宋 锋1，吴汝坤2

LIU Rui-ge 1，SONG Feng 1，WU Ru-kun 2

（1. 滨州学院 自动化系，滨州 256603；2. 北京科技大学 自动化学院，北京 100083）

摘 要：设计了一种基于AVR的自动追日系统，对电路和控制算法进行了详细的设计。以ATmega16单

片机为主机，通过光强比较法由感光元件采集太阳的方位信息，并通过RS485通信将太阳的方位信息传送到各个装有太阳能电池板的从机。从机根据收到的信息控制其上的步进电机调整电池板的方位，使太阳能电池板始终与太阳光垂直，大大提高了太阳能的利用效率，适用于大型太阳能电池板阵列的追日系统。

关键词：太阳能；追日系统；AVR；电池板中图分类号：TM615;TP213 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2013)06(下)-0121-03Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(下).35

0 引言

随着煤炭、石油等矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，太阳能、核能、风能、地热能、水力能以及生物能等可持续能源的利用受到人们越来越多的关注。太阳能是一种免费、无污染且又取之不尽、用之不竭的能源，但同时也是一种强度不均、间歇性、空间分布不均衡的能源，这对于如何高效地收集太阳能提出了技术性挑战[1]。尽管目前太阳能集热器、太阳能电池等传统装置在一定程度上解决了这方面的问题，但由于转换效率相对较低，使得太阳能的利用并不够充分。因此如何最大限度的提高太阳能的利用率仍然是国内外研究的热点。目前解决这一问题的途径主要有三个方面：1）提高太阳能装置的转换效率。2）提高太阳能装置接收的效率。3）提高太阳能的储存效率。太阳位置自动追踪技术的研究，对提高太阳能的吸收效率，高效合理地利用太阳能具有重要的研究价值[2]。论文研究了一种基于AVR单片机的光电双轴式自动追日系统，双轴跟踪系统的光伏阵列有两个旋转自由度[3]，可精确追踪日光，保证太阳能设备的能量转换部分所在的平面始终与太阳光线垂直，提高了太阳能电池板发电时太阳能装置的接收效率，提高了能量的转换效率，并研究了其组网性能，使其能够与大型太阳能电池板阵列相适应。

1 追日系统的总体设计

1.1 太阳运动规律

地球自转和公转导致了太阳相对于地面上静止的物体是运动的现象。太阳的运动具有周期性和可预测性，所以任意地区任意时刻的太阳角度是可以计算的，其角度分为太阳高度角和方位角。

对于地球上的某个地点太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角。太阳高度角随着地方时刻和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬以δ表示，观测地地理纬度用φ表示，地方时（时角）以t表示，有太阳高度

角的计算公式：

(1)

太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，向西逐渐变大，向东逐渐变小，直到在正北方合在±180°。1.2 总体方案设计

在地球上一定小范围内，可以将整个区域上的太阳光近似看做平行光，只要采集一处太阳角度就可以看做是整个区域的太阳角度。为此设置一主机、多从机，通过组网来控制整个太阳能电池板阵列。采用一感光传感器，将其装在一小型云台上，当与太阳光不垂直时，各传感器反馈的光强信号有差异，通过该差异可以获得太阳方位和角度的信息。单片机通过对信号进行采样，采集的信号经过计算来获得电机的控制信号，并利用通信的方式将控制信号传递到整个网络[4]，达到电池板与太阳光垂直的目的。太阳能发电场往往

由太阳能电池板阵列组成，采用这种方案，比较灵活，只需要改变从机个数就可以适应不同的地区。系统工作流程图如图1所示。

图1 系统工作流程图

2 关键技术的具体实现

2.1 追踪传感器的选择

论文研究的重点难点在于传感器的选择与设计，目前常用的感光元件主要有硅光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等，这些元件都配合遮光板、遮光筒、透镜等来产生差分信号，通过将该信号放大得到太阳的位置，达到追踪太阳的目的。因为光敏电阻的响应时间比较长，反应比较慢所以不采用光敏电阻。光敏二极管和光敏三极管响应速度都比较快，且三极管的灵敏度更高，但是因为本系统主要工作在室外，温度升高的会比较快，最终温度也会比较高，光敏三极管受温度影响比较大，而且因为室外的光强比较高光敏三级管容易达到饱和。在光线比较强的时候光敏三极管的特性并不比光敏二极管的特性好，所以设计选用光敏二极管做为光强采集元件。

设计一T型遮光板[5]，将受光面分成三个区域，每个区域靠近遮光板的地方安装一感光元件。当受光面没有垂直太阳光时，会有感光元件被遮挡，这样三个区域返回的信号会有差异，当受光面垂直于太阳光时，三个传感器返回的数据差值比较小，通过该原理即可获得太阳的方位信息。设计一遮光筒，长度在10mm左右，筒上加一透镜，焦距也为10mm，将其垂直安放在受光面上。筒内区域分为五个区域，每个区域安装有一个感光元件，因为透镜的焦距为10mm，所以当受光面垂直于太阳光时，只有第五个感光元件受光。当受光面不垂直于太阳光时，另外四个传感器中的一个会受光，由此差异即可获得太阳的方位信息。

综合比较，因为光敏电阻存在一个暗电阻，且响应速度比较慢，所以本设计不选用光敏电阻。遮光板的设计比较简单且容易实现，但是其缺点是：定位不精确。遮光筒的设计能到达定位精确的目的，但是其设计比较复杂，且当长时间

阴天或者太阳光与透镜光轴夹角超过一定限度时，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光斑不能落在感光元件上便不能跟踪太阳，甚至可能造成系统误操作。因此此种设计适合于一定角度内的高精度跟踪。基于以上考虑，本课题将遮光板和遮光筒同时使用，系统首先利用遮光板确定太阳的大体位置，再利用遮光筒进行精确定位。传感器总体设计如图2所示。

图2 传感器总体设计

2.2 微处理器的选择

采用ATMEGA16作为控制器，ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其使用精简指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在处理速度和功耗之间的矛盾[6]。ATmega16 有如下特点：512 字节EEPROM，16K字节的系统内具有同时读写的能力的可编程Flash，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描以及在线仿真的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个多功能定时器/计数器(T/C)，一个可编程的SPI 串行端口，片内/外中断，可以检测起始条件的通用串行接口，可编程串行USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，8路10位具有可选差分输入及可编程增益(TQFP 封装) 的AD转换模块，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式[7]。本课题应用ATmega16完全能够满足要求，且其开发成本较低，所以论文选用ATmega16作为主控芯片。

2.3 通信模块设计

设计需要应用于室外、大范围通信的环境，需要一个比较稳定的通信方式，以减少通信过程中的错误和干扰。综合RS-485通信优点，其完全能够满足本系统的需要。但是单片机并不自带RS-485通信模块，其内部有一个UART串行通信模块，所以本系统还需要一个TTL电平转485电平的电平转换电路，转换芯片为MAX485，如图3所示。

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