一种利用单片机实现太阳跟踪的设计方法

申来明　杨亚龙

摘 要： 由于单片机对追光系统中太阳高度角和方位角的计算公式计算能力不足等缺点，往往会导致追光系统不够精确和稳定。该设计在处理太阳高度角和方位角时摒弃了单片机直接套用太阳高度角和方位角计算公式的做法，而是利用计算机将某一地点确定月份的太阳高度角与方位角进行计算和统计，得到了其近似拟合函数，单片机可根据此拟合函数进行太阳高度角与方位角的近似计算并进行太阳跟踪，在完成近似跟踪后启动由四象限硅光电池和凸透镜组成的光电跟踪系统，完成对系统的精确调整。该方法的应用解决了单片机对天文算法计算能力不足的缺点，同时实现了对太阳高效、实时、精确的追踪，对实际工程实践有一定的指导意义。

关键字： PIC18F6520； 数据拟合； 太阳高度角与方位角； 四象限硅光电池

中图分类号： TN919?34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0158?05

Abstract： Since the calculating ability of single?chip microcomputer （SCM） for dealing with the calculational formula in the sun?tracking system for computing sun altitude angle and azimuth angle is insufficient， which often leads to inaccuracy and instability of the spotlight system， the calculation and statistics of the solar altitude angle and azimuth angle in a certain month are made by a computer to obtain their approximate fitting functions when the sun altitude angle and azimuth angle need to be calculated， instead of straightly using the sun altitude angle and azimuth angle calculation formula to calculate the sun altitude angle and azimuth. According to the fitting functions， SCM can be used to approximately calculate the sun altitude angle and azimuth angle， and realize the sun tracking. After fulfilling the approximate tracking， the photoelectric tracking system composed of four quadrant silicon photocell and convex lens is started to complete the precise adjustment of the system. The method overcame the disadvantage of SCM for astronomical algorithm calculation， and at the same time realized the efficient， real?time and accurate tracking to the sun. It has certain guiding significance for the actual engineering application.

Keywords： PIC18F6520； data fitting； solar elevation angle and azimuth angle； four?quadrant silicon photovoltaic cell

0 引 言

太阳能的利用是现代能源新的发展方向，由于太阳能与其他能源如煤炭、石油相比有着无污染、用之不竭等优点[1]，太阳能的利用在西方国家已经有了很大的发展，我国光伏产业起步较晚，但最近几年发展较快。在太阳能的利用过程中提高太阳能的转化率始终是国内外太阳能利用的一个瓶颈，传统的做法是把太阳能板放在一个固定朝向的支架上，由于太阳一直在不停地运动，这样就不能够保证时时刻刻太阳能电池板和太阳的入射光线处于垂直关系，太阳能电池板也就不能获得最大的光照值，这样在很大程度上限制了太阳能的转化利用率[2]。基于以上现状和工程实际的需要，国内外对太阳追踪的研究也在不断深入，但大多设计和计算都比较复杂，一般的单片机微处理器很难实现对复杂的天文算法进行计算分析，因此只能用作实验，而不能工程实际应用。目前，跟踪太阳的方法主要有三种方式：光电跟踪、视日运动轨迹跟踪和光电跟踪与视日跟踪相互切换的跟踪[3]。光电跟踪是闭环的随机系统，其结构简单、灵敏度高，但是易受天气条件的影响。视日运动轨迹跟踪是开环的程控系统，其跟踪过程不受外界环境干扰，有较高的可靠性，但是跟踪过程易产生误差。虽然光电跟踪与视日跟踪相互切换的跟踪方法在一定程度上解决了光电跟踪易受天气环境干扰导致系统运行不稳定的问题，但是并没有解决视日运动轨迹跟踪容易产生累积误差而造成跟踪精度不高的问题[4?5]。

本设计在前人研究的基础上采用视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的方法，采用数据拟合的方法将复杂的不断变化的太阳高度角与方位角的计算进行简化，从实际应用的角度出发，得到适合单片机运算的简单追光公式，解决了跟踪系统精度不高，易受天气条件影响，稳定性差等问题。成功地实现了对太阳的精确追踪，操作性和实用性强，从而实现了太阳能电池板发电效率的最大化，对实际的工程应用和太阳能的开发有着极为重要的指导意义。

1 跟踪系统原理图

系统采用PIC18单片机作为整个系统的核心控制芯片，系统在上电之后首先从DS1302实时时钟读取当前的时间并判断是否开启跟踪系统，如果读取的时间在预先设定的时间范围内（8：00—18：00），则开启系统跟踪，否则，不进入系统跟踪模式。系统在开始跟踪后首先读取当前实时时钟DS18B20的时间信息（年、月、时），并按相应时间信息调用提前拟合好的太阳高度角与方位角的变化公式进行追光跟踪。系统通过按键输入来决定单片机每隔多长时间启动一次拟合跟踪，当一次拟合跟踪完成后再将主控制权交由光电跟踪，通过四象限硅光电仪判断太阳和太阳能电池板的位置进行精确调整，并将调整量加载到两个直流电机来驱动追光装置[3]。

2 光电转换仪

光电转换采用对光特别敏感的四象限硅光电池作为光电转换元器件，同时用LM358P集成放大器把微弱的电信号放大，供单片机判断追光探头与太阳的位置关系[2]。工作原理：追光探头即光电转换模块由凸透镜、四象限硅光电池、信号放大电路组成，其原理示意图如图2所示。当有太阳光照射时，凸透镜会将入射光线汇聚然后照射在硅光电池上，这时硅光电池就会有电压产生，然后再在放大电路LM358P的放大下输出给单片机的第21～24控制引脚RA0/AN0，RA1/AN1，RA2/AN2，RA3/AN3进行A/D转换，单片机经过算法分析后输出PWM脉冲电机控制量控制直流电机的速度和转向。

5.2 软件设计流程图

系统软件设计流程图如图6所示。

在系统上电初始化完成之后追光装置首先会回到预先设定的初始位置，然后单片机通过读取DS1302实时时钟的时间值来判断当前的时间是否在日出后与日落前（8：00～18：00，可按当地时间设定），如果在这个时间段内，单片机再次读取实时时钟的当前时间值，并判断是否应该启动视日轨迹太阳跟踪（按键是用来设置每隔多长时间启动一次），如果是就启动视日轨迹跟踪，如果不是就一直判断当前时间值，直到启动视日轨迹跟踪。

图6 系统软件控制流程图

启动视日轨迹跟踪后调用相应的计算太阳高度角与方位角的拟合公式并计算当前太阳高度角与方向角，然后通过相应电机驱动调节追光装置的高度角与方位角，当完成第一次调节之后，再将控制权转交光电跟踪，由光电传感器再次进行精确调节，当光电调节完成之后释放控制权，系统开始再次循环读取当前的时间值来决定是否启动下一次跟踪过程[11]。

6 结 语

太阳高度角与方位角的准确实时获得是实现太阳能电池板精确追踪太阳的重要前提。本文采用简化方法得到了适合单片机运算的实时太阳高度角与方位角计算公式。但是这种方法的弊端就是在经纬度一定的条件下，才能实现太阳的高精度追踪，如果追踪装置在地面上放置位置发生较大变化，系统提供的拟合追光公式将不再适用，需要重新对其进行计算。

参考文献

[1] 李永红，刘天野.自动追光系统设计[J].机械工程与自动化，2012，172（3）：119?120.

[2] 贺晓雷，于贺军，李建英，等.太阳方位角的公式求解及其应用[J].太阳能学报，2008，29（1）：69?73.

[3] 吕文华，贺晓雷.全自动太阳跟踪器的研制和应用[J].光学精密工程，2008，16（12）：2544?2549.

[4] 刘京诚，任松林.智能型双轴太阳跟踪控制系统的设计[J].传感器与微系统，2008，27（9）：69?70.

[5] 郭文川，周超超.基于ARM920T的太阳能电池板自动追光系统[J].实验技术与管理，2012，29（1）：56?58.

[6] 张瑜，路博.一种高精度的太阳跟踪方法[J].可再生能源，2012，30（2）：103?106.

[7] 李建英，吕文华，贺晓雷，等.一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计[J].太阳能报，2003，24（3）：330?333.

[8] 胖莹，王振臣.太阳能智能追光装置设计[J].水电能源科学，2011，29（8）：207?210.

[9] HOSSAIN E， MUHIDA R， ALI A. Efficiency improvement of solar cell using compound parabolic concentrator and sun tracking system [C]// Proceedings of IEEE Electrical Power & Energy Conference. Vancouver， BC： IEEE， 2008： 1?8.

[10] Seme S， Stumberger G， Vorsic J. Maximum efficiency trajectories of a two?axis sun tracking system determined considering tracking system consumption [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2011， 26（4）： 1280?1290.

[11] 沈洁，丁玮.基于PLC的太阳能追光系统的设计[J].工业控制计算机，2011，24（11）：113?114.

[12] 杜伟巍，邹丽新，尤金正，等.基于COMS图像传感器的太阳自动跟踪控制器设计与实现[J].现代电子技术，2010，33（11）：125?128.

1 跟踪系统原理图

系统采用PIC18单片机作为整个系统的核心控制芯片，系统在上电之后首先从DS1302实时时钟读取当前的时间并判断是否开启跟踪系统，如果读取的时间在预先设定的时间范围内（8：00—18：00），则开启系统跟踪，否则，不进入系统跟踪模式。系统在开始跟踪后首先读取当前实时时钟DS18B20的时间信息（年、月、时），并按相应时间信息调用提前拟合好的太阳高度角与方位角的变化公式进行追光跟踪。系统通过按键输入来决定单片机每隔多长时间启动一次拟合跟踪，当一次拟合跟踪完成后再将主控制权交由光电跟踪，通过四象限硅光电仪判断太阳和太阳能电池板的位置进行精确调整，并将调整量加载到两个直流电机来驱动追光装置[3]。

2 光电转换仪

光电转换采用对光特别敏感的四象限硅光电池作为光电转换元器件，同时用LM358P集成放大器把微弱的电信号放大，供单片机判断追光探头与太阳的位置关系[2]。工作原理：追光探头即光电转换模块由凸透镜、四象限硅光电池、信号放大电路组成，其原理示意图如图2所示。当有太阳光照射时，凸透镜会将入射光线汇聚然后照射在硅光电池上，这时硅光电池就会有电压产生，然后再在放大电路LM358P的放大下输出给单片机的第21～24控制引脚RA0/AN0，RA1/AN1，RA2/AN2，RA3/AN3进行A/D转换，单片机经过算法分析后输出PWM脉冲电机控制量控制直流电机的速度和转向。

5.2 软件设计流程图

系统软件设计流程图如图6所示。

在系统上电初始化完成之后追光装置首先会回到预先设定的初始位置，然后单片机通过读取DS1302实时时钟的时间值来判断当前的时间是否在日出后与日落前（8：00～18：00，可按当地时间设定），如果在这个时间段内，单片机再次读取实时时钟的当前时间值，并判断是否应该启动视日轨迹太阳跟踪（按键是用来设置每隔多长时间启动一次），如果是就启动视日轨迹跟踪，如果不是就一直判断当前时间值，直到启动视日轨迹跟踪。

图6 系统软件控制流程图

启动视日轨迹跟踪后调用相应的计算太阳高度角与方位角的拟合公式并计算当前太阳高度角与方向角，然后通过相应电机驱动调节追光装置的高度角与方位角，当完成第一次调节之后，再将控制权转交光电跟踪，由光电传感器再次进行精确调节，当光电调节完成之后释放控制权，系统开始再次循环读取当前的时间值来决定是否启动下一次跟踪过程[11]。

6 结 语

太阳高度角与方位角的准确实时获得是实现太阳能电池板精确追踪太阳的重要前提。本文采用简化方法得到了适合单片机运算的实时太阳高度角与方位角计算公式。但是这种方法的弊端就是在经纬度一定的条件下，才能实现太阳的高精度追踪，如果追踪装置在地面上放置位置发生较大变化，系统提供的拟合追光公式将不再适用，需要重新对其进行计算。

参考文献

[1] 李永红，刘天野.自动追光系统设计[J].机械工程与自动化，2012，172（3）：119?120.

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[12] 杜伟巍，邹丽新，尤金正，等.基于COMS图像传感器的太阳自动跟踪控制器设计与实现[J].现代电子技术，2010，33（11）：125?128.

1 跟踪系统原理图

系统采用PIC18单片机作为整个系统的核心控制芯片，系统在上电之后首先从DS1302实时时钟读取当前的时间并判断是否开启跟踪系统，如果读取的时间在预先设定的时间范围内（8：00—18：00），则开启系统跟踪，否则，不进入系统跟踪模式。系统在开始跟踪后首先读取当前实时时钟DS18B20的时间信息（年、月、时），并按相应时间信息调用提前拟合好的太阳高度角与方位角的变化公式进行追光跟踪。系统通过按键输入来决定单片机每隔多长时间启动一次拟合跟踪，当一次拟合跟踪完成后再将主控制权交由光电跟踪，通过四象限硅光电仪判断太阳和太阳能电池板的位置进行精确调整，并将调整量加载到两个直流电机来驱动追光装置[3]。

2 光电转换仪

光电转换采用对光特别敏感的四象限硅光电池作为光电转换元器件，同时用LM358P集成放大器把微弱的电信号放大，供单片机判断追光探头与太阳的位置关系[2]。工作原理：追光探头即光电转换模块由凸透镜、四象限硅光电池、信号放大电路组成，其原理示意图如图2所示。当有太阳光照射时，凸透镜会将入射光线汇聚然后照射在硅光电池上，这时硅光电池就会有电压产生，然后再在放大电路LM358P的放大下输出给单片机的第21～24控制引脚RA0/AN0，RA1/AN1，RA2/AN2，RA3/AN3进行A/D转换，单片机经过算法分析后输出PWM脉冲电机控制量控制直流电机的速度和转向。

5.2 软件设计流程图

系统软件设计流程图如图6所示。

在系统上电初始化完成之后追光装置首先会回到预先设定的初始位置，然后单片机通过读取DS1302实时时钟的时间值来判断当前的时间是否在日出后与日落前（8：00～18：00，可按当地时间设定），如果在这个时间段内，单片机再次读取实时时钟的当前时间值，并判断是否应该启动视日轨迹太阳跟踪（按键是用来设置每隔多长时间启动一次），如果是就启动视日轨迹跟踪，如果不是就一直判断当前时间值，直到启动视日轨迹跟踪。

图6 系统软件控制流程图

启动视日轨迹跟踪后调用相应的计算太阳高度角与方位角的拟合公式并计算当前太阳高度角与方向角，然后通过相应电机驱动调节追光装置的高度角与方位角，当完成第一次调节之后，再将控制权转交光电跟踪，由光电传感器再次进行精确调节，当光电调节完成之后释放控制权，系统开始再次循环读取当前的时间值来决定是否启动下一次跟踪过程[11]。

6 结 语

太阳高度角与方位角的准确实时获得是实现太阳能电池板精确追踪太阳的重要前提。本文采用简化方法得到了适合单片机运算的实时太阳高度角与方位角计算公式。但是这种方法的弊端就是在经纬度一定的条件下，才能实现太阳的高精度追踪，如果追踪装置在地面上放置位置发生较大变化，系统提供的拟合追光公式将不再适用，需要重新对其进行计算。

参考文献

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[8] 胖莹，王振臣.太阳能智能追光装置设计[J].水电能源科学，2011，29（8）：207?210.

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[10] Seme S， Stumberger G， Vorsic J. Maximum efficiency trajectories of a two?axis sun tracking system determined considering tracking system consumption [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2011， 26（4）： 1280?1290.

[11] 沈洁，丁玮.基于PLC的太阳能追光系统的设计[J].工业控制计算机，2011，24（11）：113?114.

[12] 杜伟巍，邹丽新，尤金正，等.基于COMS图像传感器的太阳自动跟踪控制器设计与实现[J].现代电子技术，2010，33（11）：125?128.