向日跟踪控制系统设计

王彬

摘 要：文中介绍了向日跟踪控制系统的工作原理，设计了光强信号采集与转换、直流电动机控制、水平轴和垂直轴的转角控制及串行通信等电路，在设计控制系统硬件电路的基础上，对跟踪系统软件进行了设计，实现了单体系统对太阳能向日跟踪的控制，该向日跟踪控制系统的不具备多台控制的网络控制功能以及远程互联网控制功能。

关键词：向日跟踪 自动控制 微处理器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

引言：

节约能源是我国基本国策，为缓解能源紧张，满足日益增长的电力负荷需求，必须充分利用可再生能源，大力发展太阳能光伏发电技术。要降低光伏发电成本，除了提高光伏电池装置的能量转换率，还可以设计向日跟踪系统，让光伏阵列跟随太阳的运动而运动，接收最大辐射能量，可以有效提高发电量20%-40%，这也是降低光伏发电成本的有效途径。因此，研究向日自动跟踪系统具有重要意义。

1 控制系统基本原理

要实现对太阳自动跟踪，就必须对地面上的太阳能电池板的采光面进行调整，在跟踪系统工作时，该系统主要以单片机作为系统的控制核心，利用光电传感器信号采集与转换电路判断出太阳光线的入射角度，由处理器发出相应的控制指令控制对应的俯仰、水平双轴传动机构，调整电池板的角度，使其垂直于太阳光线，完成对太阳的跟踪动作[1]，原理框图如图1 所示。

如图1所示，利用光电传感器采集光信号，把变化的光线强度信号转换为电路中的电信号，转换后的电信号被送入控制系统的单片机，由单片机根据信号的变化控制高度角变换和方位角变换的传动机构，从而控制太阳能电池板的空间姿态，实现自动跟踪。

2 系统的硬件設计

（1）信号的采集与转换电路

向日跟踪系统的信号采集实际上是光强的信号采集，设计一个简单的电路可实现系统对信号采集的需要，该信号采集电路包括电源、光敏二级管、滑动变阻器和一个电压比较器。转换电路可根据跟踪精度要求选择ADC，一个 8 位的 ADC 的精度小于0.02V，光线强度的变化引起电路电压值变化要远远大于 0.02V，因此8位的ADC就能实现本设计要求（如果跟踪精度不够，可以选用更高分辨率的 ADC）。针对本设计的跟踪精度、经济需要，实际设计中采用 ADC0808 芯片作为控制电路中的ADC [2]，转换电路如图2所示。

（2）直流电机控制电路

因为直流电机具有良好的线性特性、优异的控制性能等特点，所以大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统都选择直流电动机提供动力源，本文机械部分的机械运动也由直流电动机提供动力源，采用 L293D控制芯片对电动机控制，控制直流电机速度和转向，以便控制向日电池板的姿态，其水平运动和垂直运动由L293D的两路输出分别控制，电路如图 3所示[3]。

（3）转角的控制电路

跟踪时，需要控制水平轴和垂直轴转角，因此需要两个传感器来测量水平轴和垂直轴的转角，利用可调电阻器便可实现对轴转动时转角的测量，把可调变阻器的调整端与轴接在一起，转动轴使可调电阻的调整旋钮产生转动，从而使电阻器阻值随轴的转动而变化，测量机械运动的转角，通过采集到的数据和角度进行关系换算，然后调整电机的控制脉冲便可以对机械运动的转角进行控制[3]，转角控制电路如图4所示。

（4）串行通信电路

在跟踪太阳过程中，单片机对太阳的高度角和太阳方位角跟踪时，需要建立单片机和计算机的通信，即跟踪过程的控制信号及传感器信号发送给计算机，然后计算机再进行处理和保存。在自动跟踪过程中，可根据 RS232标准，建立单片机和PC 机通信，采集的传感器感光板所需调整信号经 RS-232 送入 PC 机，单片机调整跟踪太阳的高度角、方位角参数送入 PC 机，然后由 PC人机交互程序存入数据库记录。

3 控制系统的软件设计

由于太阳光的时变性以及外界的扰动导致采集的数字量波动比较大，因此可以采用软件编程的方法，使其在一个小的范围内保持稳定。具体软件流程图如图5所示[4]。

4 小结

向日跟踪控制系统性能的好坏直接影响太阳能利用效率的高低，本文设计的太阳能向日跟踪控制系统是单独的系统，没有多台网络控制功能和远程互联网控制功能，对于网络控制及远程互联网控制的太阳能向日跟踪系统还有待进一步研究。

参考文献

[1] 许启明，冯俊伟，宫明.太阳能利用跟踪技术的研究进展[J].安徽农业科学，

2011，39（10）：6294-6297

[2] 赵丽伟.太阳自动追踪系统研究[D].吉林：吉林大学，2007：6-10.

[3] 张河新，郎龙军，李建朝.太阳能自动跟踪传感器的研究.新能源产业[J].2010，（3）：27-29

[4] 薛建国.基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J].长春师范学院学报，2005，24（3）：26-30