太阳能电池板自动寻光控制系统的设计

陈越　冷宏宇　赵志浩

【摘 要】为了提高太阳能电池板的集光能力，设计一种太阳能电池板自动寻光控制系统。该系统以C8051F020单片机为主控芯片，在太阳光线的照射下，检测光敏电阻的阻值，并把电阻阻值的偏差信号经过电压转换电路处理后转换成电压偏差信号。利用该偏差信号计算出控制量，用控制量去调节PWM信号的占空比，进而控制步进电机的转速，实现太阳能电池板的自动寻光控制。PC机与单片机连接并发出控制指令，单片机将太阳能电池板法线方向、输出电压、功率等参数输出至上位机PC并显示。

【关键词】太阳能电池板；集光能力；单片机；自动寻光

【Abstract】In order to improve the light collecting capability of solar panels， light control system for automatic design of a solar panel. The system with C8051F020 MCU as the main control chip， under the irradiation of sun light， the resistance value of the detection of the photosensitive resistance， and the resistance value of the error signal through the voltage conversion circuit is converted into voltage error signal. The calculated control with the error signal， with volume control to adjust the duty cycle of the PWM signal， then control the stepper motor speed， automatic light control solar panels. PC and MCU to connect and send the control command， the MCU will solar panels in normal direction， output voltage， power and other parameters are output to the PC and display PC.

【Key words】Solar panels； Light collecting ability； Singlechip； Automatic searching

0 引言

随着世界经济的发展以及全球资源消耗的日益加剧，对新能源的开发和应用成为当今世界发展的必然趋势。而太阳能作为一种清洁的、低密度、间歇性的一次能源，受到了各国的普遍重视。当前在中国，太阳能电池板和太阳能热水器应用范围比较广[1]。然而目前在太阳能热水器、太阳能电池板等领域中普遍存在能源转换效率偏低的问题。主要原因是太阳能电池板倾角固定不变，这样不利于太阳能电池板对太阳能的最大化收集，导致太阳能的利用率比较低，使人类对太阳的开发和利用遇到了瓶颈。

通过上面的分析，主要问题是太阳能电池板倾角固定不变的放置导致太阳光无法时时刻刻都与太阳能电池板垂直照射。另外，现在太阳能电池板基本上都是固定的，无法实现智能化，使太阳能热水器的普及受到了阻碍。针对上述问题，我们设计了太阳能电池板自动寻光控制系统。

首先，在光源探测电路中，我们以C8051F020单片机为主控芯片，在太阳光的照射下，检测光敏电阻的阻值，并把阻值的偏差信号经过电压转换电路和A/D转换电路处理后转换成电压偏差信号，再去执行控制系统。在控制系统方面，利用电压偏差信号计算出控制量，用控制量去调节PWM信号的占空比，进而控制步进电机的转速，实现太阳能电池板的自动寻光控制[2]。另外，把PC机通过RS232接口与C8051F020单片机连接，将太阳能电池板法线方向、输出的电压、功率等参数传至上位机PC，并显示。

1 光源探测电路

为了实现太阳能电池板的自动寻光，我们要获得光源的光强信号。所以，首先我们以C8051F020单片机为主控芯片，用于接收光源信号的4个光敏电阻对称分布于太阳能电池板的上、下、左、右四个边缘的中间。当太阳光线不与太阳能电池板垂直时，四个方向上的光敏电阻由于接收到的光强不同，致使光敏电阻[3]的阻值将会不同，将电阻阻值信号经过电压转换电路和A/D转换电路处理后转换成电压信号。

得到经转换电路转换的电压信号后，对电压信号进行比较判断，如果电压信号不存在偏差，则继续检测光敏探测头中光敏电阻的阻值；如果存在偏差，就分别驱动步进电机转动，直至电压信号偏差几乎不存在时，步进电机停止转动。至此，太阳光线基本垂直太阳能电池板，从而形成闭环控制系统（图1）。

2 控制系统

本系统对控制系统中步进电机的控制采用PID算法，控制系统为双轴跟踪控制。

双轴跟踪控制[4]是指由C8051F020单片机控制两个不同方向上的步进电机，实现太阳能电池板在方位角上的水平转动和在高度角[5]上的仰卧运动，从而使太阳的入射光线和太阳能电池板基本保持垂直。相对于转动平台垂直放置的电机为方位角步进电机，用来控制太阳能电池板做水平转动，以跟踪太阳在方位角方向上的偏移；相对于转动平台水平放置的电机为高度角步进电机，用来控制太阳能电池板做仰俯运动，以跟踪太阳在高度角方向上的偏移。

在光源探测电路中得到电压偏差信号后，利用该偏差的比例、积分和微分计算出控制量，用控制量去调节PWM信号的占空比，实现对步进电机转速的控制。在控制器参数的确定上，系统按照工程经验公式进行整定。采用先比例、后积分、再微分的顺序进行反复调试。具体的整定步骤如下：

（1）比例环节的整定。将比例系数由小变大，并观察相应步进电机的响应，直至得到反应快、超调量小的转速响应曲线。

（2）积分环节的整定。将第（1）步整定得到的比例系数略微减小至原来的50%-80%，然后置积分系数为一较大值，再逐渐减小积分系数，并根据步进电机转速响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分系数，在转动平台运行稳定的情况下，使得太阳能电池板在最终位置处，光源探测头中光敏电阻阻值引起的信号偏差尽可能的小，由此得到合适的积分系数。

（3）微分环节的整定。可先置微分系数为零，在第（2）步整定的基础上逐渐增大微分系数，同时相应改变比例和积分系数，以实现系统优化。

3 系统的结构

当太阳光线不与太阳能电池板垂直时，该系统的光源方向探测电路中的光敏电阻的阻值将发生偏差，偏差信号经过电压转换电路和A/D转换电路处理后，送至单片机，从而为寻光提供指引。

另外，TSL2561光强传感器用来采集当前的光强信号、根据光强的大小确定系统的工作模式；风力检测装置，用来检测风速，实现在大风条件下，太阳能电池板的自动稳固平放。

采用增量式PID算法[6]，实现太阳能电池板姿态的双轴闭环控制。其中，双轴转动平台的执行机构为方位角步进电机和高度角步进电机；太阳能电池板法线方向的检测由方位角和高度角上的光电编码器间接完成。

为了实现上位机与单片机间的通信，设计基于Visual Basic的上位机界面。PC机通过RS232接口与C8051F020单片机连接。一方面，PC机向C8051F020单片机发送控制指令；另一方面，C8051F020单片机将太阳能电池板法线方向、以及输出的电压、功率等参数传至上位机PC，并以数字和曲线的方式进行显示（图2）。

4 结束语

本系统以C8051F020单片机为主控芯片，利用光源信号捕捉头中的光敏电阻、电压转换电路和A/D转换电路把光信号的强弱转化成电压信号的大小。再通过增量式PID算法计算出控制量，用控制量去调节PWM信号的占空比，进而控制方位角步进电机，以跟踪太阳在方位角方向上的偏移；控制高度角步进电机，以跟踪太阳在高度角方向上的偏移。使太阳光线能够时时刻刻都垂直于太阳能电池板。

利用TSL2561光强传感器来采集当前的光强信号、根据光强的大小确定系统的工作模式；利用风力检测装置，用来检测风速，实现在大风条件下，太阳能电池板的自动稳固平放。PC机通过RS232接口与C8051F020单片机连接，将太阳能电池板法线方向、以及输出的电压、功率等参数传至上位机PC，并显示（实物如图3所示）。

因此，太阳能电池板自动寻光控制系统能使太阳光时时刻刻都与太阳能电池板垂直照射，另外本系统具有智能性、实用性等特点，从而可以大大提高太阳能电池板的集光能力，充分利用了太阳能资源。

【参考文献】

[1]杨东凯.太阳能利用及太阳能热水器的发展与现状[J].世界家苑，2012，2：206-206.

[2]赵林，王志坤.可折叠式太阳能电池板智能追光系统的研究[J].山西电子技术，2014，4：77-79.

[3]王东伟.自动跟踪式太阳能光伏水泵设计及性能预测[D].兰州：兰州理工大学，2012.

[4]闫秋娟，蒋猛.太阳能电池板自动跟踪装置的研究进展[J].科技创新与应用，2013，14：14-15.

[5]申来明，杨亚龙.一种利用单片机实现太阳能跟踪的设计方法[J].现代电子技术，2014，37（10）：158-162.

[6]杜井庆，高世桥，罗创，姚峰林，刘海鹏.基于PID算法的控制量按任意函数变化的一种控制方法[J].仪器仪表学报，2011，32（6）：1317-1323.

[责任编辑：杨玉洁]