阳光跟踪系统的硬件设计

黄和平

(浙江乐清市兆泰有限公司，浙江 温州 325603)

0 引言

太阳能是一种应用前景无限宽广的清洁无污染能源，然而它也存在低密度、间歇性、光照方向和强度受地势、天气、雨雪风等因素随时间空间不断分布变化的问题。目前太阳能利用转化率为10%～20%。理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%[1]。据实验， 在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高45%。因此在太阳能利用中，进行智能跟踪是十分必要的。本文提出了一种新型的基于单片机的阳光自动跟踪系统软硬件设计方案，该系统不仅能自动根据阳光方向来调整太阳能利用装置朝向，结构简单、成本低，而且具有自动识别天气的能力，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。

1 系统原理与设计

阳光跟踪系统的目的在于使太阳能利用装置始终对准太阳，并将室外的阳光引入室内。系统总体设计方案应包括硬件电路和软件的设计。本文介绍的硬件电路设计又包括传感器及其电路的设计、驱动电源、电机执行模块、键盘和显示模块、芯片电路和遥控电路、云台等及其电路设计。

阳光跟踪系统的工作原理是，系统自寻原点，由支撑云台的底座上的0.75kW电机控制。底座上的北向标记处的光电检测转到与指南针重合，使云台保持正向的东西方位面向太阳的位置后，把来自不同位置的传感器上采集到的8路光信息、压力和风阻传感器信息经过电路转变为模拟信号之后，送入自带模数10路AD转换功能的STC12C5A60S2系列单片机。由程序控制单片机对数据处理，并对AD转换的结果进行判断，计算后产生正确输出，从而控制相应的2个具有x，y轴四方向的0.75kW直流电机动作。聚光体是由一组凸透镜组成，每个聚光透镜的焦点固定一根光导纤维，用来传输太阳光。系统中的阳光传感器和聚光体一起被固定在云台上。当阳光传感器采集信号并经过单片机控制云台可以在水平方向旋转超过210°，在y方向旋转超过120°转动时，传感器实时采集的信号又反馈给单片机进行校准判断，从而实现对太阳的实时精确对准跟踪，进而达到控制云台的目的，使聚光系统始终获得太阳直射。阳光跟踪系统结构框图见图1。

图1 阳光自动跟踪系统硬件结构框图

1.1 阳光传感器的设计

阳光传感器的核心器件是8个光敏电阻，其中4个分布在上一层4个方向的黑色直筒外，另外4个分布在黑色直筒中一个凸透镜的下方，分别进行“粗调”和“细调”，如图2所示。因为凸透镜聚光后在下方会形成很明显的光圈，如果太阳有小段距离的移动，那么光圈就会有相应的移动，即使光圈距离只移动0.4mm，即1/10的光敏电阻的宽度，光敏电阻的阻值也会发生很大的变化。因为经过聚焦的太阳光的照度比较大，所以当汇聚后的阳光只有一点照到了光敏电阻上，根据程序算法，两端的光敏电阻也会有很大的电压差，完全满足系统进行细调的要求。

图2 立体结构的阳光传感器结构示意图

因为“粗调”和“细调”原理类似，文中仅说明“粗调”的原理。该太阳光信号采集器中“粗调”信号采集部分4个光电传感器的工作原理：当有太阳光照射时，黑盒之外的4个光敏电阻，即4、5、6、7号光敏电阻总会有1个或者2个因为黑盒的阻挡，而相对其余的光敏电阻感光强度相对较弱。因此经过电路转换后电压会偏低，这时单片机即可粗略判断太阳的大概位置，驱动电机工作，使得聚光系统逐渐对准太阳。当聚光系统驱动到快要对准太阳的时候，4，5，6，7号光敏电阻已经无法判断是否精确对准。这时进行细调的0、1、2、3号光敏电阻开始发挥作用。

1.2 驱动电源

在保证跟踪精度条件下，尽量减小能源消耗，据此设计驱动电机每24s转动一次的特点，将通常采用的蓄电池改换成电容，既延长了寿命，又降低了成本，而且体积也同时减小了，原理图见图3。

图3 驱动电源中电容代替电池原理图

1.3 信号产生和处理

阳光传感器将太阳光信息转化成电压信号，再由信号处理电路将其转化为供单片机AD口转化的0 V～5 V电压，通过AD转化即可将阳光强度转化成0-255的十进制数。这8个十进制数则表示了光照强度。将单片机输出的8个十进制数命名为S0～S7。经过试验，当S4，S5，S6，S7的和值≥220时，认为有适当强度的光照，并开始调节；这里采用的是比较调节法，外部判断条件如表1，内部判断条件如表2，当进入内部调节时，外部调节将不起作用。

表1 外部调节判断表

表2 内部调节判断表

8个光敏电阻分别对应一路信号，通过信号处理电路与单片机P1口相连，如图4所示。通过调节8路Rf的阻值，使其在相同光照的情况下得到相同的十进制数，即S的值。此时单片机进行判断调节，然后控制电机平台进行旋转，进而实现对太阳位置的实时跟踪。

图4 光伏电池板倾斜角自动跟踪装置

1.4 电源模块及执行机构

阳光跟踪系统的电源来自太阳能电池板，这样整个系统就可以不需要市电而独立运行。电源模块主要有两个作用：1) 通过78L05将太阳能电池板的电压转化成5 V直流电压,为整个控制板提供电源。2) 将太阳能电池板的电压通过电解电容直接给电机及其驱动芯片供电。

78L05是最常用到的稳压芯片，它的使用比较方便。用很简单的电路就可以输入一个直流稳压电源,其输入电压值为7 V～15 V，输出电压恰好为5 V，刚好是51系列单片机运行所需的电压。3个引脚中(图2)1接太阳能电池板输出的+12 V电压，2为公共地，3是稳压之后供给控制部分各模块的+5 V电压。

单片机将AD转换后的值进行判断、运算，产生输出，控制相应电机正反转，就可以调节云台获得阳光直射。聚光体和阳光传感器都安装在云台上，调整云台的角度就调整了聚光体和阳光传感器的角度，即可实现反馈调节。此系统中，单片机通过L298电路驱动2个直流电机。跟踪装置采用双轴式，分别进行方位角和高度角的调节，由此达到准确跟踪阳光的目的。

2 系统实验与运行软件实现

要实现对阳光的自动跟踪，系统必须能够识别天气，检测异常状况并进行处理的能力。此外，为了系统调试方便，还增加了手动调节和遥控。按照系统的功能要求及硬件结构，系统的软件包括：天气识别，异常检测和处理，光照强度判断及输出，电机执行动作等部分。软件流程图如图5所示。如果阳光自动跟踪系统开始工作，那么程序一直处于循环运行状态，当对准太阳之后，电机一般会在21s左右的时间动作一次，耗能很小，程序运行稳定。

图5 软件流程图

单片机对AD转换的结果进行判断、计算并且产生正确的输出，驱动电机。通过阳光传感器、积雪压力传感器以及相应的程序，系统能够准确识别出阴天、晚上，不同天气，异常检测和处理，光照强度判断及输出，电机执行动作等。一旦系统检测到天气为阴天，大风与大雪、系统屏蔽跟踪功能，直到太阳出来为止。另外，还要扫描是否接入了调试模块，对键盘显示做相应的处理等[2-3]。

所开发的阳光自动跟踪系统经56次的实验证明，跟踪精度高达0.1°，而且没有跟踪死角、手动调试及自动运行，遥控操作、检测功能、强风保护功能及异常情况处理功能均正确无误，经近3年的使用和运行实验证明程序运行稳定，系统设计可靠，硬件成本与维护成本低廉，可实时精确跟踪太阳。

3 结语

阳光自动跟踪系统通过精心设计，并经多个用户的长时间试验的考验和大量产品在不同场合下长期运行的考核验证，该产品的设计方案已经成熟定型，并建立了一套可靠保证体系，使产品质量得以保证。阳光自动跟踪系统的进一步发展，可考虑网络通讯协同接口，使阳光智能自动跟踪系统在国内国际公开的开放系统中得以应用，使其在太阳能领域中成为大众需要的产品，以提高我国太阳能领域阳光自动跟踪系统智能设计的总体水平。

[1] 王长贵，喜文华，张焕芬，等. 中国能源的开发和利用[M]. 北京：能源出版社，1986.

[2] 秉时. 光敏电阻的种类、原理及工作特性[J]. 红外，2003,11：65-66.

[3] 高海振，莫乾坤，张翔，等. 立方量电源系统设计与实验[J]. 机械制造与自动化，2017,46(5):198-201.