基于STC89C52单片机的太阳能双轴跟踪系统的设计

赵宇兰

(山西大学商务学院,山西 太原 030031)

0 引言

新能源的开发和利用是破解中国乃至世界难题的利刃，加大新型清洁、高效能源和可再生能源的开发对全社会的科学发展、可持续发展有重要意义。太阳能作为一种特有的可再生能源，具有清洁无污染、资源丰富等优点，已被人类作为未来能源开发的首选。但是，目前太阳能的开发利用也存在着诸如利用效率低下、易受天气变化等自然条件的影响等弊端[1]。

本设计是为提高太阳能利用效率而设计的一款具有高精度特征的太阳能双轴跟踪系统。这一系统结合了光电跟踪[2]与双轴追踪[3]两项技术，利用其实现跟踪功能的原理进行光照强度的精准检验及收集，系统能够随着太阳光的运动而运动，随着光照位置的变化而控制转动方向，使太阳能板面与四个方向的平均光照始终保持垂直的关系，最终达到自动跟踪的目标，从而使太阳能的利用效率达到最佳，有效地改善了太阳能资源利用率低下的问题。

1 系统分析

通常情况下，人们借用太阳能采集装置将当前的太阳能转化成其它种类的可用资源，以实现对太阳能的充分利用。但在本设计中，是将太阳能确切地转化为电流信号。在这个明确的能量转化过程中，光源所处的点会随着时间的流逝不时产生一定的位移。采取能够灵活转动的采光板构建追踪系统，更利于接收较多的能量，发挥实时跟踪的作用，提升光能的使用率。

本系统研发的前提条件是杜绝繁杂的构造与维持稳定的功能，兼顾经济、实用等基本要求。依据总体设计要求，充分考虑到所使用装置的各个组成部分的经济性状况，选用性价比和可靠性较强的组成部件。在系统构建中，应尽可能简洁，以便于后期的安装与维护。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

本设计中使用的STC89C52主控芯片，通过对光电检测模块、模数转换电路、单片机控制电路及步进电机驱动电路的运用，实现太阳光实时自动追踪的功能。设计的基本原理是：在自动模式下，首先由四个完全相同的光敏电阻对太阳光进行采集，光照位置的变化导致它们分别采集到的光照强度不同，相应地就会有电压信号产生。由于在光强收集阶段采集到的信号为模拟信号，所以要经过A/D转换器将其转换为单片机可以直接识别的数字脉冲信号。单片机要根据已经录入的程序对接收到的数字信号做出比较判断，并发出控制指令，通过ULN2803驱使步进电机工作，位于下面的步进电机控制上面的步进电机进行左右转动，上面的步进电机控制采集板进行上下旋转，从而使采集板的入射角始终维持垂直状态。这种采光过程不断重复进行，直至每个方向上的电阻接收到的光照程度一致为止，采集板不再转动。

此追踪系统的总体运作步骤如图1所示。

图1系统流程图

2.2 系统硬件设计

1) 光电采集转换电路

本设计应用光敏二极管实现光信号与电的模拟信号之间的变换。通过光敏电阻所接收光线强度的变化，引起其本身阻值大小的变化，太阳光线变弱，光敏阻值越大，光线越强，阻值越小，加上电路所施加的反向电压推动，使得载流子不断运动，最终导致反向电流的增大。

由于在光线检测部分所采集到的电信号是模拟信号，而单片机所能直接识别的信号却不是模拟信号的形式，所以在系统实现的过程中进行模数转换是必不可少的。本设计中所运用的A/D转换器允许四路模拟信号的输入，芯片的通讯时长遵循I2C的通讯协议，P1.0、P1.1是I2C总线所对应连接的管脚，10k的电阻是上拉电阻，起到了稳定信号的作用[4]。

2) 单片机相关电路设计

本设计中的按键控制是“1+4”组合形式的非编码键盘，1是指一个手动模式与自动控制模式的切换按键，4是指东西南北四个转动方向。在按下按键的时刻，使按键所在处导通，并将其由高电平拉为低电平信号，而单片机正是因为检测到这一低电平而对步进电机发出相应地控制指令。按键控制电路如图2所示。

3) 电机驱动部分

本设计中选用了常用的电磁式28BYJ-48型号5V步进电机来实现自动追踪。步进电机的转子进行工作所转动角度与速度的依据是脉冲信号的个数以及单片机所发出脉冲信号的变动频率。每向步进电机输入一个数字脉冲信号的时候，步进电机都会相应地做出一定距离的移动或者一定大小的角度，且任意一个信号输入的时候均能实现精确追踪。脉冲步进电机实物如图3所示。

图2 按键控制电路

图3 步进电机

3 系统的软件设计

本设计的软件部分采用C语言，易于广泛掌握与运用，之后进行编译，成为机器语言运行。在总体上对本系统的流程图进行分析，从信息的输入到电机驱动为止。

3.1 模式切换设计

在接通电源电路时，首要完成对手动或自动模式的选择，中心位置的按键可以完成切换模式这一功能，当处于手动形式，按下按键会转换为自动形式，在自动模式下按下按键会切换为自动模式。模式切换流程如图4所示。

图4 模式切换流程图

3.2 手动模式流程设计

对手动模式下的按键运行方式进行详细分析，通过中心位置的模式切换按键将追踪系统设定在手动模式下，这个模式切换按钮周围的四个按键分别控制东西南北四个方向的转动，从而直接控制步进机工作，实现对太阳光的跟踪。

3.3 自动模式流程设计

对自动模式下的按键运行方式进行详细分析，通过中心位置的模式切换按键将追踪系统设定在手动模式下，会使电平信号由低变高，而单片机正是由于检测到这一有效信号才会发出相应地指令，使步进电机进行自动翻转，实现跟踪效果。

4 系统测试

在实验过程中，系统的正常工作易受外界天气环境的影响，因此，在系统调试阶段对跟踪系统进行了极端测验，以增加其可靠性。仿真电路如图5所示。

图5 电路仿真图

5 结语

太阳能双轴自动跟踪系统弥补了传统固定采光板的弊端，有效改善了太阳能利用水平。该设计最大的亮点是采用了光电追踪与双轴追踪结合的方式，其目的是使太阳光的采集板与太阳光始终保持垂直关系，以便实现高精度、可自动调整的追踪。与此同时，明确系统参数在跟踪性能上的重要作用，有利于太阳光源跟踪系统的优化与设计。在对系统中各功能模块进行筛选的过程中，充分考虑了系统稳定性的维护与成本，建立了最合适的模块架构。但系统也存在需要改进的地方，如果在跟踪过程中发生故障，系统不会做出任何提示，将会影响追踪质量。