基于单片机的光伏板自动跟踪系统设计

闫星源 段宇凡 张航 杨昌登 盖新鹏 任守华 李少飞

摘  要：现代社会对绿色能源的需求与日俱增，太阳能因其环保、绿色、可再生，而且分布范围广，具有广阔的利用前景。由于固定方式安装光伏板导致太阳能利用效率低，一直影响着太阳能技术的应用效率。太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新方法，从而提高了太阳能的利用效率。设计中采用光电跟踪的方法，利用步进电机驱动水平方向运动机构，由光电传感器感受太阳的位置并发送至单片机中，单片机通过对跟踪机构进行水平方向控制，调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。

关键词：太阳能;跟踪;单片机;步进电机

中图分类号：TM615         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）04-0025-02

Abstract： The demand for green energy in modern society is increasing day by day. Solar energy has a broad utilization prospect because of its environmental protection， green， renewable， and wide distribution. The fixed installation of photovoltaic panels leads to low solar energy utilization efficiency， which has been affecting the application efficiency of solar energy technology. The design of solar energy automatic tracking system provides a new method to solve this problem， thus improving the utilization efficiency of solar energy. The method of photoelectric tracking is adopted in the design， and the horizontal motion mechanism is driven by the stepper motor. The position of the sun is sensed by the photoelectric sensor and sent to the single-chip microcomputer. The single-chip microcomputer controls the horizontal direction of the tracking mechanism by adjusting the angle of the solar panel to achieve the tracking of the sun.

Keywords： solar energy; tracking; single chip microcomputer; stepper motor

1 概述

随着常规能源资源的有限性和不可再生，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源資源，开发利用前景广阔。目前太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能，为了收集到尽可能多的太阳能，多数研究方案采取跟踪方式，使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。本设计方案就是一个简单的一个单轴跟踪系统。

2 本系统的硬件设计方案

系统组成及工作原理以单片机为控制核心，采用光强度检测电路测量，以光敏传感器作为测量元件，构成光电测量模块。该系统可分为电源控制模块电路、光电测量电路、时钟电路、步进电机控制电路、单片机、LED显示电路、A/D转换电路。选用的主要器件有：光敏电阻，时钟芯片74LS74，AT89C52，LED数码管，步进电机与转换芯片ADC0809等。

采集电路的设计思路：首先通过驱动电机转动一个角度后采集光敏电阻光强信号后进行显示并进行记录，利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块板两侧，如果太阳光垂直照射太阳能电池板，两个光敏电阻接收到的光照强度相同时，它们的输出信号相等，单片机发出信号停止驱动电机转动;当太阳光方向与采光板垂直方向不平衡时，接收光强多的光敏电阻阻值将减小，显示的光照强度就会强于另一个传感器输出的信号，此时驱动电机向光强度较高的一侧运动，直至两个光敏电阻上的光照强度信号相同，停止电机运行，实现自动调节的目的。当系统处于光线较弱或夜晚时，系统检测光照强度信号低于光伏板最低工作条件时，系统自行停止对光信号的采集和电机的驱动，达到节约能源的目的。光强度采集传感器如图1所示。

太阳跟踪装置控制系统的控制目标是通过对装置机械执行机构角度的精确控制，实现对太阳运行轨迹的跟踪。并且要求整个系统能够全天候的自动运行，结构简单可靠。由于系统要实现对控制对象位置角度的精确控制，并且对控制对象的移动速度要求不高，因此控制部件首先考虑采用步进电机，因为步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

3 本系统的硬件设计方案

本系统的软件程序部分使用了AT89C52的P0.0-P0.7和P1.0-P1.3口来进行对数据的显示，显示所测得的当时的太阳光强度，即驱动电机转动停止后，采集的光照强度转换后的数值。本系统的设计主要是为了实现对太阳光的跟踪，首先要判断是不是外面的光照很强，如果光照很弱的话，就需要外界一点很强的光源做模拟太阳光，准备好以后开机控制步进电机开始转动一个设定好的角度后停止，采集这点的光强，经过A/D转换以后显示出此时的光强，继续转动一个角度，一直转到一圈为止，通过之前采集的数据做一个对比，选择出光强最大的位置后控制步进电机反转回原来光照最强的位置停止。此次跟踪系统的主程序流程图如图2所示。

4 设计结果和数据分析

经过对系统硬件和软件的调试，最后设计出了一块成品。接通电源，A/D转换芯片进行初始化设定，控制电机转动一个角度后停止，开始采集光强A/D转换后显示，电机再转动一个角度后停止，当电机转动过一周以后时，根据采集的数据进行比较，找出光强最强的位置，通过电机反转到这个位置。根据查阅资料，得出光照强度并没有一个特定的标准来衡量。在实测中，第一次测量的数据如表1所示。电机转动12个角度时采集到的12组电压，对比以后知道第一次测试的电压第5组最大，那就说明在第5次采集的時候，光照强度最高，使光敏电阻的阻值最小，导致采集的电压变大，第5次的位置就是太阳光照射的位置。

第二次测量的数据如表2所示。电机转动12个角度时采集到的12组电压，对比以后知道第二次测试的电压第8组最大，那就说明在第8次采集的时候，光照强度最高，使光敏电阻的阻值最小，导致采集的电压变大，第8次的位置就是太阳光照射的位置。

5 结束语

本文的主要研究内容是基于单片机的光伏板自动跟踪系统的设计，在前人研究的基础上作了进一步的细化和实物设计。本系统是将光电跟踪方式和视日运动轨迹跟踪方式用一种新的方法（两种方式同时采用，而非相互切换）结合在一起，提高了系统的追踪精度、可靠性，降低了整个装置的整体成本。

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