基于单片机的太阳自动跟踪系统设计

杨文婷 田海涛 甘 泉 范聚源 温昌盛

（广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007）

0 引言

我国有着丰富的太阳能资源，全国2/3 的国土面积年日照在2300 小时以上，96%的地区有可利用的太阳能资源。1997 年，美国研制了可以进行东西方向自动跟踪的单轴跟踪器，将接收器的热接收率提高了15%；1998 年，美国成功地研制了两轴跟踪器，进一步提高了热接收率[1]。

我国也有不少科学家在太阳能利用方面开展了多项研究。 1990 年，国家气象局计量站研制了FST 型全自动太阳跟踪器，1992 年， 推出了太阳灶自动跟踪系统，成功地应用于太阳辐射观测；2004 年，中国科学院上海物理技术研究所分析和研究了太阳全年中每一天的运行轨迹，建立了以太阳运行轨迹为理论的太阳跟踪器运动数字模型，研制了两维程控太阳跟踪器控制系统，通过微机运程控制，实现太阳的跟踪[2]。

1 太阳跟踪方案

1.1 光电跟踪

光电跟踪结构简易，设计简单，灵敏度高，通过调整遮光板的位置光电管受到阳光照射，产生信号后输出微电流，经电路放大，由机械轴转动来调整角度使追踪装置对准太阳，对太阳进行追踪。 如果出现阴雨天或天气即使是晴天，偶尔有云彩遮挡太阳，使光强发生变化光照不稳定，硅光电管接收到太阳光线不准确，导致追踪装置无法对准太阳，而使系统误动作。

1.2 视日运动轨迹跟踪

视日运动轨迹是根据全年太阳运行规律，计算一天内太阳高度角和方位角的理论值，模拟太阳在一天内运动轨迹， 然后运行控制程序调整定追踪装置，在不受天气影响的情况下，完成对太阳的实时跟踪。 此类跟踪控制的优点是追踪不受天气影响、 结构简单、可靠，缺点是由于太阳一直在运动，理论上追踪装置的高度角和方位角也会在时刻调整，只能定期校正。

1.3 光电跟踪和视日运动轨迹跟踪相结合

将光电跟踪和视日运动轨迹跟踪结合，各取其长处，互补跟踪。 晴天，太阳光线较强，采用光电传感器跟踪模式；在阴雨天，当太阳光照不稳定时，采用视日运动轨迹跟踪模式。这样能再次提高装置的效率，在任何气候条件下都保证了稳定而可靠的跟踪控制，更大限度地提高了跟踪精度，目前适用于自动跟踪装置。

1.4 跟踪控制方案

本系统设计为自动检测阴晴天， 自动检测昼夜。检测为晴天，直接在光电跟踪模式下进行追踪；检测为阴天， 自动进入视日运动轨迹的太阳角度跟踪模式；检测是黑夜，启用中断服务程序，进入停止状态。光电检测跟踪模式下，利用光电二极管作为光电传感器，判断太阳方位，配合机械轴的转动达到了追踪太阳的目的；视日运动轨迹跟踪模式下，则主要是通过运行控制程序调整定追踪装置的方位角和高度角，再配合机械轴的转动来实现对太阳的追踪。 因此，即使天气阴晴多变， 云彩遮挡太阳等多种复杂情况下，也能正常地追踪太阳。同时在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器，最大限度地避免外界的干扰，提高了追踪的精度。 该跟踪方案可以在天气变化比较复杂情况下，也能实现对太阳高精度的实时跟踪，具有一定的经济实用性。

1.5 光电检测电路的设计

在本系统中，AT89C51 单片机是整个系统的核心部分，发挥了十分重要的协调各个部件的作用，使整个追踪系统沟通运行良好。其中核心部件光电检测电路，有三个电路，均选择光敏二极管作为光电传感器。电路一是光电跟踪模式下的光电检测，当光敏二极管受到光照产生穿透电流，接通电路，无光照时无电流，断开电路，由光敏二极管发出接通和断开信号，作为单片机的输入信号；电路二是阴晴检测电路，由于电流大小随光照强度影响，判断是阴天还是晴天，单片机可以通过查询高低电位来实现。电路三是昼夜检测电路，当黑夜时，检测电路会检测到低电位，系统启用外部中断接口上的中断服务程序，进入停止状态。

1.5.1 光电检测部分原理

光电检测装置主要部件是光电二极管，装置的安装保证光电二极管的检测面正对太阳。电路检测板采用了9 个光敏二极管作为阳光的检测电路，排列见图1， 呈中心环绕式排列，D0 放置在中间， 其余分布在D0 周围。除D0 外8 个光敏二极管通过导线负端连在一起， 正端分别连接到放大器LM324 的输入端，LM324 输出信号到单片机AT89C51。 此时就D0 与D1～D8 分别组成了比较电路，当检测板受到光照时，就会形成电平差，以此来判断太阳光的方向。

图1 光电二极管排列图

经过实验得知，当D0 受到光照时，导通，8 组运放的同相检测到高电位，8 组运放的反相由于被遮挡检测到低电位。 为了确保系统的正常运行，将9 个电位器的阻值调到合适时，一旦光线照到某个光敏二极管上时，对应的电位器的电压输出低电位，其余则输出高电位。因此，系统首先检测中央的D0 是否受到了光照，若D0 受到了光照，转动轴保持不动。 如果检测到哪个光电二极管受到了光照，说明采光板未正对太阳，这时系统指挥相对应的电机转动，直至D0 受到光照。

1.5.2 阴晴天检测电路

当阳光不足时， 光电跟踪模式会表现得不灵敏，无法追踪太阳。因此，当阴天的时候，太阳光变得比较弱，系统需要转换到视日运动轨迹跟踪模式。 本系统使用软硬件结合来控制，光电二极管检测装置和视日运动轨迹跟踪软件。 当太阳光的强度不足时，输出低电平，系统进入视日运动轨迹跟踪模式。

晴天时，程序正常运行光电跟踪模式进行追踪；阴天时，光电二极管所受到的光照不能使其导通，经过比较之发现运放的反相输入端的电位要高于其同相输入端的电位，此时进入视日运动轨迹模式；天气由阴转晴时，光电二极管导通，系统就由视日运动轨迹模式下跳出，继续回到光电跟踪模式。 阴晴天自由切换，解决了阴天时光电跟踪模式不能正常追踪的问题。

1.5.3 昼夜检测电路

检测白天还是黑夜与检测阴晴天的电路原理类似，都是利用运放比较电路，区别在于是电路中电阻的大小不同，同时电路需要接到中断0 上。夜晚，中断0 检测到低电位后被激活，系统进入停止状态。 白天，检测到高电位，程序正常检测阴晴天如常运行。

2 太阳自动跟踪系统调试

将光电检测模块、驱动模块、控制板等进行整合后调试， 系统启动初始自动进入光电跟踪模式下追踪，阴雨天成功切换到视日运动轨迹跟踪模式，晚上停止。软件控制系统设置15 分钟延时，避免转动过于频繁。 实验室测量结果符合预期效果，采光板始终面对太阳光，运行稳定。

设计的太阳自动跟踪系统以AT89C51 单片机为控制核心，结构简单、跟踪精度高、稳定可靠，在不同天气情况下可以进行光电跟踪和视日运动轨迹跟踪这两种跟踪方式相互切换，实现了对太阳的高精度跟踪，跟踪精度达到18″。 实现了高精度、全天候的太阳自动跟踪，提高了太阳能的利用率。