基于视日运动轨迹追踪的太阳光追踪系统设计

董超，张瑜，高诗雨，魏晓艳，李灶荣，刘豪，杨佳俊，任宇

（西安思源学院，陕西西安，710038）

0 引言

“3060”双碳目标提出后，推动能源清洁，低碳高效安全利用迫在眉睫，太阳能作为一种被广泛使用的新型能源，各国对光伏发电的重视逐步增加，对于西部地区大规模发电来说，太阳能光伏发电系统的使用量更高。太阳光追踪系统在光伏发电领域不断改进，并且引起了更多研究人员的关注与研究，具有重要的研究价值，在未来的发电模式中，太阳能发电技术将发挥重要作用，用户范围也将越来越广。

本设计针对已有的大部分太阳能发电装置不能追踪太阳光的问题，给出了实际科学的解决方案。结合太阳光伏发电与电机的控制让太阳光伏板随日光移动而转动，可以很大程度提高太阳能的利用率。视日运动轨迹追踪和光电追踪是当前应用于太阳光追踪装置的主流方法，本设计基于视日运动轨迹追踪，将太阳能板倾斜放置，东西追踪太阳光，通过比较太阳能板两侧光照来寻找最大光照强度位置。

1 系统结构设计

本文设计的基于视日运动轨迹追踪的太阳光追踪系统，采用单片机作为核心控制器，通过太阳能板、光敏电阻与直流电机等装置的配合，完成对太阳光的追踪。本设计的主要作用是让太阳能板随着太阳光直射点的移动而转动，从而提高光能利用率。其原理是采用视日运动轨迹追踪的方法，把太阳能板倾斜放置，可以在东西方向单轴追踪太阳光。基于这个原理，完成下面的设计。

首先，在光照采集模块中，选用光敏电阻，配置于多晶光伏板两侧，当太阳东升西落，根据光伏板两侧所获取的光照强度的不同，采集数据，经A/D转换送入控制器，控制器接收并处理从光电检测部分传递的信号，处理后的数据经显示屏显示，并将该数据比较后，输出追踪策略给驱动电路，驱动电路采用H桥控制直流电机，带动光伏板转动，实现对太阳光的追踪，最终将光伏板产生的电能存储在电池中，可对外输出，也可供给系统自身使用。太阳追踪装置控制系统总体设计如图1所示。

图1 太阳追踪装置控制系统总体结构设计图

2 系统硬件设计

基于上述总体结构设计，本设计的核心控制器选用STC89C52单片机，光敏电阻器作为信号采集芯片，电机采用直流电机，电机驱动中采用LM393芯片作为比较器，LCD1602液晶显示屏作为显示器。下文在各个模块中将一一进行介绍与设计应用。

2.1 控制模块

单片机是本设计的主要处理器件，它的实现主要功能是接收信号，信号处理，发送信号。接着通过电机驱动电路控制直流电机的正反运转，从而带动太阳能板装置转动，最终实现对太阳光的追踪。

控制系统的核心运算器件采用STC89C52单片机抗干扰性强、功耗低、集成度高。本设计还需对设计的软件程序进行存储，而此单片机具有8K的存储空间，能够满足本设计的需求。

本设计在光照采集模块中主要与第26、27、28引脚相连,实现光照信息的信号接收。在电机驱动模块中主要与第12、13、14、15引脚相连。在显示模块中主要与第32至39引脚相连，用于显示当前光照强度。本设计会用到单片机的最小系统电路，这是为了避免程序运行时出现程序运算错误与死循环状态，保证了系统的正常工作。控制器与其引脚图如图2所示。

图2 控制器与其引脚应用图

2.2 光照采集模块

光照采集模块选用MG45光敏电阻，该光敏电阻灵敏度较高，以硫化镉半导体材料为基材，基于光电效应，当光照增强，阻值随之降低。

在光照信息转换为单片机可读的数字信息过程中，选用ADC0832完成模数转换，该芯片分辨率高，兼容性强，可完成双数据输出和数据校验。

2.3 电机驱动模块

电机驱动首先要做光照对比，给出一个转动方向，然后驱动电机做相应的转动。

（1）光照对比电路

光照对比电路中选用LM393芯片作为比较器。LM393是集成运放的非线性应用电路，该器件将模拟电压和参考电压比对，当接近相同振幅时，输出电压跳跃，相应输出对应的电压状态。该比较器可形成非正弦波型转换电路，并可用于模拟和数字信号转换。其硬件连接图如图3所示。

图3 LM393电路图

（2）电机控制电路

本设计采用直流电机带动光伏板完成视日运动轨迹追踪，直流电机具有良好的调速性能，过载能力和抗干扰能力强，适合于本设计的应用要求。电机的控制电路设计为H桥电路，其电路连接图如图4所示。

图4 电机控制电路连接图

本设计采用4个二极管和4个三极管构成H桥电路，其中二极管的作用是截止电流导通。本电路的H桥用来实现直流电机的电流双向流动。当out1的输出为“0”，out2的输出为“1”时，电机中的电流在Q3和Q5导通时正向流动，直流电机处于正转状态。当out1的输出为“1”，out2的输出为“0”时，电机中的电流在Q4和Q6导通时反向流动，直流电机处于反转状态。因此，电机的正转与反转是由out1和out2来控制的。

2.4 显示模块

显示模块选用LCD1602液晶显示屏，该显示屏共有16个引脚，第3引脚用于调节显示对比度，LCD1602的第7至第14引脚作为显示屏的数据控制口，与单片机的第32至39引脚连接，单片机通过引脚以此来向液晶显示屏输入数据，显示屏会时刻显示当时光照强度值。

2.5 太阳能板充电模块

本设计为太阳能光伏发电系统，就需考虑电能的存储。设计中把电能储存于锂电池，因为太阳能板工作输出不稳定的直流电压，所以在本设计中需要设计出稳压电路，它可以把输出电压稳定到5V的固定值，然后储存到锂电池中。如果电池中的电压值未达到5V，系统就存在一定的危险性。如果直接储存电能于锂电池中，就会减少锂电池的有效使用期，甚至损坏锂电池，烧坏设备，引发安全事故，因此，需要添加一个稳压电路，系统才能够正常工作。太阳能充电电路如图5所示。

图5 太阳能充电电路图

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

在系统的主流程中，系统初始化后开始工作，用光敏电阻在太阳能板两侧收集阳光，把模拟量电压信号进行比较，当一侧光强明显大于另一侧时，驱动直流电机向光强的一侧转动，同时，利用模数转换器在LCD在液晶显示屏上显示当前环境的光强值。系统主程序流程如图6所示。

图6 系统主程序图

3.2 模数转换程序设计

模数转换程序流程中，先将ADC0832的芯片片选打开，将该芯片的D0端设为高阻态。然后，设置起始位和双通道单极性输入，当D0为高电平时，最终选择通道1。紧接着，D0取消高阻态，接收并读取数据，最后取消片选。数模转换子程序流程如图7所示。

图7 模数转换程序图

3.3 电机控制程序设计

本设计采用直流电机控制太阳能板转动，首先给出模拟太阳光当P3.4=1，P3.5=0时，直流电机反转；当P3.4=0,P3.5=1时，直流电机正转。当P3.4P3.5都等于1或者0时电机静止，最终可以实现太阳光的追踪。

4 总结

本设计实现了单片机整体控制、光照采集、液晶显示和电机驱动等功能。系统开机后，LCD1602液晶显示屏显示当前环境下的光照强度值，经光照比较，太阳能板左侧光照强度大于右侧光照强度，直流电机转向了光强大的左侧，将光强侧调换，直流电机转向了光强大的右侧。实物调试后的现象符合了本设计的理论结果，本装置将太阳能转换成电能存储在锂电池当中，同时系统采用锂电池供电，实现了太阳光追踪，有效提高太阳能利用率。