基于Arduino的太阳能追踪系统的设计与优化

朱利军

（苏州工业园区职业技术学院，江苏苏州，215123）

太阳能是可再生的能源，也是非常清洁的能源，所以，太阳能的有效利用一直是个非常重要的话题，太阳能有效地接收在光能被越来越重视的今天受到了广泛的关注。由于许多太阳光接收器无法跟随太阳位置的改变而改变，使得太阳能的接收效率低下，研究表明：在相同的太阳能发电系统中，自动跟踪太阳能系统比传统固定式系统的发电效率可以提高将近30%[1]。如何有效提高光电转换效率也越来越引起了人们的重视，因而，通过太阳能接收装置的设计与优化来对太阳能进行高精度的追踪，从而来实现对太阳能的有效接收，继而达到提高太阳光能的利用率，从而可以很好地应用于其他与太阳光能有关的设备。

有许多学者对太阳能追踪进行过很多研究，采用了一些办法，有采用太阳角度追踪和光电追踪的（毛桂生，2010[2]），有基于角度计算和光敏感应的（王涛，2009[3]），有采用双轴追踪和光电传感器相结合（陈沛宇等，2019[4]），本文将检测光强以及太阳轨迹算法两种方法相结合，设计与优化整个太阳能有效追踪系统。

1 设计思路

本文所设计的太阳能追踪系统是以Arduino微控制器为核心，由光电传感器、步进电机、驱动芯片、电源模块、人机交互界面等组成。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出）、6路模拟输入、一个16MHz晶体振荡器、一个USB口、一个电源插座、一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino Uno开发板非常适合做本设计中微控制器。

光电传感器确定太阳能接收器是否正对太阳，DS1307是一个实时时钟芯片，功耗比较低、具有56字节、地址和数据双向串行传输，而且能够每个月的天数能够自动调整，具有闰年补偿功能，可以精确到秒，如果是晚上程序就进入睡眠等待状态，如果是白天则运行程序。通过太阳能探测器和太阳轨迹算法，微控制器经过计算处理之后给驱动芯片SN754410发送指令，步进电机接收控制信号后执行旋转命令，从而保证太阳能接收装置的接收面能够时时正对太阳。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

具体设计思路如下：使太阳能接收装置的接收面能够依照太阳的运动轨迹进行转动，保证时时对着太阳，从而达到太阳光的高效率利用。为有效实现这一目的，主要分为两个方法：检测光强以及太阳轨迹算法。检测光强主要使用光敏电阻来进行，当四周的光敏电阻感受到同样的光强时，即为正对太阳。太阳轨迹算法即根据地球的自转和公转规律，得出太阳的运动轨迹，对于给定的经度、纬度及时间，可以算出太阳的角度。然后，将这算法用C语言的形式写入Arduino Uno开发板中，可以实现接收面按照正对太阳轨迹的方式运动。

通过太阳能探测器和太阳轨迹算法，Arduino微控制器能够在工作期间计算太阳位置，并发送控制信号至步进电机，该信号将被步进电机驱动芯片放大，步进电机将执行旋转命令，使太阳能接收装置的接收面能够时时对着太阳。

将检测光强以及太阳轨迹算法两种方法相结合，可以使整个太阳能有效接收装置系统满足要求，高效工作。首先，太阳轨迹算法是所有方法中可以提供最高精度、最低功耗的方法之一，但当使用一个步进电机作为机电设备时，它无法自校准；其次，只使用太阳能检测器，会不可避免地受到无法预料的光源的影响。将两种方法相结合，可以达到电路简单、成本低、功耗低和精度高的理想效果。

2 设计方法

2.1 检测光强

使用一系列沿直线布置的光电传感器，并且比较它们所检测到的光强度，从而来确定沿该轴方向的太阳位置。采用两组传感器分别检测太阳方位角和仰角。每组有三个光敏电阻LDR（光敏电阻），且两组共享中心位置的LDR，如图2所示。

图2 传感器设置原理图

5个LDR在电路中具有相同的性能，同时，每组分别对称，确保当光源发出光至检测器的中心时，每一组中无光强度偏差。这样，根据其原理图，光强度转换为电压，这是由于依赖于光强度的LDR阻抗造成的。换句话说，太阳位置通过Arduino Uno上的模拟引脚读取的电压值来表示的，这种方法取决于LDR的精度。

本设计中所采用的光敏电阻是对400nm到700nm的光敏感的CdS光敏光电管。其电阻值从10千欧到200千欧变化。这些LDR的灵敏度通常情况下是0.85/LuxΩ ，对本设计足够高了。

根据原理图所示，应仔细选择电阻，因为电阻直接影响检测器的准确度。LDR的阻值会随入射光强度的改变而变化，合适的电阻决定了测得的电压值的范围。本设计目标应实现最广泛的输出电压范围。假设的LDR的电阻呈线性变化，检测到的电压范围可表示为：

Vout是LDR和电阻之间的电压，R是电阻，Rmax和Rmin是LDR的最大电阻和最小电阻，Vcc是电源，本设计中为5V。

R与电压范围Vrange之间的关系如下：

根据Vrange的表达式，当取最小值时，rangeV取最大值，从中可以推导出电阻为：

电压范围为：

2.2 驱动电路

设计中所采用的步进电机是两相双极步进电机，作为混合动力同步步进电机的模型，其集成了永磁步进和可变磁阻步进的优势。但是，步进电机的选择带来了两个不可避免的问题，一是Arduino的电流不足，另一种是步进电机本身的分辨率限制。

电流不足是步进电机和Arduino之间的电流不匹配导致的：单一的步进电机所需的驱动电流是0.33A，而Arduino数字引脚的最大输出电流为40mA，基于这种状况，需要使用驱动芯片来解决这个问题。

驱动器芯片的型号根据不同的步进电机而不同，相应的双极步进电机的驱动器是半H驱动器，本设计中使用的是SN754410，它具有高的输出电流能力，可以提供高达1A的双向驱动电流，以及4.5～36V较宽的电源电压范围，是一个非常适合于双极步进电机的驱动器。具有独立的输入逻辑电源，可以最大限度地减少设备功耗。此外，集成在芯片上的驱动器的数目与步进电机的输入口的数目是相同的。这样，一个芯片控制一个步进电机，使得代码和电路简单。该驱动器电路如图3所示。

图3 电路原理图

从原理图可以看出，不需要额外的电源供给，Arduino具有给两个步进电机和半H驱动器提供足够电流的能力。这是采用这种特定型号的驱动器芯片的另一个优点，不需要外部支持装置或设备，可确保安装的高适应性和低难度。

3 代码的连接与测试

系统上电运行后，先进行初始化。初始化之后，系统先判断白天还是黑夜。如果是黑夜，系统会产生中断，立即停止运行，处于睡眠待机状态[5]；如果是白天，根据太阳能接收器状态是否执行校准，如果是，光电传感器工作，比较它们所检测到的光强度，从而来确定沿该轴方向的太阳位置。如果否，将读取时间，Arduino微控制器计算太阳位置，并发送控制信号至步进电机，步进电机接收到指令后将执行旋转命令，如此循环往复，使太阳能接收装置实时追踪太阳。

最终代码的流程图如图4所示，用于校准由LDR和其他组件组成的太阳能检测器。给太阳轨道算法提供一个起点，如果太阳能接收器已经正对太阳的话，太阳轨道算法能够计算出步进电机旋转的方位角和仰角，但它无法确定接收器的当前角度。其结果是，需要太阳能检测器给微控制器一个基准。

图4 最终代码的流程图

执行校准的时间和持续的时间间隔是至关重要的。这两个参数直接决定了校准是否成功。首先，如果时间点太早，太阳能光不够强，校准后会出现偏差，如果时间点太晚，会浪费大量的太阳能；其次，如果时间周期太短，受到意外光源干扰的可能性将被放大，如果时间周期太长，也会浪费太阳能。

经过测试和调整，实现准确、高效校准的最好方式如下：计算太阳的仰角，一旦角度超过15°，开始设置传感器在特定的时间内，当太阳在天空中移动角度为1°时来追踪太阳。校准完成后，太阳能接收器应该正确地面对太阳，然后不断计算太阳位置，并进入正常运行循环。

4 小结

最终成品需要在两种特殊情况下进行实验测试。一是在室内用可快速移动的光源进行测试，以验证产品的基本工作情况。可以逐渐改变入射角，但速度比太阳更快（避免长时间的测试时间）；二是在室外自然光条件下长时间放置，以验证产品的性能和品质。并基于实验的情况，进行调试和优化，同时，必须加入工作时段和天气因素影响的考虑。

本太阳能有效追踪系统能够稳定、可靠地实现太阳能的接收，具有电路简单、价格低廉、安装便易、适应性强等特点，能够准确可靠地实现太阳能的有效追踪，提高太阳能的利用率，可很好地应用于其他与太阳光能有关的设备。