太阳能跟踪控制器设计

关键词 ：太阳能 ；跟踪 ；光敏 电阻 ；单片机 ；步进 电机 中图分类号 ：Ｔ Ｍ６ １ ５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６ ７ ４ — ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ８
太 阳 能 自动跟 踪 系统 总 体 设 计 光源检测方案 的确定 １ ． 视 日运动轨迹跟踪 不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统， 太阳运行 的 位置变化都是可 以预测 的， 通过数学上对 太阳轨迹 的预测可完 成对 日跟 踪 。 在 设定跟踪地 点和基准零点后 ， 控制系统会按照太 阳的地 平坐标 公式 自动运算太 阳的高度角和方位角。 然后控制 系统根 据太 阳轨迹每分钟 的角度变化发送驱动信号， 实现跟踪装置两 维转动 的角度和方 向变化 。在 日落后，跟踪装置停止跟踪，按 照原有跟踪路线返 回到基准零点 。 优 点：精度高 ， 不受环境 因素影响 ， 但是 不同地 区需要设 置不 同的初始值 ， 。 缺 点：系统复杂 ，但是不同地区需要 设置不 同的初始值 ， 太过于 复杂 。 ２ ． 光 电跟 踪 光线在 同种均匀介质 中沿直线传播， 不能穿过 不透 明物体 而形成 的较暗 区域 ， 形成的投影就是常说的影子， 地球每天不 停 的 白转 ，同时它要围绕太 阳作公转 ，因此，地球和太 阳的相 对位置是在不停 的变化 ， 太 阳光 照射在地球上 的影子也 随之变 化。 因此， 如果在地球上 的某个位置放置一个不同透光 的物体 ， 那么 ， 这个物体在太阳光的照射 下就会产 生影子 ， 而这个影子 的长度也会随太阳和地球空ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位 置的相对变化而产生变化 。 我们将影子 的变化转换为 电压的变化 ， 并 且通过调节机械 部 分来调节影子 的变化从而达到调 节 电压的变化达 到我们 的 目的， 这样也可 以构成一个 闭环系统。 这样一来我们就考虑用 光敏行性器件来检测太阳的变化从而实现光 电跟踪 。 优点 ：成本低 ，思路简单，容易实现 。 缺点 ：容易受 阴天雨天的影响。 ３ ． 采集传感器的选择 方案一 ： 采用光敏 电阻作为轨迹 的采集器件 。 光敏 电阻 的 值能随光强 的变化而变化 ，光敏电阻的测量 灵敏度较高 。 方案二 ： 采用高灵敏度的光敏二极管 作为轨迹 的的采集器 件 。光敏二极管产生 的电流小，灵敏度较低 ，响应速度较慢 。 方案三 ：光敏三极管灵敏度 高，但是容易达到饱和 区，影 响检测 。综合考虑，为 了提高系统的灵敏度，我们选择第一种 方案 。 二 、控制器部分 （ 一 ）单片机的选择
控制部分是最核心的部分 ， 控制部分是要将采集信 号部分 和可控制电机部分相连接 的部分 。 （ 二）Ａ ／ Ｄ转换程序 的设计 因为太阳能电池板和太样垂直后 ，电机停止转动， 而太 阳 还在运 动这样就会使采集信号发生变化 ，如果立即进行更正 ， 电机 就需要转动 ， 这样一来 电机频繁 的转动，一方面 能量损耗 较 大另一方面会影 响电机 的寿命和机械部分的寿命 。 所 以允许 有一定的误差 ， 这样能保证系统正常的工作， 也 能提高 电机和 机 械 部 分 的 寿命 。 太阳能电池板和太 阳垂直 时， 差动运放 电路 的输 出的电压 是 ２ ． ５ Ｖ ，经过实际实验 ，当太阳能电池板和太 阳光线夹角超 过 ２度是 ，电压变化是 ０ ． ２ Ｖ ，这样一来我们就可 以设置一个 范围，当电压值大 于 ２ ． ７ Ｖ是电机 正传 ，当电压小于 ２ ． ３ Ｖ时， 电机 反转 ，当电压小于 ２ ． ７大于 ２ ． ３是电机不转 ， 延 时后在进 行判 断。 带有模数转换 的单片机将 ０ Ｖ到 ５ Ｖ电压 进行 转换 为 ０ ２ ５ ５ ，这样一来我们只需将 转换 的数字量与不 同电压范 围对 应的数字量进行 比较就可 以实现 自动跟踪。 其中延时程序一是因为在黑夜有外部光源影响，系统判断 失误使太阳能电池板转动，但是 当影响光源消失后系统又 自动 复位 ，这样会 减少系统寿命和浪费能量 ，所 以当光强达设定的 阀值上 限后，延时 ２分钟 ，判断光强是否还在 阀值上 限，如果 在那么可以认定天亮了， 在这 以后再让系统工作就可以更合理。 设 定延时程序二 是因为当太 阳能电池板调整 的和 太阳管 线垂直后 ， 为 了使 电机不过于频繁的工作而设定的，因为太阳 相对于地面 １小时转动 １ ５ 度 ，也 就是 ４分钟转一度 ，所 以延 时１ 分钟 ， 和上边 的 ２分钟一起共 ３分中检 测一 次， 这样可 以 保证尽量 的去掉非太 阳光 的光源影响 ， 太阳落山后， 光强低于 阀值 ， 延 时 后 系 统 给 步 进 电机 固 定 的脉 冲 ， 是 系 统 缓 慢 的 复位 ， 这样 可以使 系统更佳合理 的运行 。 （ 三 ）控制步进 电机 电路 以太阳能 电池板 为例 ，固定形 式的太阳能 电池板 一天 ７ 小时的发 电量 为 １ ２ ０ ０ Ｗ左右 ， 其他形式可转动 的发 电装置一天 的发 电量可 以达到 １ ６ ０ ０ Ｗ ，提高了 ３ ０ ％ ，所 以太 阳能跟踪控制 器设计在太 阳能利用方面有很大的前景。 三 、 结 语 本文设计 了基于单片机 的太 阳照射角度的 自动跟踪 系统 ， 该系统能够 实现对太 阳的双 向跟踪 （ 东西 向、南北向） 。 参考 文献： 『 １ １ 李 申生． 太阳能『 Ｍ１ ． 北京： 人 民教 育出版社， １ ９ ８ ８ ： １ ２ － １ ４ ． ｆ ２ １ 王炳忠． 太阳能一 未来能源之星 『 Ｉ Ⅵ】 ． 北 京： 高教 出版社， １
，
，
消费 电子
电子 科 技
Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ
２ ０ １ ３年 ４月下
太阳能跟踪控制 器设计
韩 浩
（ 西安文理 学院物理 与机械 电子工程 系，西安
７ １ ０ ０ ６ ５）
摘 要 ：本 文 对 太 阳能 跟 踪 系统进 行 了 自动 跟 踪 系统控 制 部 分设 计 。 系统 采 用 光 电检 测追 踪 实现 对 太 阳光 线 的 跟 踪 ，从 而 提 高 太 阳 能 的 利 用 效 率 。
一
、
方式 ， 即在 ｘ Ｌ Ａ Ｔ １ 和 Ｘ Ｌ Ａ Ｔ ２ 两 引脚 间外接石英 晶体和 电容构成 个 自激振荡器，从而 向内部时钟 电路提供振荡时钟。震荡器 的频率主要取决于晶体的振 荡频率 ， 一般 晶体可在 １ ． ２ ～ｌ ２ Ⅷ Ｚ 之 间任选 。通过 改变 电容 Ｃ １ 、Ｃ ２的值进行微调 ，通常取 ３ Ｏ ｐ Ｆ左右 。本设计 中晶体的振荡频率 取 １ １ ． ０ ５ ９ ２ Ｍ ｔ ｔ ｚ ，电容 的值
一
取 ３ ０ ｐ Ｆ 。
因为检测 电路得到的信号为模拟信 号，为了电路 的简化 ， 我们选用带有模数转换的单片机 ， 在设计中我选 择了 Ｓ Ｔ Ｃ １ ２ Ｃ ５ ４ １ ０ Ａ Ｄ单片机 ，Ｓ Ｔ Ｃ １ ２ Ｃ ５ ４ １ ０系列单片机是单时钟／ 机器周期 （ １ Ｔ ） 的兼容 ８ ０ ５ １内核单片机，是高速／ 低功耗的新一代 ８ ０ ５ １ 单 片机 ， 指令代码完全兼容传统 ８ ０ ５ １ 。 ８ 路 高速 １ ０位 Ａ ／ Ｄ转换 。 工作 电压 ：５ ． ５ Ｖ ～３ ． ８ Ｖ（ ５ Ｖ单片机 ） ，工作频率范围：０ ￣３ ５ Ｍ Ｈ ｚ ，用户应用程序空间 １ ０ Ｋ字节，Ｅ ２ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ功能。 运用 Ｓ Ｔ Ｃ １ ２ Ｃ ５ ４ １ ０ Ａ Ｄ单片机 的输入／ 输 出接 口 Ｐ １ ． ０定时采 集差 动运 算放大 电压信 号环用 Ｐ １ ． １采 集环境光强 电压信 号 和 ，分别将这些数据存储于数据存储器 中，在程序 中会用到 。 Ｓ Ｔ Ｃ １ ２ Ｃ ５ ４ １ ０ Ａ Ｄ单片机片 内的时钟产 生方 式采用 的是内部 时钟