高精度双轴跟踪系统设计方法

一种高精度双轴太阳能自动
跟踪系统的设计
1 系统硬件结构
该设计主要由以下几个方面组成: MCU 控制电路、光电转换电路、实时时钟电路、电机驱动电路、电源电路以及键盘显示电路等，如图 1 所示。

—35—低压电器( 2011No．16) ·分布式电源·图 1 系统结构框图系统主要实现时钟控制跟踪和光电跟踪混合式跟踪方法，阴天和夜晚系统不跟踪，并记录系统停止的时间。

由三个光敏传感器一直采集光照强度，当光照强度达到系统要求时，根据时钟控制跟踪方法粗控制直流电机，直到太阳光斑达到一定围时再转为光电精确控制，采用遮挡光照的四象限方法。

在一直天气晴朗的情况下，电机停止时间不超过30 min，可一直采用光电精确控制，当受光面与太阳光垂直时停止系统跟踪，且不断采集高度角和方位角的光电信号，信号差达到一定阈值时可再次启动系统跟踪。

1． 1 微控制器设计
系统主控芯片 MCU 采用 STC12C5206AD，窄体直插式封装 28 脚，23 个 I/O 端口。

该芯片带有八路 8 bit 高速 A/D 转换通道，两路 PWM 输出，UART 串行通信，6 KB 片内 Flash 程序存储器及带有内部 E2PROM，支持在系统可编程和在应用可编程( ISP/IAP) 功能，比传统80C51 速度快到6 ～12 倍，价格低廉，完全能满足太阳跟踪装置的要求
单片机与外围电路连接如图 2 所示。

图 2 系统电路连接设计图
1． 2 时钟电路设计
时钟电路选择 DS1302，与 AT89C51 单片机接口采用三线( RST，SCLK 和 I/O) 连接，RST 提供了 31 Bytes 的非易失性 SRAM，用于数据存储;SCLK 保存系统时钟和日期。

I / O 为时钟控制跟踪太阳做输入信号。

电路连接如图 3 所示。

该设计中，采用大容量电容蓄电，作为 DS1302 的后备电源，DS1302 的工作电压宽达 2． 5 ～5． 5 V。

1． 3 光电转换电路设计
光敏电阻采用 LXD5516D，具有高灵敏度、快速响应时间、低功耗、高性价比等特点。

其中，亮电阻 5 ～10 kΩ，暗电阻 200 kΩ以上，亮电阻和光照强度的关系并不是完全的线性关系。

采集电路设计如图 4 所示，调节电位器，使在亮电阻时输出电压在2 ～3 V，通过稳压后进行 A/D 转换。

该设计共用七个光敏电阻，其中，A、B、C 三个光敏电阻安置在太阳跟踪装置的不同位置，用来判断阴天还是晴天，同时其他两对( E，W) ，( S，N) 光敏电阻分别用于判断方位角和高度角的光照精度，以便精确驱动电机运行。

图 3 时钟控制电路
图 4 光敏电阻采集电路
1． 4 其他部分电路设计
该设计采用直流电动机，通过驱动芯片 L298带动电机运行，驱动电路和内部系统电路采用光电隔离，具有高精度、低成本、电动机运行噪声低等优点。

键盘和显示部分采用 ZLG7290 智能控制芯片。

该芯片具有 I
2
C 串行接口，可控制八个共阴极数码管显示和 64 个键盘。

该部分在调试过程中作为人、机交互界面，调试成功后可以不使用，节省成本。

限位开关用来控制小型电动机的运行范围，减少因电动机的无谓转动而带来的电源损耗及机械磨损。

2 软件系统设计
软件设计部分是基于时钟控制跟踪和光电控制跟踪，采用混合式控制跟踪方法。

2． 1 时钟控制跟踪
系统中的时间参数为 24 h 制。

其中，有四个参数: 系统启动时间 T
start
、系统休眠时间 T
sleep
、电
机停止的时间 T
stop
和将要起动电机时的当前时间
T
current。

在 T
start
～ T
sleep
间，系统正常运行; 反之，系统处于休眠状态。

每当太阳光与受光面垂直时，电动机停止，同时记录电机停止时间 T
stop
; 当需起动电动机时，读
取当前时间 T
current
，根据式( 1) ，起动方位角电动
机。

Δt = T
current
－ T
stop
＞ 0 方位角电动机正转
＜ 0
{
方位角电动机反转
( 1)
由于观测点所在纬度在回归线和极点之间，
因此，全年正午太阳高度的变化范围为46°52'( 23°26' +23°26') 。

一对高度角光敏电阻( S，N)完全可以控制系统的高度角变化，以实现跟踪太阳。

通过电动机停止的时间和即将起动电动机转动的当前时间，可得到相应的电动机转动的控制信号，进而驱动电动机，直到方位角光敏电阻( E，W) 和高度角光敏电阻( S，N) 采集到相应的光信号，此时系统转换为光电精确跟踪。

2． 2 光电跟踪
光电传感器采用光敏电阻，光束直接投射到太阳定位传感器的光敏面。

光敏电阻的安装结构设计如图 5 所示，间隔柱高 150 mm，遮光桶高80 mm，底座半径 30 mm，光敏电阻边缘距遮光桶25 mm，设太阳光垂直接受光面时，方位角为90°，则计算得到精确控制跟踪太阳的方位角范围是72．6° ～107°。

图 5 光敏传感器安装结构切面图( mm)
试验证明，系统在跟踪太阳时，会形成一边有光照、一边有阴影的情况，两边光敏电阻输出相应电压，经过 A/D 转换后送入单片机处理，单片机输出相应控制信号，通过驱动设备驱动俯、仰角和方位角电动机; 随着驱动电动机的转动，两边的光敏传感器收到相同阴影遮盖，输出相同电压，使得控制方位角的两个光敏电阻的输出电压差，控制俯、仰角的两个光敏电阻的输出电压差均为零，即
Ux= Uy= 0，表明系统聚光镜平面和太阳光垂直，即
Ux= U1－ U2( 2)
Uy= U3－ U4( 3)
该设计中，光敏电阻可接收光照的光敏面设计为宽 2 mm，长为 4 mm 的矩形窗口。

太阳光斑位置的观察如图 6 所示。

图 6 太阳光斑位置显示
2． 3 软件流程
首先，通过时钟芯片定时触发系统从休眠状态转为正常运行状态，然后通过三个方位的光信号采集和判断，决定是否需要起动电动机跟踪太阳。

如果是晴天，根据时钟控制方法起动电动机转动，同时采集光电信号，决定何时起动光电精确跟踪; 如果是阴天，系统则仍保持原来状态，不需跟踪。

当聚光板和太阳光线垂直时，电动机停，并且记录下时间，同时不断采集光电信号，等待需要触发电动机转动的信号; 如果系统停止未超过30 min，则无需启动时钟控制方法，直接进入光电跟踪微调。

在阴天、夜晚，系统不启动。

这种控制方式简单、精度高、功耗低。

软件流程图如图7 所示。

图 7 系统软件流程图
3 系统测试
跟踪精度越高，太阳能的利用率越高，但同时控制跟踪系统的功耗也就越大。

该系统采用间隔跟踪太阳，在保证太阳的发电效率较大的情况下，可以降低系统的功耗，避免由于电动机的来回转动而带来的电能消耗及机械装置的磨损。

该系统测试装置中，方位角、高度角电动机采用额定功率 10 W 的直流电动机; 光敏电阻采用LXD5516D，均通过外接口与控制电路板连接。

在晴朗无云的测试条件下，实时跟踪系统功率为2 W，跟踪精度较高，太阳的发电效率较大，电机转动频繁。

在间隔跟踪太阳的功率下，由ΔUx阈值大小决定何时启动系统跟踪。

在不启动跟踪时，系统功率为 1． 2 W; 启动跟踪时，系统功率为12 W。

该系统控制小型单晶太阳能电池，有功3 W，开路电压 9 V，最大短路电流 350 mA，尺寸为175 mm ×140 mm，可给6 V 蓄电池供电。

在天空晴朗的测试条件下，太阳辐射度＞1 000 W / m2，3 月24 日10: 00，常州大学信息学院实验楼顶，当电池板垂直太阳光线时，输出功率
3． 13 W，经过 20 min 后，输出功率为 2． 68 W，此时ΔUx= 1． 1 V，调整ΔUx的阈值，使输出功率在
2． 85 ～ 3． 15 W，太阳利用率较高，又避免了无效功率的损耗和机械磨损。

在不同的ΔUx 阈值下，记录每 30 min 太阳能电池输出功率的大小，如图 8所示。

图 8 太阳能输出功率与ΔU 阈值选择关系
4 结语
该系统结合了时钟控制粗跟踪和光电控制精确跟踪的优点，同时采用间隔跟踪的方式，除了系统工作周期会影响跟踪精度外，还有一些因素，如光敏电阻接受阳光的面积及系统的机械结构，包括电动机转速、丝杠间距等。

测试验证了系统工作周期对跟踪精度的影响，选择合适的阈值，对存储最大量的电能尤其重要。