基于STC15的太陽能自動跟蹤系統設計

阿 杰，高金鳳

（浙江理工大學 機械與自動控制學院自動化研究所，杭州 310018）

基于STC15的太陽能自動跟蹤系統設計

阿 杰，高金鳳

（浙江理工大學 機械與自動控制學院自動化研究所，杭州 310018）

太陽能是一種無污染且取之不盡的清潔能源，但是它有一定的分散性、方向性和不穩定性，設計了一種能定向跟蹤太陽方位的太陽能自動跟蹤系統。此系統主要由STC單片機主控部分、光線檢測部分和雙軸機械跟蹤部分三部分組成。并對系統進行了誤差分析，結果表明了所設計系統的實用性，且具有穩定性好、準確度高的優勢，對于提高太陽能的實際利用率有重大意義。

雙軸機械跟蹤； 定位系統； 太陽能

0 引言

相比于傳統能源，太陽能是一種無污染、普遍存在且取之不盡、用之不竭的清潔能源，擁有非常廣闊的應用前景。目前實際使用的太陽能電池板陣列大多是不能移動的，因此，太陽能資源不能得到充分利用，而且發電效率低下。在相同的太陽光照條件下，經過測定發現，采用自動跟蹤系統的電池板陣列要比固定陣列的發電量高35%左右[1,2]。這表明太陽能跟蹤系統可以使太陽能電池板陣列的發電效率大幅度提高。

太陽能跟蹤系統在主控單元上可以分為單片機控制和可編程邏輯控制器（PLC）控制。PLC控制程序在出廠時由專業人員編寫開發，技術成本比較高，不適合大批量定制生產。而單片機學習使用比較容易，一般由多個子函數模塊，可以直接調用，并且單片機能夠提供多種通訊接口，可以比較方便地建立通訊組網。羅維平等[4]研究了基于PLC構建的太陽能電池板自動跟蹤系統，由PLC控制和監控程序以及PC監控和數據處理程序構成。高磊等[5]搭建了以單片機為核心的太陽能自動跟蹤系統，分析了細分驅動和步進電機驅動對太陽能自動跟蹤精度的影響。結果說明采用單片機和步進電機的設計方案較優。

1 太陽能自動跟蹤系統的組成

1.1 光電檢測電路部分

圖1是光線檢測電路裝置中二極管的放置方式示意圖，其包含9個二極管。正中央1個，周圍8個圍成一圈，檢測板上覆蓋有一個不透明的圓柱體。圖2為光電檢測電路的信號處理單元電路，兩個光電二級管分別接到一個傳感器的輸入端，當光電二極管沒有受到光照時，運放輸出的低電平會通過電路傳到傳感器的輸入端。而當陽光輻射到光電二極管時，光敏電阻的阻值減小，lkΩ可變電阻的壓降隨之增大[6]，最終產生與太陽光輻射強度有直接關系的電壓信號。把傳感器輸出端與單片機進行連接，單片機進行比較運算[7]，最后輸出正確的信號驅動雙軸機械定位跟蹤定位部分的步進電機。

圖1 光電檢測電路俯視圖

1.2 雙軸機械跟蹤定位部分

雙軸機械跟蹤定位部分主要是由兩轉動軸、絕對值伺服電機、電池板支架和底座構成。太陽能自動跟蹤系統可同時在高度角和方位角兩個方向上進行跟蹤。在機械裝置的幫助下，電池板可以在垂直方向上0～90°和水平方向上360°之間自由旋轉。2個轉動軸的轉動部位都安裝有滾珠軸承。在轉動軸的齒輪上分別安裝2塊小磁鐵和干簧管，并調整其位置使小齒輪上的磁鐵干簧管時能夠閉合，由單片機判斷此信號從而確定轉動的角度和位置[8～10]。單片機發出方位角和高度角電機的正反轉控制信號，分別加在兩個方位的電機上，從而構成實時跟蹤系統。

圖2 信號處理單元電路

1.3 時鐘電路部分

時鐘電路采用DALLAS串行實時時鐘芯片DS1302，如圖3所示。它通過串行通訊的方式與單片機進行連接。將DS1302的I/O、SCLK、RST三根引腳分別與單片機AT89C52的三根輸入口相連接即可。DS1302主要引腳有：X1，X2，連接32.768kHz晶振。其中GND連接電源地。I/O口是數據輸入、輸出引腳。SCLK是串行時鐘輸入引腳。VCC1、VCC2是主電源與后備電源引腳。

圖3 DS1302時鐘電路圖

1.4 單片機控制部分

單片機采用STC15單片機，圖4為IAP15F2K61S2封裝腳位圖。其處理速度快，響應及時，一條指令耗時1個時鐘周期，有高速、高可靠的特性，并且內部具有高精度R/C時鐘和8路10位高速A/D轉換，不需要外部另加昂貴的晶振，節約了成本，在系統和應用里都能自由編程。

圖4 IAP15F2K61S2封裝腳位圖

2 太陽能自動跟蹤系統的設計

2.1 硬件設計

為了提高太陽能電池板的利用率，通常要求從高度角和方位角兩個方向上跟蹤太陽，以確保太陽光能實時垂直地照射在電池板[10]。

太陽能高度角α計算方式如下：

太陽能方位角γ計算方式如下：

式(1)、式(2)中，φ代表當地緯度，δ代表太陽赤緯角，ω代表太陽時角。

式(3)中，n是積日，一月一日為1，一月二日為2，依此類推。且：

式(4)中，t（小時）是一天當中的時刻。

根據式(1)～式(4)[11,12]計算出太陽高度角和方位角，再通過對兩個角度進行雙軸跟蹤，即可實現太陽自動跟蹤。

開機首先進行時間校正。若第一次調整時遇到的是陰天，可用手電筒模擬太陽進行定位。有了初始數據后，程序就可自動調整。高度角和方位角合用二個字節，并且將時間的分和時組成一個字節，把這三個字節存儲到STC15指定的RAM中。如果陰天，則直接調用上次在同一時間的位置。由微機采集固定光強、跟蹤光強和電瓶溫度等數據，并對蓄電池放電和充電進行分級控制。

硬件連接如圖5所示。

圖5 硬件連接圖

2.2 軟件設計

如圖6所示。系統首次安裝使用時會讀取時鐘芯片的初始化設置。步進電機在單片機的控制下反向轉動，直至碰觸限位開關后停止轉動，此位置的太陽能電池板的高度角和方位角均是確定的。

然后軟件將時鐘提供的日出日落時間和單片機儲存的日出日落時間進行比較，如果是日出后日落前，傳感器電路由光照強度判斷是否為晴天，如果是晴天，進行時鐘跟蹤，也就是把單片機里存儲的太陽角度數據與實際的高度角和方位角進行對比，計算出數據差值，然后將其轉化成脈沖數據，從而控制步進電機轉過相應的角度，再通過傳感器電路檢測陽光是否垂直照射電池板，若沒有，則把信號重新發送給單片機，在其二次處理下再次驅動步進電機轉動，直至太陽光垂直照射電池板；若為陰天，則只需進行時鐘跟蹤即可。

3 太陽能自動跟蹤系統誤差分析

傳動部分是太陽能自動跟蹤系統的誤差主要來源。傳動部分是整個系統的執行單元，主要作用是將接收到的來自控制部分的輸出信號轉換成機械運動，從而使得太陽能電池板垂直跟蹤太陽。本文采用步進電機帶動蝸輪蝸桿傳動，蝸輪與蝸桿之間的傳動存在有很多不可避免的誤差，例如蝸輪、蝸桿本身的制造誤差，由于磨損產生的誤差和中心距誤差等，由于磨損而產生的誤差主要由傳動機構的載荷大小以及潤滑情況決定。對系統傳動精度有較大影響的誤差是齒輪中心距誤差，但是中心距誤差在系統裝配過程中不可避免，所以，只能盡量減小其對精度的影響。

控制系統誤差包含兩個部分：軟件系統誤差和硬件系統誤差。該部分精度一般都很高，不存在大的優化空間。此外，還包括安裝連接帶來的誤差、工作平臺本身的誤差和密封潤滑造成的誤差等。

4 結束語

本文設計了一種能定向跟蹤太陽方位的太陽能自動跟蹤系統。此系統主要由STC單片機主控部分、光線檢測部分和雙軸機械跟蹤部分三部分組成。所設計的系統具有結果簡單、成本低廉、穩定性好的優勢。此外，還對太陽能自動跟蹤系統進行了誤差分析。結果表明，所設計的系統能最大面積地吸收太陽光能，從而大幅度提高太陽能電池板陣列的發電效率，提高太陽能的實際利用率。

【】【】

The design of the solar automatic tracking system based on STC15

A Jie, GAO Jin-feng

TH112.1

A

1009-0134(2016)12-0101-03

2016-08-02

浙江省科技廳項目（2014C31082）；國家自然科學基金（61374083）

阿杰（1991 -），男，也門，碩士研究生，主要從事太陽能自動跟蹤系統方面的研究。