太陽光強檢測與跟蹤系統設計

巢湖學院機械與電子工程學院 智能機械與機器人研究所 李 健 龔智強

太陽光強檢測與跟蹤系統設計

巢湖學院機械與電子工程學院 智能機械與機器人研究所 李 健 龔智強

光強檢測與跟蹤在太陽能板充電裝置中有著重要意義,能讓充電效率獲得最大值.文章以單片機為核心,采用光敏電阻和ADC作為光強檢測電路,利用驅動芯片控制步進電機旋轉設計了一種太陽光強檢測與跟蹤系統,使太陽能板能正對陽光獲得最佳充電效果.

檢測與跟蹤;光敏電阻;ADC;步進電機

隨著經濟的快速發展,能源危機、生態環境污染問題日趨嚴重,給經濟社會帶來嚴重危害,因此必須尋找新的清潔的、可再生能源來替代傳統能源[1].太陽能作為一種清潔無污染的能源,發展前景非常廣闊,已經和風能成為各國競相開發的綠色能源[2].利用太陽能板來吸收太陽光的輻射能量,將其轉化為電能,再將這些電能進行儲存,在這整個轉化過程中決定所產生能量大小的因素主要是:光照強度、光照面積和光照時間[3].由于太陽在一天之中不停的旋轉,如果安裝放置的太陽能板固定不動,那么就不能接收最強的光照,獲得最大的能量轉化效率,為此設計一種太陽光強檢測與跟蹤系統,讓太陽能板跟隨太陽旋轉具有非常實用的價值.

本文利用單片機、傳感器、模數轉換器和步進電機等設計了一種小型的光強檢測與跟蹤系統,讓太陽能板能始終與光線方向垂直,獲得最大的充電效率.

1.系統設計方案

預期設計制作的系統模型如圖1所示,利用單片機控制步進電機帶動太陽能板旋轉,同時由一個跟太陽能板平面平行的傳感器檢測光強,檢測到最大光強方向后,電機停止旋轉.電機只在向南的半圓內帶動太陽能板左右往復轉動,同時記錄和比較檢測的光強值,從而找到最佳方位.

圖1 系統模型圖

圖2 系統組成框圖

光強檢測與跟蹤系統的組成框圖如圖2所示.核心控制器件選用的是價格低廉的STC89C52單片機,利用光敏電阻檢測光強,將光信號變成電信號后由模數轉換芯片ADC0809轉換成單片機能處理的數字量,根據此數字量反映的光強,單片機經過驅動電路控制步進電機帶動太陽能板旋轉直至找到光強最大值的方向再停止轉動.

2.系統硬件設計

2.1 核心控制單元

如圖3,系統選用了價格低廉的STC89C52作為核心控制器,它負責控制ADC0809的模數轉換過程,并接收轉換后的數字量,同時根據數字量反映的光強輸出驅動信號給電機驅動電路.單片機的引腳資源分配為:P0口接收ADC的數字量;P2.0、P2.1接ADC通道選擇引腳的低兩位(預期采用多路傳感器檢測,實際只用了一路);P2.2接ADC啟動和地址鎖存引腳;P2.3接ADC轉換結束標志引腳;P2.4接ADC允許輸出引腳;P2.5給ADC提供工作時鐘;P1口的低四位接驅動芯片的四位輸入.

2.2 光強檢測電路

如圖4,利用光敏電阻和ADC0809組成光強檢測電路,其原理為:當光敏電阻接收的光照越強,其阻值越小,這樣ADC的模擬量輸入通道0送入的電壓越低,啟動ADC后,轉換結束輸出的八位數字量的值就越小.反之,數字量越大.此處只選用了一路模擬量IN0,故ADC的三位通道選擇引腳CBA應為000.

圖3 核心控制器

圖4 光強檢測電路

2.3 電機驅動電路

如圖5,單片機引腳不足以驅動步進電機轉動,所以選用了驅動芯片ULN2003.單片機的IN1-IN4給驅動芯片送脈沖,再通過驅動芯片的OUT1-OUT4控制電機的旋轉角度和方向.

此外,系統需要的電源可由太陽能板經過穩壓電路提供.

圖5 電機驅動電路

3.單片機程序設計

圖6 程序流程圖

硬件電路搭建好后,根據預期的要求進行單片機程序的編寫.程序流程圖如圖6.在程序中,單片機控制電機只會在向南的平面內往復轉動,不會朝一個方向一直旋轉下去.在來回轉動的同時,AD進行采樣,當光照強時,采樣值會變小,通過保存前后幾組采樣值并進行大小比較,找到最小值的位置時停止轉動,此時太陽能板充電效果最佳.

4.結論與展望

通過硬件電路和單片機程序設計后,進行系統的軟硬件調試和改進,最后基本達到了預期的效果.但系統功能較為簡單,還有值得增加和改進之處,比如增加豎直方向的電機,讓太陽能板既能水平方向旋轉,也能做俯仰運動,能更精確的跟蹤太陽光[4];增加日期和時間及其顯示電路,根據時間更好的確定電機轉動方向;增加充電電壓和電流采樣及其顯示電路,更直觀地將充電情況展現出來.

[1]武風波,張會可.太陽能自動跟蹤系統的設計[J].西北大學學報(自然科學版),2016年06期.

[2]喻瑞波,薛曉.全自動太陽能跟蹤系統設計[J].電子技術與軟件工程,2014年15期.

[3]鄧奕,余振洪.光強檢測在光伏發電自動跟蹤系統中的應用[J].中國新通信,2014年02期.

[4]何燕陽.太陽能電池板追日自動跟蹤方案的研究[J].蚌埠學院學報,2015年06期.

Design of Solar Intensity Detection and Tracking System

Li Jian, Gong Zhi-qiang

(Institute of intelligent machines and Robotics,College of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Anhui Hefei, 238000)

Light intensity detection and tracking are important in solar panel charging system, which can maximize the charging efficiency. A solar light intensity detection and tracking system is designed which based on the single chip as the core controller, photosensitive resistance and ADC as the light intensity detection circuit, and the driver chip to control the stepper motor rotation. It can get the best charging effect to the sun.

detection and tracking;photosensitive resistance;ADC;stepper motor

李健(1985-),男,安徽巢湖人,碩士,實驗師,研究方向:電子系統的設計.