太陽能電池板雙軸自動跟蹤系統

臨沂大學物理與電子工程學院 董士韋 劉 暢 劉 冰 董佳樂 王法社

本設計是太陽能電池板雙軸自動跟蹤系統。以AT89S52單片機為控制核心。由光敏傳感器、模數轉換電路、單片機控制電路、步進電機和電機驅動電路等模塊構成系統硬件。傳感器采用光敏電阻作為光-電轉換器件。利用四個完全相同的光敏器件組成4個對稱監測點，對不同監測點的光照強度進行采集，利用PCF8591芯片將電壓信號轉換為數字信號送入單片機。在單片機控制電路的控制下驅動方位角調整機構和高度角調整機構實現相應的位置調整。系統在設計上具有結構簡單、操作方便和功能可擴展等優點。

我國在太陽能光伏發電的應用和研究方面起步較晚。近些年以來，我國加大對光伏產業的投入，使得我國太陽能發電行業發展迅速。已經成為全球光伏發電裝機容量和新增裝機容量最大的國家。太陽能資源作為清潔能源有巨大的市場需求和應用前景。

傳統固定的太陽能電池板的缺點是易受自然因素的影響，且太陽能的利用率較低。提高光電轉化效率是提高太陽光的采集效率最直接有效的方法，因此高效率的光電轉化系統的設計對提高太陽能的利用率具有重大應用意義。設計保持光線實時與太陽能電池板保持垂直的系統能夠有效提高太陽能的利用率和光電轉化效率。隨著單片機控制技術快速發展，基于單片機設計跟蹤機構進行方向控制，實時調整太陽能電池板和光線的角度，達到高效利用太陽能的目的。系統設計目標就是實現實時自動調整最大采光角度，從而高效利用太陽能。研究表明：太陽光的跟蹤控制和固定的太陽能電池板相比，能量的接收率提高接近40%，所以，設計自動跟蹤控制系統可以有效提高太陽能裝置利用效率，拓寬太陽能的應用領域。

太陽能電池板跟蹤的實現方法主要有兩種。第一種是太陽運動軌跡跟蹤，利用不同經緯度地區的天文學數據，計算太陽運動軌跡的理論值，控制裝置根據軌跡實現太陽跟蹤。該跟蹤方式是基于開環控制的跟蹤方法，有較高的可靠性和環境適應性。但是，太陽角度的計算存在誤差，無法進行誤差修正，會造成誤差的不斷積累，影響跟蹤精度。第二種是光電跟蹤，原理是利用光敏元件來檢測光線強度，控制跟蹤裝置追蹤太陽光線的運行。將光敏電阻安裝在遮光擋板不同位置，調整擋板的位置，保證太陽垂直入射。隨著太陽方位發生偏轉，不同位置監測點會檢測并輸出不同的光照強度信號。根據不同監測點信號差來控制跟蹤機構做相應的調整，保證太陽能電池板與光線始終保持垂直。光電跟蹤采用閉環控制形式，有較好的跟蹤靈敏度，可以實現全自動跟蹤太陽軌跡。

本設計采用光電跟蹤方法，利用光敏器件采集不同位置光強度，采用電、機、光集成技術，實現方位角和公度角方向的雙軸跟蹤。實現全自動跟蹤控制。控制系統將具有實時時間、日期采集、方位角、高度角計算、自充電功能、顯示運行狀態（運行、停止、返回）；實時數據顯示、數據通信等功能。

1 總體設計

本設計雙軸跟蹤系統，在兩個步進電機的控制下，能夠實時實現在方位角和高度角兩個方向進行位置跟蹤。多個光敏電阻測量光強度，光電轉換電路把光強度值轉變成電壓值。根據不同位置的電壓差值，單片機控制電路驅動步進電機正反轉。調整太陽能板的方位角及高度角，實現太陽能板始終與光線垂直，如圖1所示。如果兩個監測點光敏電阻接收到的光照強度相等或他們之差小于精度值。單片機停止驅動電機轉動。如果光線與采光板不垂直，兩個監測點光敏電阻接收到的光照強度不相等或他們之差大于精度值，單片機驅動電機向光強度較高的一側運動，直至光照強度信號相同。從而實現自動調節的目標。

圖1 總體設計結構圖

設置當系統處于光線較弱或夜晚或低于最低設定值時，停止對光信號的采集和電機的驅動。

2 硬件設計

2.1 單片機控制電路

晶振電路為AT89C52單片機提供時鐘信號，引腳XTAL1和XTAL2是放大器的輸入和輸出端。外部電容C22，C23將容量設置為30Pf。復位電路電容C1兩端接一個按鍵即可，當按下按鍵時，電容被短路，RST引腳接收到高電平信號，可以實現復位。EA接VCC。如圖2所示。

圖2 單片機最小系統

2.2 光照采集電路

設置A、B、C、D4個光監測點，光檢測點A對左遠離光線進行檢測，光電檢測A、B實現光線水平方向角度變化檢測，光檢測C與D對太陽垂直角度的變化檢測。將檢測到的光線變化信號通過PCF8591傳輸給單片機，單片機進行數據處理后控制驅動芯片ULN2803控制電機正反轉，實現太陽能電池板垂直和水平角度調整。四個光敏電阻在太陽能板四個方向對稱放置，A、B的檢測值控制方位角控制電機，C、D控制高度角控制電機，如圖3所示。

圖3 光敏電阻分布模型

光敏電阻D4-D7和PCF8591的AIN0-AIN3相連。PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D轉換芯片，靠時鐘線SCL和數據線SDA就可以實現和AT89C52單片機的數據通信。如圖4所示。

圖4 光電轉換電路

2.3 A/D轉換電路

PCF8591芯片具有4路8位逐次比較型A/D輸入，1路8位D/A輸出，最大轉換速率約為11kHz。具有4個模擬輸入，1個串行I2C總線接口。PCF8591硬件芯片的地址編程通過3個址引腳A0、A1和A2實現。

通過雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸地址、控制和數據信號。P.0連接SDA引腳，P1.1接SCL引腳，A0-A2接地，如圖5所示。

圖5 PCF8591電路連接圖

2.4 步進電機驅動電路

ULN2803構成步進電機的驅動電路，如圖6所示。ULN2803芯片符合TTL標準，為反向輸出型電路。一個ULN2803可以驅動2個步進電機，P2口接驅動芯片ULN2803的輸入端。

圖6 步進電機驅動電路

2.5 充電模塊電路

采用CN3791充電管理模塊，應用充放端口共用技術，以及同步整流技術，外圍元件少。

高端技術MPPT太陽能大功率跟蹤充電管理芯片，具有涓流、恒流、恒壓充電管理。B+接鋰電池的正極，B-接鋰電池的負極。SUN+和SUN-接負載，電池從B+B-上短開再接上的話需要充一下電以激活保護電路，如圖7所示。

圖7 充電模塊電路

3 軟件設計

首先系統進行初始化。然后A、B、C、D四個監測點的光敏電阻測得不同的電壓值U1、U2、U3、U4。設精度為a。通過比較U1、U2、U3、U4的大小控制電機正反轉動，系統進入光電追蹤模式。系統主流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

3.1 模數轉換程序

模數轉換是本設計的關鍵部分，A/D轉換使用芯片PCF8951。模擬多路輸入經過PCF8951芯片電壓采樣，輸出數字信號。流程圖如圖9所示。因為有四個通道，所以程序設計由四個部分組成，每個通道的編程方法相同。以0通道為例，首先讀取PCF8951芯片通道所采集的到模擬量的值，控制發送字節0x41，用RecvByte接收讀取A/D轉換的數據。因為芯片PCF8951輸入和輸出都進行電壓保持采樣，系統內部也進行了兩次采樣，為了保證輸入和輸出數據相同，確保數據的準確性。輸出電壓需要RecvByte(PCF8591)*2。用ADC寄存器來寄存每一通道輸出的數據。手動模式或其他模式下的操作可以放在最后一個if語句。

圖9 A/D模塊流程圖

3.2 電機驅動程序

電機是將電信號轉變成角位移或線位移的開關控制元件，脈沖信號的頻率和脈沖數決定電機的轉速、停止位置。A、B、C、D四個不同位置光敏電阻測得不同電壓值。如果C監測點測得電壓值大于D監測點的監測值，并且差值大于精度值或者手動模式下按下向下的按鍵，水平電機向下轉動。若D監測點電壓大于C監測點電壓，并且差值大于精度值或手動模式下按下向上的按鍵，水平電機正轉。同理，A監測點電壓大于B監測點電壓，兩者差值大于精度值，或手動模式下按下向右的按鍵，方位電機右轉。若A監測點電壓小于B監測點電壓，兩者差值大于精度值，或手動模式下按下向左的按鍵，方位電機左轉。控制步進電機上轉的程序如圖10所示。

圖10 步進電機上轉控制程序

3.3 電壓采樣程序

A/D電壓采樣由串行數據線SDA和串行時鐘線SCL來實現，即二線制總線。SDA和SCL都是雙向線路，連接到總線上的每一個器件地址唯一，根據唯一地址可以尋址每一個器件。既可以作為一個發生器，也可以作為接收器。連接到總線上的器件的串行數據線和串行是中線端必須是漏極或集電極開路型。利用I2C總線方式傳輸數據，傳輸速率可達100Kb/s。每傳輸一個數據位必須產生一個時鐘脈沖。時鐘線SCL的高電平期間SDA線上的數據必須保存穩定。發送到SDA線上的數據為8位數據，不限制發送的字節數量。從機接收完一個字節后，從機向主機發送應答位，主機在收到從機應答后，才能發送第二字節數據，發送數據應先發數據的最高位。數據傳輸中，應答位由從機產生，應答的時期間，主機應釋放SDA線，使其為高電平。應答時，數據線SDA電平為低電平。ADC讀字節數據函數流程圖如圖11所示。

圖11 ADC讀字節數據函數流程

結論：本設計是太陽能電池板自動對光跟蹤系統，在以前研究的基礎上做了改進和實物設計。采用光電檢測雙軸追蹤模式，提高了系統的追蹤精度。利用4個光敏電阻構成2組比較電路，實現判斷光照角度的目的。使用STC89S52單片機作為整個系統的控制核心，采取傳統的硬件和軟件相結合的開發方法。系統硬件設計簡單，軟件程序指令快速簡單，驅動能力強等優點。增加了自供電模塊，為太陽能電池板自動對光跟蹤設計提供了一種解決方案。