太陽能自動追蹤系統設計

張 龍，黃振勇

（南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

太陽能作為一種新型綠色可再生能源備受人們的重視，提高光電轉換效率成為亟待解決的難題[1]。本文設計了一種太陽能自動追蹤系統，通過單片機控制系統追蹤光源，能實現上下左右地追蹤，使得太陽光線隨時垂直照射太陽能電池板，顯著提高光電轉換效率。

1 系統的總設計方案

本文所設計的系統是以51單片機為核心，由光電傳感器、電機控制電路、I/O接口、鍵盤、顯示電路等器件組成。利用4個光敏電阻來接受光照，將收集到的模擬信號經過AD轉換傳送給單片機，由單片機來運算并判斷光源的軌跡，從而控制一個雙軸電機來實現自動跟蹤光源。系統如圖1所示。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

2.1 核心控制器

核心控制器采用STC89C51單片機。該單片機具有功耗較低、穩定性高、性價比高等特點[2]。同時該單片機與標準MCS-51指令系統和80C51引腳結構兼容，集成了通用8位中央處理器和ISP閃存存儲單元，并具有系統內可編程（ISP）功能，單片機最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統

2.2 光電轉換模塊

光電轉換裝置用來接收太陽光照射，將光信號轉換為電信號，并根據采集的信號，通過單片機對最終受控的步進電機旋轉和轉向進行控制[2]。光電轉換電路如圖3所示，光敏電阻G3和G4檢測光源水平方向的變化，當光敏電阻G3測到光源向左移動并且逐漸遠離，會向單片機發出信號，則控制步進電機1在水平方向向左移動；光敏電阻器G1和G2則檢測光源的在垂直角度上的變化，光敏電阻器G1和G2接收光源照射后將信號發給單片機，控制步進電機2在垂直角度上下旋轉。

圖3 光電轉換電路

2.3 步進電機驅動模塊

本文采用的是5V-4相-5線的28BYJ-48-5V步進電機，該步進電機單靠交流供電或直流電源無法運動，必須與驅動電路同時使用時才能發揮其功能[3]。步進電機驅動電路如圖4所示。本文采用的是ULN2803芯片為驅動芯片，其輸入端I1～I8接單片機的P2.0～ P2.7，其輸出端O1～O8接步進電機1和步進電機2，控制步進電機的正反轉。

圖4 步進電機驅動電路

3 系統軟件設計

本設計能夠實時判定光線方向的細微改變，系統主程序如圖5所示。當光線與太陽能電池板面不垂直時，傳感器失衡，引起系統輸出信號產生偏差，驅動電機開始進行糾正，使得光電傳感器重新達到平衡，即太陽能面板與光線構成90°角時停止轉動，而完成一次調整周期，如此不斷地調整。

圖5 系統主程序

4 實驗結果

本系統由4個光敏電阻、單片機、雙軸電機，驅動芯片、電源等組成，實物如圖6所示。本系統可以實現手動控制模式和自動控制模式。當紅色指示燈亮時，系統處于手動控制模式，此時需要手動控制上下左右4個按鍵來追蹤光源；當綠色指示燈亮時，系統處于自動控制模式，此時整個系統能夠自動識別光源并且驅動雙軸步進電機來跟蹤光源。在自動控制模式下，施加光源并將光源向左遠離，則步進電機左轉追蹤光源，直到垂直于光源時停止轉動。

圖6 系統實物

5 結語

本文設計的太陽能自動追蹤系統能夠通過單片機控制系統追蹤光源，控制太陽能電池板的方向，使其始終垂直對著太陽入射光，從而提高太陽能光伏系統的光電轉換效率，能夠上下左右地追蹤太陽光源。