單片機(jī)技術(shù)支持下太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)

魯志飛

（山東今日頭條網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

太陽(yáng)能作為一種常見(jiàn)的可再生資源，具有廣泛分布、清潔無(wú)污染、儲(chǔ)量巨大的特點(diǎn)。 2022 年，朱利軍［1］學(xué)者提出將檢測(cè)光強(qiáng)以及太陽(yáng)軌跡算法相結(jié)合的方法，用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化整個(gè)太陽(yáng)能接收裝置系統(tǒng)。 通過(guò)使該裝置依據(jù)太陽(yáng)軌跡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的高效利用。 同年，馮月［2］等學(xué)者也提出了一種基于GPS 定位算法的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)優(yōu)化方案，使改造后的太陽(yáng)能接收板能夠在水平和垂直兩個(gè)方向?qū)μ?yáng)進(jìn)行追蹤。 基于這些研究成果，本文提出一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可以使太陽(yáng)光始終以最佳角度照射在太陽(yáng)能電池板上，從而解決當(dāng)前光伏發(fā)電電能收集效率低、有線傳輸操作難度大等實(shí)際問(wèn)題，提高太陽(yáng)光的利用效率。

1 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

為改變傳統(tǒng)太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)單一的追蹤模式，本文在單片機(jī)技術(shù)支持下，提出太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

在本系統(tǒng)中，采用了光敏電阻，放置在太陽(yáng)能板的光接收面上，以便檢測(cè)陽(yáng)光的強(qiáng)度和方向。 在陽(yáng)光充足的情況下，系統(tǒng)將采用光電追蹤模式；而在光線較弱或天氣較陰暗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到太陽(yáng)軌跡追蹤模式。 這種雙模式追蹤策略有效地解決了因光線不足導(dǎo)致的追蹤失效問(wèn)題，并減少了僅使用太陽(yáng)軌跡追蹤所產(chǎn)生的誤差。 為了實(shí)現(xiàn)以上兩種功能，本系統(tǒng)包括了多個(gè)硬件組件，如單片機(jī)、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、無(wú)線遠(yuǎn)程控制模塊等。 其中，光敏器件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)光位置的變化，并將模擬信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后傳輸給單片機(jī)。 而太陽(yáng)能電池板則負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，利用專業(yè)儀器檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的各項(xiàng)參數(shù)。 在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，利用單片機(jī)將太陽(yáng)的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的合理運(yùn)用。

1.2 主控制器選型

考慮到太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)處理、模式切換和信號(hào)采集的需求，本設(shè)計(jì)選擇Arduino Nano 單片機(jī)作為主控制器。 Arduino Nano 單片機(jī)具有豐富的I／O 引腳，能夠滿足系統(tǒng)的多功能需求。 并且，它出色的模擬信號(hào)處理能力可以確保準(zhǔn)確讀取太陽(yáng)位置數(shù)據(jù)。 同時(shí)，該單片機(jī)也具有高時(shí)鐘速度和低功耗的使用特點(diǎn)，能夠保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)和持久運(yùn)行。 此外，Arduino Nano 單片機(jī)不僅具備靈活的編程能力，而且相對(duì)于其他單片機(jī)來(lái)說(shuō)尺寸更小，有效節(jié)省了硬件空間，使整體系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、高效［3］。

Arduino Nano 單片機(jī)的技術(shù)規(guī)格為：

（1）微控制器：ATMEGA328P；

（2）工作電壓：5V；

（3）輸入電壓（推薦）：7～12V；

（4）數(shù)字I／O 引腳：22；

（5）模擬輸入引腳：8；

（6）DC 為每I／O 引腳的電流：40 mA；

（7）閃存：32 kB；

（8）SRAM：2 kB；

（9）EEPROM：1 kB；

（10）時(shí)鐘速度：16 MHz。

1.3 光電采集部分

1.3.1 光敏電阻傳感器的電路原理

光敏電阻傳感器是追蹤系統(tǒng)光電追蹤模式的核心元器件，是進(jìn)行光采集與感知的最重要組成部分。 為實(shí)現(xiàn)追蹤系統(tǒng)光電追蹤模式的正常運(yùn)行，其核心原理如下。

（1）模擬量輸入原理

光敏電阻（light-dependent resistor， LDR）的電阻值與其所受到的光照強(qiáng)度成反比。 當(dāng)光線強(qiáng)度增加時(shí)，LDR的電阻值減小，反之則增大。 利用這一特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓分壓器電路：

在式（1）中，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓，RLDR為光敏電阻的電阻值，Rfixed為固定電阻值。 在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)通過(guò)判定Vout的數(shù)值的輸出大小，即可自動(dòng)感知光照強(qiáng)度。

（2）數(shù)字量輸入原理

為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，基于上述分壓器電路，得到一個(gè)隨光照強(qiáng)度變化的模擬電壓值，再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter， ADC）將這一模擬電壓值轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)值，該值隨后由微控制器進(jìn)行分析處理。轉(zhuǎn)換公式如下：

在式（2）中，ADCvalue為ADC 的輸出數(shù)字值，Vref為參考電壓，n為ADC 的位數(shù)。

（3）靈敏度調(diào)節(jié)原理

為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)在不同光照下的靈敏度，采用了兩種方法。 首先，通過(guò)改變固定電阻Rfixed的值來(lái)調(diào)整分壓器輸出電壓。 其次，通過(guò)調(diào)整ADC 的參考電壓Vref來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏度。

1.3.2 感光板排列方式

在太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)中，為了確保在各種光照條件下的高效追蹤，對(duì)于感光板的排列方式進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。 首先，在中心位置放置一個(gè)小的不透平板，以在日光直射時(shí)產(chǎn)生陰影。 其次，圍繞中心，在北、南、東、西4 個(gè)方向各放置一個(gè)光敏電阻傳感器，以確保在陽(yáng)光充足的情況下，系統(tǒng)能夠精確感知太陽(yáng)光的位置并采用光電追蹤模式。 此外，感光板的4 個(gè)角落也各放置一個(gè)光敏電阻傳感器，以提高斜射的日光或光線較弱的環(huán)境下的靈敏度，保障系統(tǒng)在這些情況下可以快速切換到太陽(yáng)軌跡追蹤模式。可以說(shuō)，這種綜合布局確保了無(wú)論日光的角度如何變化，系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且靈敏的太陽(yáng)追蹤，極大提高了系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)能的采集效率。

1.4 無(wú)線遠(yuǎn)程控制部分

為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，本系統(tǒng)采用了NRF24l01 無(wú)線串口模塊作為與上位機(jī)無(wú)線通信的芯片。 該模塊是一個(gè)高性能、低功耗的2.4GHz ISM 頻段的無(wú)線通信模塊［4］。 它支持多達(dá)125 個(gè)通道，能夠在太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)中有效地避免頻道間的干擾，確保通信的穩(wěn)定性。 此外，該模塊還具有自動(dòng)應(yīng)答功能，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)后，NRF24l01 會(huì)等待應(yīng)答信號(hào)。 如果在指定時(shí)間內(nèi)未接收到應(yīng)答，則會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，極大增強(qiáng)了通信的可靠性。 在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，SPI 時(shí)序則會(huì)成為無(wú)線串口模塊與上位機(jī)的主要通信方式。 控制指令會(huì)通過(guò)SPI 接口從微控制器傳輸?shù)絅RF24l01 中，而NRF24l01 也可利用主出從入線將數(shù)據(jù)返還給上位機(jī)。

1.5 雙軸追蹤結(jié)構(gòu)搭建方法

為滿足太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)的“雙模式”追蹤策略，提出了基于MG996R 舵機(jī)的雙軸追蹤結(jié)構(gòu)搭建方法。

（1）框架結(jié)構(gòu)

使用穩(wěn)固基座作為支撐，中央安裝2 號(hào)舵機(jī)控制水平方向旋轉(zhuǎn)，與之聯(lián)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)架端部安裝1 號(hào)舵機(jī)控制垂直傾斜。

（2）舵機(jī)功能

1 號(hào)舵機(jī)負(fù)責(zé)太陽(yáng)能板的垂直傾斜，追蹤太陽(yáng)在天空中的高低變化。 2 號(hào)舵機(jī)負(fù)責(zé)控制太陽(yáng)能板的水平旋轉(zhuǎn)，追蹤太陽(yáng)從東到西的移動(dòng)。

（3）控制策略

光電追蹤模式：當(dāng)感光板感知陽(yáng)光方向或強(qiáng)度變化，發(fā)送信號(hào)調(diào)整1 號(hào)或2 號(hào)舵機(jī)，保持太陽(yáng)能板最佳光照接收。

太陽(yáng)軌跡追蹤模式：光線較弱時(shí)，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的太陽(yáng)軌跡算法控制1 號(hào)和2 號(hào)舵機(jī)。

此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可確保太陽(yáng)能板始終在最佳角度接收陽(yáng)光，保證系統(tǒng)運(yùn)作效率。 搭建模擬圖如圖2 所示。

圖2 雙軸追蹤結(jié)構(gòu)搭建方法示意圖

2 太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)

2.1.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹

本系統(tǒng)選擇了Visual Studio 作為上位機(jī)監(jiān)控軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。 原因在于Visual Studio 可為C＃提供出色的支持，而C＃作為本系統(tǒng)所選擇的編程語(yǔ)言，非常適合Windows 應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。 此外，Visual Studio 擁有豐富的庫(kù)，特別是. NET Framework，極大地簡(jiǎn)化了上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)和與外部設(shè)備的通信流程，為上位機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)提供了良好的技術(shù)環(huán)境［5］。

2.1.2 上位機(jī)程序流程

（1）初始化：程序在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化工作，包括設(shè)置串口參數(shù)、加載配置文件、初始化圖形用戶界面（graphical user interface， GUI）等。

（2）建立連接：上位機(jī)程序會(huì)試圖與NRF24l01 無(wú)線串口模塊建立連接。 一旦成功，用戶界面上會(huì)顯示連接狀態(tài)的相關(guān)信息。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)視：在成功建立連接后，程序會(huì)開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)視從雙軸追蹤系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，包括光電追蹤的角度、太陽(yáng)軌跡的預(yù)測(cè)位置等。

（4）用戶交互：待太陽(yáng)能雙軸系統(tǒng)正常運(yùn)行后，上位機(jī)程序會(huì)監(jiān)聽(tīng)用戶的指令。 無(wú)論是手動(dòng)調(diào)整舵機(jī)角度、切換工作模式，還是查詢系統(tǒng)狀態(tài)，都可以通過(guò)GUI 輕松完成。

（5）錯(cuò)誤處理：在整個(gè)上位機(jī)程序流程設(shè)計(jì)中，增設(shè)了詳細(xì)的錯(cuò)誤處理機(jī)制。 一旦發(fā)生通信錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)異常或任何其他問(wèn)題，都會(huì)立即在界面上顯示提示信息，并在必要時(shí)自動(dòng)重啟連接。

（6）結(jié)束程序：用戶可以隨時(shí)選擇結(jié)束程序。 此時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)斷開(kāi)與雙軸追蹤系統(tǒng)的連接并釋放所有資源。

2.1.3 通信的建立與實(shí)現(xiàn)

為保證上位機(jī)監(jiān)控軟件順利運(yùn)行，仍選用NRF24l01無(wú)線串口模塊作為通信實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支撐。 一方面，在Visual Studio 中使用NRF24l01 的. NET 庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)利用幾行代碼就可以調(diào)整頻率、通道和波特率，實(shí)現(xiàn)通信信息的高效傳遞。 另一方面，在發(fā)送與接收數(shù)據(jù)中，當(dāng)上位機(jī)需要發(fā)送指令時(shí)，只需調(diào)用庫(kù)的發(fā)送函數(shù)并提供必要的參數(shù)。 同樣，當(dāng)上位機(jī)需要從雙軸追蹤系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，也只需要使用庫(kù)的接收函數(shù)。

2.2 太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 光電追蹤子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光電追蹤依賴于感光板的光敏電阻傳感器來(lái)讀取數(shù)據(jù)，以便調(diào)整太陽(yáng)能板的角度。 首先，軟件會(huì)對(duì)傳感器讀取的模擬值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而獲得當(dāng)前陽(yáng)光的強(qiáng)度和方向。 然后，系統(tǒng)依據(jù)這些值計(jì)算出1 號(hào)舵機(jī)和2 號(hào)舵機(jī)的調(diào)整角度，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效獲取。 當(dāng)陽(yáng)光強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向太陽(yáng)軌跡追蹤子系統(tǒng)發(fā)送切換信號(hào)，轉(zhuǎn)入太陽(yáng)軌跡追蹤模式。

2.2.2 太陽(yáng)軌跡追蹤子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

子系統(tǒng)工作原理與光電追蹤子系統(tǒng)的工作機(jī)制基本相同。 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到低光強(qiáng)度或收到切換信號(hào)時(shí)，太陽(yáng)軌跡追蹤模式啟動(dòng)。 此模式基于預(yù)設(shè)的太陽(yáng)運(yùn)行算法，根據(jù)地理位置、日期及時(shí)間，軟件會(huì)預(yù)測(cè)太陽(yáng)的位置。 進(jìn)而計(jì)算出1 號(hào)舵機(jī)和2 號(hào)舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)到的精確角度。 當(dāng)陽(yáng)光強(qiáng)度回升至設(shè)定閾值以上，系統(tǒng)將自動(dòng)回切至光電追蹤模式。

2.2.3 無(wú)線遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)扮演著太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)中的橋梁角色。 以下將詳細(xì)講解模塊選擇、數(shù)據(jù)通信協(xié)議、指令格式以及數(shù)據(jù)處理流程。

（1） NRF24l01 無(wú)線串口模塊參數(shù)

本次選擇NRF24l01＋是因?yàn)槠浞€(wěn)定的通信質(zhì)量和廣泛的社區(qū)支持，使得開(kāi)發(fā)和調(diào)試更為簡(jiǎn)單。 模塊參數(shù)如表1 所示。

表1 NRF24l01 無(wú)線串口模塊參數(shù)

（2）通信協(xié)議設(shè)計(jì)

幀頭： 使用2 字節(jié)幀頭， 如“0xA5 0x5A”來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)開(kāi)始。

指令碼： 1 字節(jié)， 如“0x01” 代表切換工作模式，“0x02”代表調(diào)整舵機(jī)角度。

數(shù)據(jù)域： 長(zhǎng)度可變，根據(jù)指令的不同進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。校驗(yàn)和： 1 字節(jié)， 采用簡(jiǎn)單的XOR 校驗(yàn)。

（3） 指令解析與響應(yīng)

數(shù)據(jù)接收： NRF24l01＋接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)SPI 接口傳輸至單片機(jī)。

幀檢測(cè)： 單片機(jī)檢查數(shù)據(jù)幀的幀頭，確認(rèn)數(shù)據(jù)包的開(kāi)始。

解析指令： 根據(jù)指令碼，解析后續(xù)數(shù)據(jù)。

執(zhí)行操作： 根據(jù)解析結(jié)果，更改工作模式、調(diào)整舵機(jī)角度或回傳系統(tǒng)狀態(tài)。

發(fā)送反饋： 執(zhí)行完操作后，單片機(jī)通過(guò)NRF24l01＋發(fā)送反饋信息給上位機(jī)。

（4） 數(shù)據(jù)反饋機(jī)制

狀態(tài)碼： 如“0x00”表示成功，“0x01”表示錯(cuò)誤。

數(shù)據(jù)域： 包含系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，如舵機(jī)的當(dāng)前角度或系統(tǒng)工作模式。

結(jié)束符： 如“0xFF”，標(biāo)志數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)流程，無(wú)線遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)不僅保證了雙軸追蹤系統(tǒng)與上位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信，而且還確保了數(shù)據(jù)的完整性和正確性，為實(shí)現(xiàn)精確控制提供了可靠保障。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文在單片機(jī)技術(shù)支持下，開(kāi)展了太陽(yáng)能雙軸追蹤系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思路與軟件設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了充分闡述，提出了將光電追蹤與太陽(yáng)軌跡追蹤兩種方式相互搭配的太陽(yáng)能利用模式，彌補(bǔ)了現(xiàn)有太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)的使用缺陷。 希望能夠有助于提高目前我國(guó)對(duì)于太陽(yáng)能的采集效率，并為后期光伏行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)新提供前進(jìn)方向。