太阳光自动追踪系统

李永新 陈宗耀 吴登鹏 沈建立

（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴314000）

0 前言

我国是以火力发电为主的能源消费大国，其中煤炭的燃烧占绝大部分，我国二氧化碳的排放量也居于世界的前列。环境污染及其严重，由于开采能源造成的损失更是巨大的。 因此，用可再生的清洁能源代替化石能源具有非常重大的意义。太阳能发电是一种可再生的新型清洁能源，在环境污染越来越严重的今天，开发利用太阳能是势在必行的。

对于太阳能发电系统的设计，太阳能电池板是其中最核心的部件之一，其转换率决定光伏电站发电效率的重要因素之一。 由于大部分太阳能电池板采光时期都是固定到一个方向的，而太阳的位置是随着时间而改变的，因此，无法保证太阳光的长久的能够垂直照射，太阳能电池不能充分接收太阳能资源，发电效率非常低下。 采用太阳跟踪系统，虽然增加了建设和维护的成本，但是却大大提高了发电效率，反而获得的效益会成倍增长。 特别是对于一些大型光伏发电站，以及一些中高温聚光集热装置，效率更会有着巨大的提升。 采用太阳光自动跟踪技术在光伏产业中定会具有广阔的应用前景，因此，研究太阳光自动跟踪技术是具有重要意义的。

1 总体系统设计

系统主要有PIC18F4520 控制板， 光电检测模块， 步进电机及驱动，1602 液晶显示屏，键盘等模块。

图1 系统硬件结构框图

图1 是本次设计的硬件总体结构框图， 控制核心采用美国Microchip 公司生产PIC18F4520 芯片，该芯片具有IIC 接口，内置PWM模块和10 位AD 模块，且价格低廉，无需外加AD 转换器，十分方便；光敏三极管采用金封3DU5C，光敏三极管具有电流放大作用，它的集电极电流随着光辐射强弱变化而变化，与普通的光敏电阻相比，具有灵敏度高、聚光性能好，采光能力强、使用方便等特点。 光敏三极管采集到光照信号，三极管放大所得信号，传送到PIC18，由PIC18 进行处理判断， 从而输出不同占空比PWM 信号到步进电机驱动电路中，调节步进电机转动方向，达到调节采光板的目的。 步进电机驱动芯片采用ULN2003，ULN2003 是集成达林顿管IC，内部还集成了消线圈反电动势的二极管，他的输出端允许通过电流200mA,饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V,采用集电极开路输出，输出电流大，可直接驱动步进电机。 电机使用五线四相步进电机，五线四相步进电机是一种利用电子电路，将直流电变成分时供电的，四相时序控制电流的感应电机。给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角，具有较强的快速启停能力。 本系统能够根据太阳所处的具体位置，对太阳光进行实时跟踪，而且调试简单，成本比较低。

2 主要电路分析

2.1 步进电机驱动电路原理及设计

本系统使用的是五线四相步进电机28YBJ-48，在空转情况下，电机的转速、方向以及停止的位置是由单片机发出脉冲的数量，时间间隔以及方向决定的，当给步进电机加一个脉冲信号时，电机就会转过5.624 度，即转过一个步距角。步进电机的速度取决于两个脉冲的间隔时间，时间越短，步进电机速度越快。通过调节PIC18 单片机的脉冲时间间隔，即可进行步进电机调速控制了。为了全方位的跟踪太阳，我们使用两块驱动电路分别驱动两个电机， 使采光板能够左右和上下转动，实现方位角和高度角的跟踪。

驱动输入端IN1-IN4， 与单片机四个IO 口相接， 四个上拉电阻R1-R4 都选用4.7K 欧姆的电阻， 使用5V 直流电压，ULN2003A 芯片另一端接MA-MD 接电机的四个输入口，另一线接+5V 电压。

图2 步进电机驱动电路

2.2 光电检测模块原理及设计

光源照射到光敏三极管表面上，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流，该电流的大小与光照的强弱有关。

光敏三极管3DU5C 是采用半导体制作工艺制成的具有NPN 结构的半导体三极管。为适应光电检测，它的基极面积较大，并且装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，入射光被基极吸收，光线通过透镜集中照射在芯片上。 光敏三极管的集电极接5V 电压， 其发射极接地。

采用光敏三极管来检测光照强度，三极管扩大电流的作用。 对于点光源的检测，除了使用高灵敏度的三极管外，三极管的数量和布局的选择也至关重要，在本系统中，三极管的布局采用如下的形式，八个光敏三极管分别检测上下左右四个方位的光强，根据光强来判断光源的位置，进而驱动激光笔的运动。

图3 光敏三极管布局图

2.3 液晶显示与手动调节按键的设计

1602 是一种专门用来显示字母、 数字、 符号等的点阵型液晶模块。 1602LCD 是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16 个字符液晶模块，5V 工作电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令。3 端为背光调节端，调节滑动变阻器即可改变液晶屏的亮度，RS端为数据命令选择端，RW 为读写控制输入端，E 端为使能端，DB0-DB7 为数据并行端口，15 和16 管脚为背光的电源与接地端口。 本系统利用1602 显示AD 采集到的上、下、左、右四个光敏三极管的电压值。

图4 LCD 电路及手动调节键盘

手动调节键盘由四个独立键盘构成， 上拉电阻R01-R04 使用10K 欧姆的电阻，电源使用+5V 直流电源，当按键空置时，单片机IO口接收电压为5V, 当按下按键时， 电路导通， 返回到IO 口的电压为0V，即当PIC18 接收到的信号为低电平时，确定按下键盘。 其中K1 和K2 负责电机上转和下转，K3 和K4 负责另一电机的左转和右转。

3 智能工作程序框图

程序采用C 语言编写，通过Microchip 的开发平台MPLAB IDE 编译。 程序框图如图5 所示，对系统进行初始化，系统处于模式判定状态，按键可以选择自动初始化寻光和手动初始化寻光。手动寻光时，四个独立键盘，通过人工调节，更快捷的寻找到光源。然后转入到自动寻光模式中，当系统处于工作状态时，光照强度随时间改变时，光敏传感器感应到光照强度的变化，从而转换成电压信号的强弱，然后将信号传给送单片机，单片机通过四路AD 转换器采集电压，得到电压数据后，先是到1602LCD 液晶屏上，然后比较左右、上下电压值的压差，然后将比较结果反馈给PIC18 单片机中，单片机产生不同的PWM 信号到驱动电路中，从而调节步进电机转动改变接收器的方向。

图5 程序流程图

4 实验结果及分析

将PIC18F4520 控制板，步进电机驱动模块，光电检测模块，液晶显示模块等部分进行整合后调试， 实验室测量结果完全符合预期效果。 本系统可以通过光敏三极管进行检测，输出信号驱动双向步进电机，使得采光板始终面对光源，跟踪效果好，运行稳定。 也可人工进行定期的校对。

5 结论

当今社会， 节能环保已经深入人心，成为社会的主流，而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源， 更是深受广大消费者的青睐。

本文设计的基于PIC18 的太阳光自动追踪系统通过多次测试表明， 该系统能够准确的实现对光照的跟踪。 该自动追踪系统具有跟踪精度高， 结构简单， 成本低，抗干扰能力强。 因此本文所设计的太阳光自动追踪系统具有广阔的应用前景。

［1］薛同莲，李雅丽，施建珍.光电式太阳跟踪系统的研究[J].湘潭大学自然科学学报，2011(33).

［2］杨培环.高精度太阳跟踪传感器与控制器的研究[D].湖北：武汉理工大学，2010.

［3］李中秋.基于机器视觉的蔬菜嫁接机砧木自动定位切削系统研究[D].湖南：湖南农业大学，2007.

［4］秦非.单球式天象仪电控系统的设计研究[D].南京：南京理工大学，2006.

［5］张宝剑，高国红.双踪太阳能光伏发电系统研究[J].安徽农业科学，2010(28).

［6］张磊，胡永刚.一种zigbee 网络群控聚光光伏系统设计[J].皖西学院学报，2011(27).