基于单片机控制的太阳自动跟踪系统设计

仓思雨，孙建明，王忠军，张兰红

（盐城工学院 电气工程学院，江苏 盐城 224051)

近年来，由于石油和煤炭等能源短缺及其对环境的污染问题，可再生能源发电技术广受各国政府和研究人员的重视。在所有可再生能源中，太阳能具有储量丰富、无污染、分布范围广等诸多显著优点，其发电技术正得到迅速的发展。太阳能的有效应用将大大缓解化石能源危机，解决环境污染问题。太阳能虽然环保、储量丰富，但也存在密度低、间歇性、空间分布不断变化的缺点，在太阳能电池板价格居高不下的情况下，研制具有实用价值的太阳自动跟踪系统，使太阳能电池板时刻跟踪太阳最强光，充分利用太阳能，是降低太阳能发电系统成本、提高太阳能发电系统效率的有效途径［1－3］。

1 太阳自动跟踪系统旋转原理

太阳自动跟踪系统中太阳能电池板时刻保持与太阳最强光线垂直，跟踪系统原理用图1来说明。图1中平面α为太阳能电池板平面，n为电池板法线方向，l为太阳最强光方向，xoy为水平面，yoz为垂直面。要使电池板平面α与太阳最强光l垂直，则应将n方向旋转到和l方向平行。

根据欧几里得几何知识，在三维空间中，假设有一条直线和一个平面，要使直线和平面垂直，可通过对平面的旋转实现。平面的旋转可由水平方向旋转和垂直方向旋转叠加而得。

图1 太阳自动跟踪系统旋转原理图Fig.1 Rotation principle diagram of sun automatic tracking system

将平面α在yoz垂直面方向上沿逆时针方向旋转一角度，其值为θ11与θ21的夹角角度，用θ1表示；然后在xoy水平面方向上沿逆时针方向旋转一角度，其值为垂直面α1和垂直面α2的夹角，用θ2表示，θ1和θ2分别为：

这样，法线就和l方向平行，即平面α和l方向垂直。

根据上述分析，当检测到太阳最强光线时，调整太阳能电池板的水平方向朝向和垂直方向朝向，就可使太阳能电池板跟踪太阳最强光。

2 太阳自动跟踪系统设计

太阳自动跟踪系统由机械结构和基于单片机的太阳自动跟踪控制器组成。

2.1 机械结构设计

为了完成对太阳最强光的实时跟踪，太阳能电池板的支架必须使用两个电机，并且在两个平面内同时旋转。双平面太阳跟踪机械结构如图2所示，主要部件包括底座、支柱、水平面旋转支架、水平面旋转电机、垂直面旋转支架、垂直面旋转电机。太阳能电池板安装于垂直面旋转支架的上平面处。水平面旋转电机能够沿水平面作圆周运动，通过大齿轮带动安装于垂直面旋转支架的太阳能电池板在水平面旋转，改变电池板在水平面的方位角；垂直面旋转电机沿垂直面作圆周运动，通过大齿轮带动安装于垂直面旋转支架的太阳能电池板在垂直面旋转，改变电池板在垂直面的俯仰角，就可以达到实时跟踪太阳最强光的效果。

2.2 基于单片机的自动跟踪控制器设计

2.2.1 硬件结构组成

以单片机为控制核心的自动跟踪控制器硬件结构如图3所示。太阳能光伏发电系统在室外全天候持续运行，要实现对水平面与垂直面旋转的两台电机的控制，工作环境较差，普通的单片机无法胜任这种工作要求，选择飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128。该单片机包括最多可提供8通道8位或4通道16位的脉宽调制器及8位／10位／12位分辨率可选的模数转换器，可实现低成本、低功耗、高性能、高可靠性要求的机电系统的控制［4］。

图2 双平面太阳跟踪机械结构图Fig.2 Diagram of dual plane sun tracking machine structure

图3 自动跟踪控制器结构图Fig.3 Diagram of automatic tracking controller structure

图3中通过光检测电路对太阳最强光位置进行检测，检测信号经调理后送单片机内部的A／D模数模块，经CPU处理后，输出控制信号，经驱动电路放大后，驱动水平面与垂直面旋转电机，实现太阳能电池板的自动跟踪；时钟模块自动计算时间，以实现定时跟踪与太阳能电池板的复位。

2.2.2 光检测电路

太阳跟踪系统的关键在于太阳最强光位置的检测，因此光检测电路的设计至关重要，此处采用挡光容器与光敏电阻组成光检测器。

光检测器结构如图4所示，用挡光材料设计了一个直径6厘米、高度6厘米的圆桶形挡光容器，容器上方开一方口，6个光敏电阻置于圆桶形挡光容器的不同位置。挡光容器的作用是实现聚光保护，使光敏电阻免受环境散射光的影响，实现高精度跟踪。光敏电阻R1、R2置于圆桶形容器外侧顶部，R3～R6置于圆桶形容器的内侧底部。安装时圆桶形挡光容器底部与太阳能电池板平面平行，安装于太阳能电池板上方即可。

图4 光检测器结构图Fig.4 Light detector structure diagram

光检测电路如图5所示，其中R1～R6为光敏电阻，R7～R12为采样电阻。

图5 光检测电路Fig.5 Light detection circuit

光敏电阻R1、R2放在容器外侧互差180°位置处，用来粗调太阳能电池板的位置。设它们的采样电路输出电压信号分别为u1、u2，当通过调整电机旋转，使u1～u2近似为零时，太阳最强光近似垂直照射在电池板上。

R3～R6置于容器内部互差900的4个方向上，当太阳最强光线方向与电池板法线方向有夹角时，光敏电阻反应出光照照度差，经单片机处理后驱动电机转动，当两两相对的两个光敏电阻上的光照强度相同时，两台电机停止转动，此时太阳最强光垂直于圆桶形容器上方的方孔面，即电池板与太阳最强光线垂直。光敏电阻位置向孔深方向增加，检测精度会提高。

2.2.3 电机驱动电路

电机驱动模块电路如图6所示。旋转电机采用两相4线步进电机，直流12V供电，50齿，8拍工作方式，步距角0.9度。采用ST公司生产的高电压、大电流电机驱动芯片L298N驱动步进电机。单片机并口PB0～PB3输出信号经L298N的放大，用于驱动垂直面电机，PB4～PB7输出信号用于驱动水平面电机，PA0～PA1、PA2～PA3分别输出信号用于控制垂直面与水平面电机的运行或停止。二极管D1～D8及D9～D16用于续流。

图6 电机驱动模块电路图Fig.6 Circuit diagram of motor drive module

L298N的内部结构图如图7所示，该芯片内部集成了两个H桥电路。VSS（9脚)为芯片工作电源输入端，接＋5V，VS（4脚)为电机电源输入端，接＋12V。IN1～IN4（引脚5、7、10、12)是输入端，OUT1～OUT4（引脚2、3、13、14)是输出端。ENA、ENB分别为IN1和IN2、IN3和IN4的使能端，均为高电平有效。根据图7，当ENA和ENB均为有效状态时，OUT1～OUT4输出电平与IN1～IN4输入电平是一一对应的，电机转动状态编码如表1所示。每个L298N芯片可以驱动一个步进电机。

图7 L298N的内部结构图Fig.7 Circuit diagram of motor drive module

2.2.4 软件设计

软件流程如图8所示。系统初始化后，首先检测有无按键闭合，若有根据闭合键值进行时间设置或电机输出位置调整；对时钟芯片进行时间设置后，可为系统提供准确的时间，以便实现定时跟踪与复位。光检测信号经调理输入主控芯片，再经计算判断，获得电机需要调整的位置，并输出信号进行调整。但为了保护设备，同时为第2天跟踪做好准备，当机械设备转到极限位置时，限位开关向单片机系统发送脉冲，单片机响应此操作，使自动跟踪装置不再转动。步进电机转速的调整由程序调节每拍之间的延时来实现。

表1 电机转动状态编码Table 1 Encoding of motor rotation state

3 结束语

本文利用欧几里得几何知识分析研究了太阳自动跟踪系统的旋转原理，据此设计了太阳自动跟踪系统，包括机械结构和以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128为控制核心的自动跟踪控制器的设计。

图8 自动跟踪控制器软件流程图Fig.8 Software flow chart of automatic tracking controller

将制作的太阳自动跟踪系统放于室外阳光下进行实验，太阳能电池板可始终跟随太阳最强光转动，实现高精度自动跟踪太阳。

所设计的太阳自动跟踪系统结构简单，使太阳能电池板高精度自动跟踪太阳，可大大提高太阳能发电系统的效率，具有较高的应用价值和广阔的市场前景。

［1］张丽丽，王建民.太阳位置光电模拟信号检测跟踪的实现［J］.自动化技术与应用，2010，29（9)：40－43.

［2］张河新，郎龙军，李建朝，等.太阳能自动跟踪传感器的研究［J］.农业工程技术（新能源产业)，2010（3)：27－29.

［3］王尚文，高伟，黄树红.混合双轴太阳自动跟踪装置的研究［J］.可再生能源，2007，25（6)：10－13.

［4］张阳，吴哗，腾勤.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发［M］.北京：电子工业出版社，2011.