基于单片机ADμC812的太阳能自动跟踪系统设计❋

彭喜英，赵强松

（中原工学院 信息商务学院，河南 郑州 450007）

0 引言

目前，光伏发电技术已成为新能源利用的一种重要的方法［1］。本文所采用的光线自动跟踪的方式，是使太阳能电池板的朝向能够跟随太阳位置的变化而变化，即保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，可以使转换效率提高30%以上［2］。设计跟踪平台的时候，要考虑到复杂多变的光线照射情况，比如昼夜更替情况，当太阳落山时，该跟踪平台将跟踪太阳而朝向西边，太阳落下则停止工作；当第二天早上太阳升起时，需要跟踪平台的传感探测单元能够检测到太阳光线的变化，快速复位。为了解决上述问题，本文采用光、机、电一体化技术，提出了通过单片机控制步进电机的太阳跟踪系统方式，从而达到了自动跟踪的目的。

1 太阳能自动跟踪系统结构

太阳能自动跟踪系统由单片机、传感器、步进电机等组成，其结构框图如图1所示。当太阳光照射到光敏电阻上时，测量到太阳光线和电池阵列的位置偏差，并经传感器把该信号送给前置放大器放大，然后经电压跟随器传给单片机。单片机将对采样进来的电压信号进行判断，电压有增大和减小两种可能，如电压增大，则让电池板继续转动，一旦电压减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，实现电池板对太阳的跟踪。

2 自动跟踪系统的设计

2.1 传感器光敏二极管的设计

光敏电阻的特性与人眼最为接近，所以适合可见光的测量。光敏电阻CDS是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。本文所设计的电路系统中，光敏电阻分别与滑动变阻器和2个5kΩ的电阻共同构成惠斯通电桥。为了精确检测天空光线的变化，本系统采用4路这样的电桥同时采集信号到单片机中。

图1 太阳能自动跟踪系统结构框图

光敏电阻的排列如图2所示。理论上来说，4个光敏电阻放在暗筒外侧与放在内侧的效果差不多。但是，当太阳高度角比较小时，如早晨和傍晚，把光敏电阻放在外侧仍可以检测到光线的变化，而若是放在内侧，则4个光敏电阻都处在黑暗中无法检测到早晨和傍晚的光线，所以把4个光敏电阻放在外侧。

图2 光敏电阻的排列

2.2 跟踪控制器的设计

光敏元件对太阳光线做出的反应是性能参数的改变（比如光敏电阻值有了变化），跟踪控制器设计的工作重点是如何将这些参数的变化转化为控制信号并输出达到控制驱动平台转动的目的［3］。跟踪控制器的机械传动机构见图3。

图3 跟踪控制器的机械传动机构

本机构采用光敏元件比较式跟踪器和双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制［4］实现对太阳的实时跟踪。该系统适用于各种需要跟踪太阳的装置，机械传动机构是跟踪的执行机构，为了保证机械精度和传动效率，本系统选用UC3717步进电机作为驱动芯片，该电机是二相步进电动机，步距角为0.9°，其驱动波形为二相八拍。同时步进电机运转速度、方向、跟踪的控制由ADμC812单片机承担。

3 跟踪系统电路设计

3.1 单片机系统

ADμC812单片机具有嵌入式闪存工艺和全智能的在线编程功能，数据采集性能得到了很大的提高，开发时间及成本减少。该芯片与8052兼容，工作频率最大可达16MHz，内含有3个定时器，并具有32条可编程输入/输出端口，9个中断源。此芯片包含的8通道12位高精度A/D转换器，采样速率可达200kaps。由于ADμC812的上述特点，可以驱动电机运转，并能够根据用户需要开发不同功能。

3.2 传感器光敏电阻检测电路

传感器检测电路如图4所示。我们采用差点放大器作为电压前置放大器，它将桥臂电阻的变化转化成电压信号并放大，再经电压跟随器741送入单片机ADμC812的端口。ADμC812在芯片内集成了高性能的自校准多通道A/D转换器和2个12位DAC，可以直接对数据进行处理。电压跟随器的低输出阻抗的特性可以提高信号的带负载能力，减少信号受A/D负载的影响。把CDS1所在桥臂的滑动变阻器的电阻调至100kΩ，当CDS1的电阻也为100kΩ时，电桥的电压差为0V。此跟踪系统内部装有一个定位开关，当单片机检测到电桥输出电压为0V时，次定位开关是开的状态，说明此时光线由无到有，感光器将会开始自动跟踪太阳；如果定位开关是关的状态，说明这时光线是由有到无，跟踪系统会自动复位到定位开关处。

3.3 驱动电路的设计

驱动电路利用ADμC812单片机的P1.2端输出脉冲中断，产生脉冲信号，为驱动步进电机电路产生驱动信号。步进电机驱动器需要慎重选择，它的优劣直接制约着电机伺服系统的性能。步进电机主要由环形分配器、信号处理器、推动级、功率放大器等部分组成。功率步进电机工作时，还需要有多种保护电路。

图4 传感器检测电路

步进电机工作时，必须通过专用的步进电机驱动器驱动，不能直接接到交直流电源上。本文所采用的驱动芯片是UC3717［5］，它内部包括控制逻辑输入端、电流传感器和含有内置式保护二极管的单稳态输出端。二相步进电机驱动系统由2片UC3717和一些外部元件组成。UC3717还附加了许多保护功能，以确保电路系统的稳定性。如检测到负载开路或者短路、电动机接地或短路连接、电源过电压、逻辑电源欠电压、过热关断等现象，输入就会被禁止，故障信息通过诊断引脚输出。

驱动电路如图5所示。管脚8是UC3717的换相输入端，内置施密特触发电路，可以产生换相延时，有效控制电机绕组电流方向，并能避免换相时的端子电流干扰。Phase端用于控制步进电机绕组电流的正反方向，由以74LS194为核心的逻辑电路产生，用于提供驱动电路所需的脉冲及二相八拍驱动波形。74LS194逻辑电路如图6所示。

图5 驱动电路

4 软件流程

系统软件主要实现对光线角度的控制和光强数据的处理。初始化模块实现步进电机的复位，借助触发开关对控制端口发送信号，单片机接收后立即停止发送驱动脉冲信号。这种工作模式主要应对系统工作异常和无太阳光线时，使系统能够自动复位。感光器跟踪太阳的子程序流程图如图7所示。

图6 74LS194逻辑电路

程序开始后，先进行AD转化，然后由单片机处理信号。如果东西方向或南北方向的2个光敏电阻接受的光照强度不同，那么电机将会动作直到光照强度相同，即模拟硅板与太阳光垂直。一般情况下，先是东西方向步进电机动作，使东西方向的2个光敏电阻接受的光照强度一致，然后，南北方向的光敏电阻动作，使南北方向的光敏电阻接收的光照强度一致。

5 结语

本文所设计的自动跟踪平台能实现精确的定位、跟踪，自动跟踪精度较高、可靠性强，即使是在天气变化异常情况下，系统工作也不发生混乱，有很大的发展潜力。

图7 感光器跟踪太阳的子程序流程

［1］徐静.自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究［D］.杭州：杭州电子科技大学，2009：21-25.

［2］张鹏，王兴君，王松林.光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用［J］.微计算机信息，1999，15（4）：80-81.

［3］胡涛，程明霄.UC3717对二相步进电机的控制［J］.计算机仿真，1995（5）：10-12.

［4］Badran O O.Study in industrial applications of solar energy and the range of its utilization in Jordan［J］.Int J Renew Ener，2001（2）：485-490.

［5］金晶晶.太阳光线自动跟踪装置［D］.沈阳：沈阳工业大学，2007：41-46.