基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统设计

王 哲，朱士成

(黄山学院，安徽 黄山 245041)

0 引言

在能源紧缺及全球气候问题中，太阳能作为清洁能源，存在分布比较广泛同时又便于获取等特点，因此发展太阳能发电意义很重要[1]。实现对于太阳位置的准确追踪，这一问题受到了极大的关注，如何构建跟踪式太阳能光伏板追光控制系统成为关键[2]。太阳能追踪发电系统与传统的太阳能电池板发电相比，其包含自动跟踪太阳的控制系统设计，可以使太阳能电池板始终跟踪着太阳的位置，极大地提高太阳能电池板的利用率[3]。因此可以研究一款装置，使光伏发电板自动跟踪太阳光，提高光能利用率，高效地转换光能。

1 光电检测装置

采用单轴反馈控制来达到对阳光的跟踪。资料表明，当光垂直照射太阳能电池板时其对光接收的效率值便会越高，实验采用光元件作为转换元件，其可以将被测非电量通过光电量的变化转化成电量[4]。光电采集如图1所示，光敏电阻1、2分别采集该处光照强度，后分别用光敏电阻1、2采集的值送入单片机，单片机对数据进行比较后确定向电机发出指令控制电机转动，使太阳能电池板朝向光强的一面，通过信号采集装置的信号反馈实时调控信号采集装置与太阳能发电装置始终与太阳光保持垂直状态[5]。因此，只需要用光敏传感器在太阳能电池板周围分布。

图1 光电检测系统

光电检测电路(图2)采用PCF8591AD/DA转换芯片作为光电检测电路核心。8脚为地线因此5、6、7、8共同接地。而9、10脚分别为I2C总线的SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)。

图2 光电检测及模数转换电路

12脚是时钟选择引脚，此研究中选择的是内部时钟。因此12脚接低电平，且11脚悬空。13脚是模拟GND，因此直接与VDD连接，14脚是模拟电源此研究中直接与电源连接。

由于使用的是光敏电阻，只需要测得光敏电阻阻值即可，将硬件光敏电阻采集到的光信号经过单片机转换成有效数据，模拟量AO 可以和AD模块相连，通过AD 转换，可以获得环境光强的数值[6]。因此，可以将光敏电阻阻值信号通过电阻串联分压的形式变为电压信号从而接到PCF8591的模拟量输入端上，方便被识别。

2 电机驱动电路

采用步进电机作为驱动电机，其精度高、响应快、稳定性高等优点对于太阳能追踪有着比较大的帮助。因此选用了ULN2003作为步进电机的驱动芯片。芯片1、2、3、4、5、6、7号引脚为MCU信号输入引脚，因为使用的为四路信号的步进电机，因此只需要使用2、3、4、5的输入引脚，且输出同理。对于P1端为排针引脚，接入步进电机。步进电机驱动电路如图3所示。

图3 步进电机驱动电路

3 振荡与复位电路设计

振荡电路为单片机提供类似于时钟的基准信号，单片机内部都是以该时钟作为基准运行。STC89C52中的18、19号引脚为外接晶振引脚，采用12 MHz的晶振，外加两个帮助起振的电容，同时保持晶振信号稳定。

单片机运作时如遇突发情况，如掉电、死机等，需要重新启动单片机或者使单片机初始化达到单片机正常运作目的。在STC89C52上9号引脚即为复位引脚(Reset)。查阅资料显示，STC89C52单片机只需要在9号引脚接高电平持续2 μs即可实现对单片机复位,因此当系统上电时，电容充电，电容两端电压升高，9号引脚接收到高电平信号。而当手动复位时，手动按下开关S1，9号引脚直接接电源，从而高电平复位。

对于整个系统，由光电检测电路、电机驱动电路、振荡电路、复位电路共同组成，如图4所示的电路系统，以达到驱动电机追踪太阳光的目的。

图4 整体电路系统结构

4 步进电机驱动程序

步进电机不能直接接到直流或者交流电源上，其驱动需要有脉冲控制，即每次给一相脉冲信号，依次发出四相脉冲信号，即可完成电机一个步进角。该程序同时也为整个程序的主程序，在主程序中，对模数转换芯片采集并转换后的模拟量信号进行对比，将AIN0与AIN1口即Read ADC(0)与Read ADC(2)接收到信号进行对比，当其中一方大于另一方时，即可视为阳光对于两个光敏电阻的光照强度不一致，即太阳能电池板需要改变方向以追踪太阳光，即可驱动步进电机转动完成。

5 结语

该研究采用 STC89C52单片机作为整个系统的控制核心，以光敏电阻加PCF8591芯片为光电采集电路，以步进电机及ULN2003芯片为驱动。完成了一个基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统。

该系统采用反馈控制系统，使用光敏电阻来检测光强变化，光敏电阻由于光照阻值发生变化后与其串联部分的10 kΩ电阻分压，PCF8591芯片采集光敏电阻与10 kΩ电阻中间电压值，后将信息以串行数据的方式使用I2C总线通讯传入MCU内，MCU对数据进行分析对比后，选择对步进电机驱动芯片发出脉冲信号驱动电机朝向光照较强的方向转动，当光的方向变化或者转动过度时光敏电阻变化继续推动步进电机转动，以完成对阳光跟踪目的。分析得知，设计的太阳能电池板追光系统的控制稳定性较好，具有很好的应用价值。