基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统的设计

摘 要 在能源被过度消耗的今天，太阳能以其环保和取之不尽的特点作为新型能源得到了全球广泛的关注，其前景非常广阔。但是，使用太阳能也有着一定的局限性。太阳昼夜交替，太阳能只能是间歇使用；太阳位置和太阳光的强度随时间的变化而变化，固定接收太阳能的电池板装置接收的太阳能转化成电能的效率也是有着一定变化的，有时效率是非常低下的。所以，及时准确地确定太阳的位置是非常有必要的。近年来，基于单片机技术，以自动跟踪太阳光运转为目的的新型系统被科学界的研究所关注。这种新型系统能够在整个跟踪太阳光的过程中，自动地调整太阳能电池板朝向和记忆太阳不同时间的不同坐标位置，而且还能够自己更正。它的好处是有着成本低的简单结构，不需要人工调节。无人值守时，能够根据天气变化改变电池板朝向，从而能有效地提升太阳能的吸收转化率和使用率。

【关键词】单片机 光电检测电路 太阳跟踪定位 时钟电路

这种太阳能电池板自动跟踪系统是以单片机为核心，结合光电检测电路、跟踪定位系统这两个主要的结构，在此基础之上，还添加了时钟电路和控制单片机系统。太阳能电池板自动跟踪系统能够使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直，使电池板无论在晴天或阴天，对太阳能的转化都能够保持在一个基本的高值。

1 单片机的选取

本系统选取普通的AT89C52 单片机，因为对太阳运行轨道的计算量较小，所以选择普通的单片机就能够满足这里的计算要求。同时，AT89C52 单片机能耗较低，而又具有性能高的特定，片内有8k字节的可擦写存储器，4组I /O口。而且其价格较为低廉，这就降低了整个系统地成本。

2 光电检测电路

太阳跟踪系统的关键就是在于检测太阳光的最强的位置。太阳处于不停地运转的状态，因此在对其进行观测的过程中，不同观测时间和方位所观测到的阳光强弱也是不同的，所以，对太阳进行定位检测就显得尤为必要。

整个的光电检测电路是一件中间有一镂空圆洞的圆柱体组件。镂空圆洞的直径与光电二极管的直径相同，其作用就是让太阳光线从中通过。圆柱体内部包含9个光电二极管，其分布为圆圈状，8个二极管为1圈，并将其中一个居中放置。将单片机的输入端用在圆柱体的每一个光电二极管上，总共使用9个单片机。将这个圆柱体和太阳能电池板安装在一起时，光电二极管接收阳光照射的一面要和太阳能电池板要保持相对的平行。为了检测周围环境的亮度，将光电检测电路的圆柱体外壳部分，放置在太阳光线能照射到的地方，并加装一个光电二极管，此二极管的朝向要与圆柱体内的光电二极管朝向保持一致，从而使得外部光电二极管与圆柱体内光电二极管之间能够组成一个比较电路，该电路可以是LM324集成电路中的一个。在圆柱体的四周上下各放置间距一致的四个电阻，共8个电阻。调整电阻的阻值，运放就会在圆柱体内的光电二极管没有阳光照射的时后输出低电平，就能够对接到的输入端进行检测。然后这个装置就能够对太阳光线的朝向进行检测，之后就能判断出电机的转动方向。这个光电检测电路周围可以再增加一圈，这样能够增大光电二极管的检测范围。

3 跟踪定位系统

跟踪定位系统采用双轴机械跟踪定位系统。之所以设计成双轴机械跟踪定位系统，是为了从方位角和高度角两个方向上追踪太阳光。机械部分由电池板做为支架，两个安装轴承的转动轴，下方一个底座组成。整个系统的驱动由电机完成，电机的驱动力可以使电池板垂直90度方向和360度水平方向自由旋转。在两个安装轴承的转动轴上，各自固定一个大齿轮，再各配以一个小齿轮，用以连接传送带和电机。小齿轮需要进行转速比调整以降低大齿轮转速和电机的调整功率。两个大齿轮旁边，最好能够加装锁定装置。这个锁定装置的作用就是在方位角和高度角没有调整的时候，防止有除阳光之外的其他因素导致的方位角和高度角自行移动。将铁片安装在弹簧上，弹簧的另一头固定在大齿轮的轴心构成锁定装置以搜定齿轮。在齿轮旁的适当位置上安装一个干簧继电器，然后将两块小磁铁放置在小齿轮的对称位置上，磁铁是用来让干簧管闭合的，其经过干簧管的位置就需要不断地调整。单片机会对干簧管的信号进行判断、解读检测到的转动角度后，经过两路二极管和继电器，将方位角和高度角电机的正反转控制信号送出加在方位角和高度角这两个电机上，就构成了一个方位角和高度角的跟踪系统了。当单片机的正反转控制信号发出后，电磁闸被接通驱动，拉动铁片，锁定就能够解除了。

4 时钟电路系统

太阳光在各个时间点都是不一样的，这就要用到实时时钟计时，以弥补单片机长久计时的误差。系统使用串行实时时钟芯片DS1302，由DALLAS 公司生产，采用二十四时和十二时计时方式，且有年月日的表达方式。它的优点就是能够串行通讯而且能够实现与单片机接口。它是有主电源，同时还有备用电源管，能够持久供电。

5 系统工作原理

系统开机完成后立即校正时间，开始全自动地调整内部程序。如果是阴天，内部还未有正确的数据存储，系统就难以对太阳方位进行定位。此时，可人工使用手电筒或者光源来模拟太阳光进行定位，光源最好根据晴天阳光大致位置来照射。程序有了初始数据，就能够启动自动调整。晴天时，系统将会10分钟就校正一次阳光定位数据，同时对该数据进行记忆。方位角和高位角采用时和分共两个字节进行表示，存储到单位片制定的内存区。若阴天没有调整就没有数据的存储，系统会自发地将前一次调整成功时的位置进行调用。这样进行自动校正，就能够最大程度地减少太阳位置随着季节变化而变化所带来的误差，而且能够防止保持较高的电机利益率和电能转化过程中的消耗。

6 结语

太阳能作为可再生和环保能源，对于将来社会的发展有着重要作用。提高太阳能的转化率和利用率就成了当务之急。这款基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统能够对太阳进行定位，检测太阳光线的强弱变化，采用间隔记录的方式，实时地对时间和角度数据进行存储分析和调整，以便于在阴天时，也能够正确地转到正确的位置。这样一来，太阳能的利用效率就能够大大提高，就算在天气情况较为复杂的情况下，也能够较为准确地定位太阳位置。最重要的是，该系统成本较低，准确率较高，适合推广使用。

参考文献

[1]仓思雨，孙建明，王忠军，张兰红.基于单片机控制的太阳自动跟踪系统设计[J].盐城工学院学报（自然科学版），2014（02）.

[2]李仁浩，刘松，杨帆，刘佳川.液压式太阳能光伏发电自动跟踪系统研究与设计[J].硅谷，2013（13）.

作者简介

施秉旭（1985-），男，山东省德州市人。现在供职于德州职业技术学院。研究方向为电子技术、太阳能光电应用技术。

作者单位

德州职业技术学院 山东省德州市 253034