太阳能跟踪控制器设计

摘 要：本文对太阳能跟踪系统进行了自动跟踪系统控制部分设计。系统采用光电检测追踪实现对太阳光线的跟踪，从而提高太阳能的利用效率。

关键词：太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 08-0000-01

一、太阳能自动跟踪系统总体设计

（一）光源检测方案的确定

1.视日运动轨迹跟踪

不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。

在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。

优点：精度高，不受环境因素影响，但是不同地区需要设置不同的初始值，。

缺点：系统复杂，但是不同地区需要设置不同的初始值，太过于复杂。

2.光电跟踪

光线在同种均匀介质中沿直线传播，不能穿过不透明物体而形成的较暗区域，形成的投影就是常说的影子，地球每天不停的自转，同时它要围绕太阳作公转，因此，地球和太阳的相对位置是在不停的变化，太阳光照射在地球上的影子也随之变化。因此，如果在地球上的某个位置放置一个不同透光的物体，那么，这个物体在太阳光的照射下就会产生影子，而这个影子的长度也会随太阳和地球空间位置的相对变化而产生变化。

我们将影子的变化转换为电压的变化，并且通过调节机械部分来调节影子的变化从而达到调节电压的变化达到我们的目的，这样也可以构成一个闭环系统。这样一来我们就考虑用光敏行性器件来检测太阳的变化从而实现光电跟踪。

优点：成本低，思路简单，容易实现。

缺点：容易受阴天雨天的影响。

3.采集传感器的选择

方案一：采用光敏电阻作为轨迹的采集器件。光敏电阻的值能随光强的变化而变化，光敏电阻的测量灵敏度较高。

方案二：采用高灵敏度的光敏二极管作为轨迹的的采集器件。光敏二极管产生的电流小，灵敏度较低，响应速度较慢。

方案三：光敏三极管灵敏度高，但是容易达到饱和区，影响检测。综合考虑，为了提高系统的灵敏度，我们选择第一种方案。

二、控制器部分

（一）单片机的选择

因为检测电路得到的信号为模拟信号，为了电路的简化，我们选用带有模数转换的单片机，在设计中我选择了STC12C5410AD单片机，STC12C5410系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。8路高速10位A/D转换。工作电压：5.5V～3.8V（5V单片机），工作频率范围：0～35MHz，用户应用程序空间10K字节，E2PROM功能。

运用STC12C5410AD单片机的输入/输出接口P1.0定时采集差动运算放大电压信号环用P1.1采集环境光强电压信号和，分别将这些数据存储于数据存储器中，在程序中会用到。STC12C5410AD单片机片内的时钟产生方式采用的是内部时钟方式，即在XLAT1和XLAT2两引脚间外接石英晶体和电容构成一个自激振荡器，从而向内部时钟电路提供振荡时钟。震荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在1.2～12MHz之间任选。通过改变电容C1、C2的值进行微调，通常取30pF左右。本设计中晶体的振荡频率取11.0592MHz，电容的值取30pF。

控制部分是最核心的部分，控制部分是要将采集信号部分和可控制电机部分相连接的部分。

（二）A/D转换程序的设计

因为太阳能电池板和太样垂直后，电机停止转动，而太阳还在运动这样就会使采集信号发生变化，如果立即进行更正，电机就需要转动，这样一来电机频繁的转动，一方面能量损耗较大另一方面会影响电机的寿命和机械部分的寿命。所以允许有一定的误差，这样能保证系统正常的工作，也能提高电机和机械部分的寿命。

太阳能电池板和太阳垂直时，差动运放电路的输出的电压是2.5V，经过实际实验，当太阳能电池板和太阳光线夹角超过2度是，电压变化是0.2V，这样一来我们就可以设置一个范围，当电压值大于2.7V是电机正传，当电压小于2.3V时，电机反转，当电压小于2.7大于2.3是电机不转，延时后在进行判断。带有模数转换的单片机将0V到5V电压进行转换为0―255，这样一来我们只需将转换的数字量与不同电压范围对应的数字量进行比较就可以实现自动跟踪。

其中延时程序一是因为在黑夜有外部光源影响，系统判断失误使太阳能电池板转动，但是当影响光源消失后系统又自动复位，这样会减少系统寿命和浪费能量，所以当光强达设定的阀值上限后，延时2分钟，判断光强是否还在阀值上限，如果在那么可以认定天亮了，在这以后再让系统工作就可以更合理。

设定延时程序二是因为当太阳能电池板调整的和太阳管线垂直后，为了使电机不过于频繁的工作而设定的，因为太阳相对于地面1小时转动15度，也就是4分钟转一度，所以延时1分钟，和上边的2分钟一起共3分中检测一次，这样可以保证尽量的去掉非太阳光的光源影响，太阳落山后，光强低于阀值，延时后系统给步进电机固定的脉冲，是系统缓慢的复位，这样可以使系统更佳合理的运行。

（三）控制步进电机电路

以太阳能电池板为例，固定形式的太阳能电池板一天7小时的发电量为1200W左右，其他形式可转动的发电装置一天的发电量可以达到1600W，提高了30%，所以太阳能跟踪控制器设计在太阳能利用方面有很大的前景。

四、结语

本文设计了基于单片机的太阳照射角度的自动跟踪系统，该系统能够实现对太阳的双向跟踪（东西向、南北向）。

参考文献：

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