單片機(jī)光伏板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究

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摘要：現(xiàn)代社會(huì)對(duì)綠色能源的需求與日俱增，太陽能因其環(huán)保、綠色、可再生，而且分布范圍廣，具有廣闊的利用前景。由于固定方式安裝光伏板導(dǎo)致太陽能利用效率低，一直影響著太陽能技術(shù)的應(yīng)用效率。太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新方法，從而提高了太陽能的利用效率。設(shè)計(jì)中采用光電跟蹤的方法，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由光電傳感器感受太陽的位置并發(fā)送至單片機(jī)中，單片機(jī)通過對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平方向控制，調(diào)整太陽能電池板的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤。

關(guān)鍵詞：太陽能；跟蹤；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

1概述

隨著常規(guī)能源資源的有限性和不可再生，使世界上許多國(guó)家重新加強(qiáng)了對(duì)新能源和可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持。煤炭巨量消費(fèi)已成為我國(guó)大氣污染的主要來源。我國(guó)具有豐富的太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿刃履茉春涂稍偕茉促Y源，開發(fā)利用前景廣闊。目前太陽能利用最普遍的形式是通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，為了收集到盡可能多的太陽能，多數(shù)研究方案采取跟蹤方式，使太陽光收集器的采光面始終對(duì)準(zhǔn)太陽。本設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)簡(jiǎn)單的一個(gè)單軸跟蹤系統(tǒng)。

2本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)組成及工作原理以單片機(jī)為控制核心，采用光強(qiáng)度檢測(cè)電路測(cè)量，以光敏傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成光電測(cè)量模塊。該系統(tǒng)可分為電源控制模塊電路、光電測(cè)量電路、時(shí)鐘電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、單片機(jī)、LED顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。選用的主要器件有：光敏電阻，時(shí)鐘芯片74LS74，AT89C52，LED數(shù)碼管，步進(jìn)電機(jī)與轉(zhuǎn)換芯片ADC0809等。采集電路的設(shè)計(jì)思路：首先通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度后采集光敏電阻光強(qiáng)信號(hào)后進(jìn)行顯示并進(jìn)行記錄，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊板兩側(cè)，如果太陽光垂直照射太陽能電池板，兩個(gè)光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同時(shí)，它們的輸出信號(hào)相等，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)太陽光方向與采光板垂直方向不平衡時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值將減小，顯示的光照強(qiáng)度就會(huì)強(qiáng)于另一個(gè)傳感器輸出的信號(hào)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向光強(qiáng)度較高的一側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度信號(hào)相同，停止電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。當(dāng)系統(tǒng)處于光線較弱或夜晚時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)光照強(qiáng)度信號(hào)低于光伏板最低工作條件時(shí)，系統(tǒng)自行停止對(duì)光信號(hào)的采集和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到節(jié)約能源的目的。光強(qiáng)度采集傳感器如圖1所示。太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是通過對(duì)裝置機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)角度的精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽運(yùn)行軌跡的跟蹤。并且要求整個(gè)系統(tǒng)能夠全天候的自動(dòng)運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象位置角度的精確控制，并且對(duì)控制對(duì)象的移動(dòng)速度要求不高，因此控制部件首先考慮采用步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。

3本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的軟件程序部分使用了AT89C52的P0.0-P0.7和P1.0-P1.3口來進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的顯示，顯示所測(cè)得的當(dāng)時(shí)的太陽光強(qiáng)度，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止后，采集的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的跟蹤，首先要判斷是不是外面的光照很強(qiáng)，如果光照很弱的話，就需要外界一點(diǎn)很強(qiáng)的光源做模擬太陽光，準(zhǔn)備好以后開機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)設(shè)定好的角度后停止，采集這點(diǎn)的光強(qiáng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后顯示出此時(shí)的光強(qiáng)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，一直轉(zhuǎn)到一圈為止，通過之前采集的數(shù)據(jù)做一個(gè)對(duì)比，選擇出光強(qiáng)最大的位置后控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)回原來光照最強(qiáng)的位置停止。此次跟蹤系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。圖

4設(shè)計(jì)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件的調(diào)試，最后設(shè)計(jì)出了一塊成品。接通電源，A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行初始化設(shè)定，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度后停止，開始采集光強(qiáng)A/D轉(zhuǎn)換后顯示，電機(jī)再轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度后停止，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過一周以后時(shí)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出光強(qiáng)最強(qiáng)的位置，通過電機(jī)反轉(zhuǎn)到這個(gè)位置。根據(jù)查閱資料，得出光照強(qiáng)度并沒有一個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。在實(shí)測(cè)中，第一次測(cè)量的數(shù)據(jù)如表1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)12個(gè)角度時(shí)采集到的12組電壓，對(duì)比以后知道第一次測(cè)試的電壓第5組最大，那就說明在第5次采集的時(shí)候，光照強(qiáng)度最高，使光敏電阻的阻值最小，導(dǎo)致采集的電壓變大，第5次的位置就是太陽光照射的位置。第二次測(cè)量的數(shù)據(jù)如表2所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)12個(gè)角度時(shí)采集到的12組電壓，對(duì)比以后知道第二次測(cè)試的電壓第8組最大，那就說明在第8次采集的時(shí)候，光照強(qiáng)度最高，使光敏電阻的阻值最小，導(dǎo)致采集的電壓變大，第8次的位置就是太陽光照射的位置。

5結(jié)束語

本文的主要研究?jī)?nèi)容是基于單片機(jī)的光伏板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在前人研究的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的細(xì)化和實(shí)物設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)是將光電跟蹤方式和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式用一種新的方法（兩種方式同時(shí)采用，而非相互切換）結(jié)合在一起，提高了系統(tǒng)的追蹤精度、可靠性，降低了整個(gè)裝置的整體成本。

作者:閆星源 段宇凡 張航 楊昌登 蓋新鵬 任守華 李少飛 單位:1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 2.國(guó)網(wǎng)黑龍江大慶供電公司