基于单片机的双轴太阳能跟踪系统设计

　　摘要：基于STC12C5A60S2单片机设计的双轴太阳能跟踪系统由传感器模块、电机驱动模块以及控制模块组成。传感器模块使用硅光电池并结合简单结构模型对太阳光光强进行采样，控制模块使用STC12C5A60S2单片机为核心对采样结果进行处理后控制直流电机以实现太阳跟踪的目的。简单实验结果显示本系统可在指定时间内通过光强的强弱判断是否进入跟踪模式。本系统结构简单、价格低廉为双轴太阳能跟踪系统提供设计参考。

　　关键词：STC12C5A60S2单片机;硅光电池;直流电机;太阳跟踪

　　在这个世界经济、人口飞速发展的时代，能源的消耗日益严重，如何开发和利用新型能源已经成为人们思考的重要问题。近些年人们也逐渐将目光关注在天然、无污染的太阳能源上。其永不衰竭、清洁环保、且发展前景非常广阔的特点，受到了世界各国的青睐，也成为各国竞相开发的绿色能源[1-3]。很久以前对太阳能的利用早就步入了人们的生活中，如最常见的太阳能热水器。这类装置对太阳能的利用上采用固定太阳能采样板，其利用率往往比较低。

　　为了充分提高太阳能利用率可以从两个方面入手：一是提高太阳能装置对太阳能的转换率，二是提高太阳能的接收率，前者属于能源转化领域，还有待研究，而后者可以利用现有技术和算法可以得到一定解决[4-6]。所以为了解决固定跟踪精度较低、成本较高等问题，本系统在跟踪方式上本采用间隔跟踪与特定时间段实时跟踪相结合的混合跟踪方法。

　　该跟踪系统根据当地时间和光照强度判断是否进入跟踪模式，避免夜晚和阴雨天对太阳的跟踪以减少能源的消耗[8，11]。该双轴跟踪系统在光照强度十分强烈的正午时会进入实时跟踪模式，且实时跟踪算法采用PID增量式跟踪算法能较为准确的对太阳实时角度进行跟踪。

　　1系统结构设计

　　1.1系统物理结构设计

　　太阳能跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪，为了更高效的利用太阳能，该系统使用双轴跟踪模型，可知底座部分放置1号电机控制采样板水平角度转动，支撑轴处2号电机控制太阳能采样板垂直方向转动，从而实现在光照强度十分强烈时对太阳角度的实时跟踪。

　　1.2系统硬件结构设计

　　根据太阳跟踪的原理该系统在硬件模块上可主要分为3个部分，其功能如下：

　　1)传感器模块：使用硅光电池和LM324集成运放组成的采样电路，并结合简单的物理结构将太阳光强转化成电压供给单片机采集，以判断太阳方位。

　　2)控制模块：基于STC12C5A60S2单片机和时钟电路所组成的控制电路。单片机通过读取到的时间来判断是否进入间隔跟踪和实时跟踪。在精确追踪方面单片机利用自带ADC模块获得采样电路的电压差，使用PID增量算法计算出采样板偏离太阳角度，并根据偏移角度输出相应占空比的PWM信号给电机驱动电路完成对太阳角度的跟踪。

　　3)电机驱动电路模块：根据不同占空比的PWM信号控制电机的转速，使两个直流电机能够平稳的对太阳角度进行跟踪。为了更好的观察系统运行状态和实验结果，在该系统加入了MPU6050陀螺仪和OLED液晶显示屏等辅助模块，该辅助模块更直观的显示传感器电路所在的角度、当地时间、系统运行模式等。

　　1.3传感器模块结构设计

　　传感器模块是太阳能追踪的关键部分，其使用带有遮挡的四象限模型模型设计，其外围设有一定高度的挡板，当太阳斜射到采样电路上时由于挡板遮挡的关系会导致对应象限上硅光电池的电压发生变化。当第1、3象限电压不等时即Vy≠0V，相应系统会调整电机转动使得采样板对光照强度进行补偿，直至1、3象限电压相等。

　　同理2、4象限电压不等时即Vx≠0V，电机也会做出同样操作。所以当Vx=Vy=0V时太阳直射传感器模块，此时获得最大的光能利用率[13]。

　　2系统硬件设计

　　2.1STC12C5A60S2单片机

　　STC12C5A60S2单片机工作电压为5V，且在电机控制方面有较强的抗外界干扰能力，并且具有较大的RAM，更重要的是其拥有8路10位高精度、高速率的A/D转换功能，同事具备了两路可调PWM输出，可以极其方便的对采样电路进行电压采集并控制电机的转动。

　　2.2DS1302时钟芯片

　　由于所选单片机内部没有自带时钟系统，所以需要外部接入时钟系统提供时间给单片机才能完成间隔时段跟踪，而本系统在时钟芯片上选择DS1302时钟芯片。该芯片的电路不仅电路设计上简单且在与单片机通信时占用引脚少。且该芯片工作电压与所选单片机工作电压完全兼容。

　　2.3采样电路

　　实际的使用过程中光电池输出电压一般较小，这样不利于信号的采集和处理，所以在本工程中使用LM324运放芯片放大信号。LM324拥有4路带差动输入的运放，可同时在本工程中对4组光电池进行采样[10，16]。

　　2.4直流电机及驱动芯片

　　由于所选控制芯片拥有两路PWM调制输出，使得其可以直接驱动两路直流电机，所以本系统使用L298N驱动芯片实现对两路直流电机进行控制，该驱动芯片使用的是双H桥电机驱动，且每个桥的输出电流可以达到2A。该芯片在驱动部分的电压使用范围是2.5~48V，而在与单片机相连接的部分使用的是5V的TTL电平。

　　在电机的选择上使用直流减速电机。在实际过程中该系统选用减速比较大的TT马达，该电机转速为100转/分钟，扭矩大小为4500mg∗cm，其强扭矩可以在系统停止时固定太阳能采样板。且该电机的是强磁电机，抗干扰能力较强。

　　2.5MPU6050陀螺仪

　　该陀螺仪模块拥有三轴的加速度和角速度传感，使用时引脚接口简单、体积也很小巧、使用IIC接口与单片机通信，占用引脚少。但是该模块缺点是精度较差，MPU6050模块的加速度本身的精度不高，在静止的情况下，测量出的角度精度也只能在1°左右。可以较为准确得到采样板的角度信息。

　　2.6液晶显示屏

　　OLED显示模块价格便宜，而且发光效果是没有死角的。它与上述陀螺仪一样同样使用IIC通信，与单片机通信占用引脚少，使系统运行状态和时间信息得到很好的显示。

　　3软件设计

　　3.1PID增量式算法

　　在本系统中选择使用PID算法来控制电机转速，其算法在处理偏差时本质上就是将系统偏差分为比例、积分和微分3个部分处理处理，以达到控制效果。PID分为3个单元，即：比例单元P、积分单元I、微分单元D[4]。第一部分是比例项，其在该算法中必要存在，在控制中它将输入信号按照所需的比例进行放大。第二个部分则为积分单元，该部分主要使用积分计算，它能使系统当时所产生的误差随着时间的积累慢慢的变大或是变小，就这样当系统远离设定值时误差会随时间而增大，反之当系统到达预定值后该项就不会再改变且计算结果为零。

　　所以这样使用积分算法可以有效的减小稳态误差。算法最后一个单元为微分单元，其主要通过微分运算处理误差信号，一般适用于一些在运动上由于惯性作用而出现的延迟和超前现象。而在本系统中使用的直流减速电机虽然具有较大的减速比，但是还不足以使系统产生严重的滞后效应，所以在本跟踪系统中也无需使用微分单元。

　　3.2系统工作流程图

　　光电池首先将太阳光信号转化成电信号，再由单片机进行采样并计算，采样信号经过软件滤波后作为增量式PID算法的输入参数进行计算，而增量式PID算法的输出值作为单片机PWM信号的输入参考值。在电机方向的控制上，通过比较东西方向或南北方向的电压差来判断电机的转动方向，最后使用单片机的PWM输出端作为L298N的逻辑控制输入，并控制电机的转速。而在光强的判断上采用强光照射时光电池电压作为电压阈值与正常工作时4个光电池平均电压比较来判断天气情况。

　　若达到可跟踪天气，且达到可实时跟踪的条件则不对时间进行判断，直接进行实时跟踪。若没有达到实时跟踪的条件就根据单片机读取的时间和上次记录的停止时间进行判断是否进行跟踪，开启间接跟踪的时间间隔可以根据软件进行设定。且系统在间隔跟踪模式下完成跟踪后自动停止并记录停止时间。本太阳能跟踪系统以此完成间隔跟踪和实时跟踪的切换。

　　4结束语

　　本太阳能系统的优点在于能对太阳角度进行较为精确的跟踪，能够实现太阳角度的全方位跟踪，可根据光照强弱自动进行间隔跟踪或实时跟踪。更重要的时此系统结构简单，所使用芯片也较为大众化，并且价格低廉，可以较好地作为大型太阳能跟踪系统的模型。

　　但此系统也有着一些不足，如跟踪系统没有防水、防风、防尘等设施，所以在室外工作会受环境影响较为严重。且在MCU的性能上还有待不足，所以若要使跟踪精度更加精确可以使用如STM32、FPGA等运算速度较快的单片机。同样为了防止太阳跟踪过程中采样板的抖动情况可以使用更稳定的电机驱动芯片。本跟踪系统在性能上完成对太阳角度的跟踪，同时也为其它太阳能跟踪系统的设计提供参考。

　　参考文献：

　　[1]施凤鸣，杨冠鲁.采用PLC的太阳能电池板自动跟踪控制[J].宝鸡文理学院报：自然科学版，2012，32(3):56-60.

　　[2]黄欣.电子电力变压器在光伏发电系统中应用研究[D].湖北:华中科技大学，2012.

　　[3]李子瑜，基于全桥结构的三相逆变器并联技术研究与设计[D].四川:电子科技大学，2013.

　　[4]娄丽萍.基于dsPIC30F的移动式太阳能自动跟踪系统的设计[D].天津:天津大学，2012.

　　[5]胡勋良，强建科，余招阳.太阳光跟踪器及其在采光中的应用[J].电子技术，2003，30(12):8-10.

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