选-基于单片机的双轴太阳能跟踪系统的设计_王国龙

基于单片机的双轴太阳能跟踪系统的设计王国 龙（ 西 南 交 通 大学 四 川 成 都 611756）摘要 为了 解决 太 阳 能工 程 项目 中 光 伏 效率 不 高 的 问题 ， 设计了 双 轴太 阳 能 跟踪 装置 ， 该系统 采 用 视日 轨 迹跟踪 方案 。 文中 着重 分析了 双 轴 跟踪 的 原 理 及 其 系统组成 ， 利用 光 伏 元 件 和 STC89C52单片 机实 现 大 范 围 太 阳 跟踪 ， 液 晶 显示屏 实时 显示 最 佳 接收方位 角 及 温 湿 度 。 在 光 线 充 足的 天 气 条 件 下 ， 跟踪 装置自动 旋 转 并 始 终 保 持 太 阳 光 垂 直 照 射在 太 阳 能 电 池 的表面 。 在 阴雨 天 或 夜 间 等 光 线 不 足的 条 件 下 系统 停 止 跟踪 太 阳转 动 。 整 个 系统 不 需 要 任 何 外 部 电 源供电 ， 实 现 对 太 阳 的 高 精度 跟踪 ， 并 且 使系统具 有 较 强 的 抗 干扰 和 运 算 能 力 。关键词 单片 机 ； 自动 跟踪 ； 光 敏 电 阻 ； 太 阳 能 电 池 ； 步 进 电 机中图分类号 TP18 文献标识码 A 文章编号 1674－ 6236（ 2013） 15-0171-03Design of two -axis solar tracking system based on MCUWANG Guo-long（ SouthwestJiaotongUniversity ， Chengdu 611756， China）Abstract In order to solvethe low efficiency of solar projects in the photovoltaic， designthe solar tracking device of biaxial ，which dependson the trajectory tracking schemeusing the system.This paperfocuseson the analysisof the principle and systemcomponentsof the two-axis tracking； awide rangeofsolar tracking is achievedwith a photosensitiveelementand STC89C52， andLCD display real-time optimal reception of azimuth and temperatureand humidity. In sunnyweatherconditions， surfacetrackingdevice rotatesautomatically and keeps the sun radiating on the solar cell. In the rainy day or night and low-light conditions ， thesystemstops tracking the sun， reducing energy consumption.The systemdoes not require any external power supply. Achievehigh-precision tracking of the sun， andthe systemhasastronganti-interferenceand computingpower.Key words MCU； automatic tracking； photosensitive resistance； solar cell； stepping motor收稿日期 2013-04-09 稿件编号 201304105作者简介 王国 龙 （ 1991）， 男 ， 黑 龙 江 龙 江 人 。 研究 方向 电 磁 场 与 微 波 、 电子电 路 设计 。太阳能作为一种新型清洁能源 ， 受到了世界各国的广泛重视 。 目前太阳发电方式主要有塔式发电 、 碟式发电 、 光伏发电等 ， 均为固定安装 ， 无法保证太阳光实时垂直照射 ， 导致太阳能资源不能得到充分利用 。 如何最大限度的提高太阳能的利用率 ， 仍为国内外学者的研究热点 。 解决这一问题应从两个方 面 入 手 ， 一 是 提 高太 阳 能 装置 的 能 量转 换 率 ， 二是 提 高太阳能的接收效率 ， 前者属于能量转换领域 ， 还有待研究 ， 而后者利用现有的技术则可解决 。自动太阳跟踪控制系统在实时跟踪太阳旋转的情况下 ，可接收到更多的太阳辐射能量 ， 从而提高太阳能电池板的输出功率 ， 该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用 [1]。 有人研究了太阳光角度与太阳能接收率的关系 ， 理论分析表明 太阳的跟踪与非跟踪 ， 能量的接收率相差 37.7， 精确的跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高 ， 进而提高了太阳能发电系统的太阳能利用率 ， 拓宽了太阳能的利用领域 。1 总体设计思路1． 1 双轴独立太阳能自动跟踪系统功能简述根据 目 前太 阳 能 技术 发 展 特 点 以 及 国 内 外 光 伏 发 电 系统的发展状况 ， 以及针对现阶段太阳能光伏发电系统普遍存在的效率偏低的现实 [2]。 文中研究并设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统 。 具体的设计目标如下 1） 双轴 系统采用两个步进电机来 控 制 太阳 能 电 池在 水平和垂直两个方位自由的移动 。2） 独立 系 统无 需 任 何外 部 电 源 供 电 ， 其 工 作 所 需 的 能源完全来自于自身太阳能电池发电和铅酸蓄电池的储能 。3） 自动 太 阳跟 踪 系 统的 运 行 无 需 人 工 手 动 调 节 ， 而 是利用太阳位置传感器实时监测太阳方位并且跟踪太阳旋转 。4） 控制 保持太阳能电池最大限度地接受太阳光照射的照射 。这个 装 置最 大 的 特点 就 是 让 太 阳 能 电 池 随 着 太 阳 位 置的变 化 来 自动 实 时 调整 方 位 始终 保 持 太阳 能 电 池 接 受 太 阳光 的 垂 直照 射 ， 避 免了 余 弦 效应 的 影 响 ， 可 以 最 大限 度 地 提高太阳能电池的发电效率 [3]。 在阴雨天或夜间等光线不足的条 件 下 步进 电 机 停止 工 作 ， 系统 停 止 跟踪 太 阳 转动 ， 以 降 低能耗 ； 出现大风天气时 ， 装置自动报警 ， 保证系统安全 。 同时 ，人机操作界面上安装了液晶显示屏 ， 实时读取最佳接收方位电子设计工程Electronic Design Engineering第 21 卷Vol.21第 15 期No.152013 年 8 月Aug. 2013－ 171－ 电子设计工程 2013 年第 15 期角度 、 电 机 转动 速 度 以及 温 湿 度 ， 极 大 地 丰富 了 功 能的 多 样化 。 装置原理示意图如图 1 所示 。1.2 光伏跟踪原理根据基尔霍夫 - 菲涅尔公式 ， 当太阳照射的法线与光电池的感光面的法线一致时 ， 接收到的光通量最大的原理 ， 使用位置传感器可以调节光敏面的角度实现最大光通量接收 ，如图 2（ a） 所示 [4]。成像 机 构 的水 平 轴 指向 东 西 方 向 ， 垂 直 轴 指 向 南 北 方向 ， 太阳光通过成像机构顶端小孔在接收屏上投影为太阳光斑 ， 光斑在接收屏上的位置与太阳在天空中的方位有密切关系 ， 如图 2（ b） 所示 。当太阳光线垂直照射光伏电阻时 ， 设光斑所在的位置为中心 O（ 0， 0）， 设某时刻太阳光线在坐标轴上的位置为 X（ xi，yi）， 调整太阳光光斑与 O 点重合 ， 水平和 垂直 方 向 需要 分 别调节 1） 依据太阳光斑在水平坐标轴上的位置 ， 即算出步进电机在水平方向上需要转动角度 α ， 此角为光斑所在位置与 O 点的连线与正西方向的夹角 ， 当系统在水平方向上顺时针转过 α 后太阳光斑的位置为 x’， 由于太阳的运动方向为自 东 向 西 ， 根 据 接 收光 屏 的摆放位置 ， 太阳光斑只能在第 III 至第 IV 象限之间运动 ， 所以 α 的计算方法如式所示 。α 180 -arctan（ |yi|/|xi|） X 在第 III 象限 （ 1）α arctan（ |yi|/|xi|） X 在第 IV 象限 （ 2）由上推导可得 ， 太阳方位角 φ s 为 φ s-90 -arctan （ |yi|/|xi|） X 在第 III 象限 （ 3）φ s90arctan（ |yi|/|xi|） X 在第 IV 象限 （ 4）2） 根 据 X′ （ x2i y2i姨 ， O） 可 以 计 算 出 接 收 屏 在 垂 直 方 向要转动的角度 β 后 ， 太阳光斑回到 O 点 。 此时太阳光线垂直于成像机构的接收屏 ， 太阳高度 hs 与 β 关系为 hs90 - β arctan（ H/ x2i y2i姨 ） （ 5）2 硬件设计整个 系 统硬 件 设 计分 为 太 阳 自 动 跟 踪 系 统 和 光 伏 电 源系统的硬件设计两大部分 。 硬件结构图如图 3 所示 。各硬件所实现的主要功能如下 1） 光伏传感器检测光照强度以及太阳光入射角度 ；2） A/D 转换器完成太阳光检测信号的采集 ， 并输出及放大信号的模拟输入量 ；3） 单片 机 STC89C52接收 到 信 号后 ， 控 制 步进 电 机 自 动调节接收屏的方位至最佳状态 [5]；4） 步进 电 机在 水 平 和垂 直 方 向 运 行 速 度 可 通 过 电 位 器调节 ；5） 液晶 显 示屏 显 示 日期 、 时 间 、 温湿 度 、 方 位 角 度 、 高 度角以及电机转动速度 ；6） 太阳 能 电池 板 主 要将 太 阳 能 转 换 为 电 能 并 输 送 给 充放电控制器 ；7） 充放 电 控制 器 主 要对 蓄 电 池 组 进 行 充 放 电 控 制 以 及直流电能的输出 。3 软件设计设计中的软件采用模块化程序 ， 设计在本次设计中实现分块 逐 渐 ， 在对 每 个 单独 进 行 程序 修 改 时不 影 响 全局 ， 同 时降低编程的工作量和调试的难度 。主要 流 程如 下 系 统首 先 初 始化 ， 对 程 序 中 的 变 量 值 初始化 。 首先判断风速是否大于设定值 ， 当未达到条件时 ， 系统自动报警 ； 当达到条件时 ， 继而读取四个位置的光电信号 ， 判断 光 照 强度 是 否 达到 启 动 标准 如 果 未达 到 条 件 ， 重 复 读 取光电信号 ； 达到设置值后 ， 1602 液晶显示屏显示当前时间和温湿度 。 此时 ， A\D 转换器输出光电信号 ， 将太阳的高度角和方 位 角 转 换 成 步 进 电 机 所 要 转 动 的 步 数 和 方 向 。 在STC89C52单片机控制下 ， 步进电机在水平和垂直方向转动 ；当转到制定方位后 ， 根据由光伏传感器通过信号处理后的信号 ， 来判 断 太 阳光 是 否 垂直 照 射 接收 屏 ， 若 没有 到 达 最 佳 方位 ， 则需要修正方位角 ， 直至达到最佳入射方向 ， 继而命令即光斑在原点 O（ 0， 0）； 系统进入休眠状态 。 软件流程图如图 4所示 。图 3 硬件结构图Fig. 3 The hardware structure图 1 装置原理图Fig. 1 Principle diagram of the device图 2 接收屏上光斑位置示意图Fig. 2 Receiving light spot position diagram on screen－ 172－4 结束语文中 设 计的 双 轴 太阳 能 跟 踪 系 统 采 用 实 时 自 动 独 立 跟踪和光伏检测跟踪相结合的跟踪方式实现 。 结合实时独立自动跟踪与光伏跟踪各自的优点 ， 克服了单一控制及定时固定装置的缺点 ， 并且以基于 STC89C52单片机为控制器的核心芯 片 ， 使控 制 器 具有 高 速 计算 功 能 、 快速 处 理 能力 和 低 干 扰性 [6]。 通过硬件与软件抗干扰的结合 ， 完善系统监控程序 ， 设计稳定可靠的单片机复位系统是完全可行的 。综上所述 ， 文中的太阳能跟踪装置可以精确地对太阳的方位角和高度角进行实时快速准确的跟踪 ， 具有较高的稳定性 ， 即 使在 天 气 变化 比 较 复杂 的 情 况下 该 系 统 也 能 正 常 工作 ， 有利于提高太阳能的利用效率 。 在技术上运用了数据融合 的 方 法 ， 避 免 了 单一 传 感 器检 测 带 来的 随 机 误差 ； 各 传 感器均实时自动检测 ， 实现了光电信号的动态监测和装置的动态调节控制 。在未来的发展中 ， 自动独立太阳能跟踪装置的精度愈加准确 、 稳定愈加可靠以及智能愈加先进 。参考文献 [1] 杨 志 成 ， 柳 浩 ， 孔 祥 斌 . 基于 DSP的 太 阳 能 跟踪 控制系统研究 [J]. 计 算技术 与自动化 ， 2011， 30（ 2） 23-26.YANG Zhi-cheng， LIU Hao， KONG Xiang-bin. Research ofSolar tracking control system based on DSP[J]. Journal ofComputation Technologyand Automation， 2011， 30（ 2） 23-26.[2] 祝 玉 华 ， 石 凤 良 ， 李 力 猛 . 太 阳电 池 及 光 伏 发 电 [J]. 中国现代 教育 装 备 ， 2008（ 6） 54-55.ZHU Yu-hua， SHI Feng-liang， LI Li -meng. Solar cells andphotovoltaic power generation[J]. Journal of Chinese ModernEducation Equipment， 200854-55.[3] 谷 延 霞 ， 谷 艳 云 . 光 伏 发 电 现 状 分 析 及 发 展 对 策 [J]. 山 西建 筑 ， 2013， 3（ 39） 199-201.GU Yan-xia， GU Yan-yun. Photovoltaic current situationanalysis and developmentcountermeasure[J].ShanxiBuilding ，2013， 3（ 39） 199-201.[4] 郭 晶晶 . 太 阳 光 线 自动 跟踪 装置 [D]. 沈阳 沈阳 工业大学 ，2007.[5] 易 丽 华 ， 黄 俊 . 基于 AT89C51单片 机与 DS18B20的 温 度测量 系统 [J]. 电子 与 封 装 ， 2009， 5（ 9） 39-43.YI Li -hua， HUANG Jun. Tmperature measurement systembased on the AT89C51 MCU and DS18B20[J]. Journal ofElectronics and Encapsulation， 2009， 5（ 9） 39-43.[6] 王 晖 ， 薛 永存 . 基于 MCS 51单片 机的 复 位电 路 抗 干扰 分析与设计 [J]. 现代电子 技术 ， 2006（ 8） 113-114.WANG Hui ， XUE Yong-cun. Reset circuit anti-interferenceand design Based on the analysis of MCS 51 single chip[J].Modern electronic technology， 2006（ 8） 113-114.图 4 软件流程图Fig. 4 Software flow chart艾法斯为其 TM500 LTE-A 测试移动终端新增对多用户设备载波聚合的支持艾 法 斯 控 股 公司 旗 下 的 全 资子 公司 艾 法 斯 有 限 公司 （ Aeroflex Limited ） 日 前 宣布 推 出 支 持 在 多 个 移 动 终端 或 用 户 设 备（ UE） 上 实 现 载波 聚 合 的 TM500 Multi-UE LTE-A 测试 移 动 终端 。 载波 聚 合 是 LTE-A 的 关键 组成 部 分 ， 它 允 许 由 邻 近 或 不 邻 近的 频 段 叠 加 在 一 起 组成 多 载波 ， 从 而 实 现 更 宽 的 信 道 带 宽 和 更 高 的数 据 速 率 。TM500 测试 移 动 终端 平 台 是 验 证 LTE 和 LTE-A 基 站 或 者 eNodeB 的 事 实 行 业 标 准 。 Aeroflex 继续 与 移 动 运 营 商 和 领 先 的网络 基 础 设 施 供 应 商 合 作 ， 支持 他 们 继续 开发 并 开 始推 出 由 FDD 和 TDD 两种 运 行 模 式 的 LTE-A 所 支持 高 宽 带 服 务 。咨询编号 2013151013欢迎订阅 2013 年度 电子设计工程 （ 半月刊 ）国内邮发代号 52-142 国际发行代号 M2996 订价 15.00 元 /期 360.00 元 /年““““““““““““““““““““““““““““““““““王国 龙 基于 单片 机的 双 轴太 阳 能 跟踪 系统的设计－ 173－