向日葵追光系统的设计

向日葵追光系统的设计李宗涛 王清（山东菏泽学院机电工程系，山东菏泽 274015 ）摘要： 向日葵追光系统是提高太阳能电池板、 太阳能热水器、太阳灶等对太阳光能利用率的装置。向日葵追光系统由控制模块、检测模块、执行模块、储能模块四部分组成。 其中检测模块主要是通过检测光敏电阻是否处在遮蔽物的阴影下来给单片机传递信号；控制模块通过单片机自动控制与其他三个模块协同作用，实现装置的追光功能。关键词： 向日葵追光；检测模块；单片机自动控制Design of the Sunflower Spotlight System Li Zong-tao Wang Qing(Department of electromechanical engineering , Heze University , Heze Shandong 274015,China) Abstract: Sunflower spotlight systems to improve the solar panels, solar water heater, ovens, etc. On the sun light energy utilization device. Sunflower spotlight system is a control module, inspection module, executive module, energy storage module four parts. Including inspection module mainly through testing photoconductive resistance is a shade of shadow down to microcontroller relay signals, Control module by microcontroller automatic control and three other modules synergy, realize the spotlight device functionality. Key words: Sunflower spotlight,Inspection module, Single-chip microcomputer automatic control 1 引言能源短缺是当今社会面临的一大严峻问题。根据目前国际上通行的能源预测， 石油资源将在 40 年内枯竭， 天然气资源将在 60 年内用光， 煤炭资源也只能使用 220 年。于是，充分利用现有资源和开发新能源成为解决能源问题的关键，而太阳能的开发利用日益受到人们的关注。但是，目前的太阳能电池板的放置位置都是固定不变的，而一天当中太阳与太阳能电池板的相对位置是时刻变化的， 这也就无法保证太阳能电池板时刻受到阳光直射， 从而使太阳光能的利用率大大降低。 为了提高太阳能的利用率， 我们做了向日葵追光系统，经实验测得 , 向日葵追光式太阳能比固定式太阳能提高30%的发电量 [1] 。向日葵追光系统是以 51 单片机技术为基础，工作时自动使太阳能电池板一直保持阳光直射状态，最大限度的利用太阳光能，并且工作可靠稳定，无噪声，占用空间小， 可以广泛应用于太阳能发电站、 太阳能路灯以及所有固定式太阳能电池板中。 同时， 还可以将本系统应用到太阳能热水器、 太阳能灶等所有应用太阳能的地方。2 系统总体设计2.1 总体结构向日葵追光系统是由控制模块、检测模块、执行模块、储能模块四个部分组成，其结构如图 1 所示。升压电路、充电电路检测信号 供电 供电步进电机图 1. 向日葵追光系统的结构框图控制模块是通过 STC89C52单片机自动控制实现的，检测模块是由两个光敏电阻和四个轻触开关组成的检测电路完成的， 执行模块是由两个步进电机和太阳能电池板支架组成的，储能模块包括升压电路、充电电路。2.2 工作原理及部分电路图2.2.1 执行模块为了使太阳能电池板能够一直与阳光垂直， 我们给电池板加了一个能够在水平竖直方向内转动的支架。 支架上装有两个步进电机， 竖直方向放置的步进电机可以带动太阳能电池板自东向西或者自西向东转动， 水平方向放置的步进电机可以带动太阳能电池板自上向下或者自下向上转动。这样就可以满足太阳东升西落，太阳直射角早晚小、中午大的运动规律。其实物图如图 2 所示。蓄 电 池 负 载太阳能电池板 控 制 器图 2. 太阳能电池板支架实物图控制器接收到检测模块传递的信号后， 会通过控制两个步进电机的转动使太阳能电池板一直与阳光保持垂直。两步进电机的驱动电路 [2] 如图 3 所示。图 3. 步进电机驱动电路2.2.2 检测模块众所周知， 有阳光的地方就有影子， 而且影子的方向沿着太阳光线直射的方向。 根据这一原理， 我们可以将影子与光敏电阻有效结合， 通过光敏电阻给控制器传递信号来控制步进电机的动作，从而实现太阳能电池板的追光功能。太阳能电池板的上下两个边的中点处各装一个光敏电阻。 在上边中点处的光敏电阻正前方装一个立式条状遮蔽物， 宽度略比光敏电阻宽； 在下边中点处的光敏电阻的正上方装一个条状遮蔽物， 遮蔽物的支架不可在光敏电阻的正前方， 遮蔽物的宽度略比光敏电阻宽。 太阳能电池板上边中点处的光敏电阻检测在东西方向上太阳能电池板是否处在阳光直射的方向， 而下边中点处的光敏电阻检测太阳能电池板在东西方向上处在阳光直射状态下是否与太阳光线垂直。 光敏电阻检测电路 [3] 如图 4 所示。IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77GND8 VCC 9OUT7 10OUT6 11OUT5 12OUT4 13OUT3 14OUT2 15OUT1 16U1ULN20 03IN1IN2IN3IN4VCCOUT1OUT2OUT3OUT4VCC12345J1MOTO1IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77GND8 VCC 9OUT7 10OUT6 11OUT5 12OUT4 13OUT3 14OUT2 15OUT1 16U2ULN20 03IN1IN2IN3IN4VCCOUT1OUT2OUT3OUT4VCC12345J2MOTO2图 4. 光敏电阻检测电路大家都知道， 太阳是东升西落的， 也就是说太阳能电池板在水平方向上的转动角度只有 180 度。于是我们在太阳能电池板支架的下边沿装有两个轻触开关，与水平方向的两个障碍物相配合使得太阳能电池板在水平方向上的转动范围为180 度。而太阳直射角从早晨到中午由 0 度到 90 度，从中午到晚上由 90 度到 0度。也就是说太阳能电池板从早晨到中午要转动 90 度，从中午到晚上要向相反的方向转动 90 度。于是我们在太阳能电池板的右边沿装有两个轻触开关，与太阳能电池板右边沿的障碍物相配合使得太阳能电池板在竖直方向上的转动范围为 90 度。轻触开关检测电路如图 5 所示。图 5. 轻触开关检测电路2.2.3 控制模块控制模块以一片 Atmel 公司的 STC89c52芯片为核心，接受检测模块传递的信号后， 通过对信号处理使两个步进电机动作， 从而保证太阳能电池板接受最大强度光照。控制模块的原理图如图 6 所示。OUT11-IN12+IN13GND4 +IN2 5-IN2 6OUT2 7VCC 8U3LM3 93R21KR61 KR11 KR51 KR41 KR81KR3 R7VCCP20P21R91 0KR1 010KS1S2S3S4P22P23P24P25图 5. 控制电路控制模块对水平方向上太阳能电池板追光的控制： 从早晨到晚上， 当太阳能电池板上边中点处的光敏电阻接受到光照后会给单片机传递信号， 单片机接受到信号后会使控制太阳能电池板在东西方向上转动的步进电机正转， 从而使太阳能电池板自东向西转动， 直到遮蔽物的阴影遮挡住光敏电阻， 这时光敏电阻又会给单片机传递信号， 单片机此时会使步进电机停止转动。 这样， 太阳能电池板在东西方向上就处在了最大光照强度之下。 到了晚上， 当太阳光照强度低于一定值之后， 步进电机就一直处在停止状态下， 并且太阳能电池板朝向正西方。 第二天早晨， 当太阳光照强度高于一定值之后， 光敏电阻给单片机传递信号， 这时步进电机会继续向西转动， 但是转动一定角度后太阳能电池板就会触动水平方向上的轻触开关， 单片机接收到轻触开关传递的信号后会使步进电机反转， 从而带动太阳能电池板自西向东转， 直到光敏电阻处在阴影下才停止转动； 由于太阳的自东向西转又会使光敏电阻暴露在阳光下， 单片机接收到信号后会使步进电机继续向东转直到触动水平方向上另一轻触开关后才就自东向西转， 这时就又回到了上述运动状态，太阳能电池板不停地随着太阳转动。控制模块对竖直方向上太阳能电池板追光的控制： 从早晨到中午， 当太阳能电池板下边中点处的光敏电阻接受到光照后会给单片机传递信号， 单片机接受到信号后会使控制太阳能电池板在竖直方向上转动的步进电机正转， 从而使太阳能电池板自下向上转动， 直到遮蔽物的阴影遮挡住光敏电阻， 这时光敏电阻又会给单片机传递信号， 单片机此时会使步进电机停止转动。 这样， 太阳能电池板在竖直方向上就处在了最大光照强度之下。 从中午到晚上， 太阳直射角则会由大变小，当光敏电阻接收到阳光照射后， 单片机会使步进电机继续向上转动， 转过一定角度后太阳能电池板就会触动竖直放置的轻触开关， 单片机接收到轻触开关发出的信号后会使步进电机向相反的方向转动，从而带动太阳能电池板自上向下运动，直到光敏电阻处在阴影下时步进电机就会停止转动。 到了晚上， 当太阳光照强度低于一定值之后， 步进电机就一直处在停止状态下， 并且太阳能电池板与水平面P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78REST9P3.01 0P3.11 1P3.21 2P3.31 3P3.41 4P3.51 5P3.61 6P3.71 7X11 8X21 9GND2 0 P2.0 2 1P2.1 2 2P2.2 2 3P2.3 2 4P2.4 2 5P2.5 2 6P2.6 2 7P2.7 2 8PSEN 2 9ALE 3 0VCC 3 1P0.7 3 2P0.6 3 3P0.5 3 4P0.4 3 5P0.3 3 6P0.2 3 7P0.1 3 8P0.0 3 9VCC 4 089C52U0STC89C52123456789P110KD0D1D2D3D4D5D6D7X1X2VCCDB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8CSDAINT1LCDENRSWRRDRESTP3.0P3.1VCCVCCALEPSENP20P21P22P24P23P25DULAWELAC160pFC260pFY112MX1S1SW-PBVCCR11 KR210KREST+CJ110uFX2-12+USB1USBS22SW-PB+CJ210uFD9R31 KVCC垂直。 第二天早晨， 当太阳光照强度高于一定值之后， 光敏电阻给单片机传递信号， 这时步进电机会继续向下转动， 但是转动一定角度后太阳能电池板就会触动竖直放置的另一轻触开关， 单片机接收到轻触开关传递的信号后会使步进电机反转， 从而带动太阳能电池板自下向上转， 这时就又回到了上述运动状态， 太阳能电池板不停地随着太阳转动。2.2.4 储能模块太阳能电池板接受到阳光照射后就将太阳能转化为电能， 由于太阳能电池板的输出电压稳定在 7V 左右， 因此我们可以通过升压电路， 借助 PT1301直流升压集成 块 ， 通过调节可调电阻 R2和 R3的阻值， 可以将太阳能电池板较低的直流电压转化成较高的直流电压。 VVO )/RR1(25.1 32 ， 其电路 [4,5] 如图 6 所示。图 6. 升压电路太阳能电池板升压后可以通过充电电路将电能储存在蓄电池中， 从而为本系统以及负载提供能量，其电路 [6] 如图 7 所示。图 7. 充电电路GND3LX4VDD 5FB 6PT1 30 1C2C4R2620 KR3240 KVINVOC3C1D1L1输 入 +输 入 -蓄 电 池 -蓄 电 池 +3 结论向日葵追光系统是应用在太阳能电池板、 太阳能热水器、 太阳灶等处的装置，主要的功能是提高太阳光能的利用率， 以缓解当前能源紧张的现状。 本系统中的检测信号来源于阳光照射下遮蔽物的阴影， 使本系统的抗干扰能力大大增强。 同时，本系统应用单片机自动控制，工作稳定、精确。因此，向日葵追光系统具有很高的推广价值和广阔发展前景。参考文献[1] 王志峰 . 抛物跟踪式太阳高温集热器的研究 [J] . 太阳能学报， 2000(5) ， 24-26 [2] 郭天祥编著 .51 单片机 C语言教程 [ M]. 北京：电子工业出版社 , 2009 ， 438-450 [3] 秦增煌 . 电子技术 [ M ]. 北京：高等教育出版社 , 2007 ， 110-113 [4] 黄正瑾编著 . 电子设计竞赛赛题解析 [ M ]. 南京：东南大学出版社 , 2003 ， 42-58 [5] 马建国等编著 . 电子系统设计 [ M ]. 北京：高等教育出版社 , 2006 ， 35-92 [6] 孙肖子，张企民编著 . 模拟电子技术基础 [ M ]. 西安：西安电子科技大学出版社 ,2006 ，10-19 ， 112-136 ， 383-396 ， 492-547