基于A(yíng)Tmega8的雙軸太陽(yáng)跟蹤器設計
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跟蹤太陽(yáng)的方式主要有光電跟蹤和視日運動(dòng)軌跡跟蹤。前者是閉環(huán)的隨機系統，跟蹤靈敏度高，結構設計較為方便，易于實(shí)現，但受天氣影響大，如果長(cháng)時(shí)間烏云遮住太陽(yáng)，太陽(yáng)光線(xiàn)往往不能照到感光元件，導致跟蹤裝置無(wú)法對準太陽(yáng)，甚至會(huì )出現誤動(dòng)作；后者是開(kāi)環(huán)的程控系統。在任何天氣下都可正常工作，但在跟蹤過(guò)程中不能消除累積誤差。該太陽(yáng)跟蹤器設計采用一種互補跟蹤控制方式，在晴天時(shí)，選擇跟蹤靈敏度高的光電跟蹤方式，而在天氣狀況不太好時(shí)。則切換到視日運動(dòng)軌跡跟蹤。
1 太陽(yáng)跟蹤器硬件設計
圖1為整個(gè)跟蹤控制器的具體原理框圖。單片機循環(huán)檢測，通過(guò)光電檢測模塊所采集的信號判斷工作模式。陰天時(shí)選擇視日運動(dòng)軌跡跟蹤，通過(guò)讀取時(shí)鐘模塊的日歷時(shí)間信息計算此時(shí)本地太陽(yáng)的高度角與方位角，進(jìn)而通過(guò)單片機發(fā)出指令驅動(dòng)電機轉動(dòng)跟蹤；晴天時(shí)選擇光電跟蹤模式，通過(guò)光電檢測模塊檢測到的信號驅動(dòng)電機旋轉跟蹤。
1．1 ATmega8單片機
這里選擇性?xún)r(jià)比較高的ATmega8單片機為控制核心，ATmega8是一款具有RISC結構的高性能、低功耗的8位AVR微處理器。它具有130條指令(大多數指令執行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期)，3個(gè)定時(shí)器，3通道PWM，10位A／D轉換器，2個(gè)可編程的串行USART，SPI串行接口，I2C接口等功能模塊。該太陽(yáng)跟蹤器可采用單片機內部的A／D采樣、PWM通道、I2C接口等功能模塊，從而簡(jiǎn)化程序編程。
1．2 光電檢測模塊
利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將4只完全相同的光敏電阻分別放置于太陽(yáng)光接收器的東南西北方向，負責偵測這4個(gè)方向的光源強度。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板，東西(南北)2只光敏電阻接收到的光照強度相同。其阻值完全相等，此時(shí)電動(dòng)機不轉動(dòng)。當太陽(yáng)光方向與電池板的法線(xiàn)有夾角時(shí)，接收光強多的光敏電阻阻值減小，信號采集電路采集到光敏電阻的信號差值，控制電路將其差值轉換成控制信號，驅動(dòng)電動(dòng)機轉動(dòng)，直至2只光敏電阻上的光照強度相同。
圖2是光電檢測模塊的俯視簡(jiǎn)圖，共由5只光敏電阻組成。正中央1只，旁邊4只圍成一圈。左右2只光敏電阻(A、B)檢測太陽(yáng)方位角的變化，上下2只(C、D)檢測太陽(yáng)高度角的變化。中間1只用于檢測環(huán)境亮度判斷白天還是晚上，晴天還是陰天。圖3是5路光敏電阻與ATmega8的連接電路，電源電壓經(jīng)光敏電阻和定值電阻的分壓后送入ADCx引腳。
1．3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊
由于系統需進(jìn)行時(shí)間控制，因此，需采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘。若使用單片機計時(shí)，長(cháng)時(shí)間會(huì )引起較大誤差，因此使用串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8583。該器件具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年(閏年補償)，可采用12 h或24 h方式計時(shí)。它具有日歷時(shí)鐘、計時(shí)、可編程定時(shí)中斷，并提供256字節低功耗靜態(tài)RAM。采用I2C總線(xiàn)串行數據線(xiàn)，可方便與單片機接口。采用雙電源(主電源和備用電源)供電。PCF8583與ATmega8通過(guò)I2C總線(xiàn)連接，其連接電路如圖4所示。
1．4 步進(jìn)電機及驅動(dòng)器
該太陽(yáng)跟蹤器選用57BYG系列二相／四相混合式步進(jìn)電機，步距角為1．8°，要滿(mǎn)足高精度跟蹤要求，必須提高電機步進(jìn)角度的分辨率，因此選用TS-220系列高性能步進(jìn)電機細分驅動(dòng)器作為控制電路。驅動(dòng)器選用原裝驅動(dòng)模塊，純正弦波電流細分控制方式，具有很強的抗干擾能力?？刂菩盘柵c內部線(xiàn)路實(shí)現光電隔離，并具有精度高，可靠性好，電機噪音極低等特點(diǎn)。
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