基于單片機的太陽(yáng)追蹤系統的設計

摘要：針對固定式太陽(yáng)能利用裝置的光能利用率低，設計一種太陽(yáng)追蹤系統。此系統由單片機智能控制，采用光電傳感器檢測太陽(yáng)照射下遮光器的陰影，從而精確定位太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置相對位置，實(shí)現太陽(yáng)能利用裝置的全程太陽(yáng)追蹤，使太陽(yáng)光能最大限度地得到利用。

隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步，自然資源被大量地、甚至是掠奪性地開(kāi)發(fā)和利用，人類(lèi)的自然資源即將枯竭，因此，尋找新能源已迫在眉睫。而太陽(yáng)能作為一種干凈環(huán)保并且取之不盡的可再生新能源在人類(lèi)生產(chǎn)生活中具有廣泛作用。于是，合理開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能利用率有著(zhù)極其重要的意義。目前，太陽(yáng)能利用裝置的放置位置大多是固定不變的，而一天當中太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置的相對位置是時(shí)刻變化的，這也就無(wú)法保證太陽(yáng)能利用裝置時(shí)刻受到陽(yáng)光直射，從而使太陽(yáng)光能的利用率大大降低。為了提高太陽(yáng)能的利用率，設計一種太陽(yáng)追蹤系統，使太陽(yáng)能利用裝置時(shí)刻接受陽(yáng)光直射，最大限度的利用太陽(yáng)光能。

1 總體方案的設計

太陽(yáng)追蹤系統由控制模塊、檢測模塊、執行模塊3部分組成。其中，控制模塊主要包括STC89C52單片機組成的中央處理器;檢測模塊主要由遮光器配合下的光電傳感器、位置傳感器及其外圍電路構成;執行模塊主要包括步進(jìn)電機、驅動(dòng)電路。其總體結構如圖1所示，其樣機如圖2所示。

陽(yáng)光照射下的物體會(huì )產(chǎn)生陰影，陰影的方向與太陽(yáng)光線(xiàn)的方向一致。根據這一原理，本系統采用光電傳感器檢測太陽(yáng)照射下遮光器的陰影，精確定位太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置相對位置。

太陽(yáng)在一天中的運動(dòng)軌跡可以分解為水平方向和俯仰方向。如圖3所示，在水平方向上，當太陽(yáng)光線(xiàn)直射太陽(yáng)能利用裝置時(shí)，水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4;在俯仰方向上，當太陽(yáng)光線(xiàn)直射太陽(yáng)能利用裝置時(shí)，俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6。當兩個(gè)光電傳感器同時(shí)完全處在陰影下時(shí)，太陽(yáng)能利用裝置處在陽(yáng)光直射狀態(tài)下。

如圖3所示，當水平遮光器3的陰影沒(méi)有完全遮住水平光電傳感器4時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)能利用裝置2在水平方向上沒(méi)有達到太陽(yáng)直射，控制模塊接收到此時(shí)水平光電傳感器4傳遞的信號后會(huì )控制執行模塊水平方向上的電機轉動(dòng)，直到水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4，水平方向上的電機才停止轉動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在水平方向上達到太陽(yáng)直射;當俯仰遮光器5的陰影沒(méi)有完全遮住俯仰光電傳感器6時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)能利用裝置2在俯仰方向上沒(méi)有達到太陽(yáng)直射，控制模塊接收到此時(shí)俯仰光電傳感器6傳遞的信號后會(huì )控制執行模塊俯仰方向上的電機轉動(dòng)，直到俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6，俯仰方向上的電機才停止轉動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在俯仰方向上達到太陽(yáng)直射;當水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4、俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6時(shí)，太陽(yáng)能利用裝置此時(shí)達到太陽(yáng)直射。

陰天時(shí)太陽(yáng)光線(xiàn)暗，但是遮光器在太陽(yáng)照射下產(chǎn)生的陰影與太陽(yáng)光線(xiàn)之間仍然存在著(zhù)明顯對比，故本系統可以繼續精確定位太陽(yáng)位置，從而使太陽(yáng)追蹤系統不受天氣變化的影響;當太陽(yáng)光線(xiàn)暗到不適合太陽(yáng)能利用裝置工作時(shí)，檢測光照強度的光電傳感器將信號傳遞給控制模塊，控制模塊會(huì )使太陽(yáng)追蹤系統停止工作，降低太陽(yáng)追蹤系統的能源損耗。

水平方向上太陽(yáng)追蹤系統的運動(dòng)軌跡：從早晨到晚上，太陽(yáng)的運動(dòng)軌跡是自東向西，執行模塊的初始設定軌跡也是自東向西，初始設定位置是朝向東方的。晚上，執行模塊是朝向西方的，第二天早晨，朝向西方的執行模塊會(huì )繼續自東向西轉動(dòng)一定角度觸動(dòng)水平位置傳感器，控制模塊接受到水平位置傳感器的信號后會(huì )使執行模塊在水平方向上復位，從而使執行模塊一直追蹤太陽(yáng)自東向西轉動(dòng)。俯仰方向上太陽(yáng)追蹤系統的運動(dòng)軌跡：從早晨到中午，太陽(yáng)的運動(dòng)軌跡是自低到高，從中午到晚上，太陽(yáng)的運動(dòng)軌跡是自高到低。從早晨到中午，執行模塊跟隨太陽(yáng)自低到高轉動(dòng);從中午到晚上，執行模塊首先會(huì )繼續自低到高轉動(dòng)一定角度觸動(dòng)第一俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第一俯仰位置傳感器的信號后會(huì )使執行模塊跟隨太陽(yáng)自高到低運動(dòng);第二天早晨，執行模塊首先會(huì )繼續自高到低轉動(dòng)一定角度觸動(dòng)第二俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第二俯仰位置傳感器的信號后會(huì )使執行模塊跟隨太陽(yáng)自低到高運動(dòng)。

2 太陽(yáng)追蹤系統的硬件設計

2.1 執行模塊設計

為了使執行模塊帶動(dòng)太陽(yáng)能利用裝置全程追蹤太陽(yáng)，執行模塊必須能夠在水平和俯仰兩個(gè)方向轉動(dòng)，以滿(mǎn)足太陽(yáng)水平方向：東-西，俯仰方向：低-高-低的運動(dòng)特點(diǎn)。因此，執行模塊裝有兩個(gè)步進(jìn)電機，通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機的配合轉動(dòng)實(shí)現執行模塊在水平跟俯仰方向上的運動(dòng)，從而實(shí)現全程追蹤太陽(yáng)。

兩步進(jìn)電機由兩個(gè)ULN2003芯片驅動(dòng)，兩驅動(dòng)芯片與控制模塊中單片機的P0口相連接。其中，P0.0—P0.3控制水平方向上的步進(jìn)電機，P0.4-P0.8控制俯仰方向上的步進(jìn)電機，在單片機的控制信號下實(shí)現轉動(dòng)或停止。兩步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路如圖4所示。

2.2 檢測模塊設計

水平光電傳感器及其相配合的水平遮光器結構實(shí)物如圖5所示。用水平光電傳感器檢測水平遮光器產(chǎn)生的陰影來(lái)確定太陽(yáng)能利用裝置與太陽(yáng)的水平相對位置。

俯仰光電傳感器及其相配合的俯仰遮光器結構實(shí)物如圖6所示。用俯仰光電傳感器檢測俯仰遮光器產(chǎn)生的陰影來(lái)確定太陽(yáng)能利用裝置與太陽(yáng)的俯仰相對位置。

遮光器配合下光電傳感器檢測電路主要由光電傳感器、電阻、電位器以及LM393芯片組成。當光電傳感器接受的光照強度大于設定值時(shí)，LM393芯片-IN管腳電位低于+IN管腳電位，此時(shí)，LM393芯片OUT管腳輸出高電平;當光電傳感器接受的光照強度小于設定值時(shí)，LM393芯片-IN管腳電位高于+IN管腳電位，此時(shí)，LM393芯片OUT管腳輸出低電平。LM393芯片-INT管腳和+IN管腳分別與單片機的P2.0和P2.1口相連。兩光電傳感器的檢測電路如圖7所示。

根據太陽(yáng)的運動(dòng)軌跡，執行模塊在水平方向上的轉動(dòng)角度為180度，執行模塊水平方向上裝有兩個(gè)位置傳感器，用來(lái)限定執行模塊的水平運動(dòng)范圍;執行模塊在俯仰方向上的轉動(dòng)角度為90度，執行模塊俯仰方向上也裝有兩個(gè)限位傳感器，用來(lái)限定執行模塊的的俯仰運動(dòng)范圍。

2.3 控制模塊設計

控制模塊以一片STC89C52芯片為核心，接受檢測模塊傳遞的信號后，通過(guò)對信號處理使執行模塊的兩個(gè)步進(jìn)電機動(dòng)作，從而保證太陽(yáng)能利用裝置接受最大強度光照?？刂颇K中應用的單片機系統由STC89C52RC芯片、供電電路、復位電路、晶振電路四部分組成。

3 系統軟件的設計

該控制系統的軟件主要由一個(gè)主程序及一些子程序組成。主程序由一些狀態(tài)選擇語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句組成，主要是在系統復位后重新檢測執行模塊與太陽(yáng)的相對位置。當傳感器傳回相應的光照、位置等信息后，STC89C52響應相應信號，控制步進(jìn)電機轉動(dòng)。子程序的主要作用是通過(guò)電機正反轉控制執行模塊的動(dòng)作，使太陽(yáng)能利用裝置在水平與俯仰方向上組合運動(dòng)。

程序流程圖如圖8所示。

4 結束語(yǔ)

太陽(yáng)追蹤系統創(chuàng )新之處在于仿照向日葵，遵循太陽(yáng)運動(dòng)規律，采用采用光電傳感器檢測太陽(yáng)照射下遮光器的陰影精確定位太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置相對位置，通過(guò)單片機智能控制，實(shí)現太陽(yáng)能利用裝置的全程太陽(yáng)追蹤。本系統的主要功能是提高太陽(yáng)光能的利用率，以緩解當前能源緊張的現狀。將其應用在太陽(yáng)能發(fā)電站、太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶以及所有固定式太陽(yáng)能電池板等處，能夠大大提高這些裝置的利用率。隨著(zhù)人們節能環(huán)保意識的不斷提高，它將被應用到更廣泛的場(chǎng)合。