1、第8卷第1期 正德學院學報 Vol.8 No.1 2010年6月 Journal of Zhengde College Jun 2010太陽光線自動跟蹤系統(tǒng)的設計白延敏正德職業(yè)技術學院 江蘇省 南京市 211106【摘 要】隨著太陽能的廣泛利用，如何提高對太陽能的利用率，成為太陽能研究的焦點問題之一。太陽光線自動跟蹤系統(tǒng)基于ARM體系結構的LPC2131嵌入式處理器、驅(qū)動模塊ST-24HB和步進電機組成驅(qū)動系統(tǒng)，使用光敏電阻構成跟蹤傳感器，并采用雙軸式跟蹤調(diào)整裝置，使系統(tǒng)太陽電池板自動跟蹤并垂直接收太陽光線，大大提高了太陽能利用率。【關鍵詞】太陽能 自動跟蹤 ARM 步進電機 傳感器在傳統(tǒng)能源

2、緊缺的今天，新能源和可再生能源的利用越來越受到各國政府的重視。其中，太陽能以其取之不盡、用之不竭、綠色環(huán)保的特點成為人們矚目的焦點，太陽能的利用已成為21世紀重大的研究課題之一。人類對太陽能的利用主要有兩種形式：光熱轉(zhuǎn)換形式和光電轉(zhuǎn)換形式。然而，這兩種形式的太陽能利用都存在著能源密度低、利用的間歇性、空間分布時刻變化的問題。在光電轉(zhuǎn)換形式中，由于太陽能的利用受自然條件及日照的影響，無法保持太陽光始終垂直于太陽電池板，因此太陽能電池板昂貴、轉(zhuǎn)化光電效率低而未能得到普及利用1 2。為提高太陽能利用率，本文設計了一種結構簡單、成本低廉、具有應用價值的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)，可實現(xiàn)各種天氣狀況下的太陽跟蹤

3、，能使太陽能電池板最大限度地對準太陽，保持最大的發(fā)電效率。整個太陽光線自動跟蹤系統(tǒng)由跟蹤系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。跟蹤系統(tǒng)包括跟蹤傳感器和轉(zhuǎn)動式跟蹤裝置，而控制系統(tǒng)包括嵌入式最小系統(tǒng)、傳感器接口、驅(qū)動電路。一、跟蹤系統(tǒng)結構1太陽光線跟蹤傳感器設計跟蹤傳感器的設計主要是基于光敏電阻，光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感。它在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小。本系統(tǒng)選用的可見光敏電阻器型號為MG42-5，其最高工作電壓為20V，額定功率5mW，亮電阻20K，暗電阻2M。本系統(tǒng)跟蹤傳感器部分設計的結構示意圖如圖1所示：它是由8個型號為MG42-5

4、的光敏電阻和一個圓筒組成。在圓筒外部，東、南、西、北四個方向上分別布置4 只光敏電阻。其中P1、P3 東西對稱安裝在圓筒的兩側，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角；P2、P4 南北對稱安裝在圓筒的兩側，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角。在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個方向上也分別布置4 只光敏電阻，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度和太陽的視高度。圓筒采用不透光材料，高度決定測量的精度。但是太高的精度則導致跟蹤裝置不斷轉(zhuǎn)動，消耗電能，本系統(tǒng)采用的高度為5厘米。當處理器采樣到對稱光敏電阻的大小不等，則太陽光板轉(zhuǎn)向阻值小的一側，直到對稱電阻大小相等，即此時太陽光垂直于電池光板。2轉(zhuǎn)

5、動式跟蹤裝置跟蹤裝置的結構模型示意圖如圖2所示：步進電機1固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面（主軸相對于底座可以轉(zhuǎn)動），轉(zhuǎn)動架以及支架固定安裝在主軸上；太陽電池板、步進電機2 安裝在支架上面（太陽電池板相對于支架23第8卷第1期 正德學院學報 Vol.8 No.1 2010年6月 Journal of Zhengde College Jun 2010夠完成代碼和數(shù)據(jù)的存儲4，處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器接口與光線跟蹤傳感器相連，實現(xiàn)信號的采集，通過軟件的判斷控制電機轉(zhuǎn)動。處理器外接最小系統(tǒng)，包括電源、晶振、復位電路及JTAG調(diào)試電路。由于處理器接口電壓為3.3V，而電機的驅(qū)動電壓為5V，

6、所以處理器通過光耦與電機驅(qū)動相連，實現(xiàn)電機的控制。處理器采集8個跟蹤傳感器的輸入信號，經(jīng)比較得偏差信號，通過偏差信號的正負控制步進電機轉(zhuǎn)動方向，通過脈沖信號控制電機是否轉(zhuǎn)動。電機驅(qū)動器、步可以轉(zhuǎn)動），步進電機2 的輸出軸連接太陽電池板。當光線發(fā)生偏移，控制系統(tǒng)分別發(fā)出兩路控制信號，一路控制信號驅(qū)動步進電機1， 帶動轉(zhuǎn)動架以及固定在轉(zhuǎn)動架上的主軸、支架轉(zhuǎn)動，用來實現(xiàn)太陽光線方位的跟蹤；另一路控制信號驅(qū)動步進電機2 帶動太陽電池板相對與支架轉(zhuǎn)動，用來實現(xiàn)對太陽光線高度角的跟蹤。這樣通過步進電機1和步進電機2 的共同工作，使太陽電池板垂直于太陽光線3，實現(xiàn)了對太陽光線的跟蹤。二、控制系統(tǒng)結構控制系統(tǒng)

7、包括系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。 1.控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)硬件設計在整個系統(tǒng)中占有重要地位，硬件框圖如圖3所示。系統(tǒng)使用ARM核處理器LPC2131，內(nèi)部集成的RAM和Flash存儲器足進電機、太陽電池板和光線跟蹤傳感器構成一個整體。系統(tǒng)選擇電機驅(qū)動器的型號為ST-24HB，此驅(qū)動器控制步進電機整步轉(zhuǎn)動式1.8°，但是它還可以細分為0.9°、0.36°、0.18°、0.09°、0.045°，細分數(shù)越小轉(zhuǎn)動的精度越高，如果精度太高則細微的光線變化將導致轉(zhuǎn)動裝置不停的調(diào)整，消耗能量較大，經(jīng)過多次測試，本著在精度和耗 能方面折中的思想，系

8、統(tǒng)選擇步進電機的步長為0.36°。2控制系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)的軟件設計主要是根據(jù)傳感器的采集信號，控制電機的轉(zhuǎn)動，整個工作過程為：當太陽光垂直照射到此傳感器時，圓筒內(nèi)外側的對稱光敏電阻接收的太陽輻射強度相同，則系統(tǒng)采集值也相同，比較后輸出信號為零，電機不轉(zhuǎn)動；當太陽光偏離傳感器垂直位置時，圓筒內(nèi)外側的對稱光敏電阻接收的太陽輻射強度不相同，則系統(tǒng)采集值也不相同，比較后輸出偏差信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，根據(jù)偏差信號的正負和大小決定步進電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動角度。跟蹤控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。在本系統(tǒng)設計過程中，主要的控制作用都是由主控制軟件設計中實現(xiàn)的，主要包括：10位A/D采集模塊、定時

9、器模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、電平控制模24第8卷第1期 正德學院學報 Vol.8 No.1 2010年6月 Journal of Zhengde College Jun 2010圖4 控制系統(tǒng)工作原理圖光敏電阻數(shù)據(jù)大于18；（2）太陽光線垂直誤差：0.36°； 三、結束語本文介紹的太陽光線自動跟蹤系統(tǒng)可以有效地提高太陽能利用率，適用于各種需要跟蹤太陽的裝置。如果要是系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度，可以使用位數(shù)高的A/D轉(zhuǎn)換器、調(diào)整跟蹤基準等方法。太陽光線自動跟蹤系統(tǒng)對于我國廣闊的太陽能資源豐富地區(qū)，有著非常廣闊的應用前 景。隨著太陽能自動跟蹤裝置的廣泛應 用，它定會有助于提高綠色能源利用的進 程，

10、保護生活環(huán)境5。（本文為我院20082009年度課題太陽光線跟蹤系統(tǒng)成果之一）【參考文獻】1 張興磊，楊麗麗，張東鳳一種太陽自動跟蹤系統(tǒng)的設計J青島農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2009，26(4)，315-3182 劉振起太陽能集能器自動跟蹤裝置J2003（9）：22-24 3 張利明，杜春旭，吳玉庭，馬重芳基于8051單片機的蝶式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)JSOLAR ENERGY，2007（6）:19-214周立功張華等深入淺出ARM7-LPC213x/214xM北京航空航天大圖5 控制系統(tǒng)軟件主流程圖塊。軟件主流程圖如圖5所示。上電初始化包括處理器端口及功能設置、A/D模塊初始化等。在系統(tǒng)中加入了光強判斷，若光強較弱，則不進行控制，否則通過比較偏差得到電機轉(zhuǎn)