赵小圣　言家权　米仁腾　章文鹤　姚毅

【摘 要】太阳能是一种理想的可再生能源，为了提高太阳能电池光电转换效率，设计了一种基于光敏电阻检测的智能跟光系统。本课题主要研究的是该系统以STC12单片机为核心的太阳光线自动跟踪设备，利用光敏电阻以及步进电机驱动双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳照射的光线，从而大大的提高太阳能的利用率。

【关键词】太阳能跟踪系统；单片机；光敏电阻

Research on Solar Tracking System

ZHAO Xiao-sheng YANG Jia-quan MI Ren-teng ZHANG Wen-he YAO YI

（Hunan University of Humanities and science and technology of electronic information engineering， Loudi Hunan 417000， China）

【Abstract】Solar energy is an ideal renewable energy. In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell ， a kind of intelligent light system based on photoelectric detection has been designed. This paper mainly discusses the system STC12 microcontroller as the core of the sun's rays automatic tracking equipment ， the use of light-sensitive resistors and stepper motor drive dual-axis tracking system ， and the solar panels is always perpendicular to the suns rays ， thus greatly improving the solar utilization.

【Key words】Solar tracking system； MCU； Photosensitive resistance

0 引言

太阳能是一种可以不断持续利用的清洁能源，同时也是一种特别理想的可再生能源。由于太阳能能量密度低，就目前的技术而言，对太阳能的接收连续性比较差，并且随着季节、昼夜、气候条件的变化而有比较大的变化。如今，太阳能的应用主要集中在太阳暖房和太阳能热水器等采光时间不连续、能量密度要求不高和用户分散的一些领域，这就使得这些设备无法提高太阳能的利用效率。大力发展太阳能光伏发电是节约矿石能源、降低二氧化碳排放、确保能源安全和实现可持续发展的有效途径之一，太阳能作为一种绿色可再生能源，对其充分利用是非常重要的，太阳能自动跟踪系统的研究是当前研究的一个热点[1-4]。目前，制约太阳能光伏发电的主要因素是光电转换成本高、发电量波动大以及不适合于远距离输送[5-6]。采用自动跟踪系统可延长太阳能发电时间，增加发电量，一定程度上降低发电量的波动，降低太阳能发电成本。由于太阳在天空中的位置是不断变化的，影响太阳能的吸收效率，为此本次研究了一种太阳能自动跟踪系统来跟踪太阳光线，用来提高太阳能利用率。

1 系统设计原理

1.1 光敏检测的原理

光敏采集电路接口原理图如图1所示。

图1 光敏采集电路接口原理图

当光敏电阻被光照射，光敏电阻的阻值就会变小，采集点电压就会升高，从而达到检测试否有光照的作用。

单片机时刻扫描采集点的电压（分四个方向：东、南、西、北），并且进行比较，得出光照的最强点，从而控制舵机工作。

1.2 舵机控制原理

1.2.1 PWM信号的定义

PWM 信号为脉宽调制信号，其特点在于它的上升沿与下降沿之间存在一定的宽度，本次设计采用的HG14-M舵机采用传统的PWM协议，具有产业化，成本低，旋转角度大易控制等优点，不用随时接收指令，减少CPU占有时间，可以位置自锁，位置跟踪。

1.2.2 PWM信号控制精度制定

本设计采用的是8 位的微控制器STC12A60S2，其数据分辨率为28=256，对HG14-M而言，将其划分为250 份最为合适，且PWM上升沿最少为0.5ms，最多2.5ms，那么0.5mS—2.5Ms 的宽度为2mS= 2000uS。则PWM 的控制精度为2000 / 250=8us，故以8uS 为单位递增控制舵机转动与定位。HG14-M舵机可以转动的角度为185 度，则其控制的精度为185 / 250=0.74 度。

1.3 时间采集原理

图2 时钟驱动电路

本设计采用的时钟驱动电路如图2所示，采用DS1302芯片来让系统获取精准时间，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时、且具有闰年补偿等多种功能，功耗低且实时性高。DS1302与MCU进行数据交换时，首先由MCU向DS1302发送命令字节，字节最高位（bit7）必须为0，写1时则无法对芯片进行读写；其次bit6为0时指定时钟数据，为1时指定RAM数据；bit5～1指定输入或输出的特定寄存器；最低位bit0为逻辑0，指定写操作，为逻辑1时则指定读操作。

1.4 液晶显示原理

本设计显示部分采用LCD1602进行数据的实时显示，并通过按键来显示不同的数据。LCD1602专门用于显示字符的点阵型液晶，此次采用的液晶由5*11的点阵字符位组成，每一个点阵字符位都可以显示一个字符，字符位每一行存在间隔，并且在相邻点阵字符位之间也存在间隔。MCU通过发出指令来控制LCD工作。LCD通过数据总线DB0～7和E（使能端）、R/W（读写端）、R/S（寄存器选择位）与MCU连接，两者通过一定的时序相互传输数据。主控芯片发出的指令和数据，存放在液晶的字符存储区中，进行一系列的查找之后最终显示出字符数据。并且MCU通过发出不同的指令，可以使得液晶实现字符的闪烁，移位等功能。

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件结构图如图3所示：

图3 系统硬件结构框图

由舵机控制的太阳能跟踪系统的设计主要分为五个模块：主要有主控电路、光电检测模块，时钟模块，LCD1602显示模块，按键选择模块，每个模块的衔接和驱动都由程序控制。它的主要原理是：它的主要原理是把太阳能跟踪传感模块采集的信号通过AD转换电路输入到单片机进行处理比较。经过单片机的判断数值比较，单片机随之输出相应的PWM波控制舵机转角。直到太阳跟踪传感器接收到的信号相等为停止，也就是指向太阳的时候停止。

2.2 系统软件设计

整个系统程序设计主要包括光电检测，舵机控制，时间采集、数据显示4部分。其工作流程图如图4所示；系统软件设计如下：系统启动后，首先进行各个模块的初始化，之后为循环过程：通过DS1302获取精确的时间，没到达工作时间系统不开启跟踪，仅显示基本时间数据。达到工作时间之后，自动开启光电检测装置，开始跟踪， 判断太阳能电池板是否垂直于太阳光。

3 总结

本系统采用手电筒作为光源，通过改变手电筒的亮度来模拟太阳光照的强弱，通过改变手电筒的位置来模拟太阳的转动，把光电传感器采集到的信号输入给STC12昨相应的处理来控制舵机的转动，实验结果表明，舵机能够依据四个方向的光照强弱做正反转运动，当四个方向的光强差值较大时，舵机转动的角度也较大；当差值小时，舵机转动角度也小，初步认定系统能够准确跟踪太阳。跟踪系统太阳能的利用率和电量损耗是限制太阳能跟踪系统广泛应用的又一问题。系统在夜晚时不启动跟踪，利于减小电源损耗，因此该系统具有较好的实用价值。

图4 太阳能跟踪系统工作流程图

【参考文献】

[1]王林军，邵磊，门静，等.太阳能自动跟踪系统的研究现状及展望[J].中国农机化学报，2014，1（1）：283-286.

[2]王书营.基于平面法向控制的太阳能自动跟踪系统研究[J].南京工业职业技术学院学报，2013，13（04）：8-11.

[3]黄彦智，何宁，赵佳庆.基于阵列光电传感阳光跟踪系统设计与实现[J].仪表技术与传感器，2015（12）：72-74.

[4]许启明，冯俊伟，宫明.太阳能利用跟踪技术的研究进展[J].安徽农业科学，2011，39（10）：6294-6297.

[5]刘培良.太阳能光伏发电效率的影响因素分析[J].科技创新导报，2013（27）：64.

[6]尚华，王惠荣.太阳能光伏发电效率的影响因素[J].宁夏电力，2010（5）：48-50.

[责任编辑：汤静]