基于單片機的太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究

0 引言
隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽能作為一種清潔能源，無疑受到各國的普遍重視。在相同條件下，光照強度越大，太陽能電池輸出功率越大。因而增大太陽能電池受光面的光照強度，就可增大太陽能電池輸出功率。除了提高太陽光電池本身的轉(zhuǎn)換效應(yīng)和提高蓄電池充放電效應(yīng)外，對太陽的自動跟蹤是太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段。因此，在太陽能的利用過程中，實施太陽跟蹤是很有必要的。
對太陽進(jìn)行跟蹤的方法很多，但不外乎為采用確定太陽位置所用的兩種坐標(biāo)系統(tǒng)，即赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，并分為雙軸跟蹤和單軸跟蹤。單軸跟蹤已在很多文獻(xiàn)作了介紹，本文要討論的為雙軸跟蹤。為了敘述方便，在以后的陳述中將兩種坐標(biāo)系下的整個系統(tǒng)統(tǒng)稱為太陽能板。
本文采用在地平坐標(biāo)系下的太陽跟蹤及程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的控制方式，即采用程序控制，利用光學(xué)傳感器對太陽能板做自動定位和誤差校正，而通過單片機控制步進(jìn)電機來實現(xiàn)。單片機利用時鐘提供的日期和時間，計算出太陽能板的預(yù)期位置，與編碼器提供的當(dāng)前位置比較，輸出控制信號。驅(qū)動裝置根據(jù)單片機提供的信號控制俯仰角電機和方位角電機使太陽能板運行至太陽垂直照射點，從而進(jìn)行跟蹤。傳感器在太陽能板位置出現(xiàn)誤差時進(jìn)行校正。

1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由時鐘、單片機、驅(qū)動裝置、編碼器、太陽能板和傳感器6部分組成。系統(tǒng)的核心部件是傳感器和單片機。太陽跟蹤系統(tǒng)原理見圖1。

1．1 智能單元與雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制系統(tǒng)
本文的控制系統(tǒng)選用了AT89C51單片機作為智能單元。AT89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機。片內(nèi)帶有一個4 KB的FLASH可編程、可擦除只讀存儲器。文中所述系統(tǒng)為地平坐標(biāo)系的雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)，因此采用雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制，雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制就是在x軸方向控制1臺步進(jìn)電機，在y軸方向控制1臺步進(jìn)電機。這2臺步進(jìn)電機同時驅(qū)動同一個對象，使對象在一個平面上以任意曲線運動。二維步進(jìn)電機控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

AT89C51單片機通過P2口輸出控制脈沖信號，P2．0～P2．3為一路，P2．4～P2．7為一路，分兩路各控制1臺步進(jìn)電機。P3．2～P3．5設(shè)置為行程保護(hù)開關(guān)，作二維步進(jìn)電機正反向最大行程保護(hù)。功率放大電路中采用74LS05將單片機P2口脈沖信號進(jìn)行放大，經(jīng)9014控制光電耦合器，隔離后，由功率管DK63驅(qū)動步進(jìn)電機的各相繞組，圖中L11，L12即為步進(jìn)電機的各相線圈。