基于單片機(jī)的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)固定式太陽(yáng)能利用裝置的光能利用率低，設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)由單片機(jī)智能控制，采用光電傳感器檢測(cè)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(duì)位置，實(shí)現(xiàn)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。

隨著經(jīng)濟(jì)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(dāng)中太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置的相對(duì)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(shè)計(jì)一種太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)，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(shè)計(jì)

太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)由控制模塊、檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊3部分組成。其中，控制模塊主要包括STC89C52單片機(jī)組成的中央處理器;檢測(cè)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(gòu)成;執(zhí)行模塊主要包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其樣機(jī)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(jù)這一原理，本系統(tǒng)采用光電傳感器檢測(cè)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(duì)位置。

太陽(yáng)在一天中的運(yùn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dá)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(hào)后會(huì)控制執(zhí)行模塊水平方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在水平方向上達(dá)到太陽(yáng)直射;當(dāng)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(dá)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(hào)后會(huì)控制執(zhí)行模塊俯仰方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能利用裝置在俯仰方向上達(dá)到太陽(yáng)直射;當(dāng)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(dá)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)之間仍然存在著明顯對(duì)比，故本系統(tǒng)可以繼續(xù)精確定位太陽(yáng)位置，從而使太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)不受天氣變化的影響;當(dāng)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(cè)光照強(qiáng)度的光電傳感器將信號(hào)傳遞給控制模塊，控制模塊會(huì)使太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)停止工作，降低太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的能源損耗。

水平方向上太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡：從早晨到晚上，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是自東向西，執(zhí)行模塊的初始設(shè)定軌跡也是自東向西，初始設(shè)定位置是朝向東方的。晚上，執(zhí)行模塊是朝向西方的，第二天早晨，朝向西方的執(zhí)行模塊會(huì)繼續(xù)自東向西轉(zhuǎn)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(hào)后會(huì)使執(zhí)行模塊在水平方向上復(fù)位，從而使執(zhí)行模塊一直追蹤太陽(yáng)自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)。俯仰方向上太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡：從早晨到中午，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是自低到高，從中午到晚上，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是自高到低。從早晨到中午，執(zhí)行模塊跟隨太陽(yáng)自低到高轉(zhuǎn)動(dòng);從中午到晚上，執(zhí)行模塊首先會(huì)繼續(xù)自低到高轉(zhuǎn)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(hào)后會(huì)使執(zhí)行模塊跟隨太陽(yáng)自高到低運(yùn)動(dòng);第二天早晨，執(zhí)行模塊首先會(huì)繼續(xù)自高到低轉(zhuǎn)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(hào)后會(huì)使執(zhí)行模塊跟隨太陽(yáng)自低到高運(yùn)動(dòng)。

2 太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

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

兩步進(jìn)電機(jī)由兩個(gè)ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)，兩驅(qū)動(dòng)芯片與控制模塊中單片機(jī)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(jī)，P0.4-P0.8控制俯仰方向上的步進(jìn)電機(jī)，在單片機(jī)的控制信號(hào)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。兩步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2.2 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

水平光電傳感器及其相配合的水平遮光器結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖5所示。用水平光電傳感器檢測(cè)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(duì)位置。

俯仰光電傳感器及其相配合的俯仰遮光器結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖6所示。用俯仰光電傳感器檢測(cè)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(duì)位置。

遮光器配合下光電傳感器檢測(cè)電路主要由光電傳感器、電阻、電位器以及LM393芯片組成。當(dāng)光電傳感器接受的光照強(qiáng)度大于設(shè)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(dāng)光電傳感器接受的光照強(qiáng)度小于設(shè)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(jī)的P2.0和P2.1口相連。兩光電傳感器的檢測(cè)電路如圖7所示。

根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，執(zhí)行模塊在水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180度，執(zhí)行模塊水平方向上裝有兩個(gè)位置傳感器，用來(lái)限定執(zhí)行模塊的水平運(yùn)動(dòng)范圍;執(zhí)行模塊在俯仰方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90度，執(zhí)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(zhí)行模塊的的俯仰運(yùn)動(dòng)范圍。

2.3 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊以一片STC89C52芯片為核心，接受檢測(cè)模塊傳遞的信號(hào)后，通過(guò)對(duì)信號(hào)處理使執(zhí)行模塊的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，從而保證太陽(yáng)能利用裝置接受最大強(qiáng)度光照。控制模塊中應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)由STC89C52RC芯片、供電電路、復(fù)位電路、晶振電路四部分組成。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)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(tǒng)復(fù)位后重新檢測(cè)執(zhí)行模塊與太陽(yáng)的相對(duì)位置。當(dāng)傳感器傳回相應(yīng)的光照、位置等信息后，STC89C52響應(yīng)相應(yīng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。子程序的主要作用是通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制執(zhí)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(yùn)動(dòng)。

程序流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于仿照向日葵，遵循太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用采用光電傳感器檢測(cè)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(duì)位置，通過(guò)單片機(jī)智能控制，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用裝置的全程太陽(yáng)追蹤。本系統(tǒng)的主要功能是提高太陽(yáng)光能的利用率，以緩解當(dāng)前能源緊張的現(xiàn)狀。將其應(yīng)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。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷提高，它將被應(yīng)用到更廣泛的場(chǎng)合。