光电式光伏电池板自动追光传感器的设计

王刚

摘要：本文设计了一种太阳能电池板自动追光系统。该系统将单片机选为控制器，太阳能电池作为传感器，步进电机作为执行机构，采用光电追踪方式，控制太阳能电池板自动旋转对准太阳光，能有效提高太阳能的利用率，具有一定的实用价值。

关键词：太阳能；单片机；步进电机；光电追踪

能源是关系一个国家全面发展的重要因素；太阳能作为一种新兴能源不但能够有效解决能源短缺的问题，还能在很大程度上改善环境污染，具有较大的研发前景。我国的太阳能资源非常丰富，但是对太阳能的开发还面临着很大挑战，如何提高太阳能电池板对太阳能的采集效率是充分利用太阳能的关键。本文设计的太阳能电池板自动追光系统可实现对太阳的全方位跟踪，具有两个自由度的跟踪能力。利用AT89C51单片机对桥式电路的检测结果进行逻辑运算后，进而控制能够实时调整高度角和方位角的步进电机工作，从而实现对太阳光全方位跟踪。该系统结构简单、成本低，能够有效提高太阳能的利用率，具有有较好的推广应用价值。

1.光敏元件的工作原理

光敏元件是光电传感器的核心元件，在电路中占有重要的地位。光敏元件的基本转换原理是将被测量参数转换成电信号并将其输出。常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果将太阳光作为光源，如果电池板角度不正对太阳方向，太阳光就照不到光敏元件上，电路处于偏置状态，PN结截止，反向电流很小。当太阳正对时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子――空穴对，并在外.电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。具体方法是在光伏电池板上下左右安装传感器，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。

2．追踪方式的选择

目前，用于实现追踪太阳的方法较多，概括为两类：视日运动轨迹追踪和光电追踪方式。为了追光，我们必须确定临界条件，我们在采光的板水平以及竖直方向放置了四个电阻，这样一旦水平方向的两个光敏电阻反映的光强值相等，则表示水平方向采光板以对准光强最强点。同理，当竖直两光敏电阻反应的光强值相等时，则竖直方向已对准光强最强方向。从而实现了二维追光。太阳的运行轨迹是有规律的，通过对太阳和地球之间的位置关系进行分析，利用球面三角公式来计算出太阳在任何地点任何时间相对于地球的位置，被称为视日运动轨迹追踪方式。此方案建立在太阳运行规律的天文算法的基础上，需要利用微处理器对太阳的高度角和方位角进行实时计算，再利用电子系统驱动电机实现对太阳的实时跟踪。其优点是不受天气变化的影响。缺点有：（1）计算过程复杂，开发成本很高；（2）属于开环控制，容易产生积累误差，且无法自动消除这一误差。

光电追踪方式是利用对太阳光朝向的即时检测实现追踪，需要用到光敏元件组成检测电路。比如，采用四象限硅光电池传感器作为光电转换元件，以微处理器为核心构建电路控制系统，通过对四象限的四个输出电压信号的分析和运算，输出相应的控制信号去驱动电机，最终由电机驱动执行机构完成追光的任务。该方式的优点是：（1）闭环控制，能实现自适应控制；（2）跟踪精度好、灵敏度高。缺点是：受天气影响大，阴雨天无法工作。综合考虑，采用光电追踪方式。如果追求整体更高的追踪精度，可将两种方式结合起来取长补短，即在晴天时采用闭环控制，阴天时采用开环控制。

3．太阳能电池板自动追光系统硬件设计

所设计系统主要包括单片机、光电传感器、A/D转换、稳压电源、步进电机控制等几个模块。设计中将太阳能电池板划分为四小块，在四小块电池板上分别安装传感器来构造四象限探测器。相比较单个探测器跟踪，这种方案的跟踪精确度高，稳定性好。本设计选择AT89C51单片机。它是一种带4K字节flash存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

稳压电源模块是为整个控制电路提供能源的，是保障控制电路中所有控制芯片的稳定运行的前提。本设计将两块可充电的锂电池串联在一起，通过稳压芯片来获得单片机所需的+5V电源。太阳光强信号是一种模拟信号，必须经过A/D转换，才能转化成单片机控制模块可直接运算的数字信号。本项目选用PCF8591P作为A/D转换芯片，它是一个具有4路A/D转换输入、1路D/A模拟输出和1个串行总线接口的A/D转换芯片。

所设计的追踪系统要随着太阳转动，但由于距离太阳非常遥远，检测装置无法在短时间内感觉到太阳的运动，需过一段时间才能感觉到太阳已经偏移。如此以来，对电机的要求是隔一段时间能转一个角度，然后立马停下。本系统选择步进电机作为执行机构，它是一种跟踪给定脉冲信号转动的电机，能够根据脉冲信号控制转角和转速，实现精确的定位控制。但单纯给步进电机施加电压是不会转动的，必须借助控制电路，这需要用到专用芯片。在本系统中，AT89C51单片机的P0口输出方波信号再经过电机驱动芯片转换成脉冲信号来驱动步进电机。

4．太阳能电池板自动追光系统软件设计

本系统整体的程序采用模块化进程的原则进行设计：即首先对各功能模块的子程序进行独立设计、独立调试，然后进行系统联调。这种方案便于程序的移植和修改，同时又有利于系统功能的扩展。本部分主要包含主程序设计、A/D转换程序设计、光敏电阻数据处理程序设计和太阳能追踪子程序设计等。

其中主程序主要是完成系统初始化后，循环检测光照强度，对反馈回来的电压值进行比较运算，判断当前光照的亮度差是否达到定值，进而驱动步进电机去调整太阳能板以便正对太阳。

光敏电阻数据处理程序设计在设计中需要注意，由于硬件上的缺陷无法将外界干扰信号全部滤除，导致数据采集结果具有较大波动。因此本系统设置了软件滤波环节，所用的光强传感器采用中值滤波法进行软件滤波。其基本原理是进行几次连续的数据采集，将所测得的数据从大到小排序。然后分别去除首尾相同数量的几个值，只保留排在中间的数值，再对其取平均值。该法能够有效避免采样过程中因系统不稳定造成的跳变干扰。

追光程序设计是整个软件设计的核心。利用光电检测单元检测太阳位置，并对检测到的电信号进行A/D转换，通过对偏差信号的分析，判断追光装置是否正对太阳，将比较�Y果送达单片机，以控制步进电机的转动。当太阳能电池板正对太阳时，程序跳出太阳追踪子程序返回主程序。

5．结论

本文主要介绍了一种基于AT89C51单片机的太阳能电池板自动追光系统。对追光方式进行了对比阐述，分别介绍了其硬件和软件设计大体思路。本装置实现了太阳能电池板自动旋转对准太阳光，提高了太阳能的利用率，具有一定的实用价值。

参考文献：

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[3]王重国.太阳能电池板自动跟踪系统的研究与设计[D].东北石油大学，2016.

作者简介：

王刚身份证号码：13062119790601xxxx