以单片机为控制核心的太阳光源自动跟踪系统设计

1.引言

伴随日益严重的能源危机，可再生资源的开发和利用成为人们研究的重点对象。太阳能以其普遍、长久、安全等优点脱颖而出。目前太阳能已被不同程度地用在了多个领域，如电池领域，但普遍存在利用率不高的问题，很多场合下，电池板要么被安装成固定角度，要么只能按照固定角度偏转，没有充分使太阳光垂直照射到电池板上，降低了太阳能的利用率。

为提高利用率，本文设计了一种基于Atmega16单片机的太阳能电池板光源跟踪控制系统，能够实时跟踪太阳并使太阳光充分垂直照射电池板，从而提高了太阳能的利用率。

2.系统设计原理

设计采用光强比较法来跟踪太阳光源。整机装置包括：太阳能电池板、电源管理电路、光电管、单片机、电机驱动电路、步进电机以及机械转动平台。系统结构如图1所示。

系统工作原理如图2所示，在太阳能电池板边沿的中间位置分别安装一个光电管，根据太阳光照射到电池板对边两个光电管的角度（如图α、β）不相等，使得光电管1、2感受的光照强度不同从而产生大小不同的光电流，将光流转换成电压信号，通过比较采集后的电压信号，控制步进电机向电压大的方向转动。

3.系统硬件设计

3.1光强采集电路

系统使用灵敏度较高的3DU33光电管作为光强检测器件，其光电流大于2mA，发射极只需串接很小的电阻便可得到可被采集的电压，而且其响应时间《1ms，反应速度快。

需要注意的是，强光下，光电流较大，此时光电管发射极电阻不宜过大［2］，否则各个光电管输出电压均趋于5V，系统不能检测出对边两只光电管的输出电压差。该设计中，R1使用330Ω，在冬天中午阳光照射下，测得输出电压已达到3.6V.

3.2 步进电机

设计使用5线四相减速步进电机28BYJ-48，减速比为1:64，步矩角为5.625°/64=0.087 89°，远小于不带减速比的步进电机，这是提高跟踪精度的很好选择。

对于四相步进电机，其工作方式可分为单4拍、双4拍、8拍三种工作方式。单4拍与双4拍的步距角相等，但单4拍的转动力矩小。8拍工作方式的步距角是单4拍与双4拍的一半，因此，8拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。设计采用8拍工作方式，那么1拍转过的角度为0.087 89°/2=0.043945°，进一步提高了跟踪精度。

3.3 电源管理电路

为了使系统能够在室外正常运行，设计采用太阳能电池板和锂电池合理给系统供电。当太阳能电池板输出功率不够时，由锂电池给系统供电；当锂电池电压低于3.5V的时候，太阳能电池板给锂电池充电；否则由太阳能电池板给系统供电。

测试知，系统正常运行时输入功率接近2.5W（5V/480mA）。考虑到天气和季节因素，一般要求电池板的最大输出功率要3W以上，故设计采用8片太阳能电池片（0.5V/1.2A）串联，得到4V/1.2A（最大输出4.8W）的输出，经DC-DC升压电路给系统供电。

4.系统软件设计

软件流程图如图3所示，系统一上电先进行粗调来确定太阳光源的大概位置。其思想是：将水平面平均分成12个区域，在每个区域中对光照强度采样8次，并累加保存。进入下一个区域，同样采样8次并累加，比较相邻区域累加值的大小，并让电机向累加值大的区域方向转动，直到找到累加值最大的区域，这时说明太阳位置在这个区域范围内。

粗调完成后，对系统电源进行管理，分别对太阳能电池板电压和锂电池电压采样，经单片机分析，正确的对开关进行操作以合理地为系统配备电能。

微调思想：先对X方向调整，完成后，再对Y方向调整。为得到较平滑的采样数据，先使光电管采样64次，再求和取平均，通过比较对边光电管的平均值，决定步进机的转动方向。直到X方向和Y方向的两个光电管采样值都相等，则调整完成，此时光源处于电池板中心处。

5.运行测试

测试条件：光源距离激光笔105cm，激光笔安装在电池板的中心，Y方向上，激光笔在偏离光源±30°范围内。测试结果如表1所示。

6.结束语

测试结果表明，在偏离光源±45°范围内，系统均能在9s内定位光源，并且偏差不大于4cm.实际应用时，系统实时紧跟太阳，不会出现太阳突然偏转电池板一个较大角度的情况，因此激光笔偏离光源距离是所关心的，而本设计测得的偏离距离不超过4cm，达到设计要求。