“太阳能跟踪系统追日装置”的设计与实现

“太阳能跟踪系统追日装置\"的设计与实现

摘要：

本追日装置是由STC51单片机、光敏三极管和云台等组成闭环控制系统,主要组成模块有主控模块、光能检测模块和云台控制模块。在日照环境下,通过光能检测模块比较各方位日照强度，控制云台转动，使光能检测模块正对光源，实现追日功能。本装置具有高效、简易的特点，能应用于太阳能领域，以提高太阳能的转换效率。

关键词：单片机，感光模块，云台控制

The design and implementation of“Solar Tracking System”

Zhang zhe Wen yi Yu hai

（Science and Technology Innovation Center of Electrician and Electron, HuaZhong University of Science and Technology， WuHan 430074)

Abstract:

The Silversun device was made from STC51 MCU, PTZ composed of photosensitive transistor， and closed—loop control system。The main component modules are main control module， light detection module and PTZ control module.

Meanwhile ，through light detection module to compare sunshine intensity and control PTZ rotation， it can devote to the device being in line to the light ,which reaches the eternal function. This device has high efficiency, simple features, which can be applied to solar energy, to enhance solar energy conversion efficiency.

Key Words： Microcontroller Unit, hotosensitive module, PTZ

一、 总体方案设计与论证 1.方案的设计与选择

方案一：设计一个二维电机转动装置，通过单片机来控制两个电机的转动，以实现对任意方向的跟踪。单片机通过记忆或者计算任何时刻的太阳的位置，然后控制电机转动对准太阳直射方向.单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳的预期位置,与编码器提供的当前位置比较，输出控制信号。驱动装置根据单片机提供的信号转动，同时通过编码器将运行速度或位置增量反馈到单片机，形成闭环控制系统。由于当前位置是由增量式计算得到的，若当前位置的计算出

现偏差，则不能够由反馈得到校正，从而形成累积位置偏差。为此，必须通过传感器监视聚光镜的位置是否与太阳偏离，当偏离时启动一个校正程序，达到消除当前位置误差的作用。此外还需要判断天空直射辐射的强度，在直射辐射较弱时不启动校正程序，从而避免多云天气的盲目跟踪。

在中科院的一篇论文中我们看到此种方法。通过查阅资料,发现该方案原理比较复杂。另外,对太阳方位的计算超出我们知识范畴.若采用这种方法,短时间内很难实现。

方案二：设计一个感光面板，将面板固定在转动平台上，将光敏器件部署在面板的不同位置，通过各位置反馈的光强信号差异,获得当前阳光的方位信息。同时,使用单片机对光强信号进行采样,采集结果通过一系列运算后,产生转动控制信号，控制转动平台,进而保证感光面板正对太阳直射的方向。实现这个方案，主要解决两方面问题，一是光敏器件的选择，二是转动平台的搭建。在光敏器件的选择方面，我们尝试了光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管，甚至考虑了用四象限探测仪。由于考虑到装置的实用性和性价比，我们放弃了用四象限探测仪。通过设计了不同的光照实验，我们检测不同光敏器件的感光效果。实验结果显示，在不同的光照下，光敏三级管的导通电流与光照强度呈线性关系。在光敏三极管射极外加电阻，经过三级管放大的感应电流转变为电压信号,便于后续的信号采样和信号处理。经过实验论证最终确定了光敏三极管的方案，具体选型为3DU33.在转动平台的搭建方面，我们考虑了自制转动平台和云台。在实验测试中，由于受工艺、结构和控制接口等多因素的制约,我们放弃了自制转动平台的方案，选择了云台作为转动平台。

系统整体框图如图1所示：

光照 光信号接收 信号转换 接收最强光照 云台控制 单片机采样比较 图1、系统整体框图

以下分别对各个子模块进行论证。 ——光能采集模块

方案一：采用光敏电阻来接收阳光.光照越强的时候，光敏电阻的阻值会变小，把光敏电阻连接在一个分压电路上，采集电流信号，则在不同的光照强度的时候电流的强度会不一样。将电流信号转变为电压信号，然后用但单片机采样分析。通过程序进行判断，进而控制转动平台，使装置接收到最大电流。 方案二：采用光敏三级管接收阳光。光敏三极管直接输出放大后的感应电流信号，通过将电流信号转变为电压信号交给单片机分析，进而控制转动平台。 选择：方案二.光敏三级管光感应电流大,反应灵敏,电路简单,可以根据本实验的需要来筛选光电参数.光敏电阻的阻值对度光照的变化反应不够灵敏，不适合本项目的要求。

——光能采集结构模块

方案一：部分遮光法.使用一个光敏三级管，将光敏三极管固定在转板上，在光敏三极管的感光头上套一个遮光圆筒。只有当遮光圆筒正对着太阳的时候才能使得光敏三极管达到最大电流，进而输出最大电压.

方案二：差值比较法。使用四个光敏三极管，将光敏三极管以十字架形状放置。当阳光从不同的方向照射时，在十字架对应端的两个光敏三极管的输出电流值不同,用单片机分别采集并比较由这两组电流信号转变而来的电压信号，产生对应输出信号控制转动平台。

方案三：投影法。在转板上安装一根立柱，将立柱周围放置一圈的光敏三极管.当阳光非直射时，立柱的投影会遮住某一个方向的光照，使得对应的光敏三极管所在的回路的电流值与其它的回路电路不同。通过单片机对这些信号进行采样和分析，产生对应输出信号控制转动平台。

选择：方案二。方案一中，若光敏三极管与阳光直射角度偏差较大，则光敏三极管将接收不到任何光照。这样就难以产生控制信号,控制转动平台。方案三中，需要使用较多光敏三极管,而且光敏三极管方位需要采用坐标的方式来定位，根据坐标来控制电机的转动比较有难度。方案二的控制比较方便,耗材较少。经过试验效果比较理想。

——转动平台结构模块

方案一：如下图所示,把装有感光器件的感光板固定在可以绕支点转动的横杆上，通过横杆的垂直90°摆动，和水平360°转动，来控制转板的的朝向。竖直的轴由底座内部的电机带动齿轮控制，另外一个控制横轴转动的电机位于右边的圆柱体内.经过论证，上面部分的重量比较大，底座的步进电机不足以带动整个装置的转动。

图2、转动系统设计方案一

方案二：将光敏器件固定在支架上，支架可以上下90°抬起和下降，通过底座的水平360°转动，可以使光敏器件对准任何一个方向。该模型结构比较好,调节起来也容易，

图3、转动系统设计方案二

方案三：利用改装云台来实现。云台是摄像机的搭载平台，能实现二维的转动。通过即触型开关闭合，控制云台的控制。实验中，使用单片机和电磁继电器配合，控制即触型开关的导通和断开,从而达到控制云台的运动目的。

选择:方案三。在结构设计上，前两个方案设计较为复杂，制作和加工有一定难度；在运动控制上，前两个方案需要同时控制两个步进，运动的精确度较难保证。方案三使用现有的平台，在结构上比较容易实现,而且控制相对简单，更适合转动平台实际需求。 二、 系统硬件设计

本系统由一个单片机最小系统、电源模块,光能采集模块，以及继电器控制模块组成。各模块具体硬件设计如下： 1。单片机最小系统

本系统采用STC12LE5410AD单片机。该单片机具有以下特点：

◆高速，1个时钟 / 机器周期,速度比普通8051快8-12倍 ◆低功耗，可有外部中断开启空闲模式或掉电模式 ◆工作频率0～35M

◆12K程序存储器可擦除10万次以上 ◆512字节SRAM ◆6个定时器 ◆24个I/O接口

◆通用I/O口可由程序设定4种工作方式 ◆4路PWM ◆8路10位AD

其最小系统硬件电路图如下,

图5、STC12LE5410AD最小系统图

2.电源模块

使用电源适配器,将市电转变为9V的电源直流输出，采用7805和1117M3等电源转换芯片，输出5V和3。3V的电压，为单片机、继电器等提供稳定的工作电压。具体电路见下图。

图6、单片机管脚资源费配图

3。光能采集模块

将四个3DU33光敏三极管呈十字架状固定在感光面板的四个顶点处，得到四个光电流.配合发光二极管，用于指示感光电路工作状态。

P1.0 P1.2 P1.3 P1.4

图8、光能采集单元模块硬件电路图

4。 继电器控制模块

运用电磁继电器的开关特性，控制云台的某个方向的转动。具体由单片机引脚输出高低电平信号控制三极管开关电路的导通和截止，从而控制电磁继电器的控制端电压,使云台某方向的转动控制信号在电磁继电器的常开和常闭之间接环，达到控制云台的某个方向的转动的目的.

图9、继电器控制模块硬件电路图

三、软件系统设计

结合STC12LE5410AD的数据手册和本设计的实际需求，本系统的软件设计流程图如下所示.

主流程开始定时中断到初始化IO是否4路全部采完采样一路初始化AD初始化定时器开中断更新转动状态开始计时更新AD控制字，为下次采样准备1中断返回是否4路全部采完Y水平是否跟踪成功Y停止左右转动N左右转动标志Y左转右转NN竖直是否跟踪成功Y转动状态逻辑判断VA/VB/VC/VD停止上下转动N上下转动标志Y上转下转NVA>VB延时等待VA-VBVDVC-VD说明：软件部分使用定时器0、AD模块和IO控制模块。

定时器0产生定时中断,在中断处理程序中判断四个方向光敏三极管输出电压是否依次采样完成,若是，则根据采样电压值更新转动控制标志；否则,对某个方向光敏三极管输出电压采样.

主程序中依次对各模块初始化，设置对应中断和开启定时器，进入死循环。死循环中，判断四个方向光敏三极管输出电压是否依次采样完成,若是，则根据转动控制标志，输出IO口高低电平，控制云台转动；否则，延伸等待。 四．指标测试与结果分析'

1、主要技术指标测试

(1)测试仪器

测试使用的仪器设备如表1所示。

表1 测试使用仪器设备表 序号 名称、型号、规格 数量 1 2 3 直流稳压电源 DF1731SL1ATA 示波器 TDS1002 万用表 17B 1 1 1 备注 宁波中策电子有限公司 Tektronix FLUCK (2)测试方法 用5V稳压电源驱动四个并联的电磁继电器，测试当给控制某方向电磁继电器输入一个高点平时，云台相对应方向转动.当输入的是低电平时,云台停止转动。 使用示波器观察光能检测模块经光照后电压跳变值，测试结果如下.

光敏三极管输出 光源位置 感光板右斜上约45度,10cm处 光源强度 上 常见手电筒中3V小灯泡发出的光 1。66V 下 1.53V 左 1。62V 右 1.70V 常见手电筒感光板正中中3V小灯泡心上10cm处 发出的光 1.79V 1。68V 1.65V 1.73V (3)软件调试过程中出现的一些问题

在调试程序的过程中，最初由于单片机对电压信号的比较是转换为二进制,例如当VA>VB时,单片机通过采样分析，判定了应该输出电平的高低,并控制电机带动光能接收板转动,直至出现VA〈VB,单片机又会控制电机朝相反的方向转动，接着又出现VA>VB,如此往复，使得电机不停得转动而得不到停止，后来经过改进，设定了一个阈值，只有当一个方向上的信号差值大于这个阈值时，单片机才会输出高电平信号. 五、结束语

这次作品制作从原理设计到电路焊接，我们遇到了很多困难，一些是由于所掌握的知识太少，设计出来的方案不合理所致。一些是由于考虑不周密所致，如硬件焊接要模块化，原先我们没有考虑到，以致后来电路出现问题之后无法修改。但在设计制作过程，我们都新学了许多知识，许多设计方法，用这些所学到的新知识,新方法，我们克服了遇到的困难，达到了预定的目标。

参考文献

［1］ 李群芳,张士军，黄建．单片微型计算机与接口技术（第2版）． 北京:

电子工业出版社,2005．

［2] 康华光,邹寿彬．电子技术基础 模拟部分(第四版)．北京：高等教育出版社,1999．

[3］ 康华光，邹寿彬．电子技术基础 数字部分(第四版）．北京：高等教育出版社，1999．

［4] STI单片机实践教程．武汉，2006． ［4］ 赵文博, 刘文涛．单片机语言C51程序设计．北京：人民邮电出版社， 2005．