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第24卷第3期Vol124No13长春师范学院学报(自然科学版JournalofChangChunTeachersCollege(NaturalScience2005年8月Aug2005基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计薛建国(福建莆田学院电子信息工程系,福建莆田351100[摘要]本系统以单片机为核心,构建了由光电二极管检测和比较,方位角和高度角双轴机械跟踪定位系统组成的自动控制装置,设计出一套自动使太阳能电池板保持与太阳光垂直的自动跟踪系统。在晴天检测时能自动跟踪太阳并实时回存正确数据,消除因季节变化而产生的积累误差,在阴天时能自动引用晴天时的位置,控制精度高,具有广泛的应用潜力。实现了追踪太阳的效果,达到提高发电效率的目的。[关键词]太阳跟踪;光电检测;自动定位;单片机;设计[中图分类号]TN710[文献标识码]A[文章编号]1008-178X(200503-0026205[收稿日期]2005-06-05[作者简介]薛建国(1965-,男,福建莆田人,福建省莆田学院电子信息工程系高级讲师,从事多媒体、电子技术、单片机研究。太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的,没有充分利用太阳能资源,发电效率低下。据实验,在太阳能光发电中,相同条件下,采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%,因此在太阳能利用中,进行跟踪是十分必要的[1]。本文提出一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案,该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低,而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值。11自动跟踪系统的组成和结构111组成。自动跟踪系统由光电检测电路,双轴机械跟踪定位系统,时钟电路,单片机控制系统等几部分组成。11111光电检测电路太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同,因此,欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。图1是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视简图,共由9个光电三极管组成。正中央1个,旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住,圆柱体的直径略大于图中的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞,以让光线通过(如图2所示。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上,光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(确保会受到光线的照射也安装一个光电二极管(其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同,用于检测环境亮度,并与圆柱体内的每个光电二级管及运放(可用LM324集成电路中的一个构成一个比较电路(如图3。适当调整图中电阻的阻值,这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时,运放将输出低电平。此电平可对接到的输入端进行检测,圆柱体内的每个光电二级管各用一个单片机的输入端,总共用了9个。这样就可以检测太阳光线的朝向,来决定哪个电机转动、向哪个方向转动。另外,为了增大光电二极管的检测范围,视实际情况需要,也可再增加一圈光电二极管,并与内圈的相应的光电二极管并联(如图4。图1图2图3图4图511112双轴机械跟踪定位系统机械部分主要由电池板支架、底座、两转动轴和直流电机构成,整个电池板及检测装置安装在图5中上部的电池板支架上,光电二极管检测平面和电池板面应平行。太阳能器自动跟踪装置设计成双轴机械跟踪定位系统,即可同时在方位角和高度角两个方向上跟踪。机械装置由电机驱动,可以使电池板在水平方向上的360°和垂直方向上的0~90°之间自由旋转。2个转动轴的转动部位都安装轴承,使摩擦力减小,以降低方位角和高度角两直流电机的调整功率。在转动轴上各固定一较大的齿轮,电机可通过传送带与小齿轮连接,并进行一定的转速比调整,以降低大齿轮转速和电机的调整功率。在两小齿轮的对称放置上各安装2块小磁铁,在小齿轮旁边适当位置安装一个干簧管(干簧继电器,并调整其位置使小齿轮上的磁铁在经过干簧管时,干簧管能闭合。将此信号送由单片机进行判断,就能检测到转动的角度。单片机送出方位角和高度角电机的正反转控制信号,经两路三级管和继电器分别加在方位角和高度角这2个电机上,这样就构成了方位角和高度角的跟踪机构。另外,在两个大齿轮边宜安装一锁定装置,在方位角和高度角没有调整时,该锁定装置通过安装在弹簧上(弹簧的另一端固定在大齿轮的轴心位置的铁片,锁定齿轮,以防因系统自重和外界因素导致方位角和高度角自行移动。在单片机发出正反转调整信号时,同时也驱动接通电磁阀,拉动该铁片,以解除锁定。11113时钟电路由于系统中要进行一些与时间有关的控制,这就需要使用实时时钟。若使用单片机进行计时,则天长日久会引起较大的误差,因此使用DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302[2]。它具有实时时钟和31字节的静态RAM,采用串行通讯,可方便地与单片机接口。DS1302可提供秒、分、时、日、星期、月和年(带闰年补偿,可采用12h或24h方式计时,采用双电源(主电源和备用电源供电。将DS1302的SCLK、IΠO、RST三根引脚与单片机AT89C52的三根输入口相连接(如图6。DS1302主要引脚有:X1,X2:连接321768kHz晶振。GND:电源地。RST:复位,用于对芯片操作。IΠO:数据输入、输出引脚。SCLK:串行时钟输入。VCC1,VCC2:主电源与后备电源。图7为DS1302数据传送时序,当RST为高位时,对芯片的操作有效。SCLK为时钟脉冲,其上升沿时,IΠO线上信息输入有效(低位在前,高位在后;而下降沿时,IΠO线上的数据输出有效(低位在前,高位在后。图6DS1302与AT89C52的连接图图7S1302数据传送时序图11114单片机控制电路单片机选用低损耗、高性能、CMOS八位微处理器AT89C52[3],片内有8k字节的可擦写存储器,4组IΠO口。若要求的存储量较多,则可改用STC89系列高性能单片机。21系统电路图与工作原理211电原理图图8为整个系统的电原理图。电源部分和部分重复的光电检测单元、高度角的三级管和继电器(和图中方位角的相同没有画出。图中D0为置于外部环境中的光电二极管,通过调整R20,可使在外界没有光线时,单片机P17脚检测到低电位,以判断昼夜。D1为置于圆柱体中央的光电二极管。适当调整R0和R1的值,使当圆柱体中的光电二极管D1在受到光照时运放A1能输出高电平(1,而D1在没有受到光照时输出低电平(0。其他各路也同样处理。K1、K2为行程开关,用于检测的方位角和高度角的初始位置。继电器的两组触点一缓步用于控制电机的转动,另一组同时接通电磁阀,解除锁定。图8系统的电原理图212工作原理系统的框图如下:开机后先进行时间校正,调用全自动调整子程序,在开机后的第一次调整时,图9主程序框图图10自动调整子程序框图如遇阴天,因尚未存储正确的位置数据,程序将无法定位,这时应用手电筒模拟太阳予以定位。有了初始数据后,程序就可自动调整。在光线正常时,程序每隔20分钟进行一次校正,这样既可以保持较高的发电效率又可以防止过多的电能消耗在电机上。当晴天校正成功后,将时(1-24和分(用1、2、3表示0、20、40分组成一个字节来表示时间,方位角和高度角合用2个字节,其中水平方位角占9位,高度角占7位,最大可分别表示512和128,故足以达到10的精度,将这三个字节存储到89C52的指定的RAM区中。如阴天调整不成功,则不予存储,改为调用前次在同一时间调整成功时的位置。这样既可以在阴天时,调用已存储的晴天时的太阳位置,也可以在晴天时自动校正,清除因不同季节太阳位置的变化而产生的积累误差。一个校正点要用3个字节,若1个小时校正4个点(间隔20分钟,一天假定调整14个小时,则共要用到126个字节。而AT89C52片内有256字节RAM,足可视需要将时间间隔改为10分钟。31结论本太阳自动跟踪系统能自动检测昼夜,并应用了太阳辐射与环境亮度的比较,使得该自动跟踪系统的准确性高、可靠性强,在晴天检测过程中能实时回存正确的时间和角度数据,消除因季节变化而产生的积累误差。在阴天时能自动转动到以前晴天时的位置。即使是在天气变化比较复杂的情况下,系统也能正常工作,提高太阳能的利用效率。如果应用于太阳能电池板,则可从电池板直接获取电能,而无需另外输入能量,本系统也可用于其它太阳能利用装置。图11时间较正子程序框图图12全自动调整子程序框图[参考文献][1]陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程,2003,(3,18-21.[2]丁金华,孙秋花.串行时钟芯片DS1302的应用[J].大连轻工业学院学报,1998,(1,40-45.[3]余永权.ATMEL89系列(MCS-51兼容Flash单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2000.DesignthattheSolarCellBasedonOne-chipComputerFollowstheSystemAutomaticallyXUEJian-guo(Electronic&InformationEngineeringDepartment,,Putianniversity,Putian351100,ChinaAbstract:Thissystemregardsone-chipcomputerasthecore,structureitbyphotodiodemeasuringandcompara2tivelaw,a.1zimuthandhighcornerdoubleaxlemachineryfollowtheautomaticcontroldevicethatthenavigationsystemmakeup,designoneenablethesunpanelkeepwithsunlightverticalautomatictrackingsystemmodelauto2matically.Gobacktostorethecorrectdatawhencanberealwhenitisfinewhilemeasuring,dispeltheaccumula2tionerrorproducedbecauseofseasonalvariation,positiononcanwhenbeingautomaticallyfinedayofquotingatovercastday,reachtheanticipatedperformanceindex,itishightocontroltheprecision,haveextensiveapplica2tionpotentiality.Realizefollowingthetrailoftheresultofthesun,achievethegoalofimprovingefficiencyofgen2eratingelectricity.Keywords:Thesunfollows;thephotoelectricityismeasured;makesareservationautomatically;one-chipcomput2er;designs