太阳光线自动跟踪系统的设计

1、第8卷第1期 正德学院学报 Vol.8 No.1 2010年6月 Journal of Zhengde College Jun 2010太阳光线自动跟踪系统的设计白延敏正德职业技术学院 江苏省 南京市 211106【摘 要】随着太阳能的广泛利用，如何提高对太阳能的利用率，成为太阳能研究的焦点问题之一。太阳光线自动跟踪系统基于ARM体系结构的LPC2131嵌入式处理器、驱动模块ST-24HB和步进电机组成驱动系统，使用光敏电阻构成跟踪传感器，并采用双轴式跟踪调整装置，使系统太阳电池板自动跟踪并垂直接收太阳光线，大大提高了太阳能利用率。【关键词】太阳能 自动跟踪 ARM 步进电机 传感器在传统能源

2、紧缺的今天，新能源和可再生能源的利用越来越受到各国政府的重视。其中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、绿色环保的特点成为人们瞩目的焦点，太阳能的利用已成为21世纪重大的研究课题之一。人类对太阳能的利用主要有两种形式：光热转换形式和光电转换形式。然而，这两种形式的太阳能利用都存在着能源密度低、利用的间歇性、空间分布时刻变化的问题。在光电转换形式中，由于太阳能的利用受自然条件及日照的影响，无法保持太阳光始终垂直于太阳电池板，因此太阳能电池板昂贵、转化光电效率低而未能得到普及利用1 2。为提高太阳能利用率，本文设计了一种结构简单、成本低廉、具有应用价值的太阳光自动跟踪系统，可实现各种天气状况下的太阳跟踪

3、，能使太阳能电池板最大限度地对准太阳，保持最大的发电效率。整个太阳光线自动跟踪系统由跟踪系统和控制系统两部分组成。跟踪系统包括跟踪传感器和转动式跟踪装置，而控制系统包括嵌入式最小系统、传感器接口、驱动电路。一、跟踪系统结构1太阳光线跟踪传感器设计跟踪传感器的设计主要是基于光敏电阻，光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。本系统选用的可见光敏电阻器型号为MG42-5，其最高工作电压为20V，额定功率5mW，亮电阻20K，暗电阻2M。本系统跟踪传感器部分设计的结构示意图如图1所示：它是由8个型号为MG42-5

4、的光敏电阻和一个圆筒组成。在圆筒外部，东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻。其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角；P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角。在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。圆筒采用不透光材料，高度决定测量的精度。但是太高的精度则导致跟踪装置不断转动，消耗电能，本系统采用的高度为5厘米。当处理器采样到对称光敏电阻的大小不等，则太阳光板转向阻值小的一侧，直到对称电阻大小相等，即此时太阳光垂直于电池光板。2转

5、动式跟踪装置跟踪装置的结构模型示意图如图2所示：步进电机1固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面（主轴相对于底座可以转动），转动架以及支架固定安装在主轴上；太阳电池板、步进电机2 安装在支架上面（太阳电池板相对于支架23第8卷第1期 正德学院学报 Vol.8 No.1 2010年6月 Journal of Zhengde College Jun 2010够完成代码和数据的存储4，处理器内部的A/D转换器接口与光线跟踪传感器相连，实现信号的采集，通过软件的判断控制电机转动。处理器外接最小系统，包括电源、晶振、复位电路及JTAG调试电路。由于处理器接口电压为3.3V，而电机的驱动电压为5V，

6、所以处理器通过光耦与电机驱动相连，实现电机的控制。处理器采集8个跟踪传感器的输入信号，经比较得偏差信号，通过偏差信号的正负控制步进电机转动方向，通过脉冲信号控制电机是否转动。电机驱动器、步可以转动），步进电机2 的输出轴连接太阳电池板。当光线发生偏移，控制系统分别发出两路控制信号，一路控制信号驱动步进电机1， 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架转动，用来实现太阳光线方位的跟踪；另一路控制信号驱动步进电机2 带动太阳电池板相对与支架转动，用来实现对太阳光线高度角的跟踪。这样通过步进电机1和步进电机2 的共同工作，使太阳电池板垂直于太阳光线3，实现了对太阳光线的跟踪。二、控制系统结构控制系统

7、包括系统的硬件设计和软件设计。 1.控制系统硬件设计控制系统硬件设计在整个系统中占有重要地位，硬件框图如图3所示。系统使用ARM核处理器LPC2131，内部集成的RAM和Flash存储器足进电机、太阳电池板和光线跟踪传感器构成一个整体。系统选择电机驱动器的型号为ST-24HB，此驱动器控制步进电机整步转动式1.8°，但是它还可以细分为0.9°、0.36°、0.18°、0.09°、0.045°，细分数越小转动的精度越高，如果精度太高则细微的光线变化将导致转动装置不停的调整，消耗能量较大，经过多次测试，本着在精度和耗 能方面折中的思想，系

8、统选择步进电机的步长为0.36°。2控制系统软件设计控制系统的软件设计主要是根据传感器的采集信号，控制电机的转动，整个工作过程为：当太阳光垂直照射到此传感器时，圆筒内外侧的对称光敏电阻接收的太阳辐射强度相同，则系统采集值也相同，比较后输出信号为零，电机不转动；当太阳光偏离传感器垂直位置时，圆筒内外侧的对称光敏电阻接收的太阳辐射强度不相同，则系统采集值也不相同，比较后输出偏差信号，通过模数转换成数字信号，根据偏差信号的正负和大小决定步进电机的转向和转动角度。跟踪控制系统的原理如图4所示。在本系统设计过程中，主要的控制作用都是由主控制软件设计中实现的，主要包括：10位A/D采集模块、定时

9、器模块、脉冲产生模块、电平控制模24第8卷第1期 正德学院学报 Vol.8 No.1 2010年6月 Journal of Zhengde College Jun 2010图4 控制系统工作原理图光敏电阻数据大于18；（2）太阳光线垂直误差：0.36°； 三、结束语本文介绍的太阳光线自动跟踪系统可以有效地提高太阳能利用率，适用于各种需要跟踪太阳的装置。如果要是系统具有更高的跟踪精度，可以使用位数高的A/D转换器、调整跟踪基准等方法。太阳光线自动跟踪系统对于我国广阔的太阳能资源丰富地区，有着非常广阔的应用前 景。随着太阳能自动跟踪装置的广泛应 用，它定会有助于提高绿色能源利用的进 程，

10、保护生活环境5。（本文为我院20082009年度课题太阳光线跟踪系统成果之一）【参考文献】1 张兴磊，杨丽丽，张东凤一种太阳自动跟踪系统的设计J青岛农业大学学报(自然科学版)，2009，26(4)，315-3182 刘振起太阳能集能器自动跟踪装置J2003（9）：22-24 3 张利明，杜春旭，吴玉庭，马重芳基于8051单片机的蝶式太阳能跟踪控制系统JSOLAR ENERGY，2007（6）:19-214周立功张华等深入浅出ARM7-LPC213x/214xM北京航空航天大图5 控制系统软件主流程图块。软件主流程图如图5所示。上电初始化包括处理器端口及功能设置、A/D模块初始化等。在系统中加入了光强判断，若光强较弱，则不进行控制，否则通过比较偏差得到电机转