太 阳 跟 踪 器 模 拟 实 验 系 统

李　真，　彭辉丽，　孙伟华

(杭州电子科技大学 a.自动化学院； b. 理学院，杭州 310018)

0　引　言

目前全世界的能源消耗还是以石油、天然气、煤等为主，但这些能源都是不可再生的，并且会排放出有毒气体污染环境破坏大气层，产生温室效应，形成雾霾等。人们已经认识到这些问题的存在，尝试逐步摆脱对这些能源的依赖，转而发展其他清洁可再生能源。

太阳能不仅能量巨大而且还能长期供应，是完全清洁的能源。不过太阳能的能量密度很低，导致了太阳能的利用也有很大的困难。本文研究了太阳跟踪器模拟实验系统，模拟太阳光线自动跟踪，使太阳能电池板始终与光源垂直，旨在提高太阳能的能量利用率以及降低太阳光跟踪成本[1]。

1　系统设计原理

太阳的位置是实时改变的，但并不是无规律可循，可以根据当地的经纬度和时间计算出太阳的高度角和方位角。本系统采用双轴跟踪方式，根据计算得到的太阳高度角和方位角控制电动机进行粗略跟踪，同时采用光电传感器实现反馈控制，进而驱动电动机实现对太阳的精确跟踪[2]。气候不同，太阳的光照强度也会不同，当光照强度较强时，选择光电跟踪为主要跟踪方式；当光照强度较弱时，光电传感器会有很大误差且精度很差，这时以高度角-方位角式跟踪为主。图1所示为系统整体设计思路[3]。

图1系统整体设计思路

(1) 高度角-方位角式跟踪模块。太阳的运行规律有迹可循。该模块主要根据太阳的运行规律来计算实时高度角和方位角以及太阳跟踪器的仰角和水平角(见图2)。利用时钟芯片和单片机控制单元根据当地的经纬度和实时时间计算出太阳的实时位置，实现跟踪[4-5]。

① Cooper方程δ：太阳赤纬角δ每天在-23°27′～+23°27′的范围内发生变化。由Cooper方程可以计算得到春分后第d天的

(1)

② 太阳时角ω：正午时ω=0，每隔1 h增加15°，上午为正，下午为负。

③ 太阳高度角h：

sinh=sin[90°±(φ-δ)]

(2)

④ 太阳方位角γ：

(3)

图2太阳角示意图

⑤ 日照时间：日出日没时间计算公式为

cosωω=-tanφtanδ

(4)

式中:ωθ表示日出或日没时角，正为日没时角，负为日出时角。1 d中可能的日照时间为

(5)

确定太阳跟踪系统所在地的经纬度和时刻，就可以利用上述太阳高度角和方位角的数学模型计算出太阳的高度角和方位角。从而控制电动机实现实时跟踪[6]。

(2) 光电传感器跟踪模块。该模块将检测到的信号送到单片机进行处理，完成对太阳位置的探测和跟踪。本系统采用的光电传感器是5个光电二极管，用于检测晴天或阴天。太阳能电池板上的光电传感器实时检测太阳光的入射方向，并把信号发送给单片机，单片机进行处理，控制电动机改变太阳能电池板的位置，使太阳能利用率达到最高[7]。

不同的光敏半导体在数量和尺寸上存在着差异，导致光电跟踪模型种类众多。综合考虑各种因素，本系统的光电传感器模型设计如图3、4所示。

图3　光敏二极管分布模型图4　光电传感器组合模型

如图3所示，5个光敏二极管按照一定距离散布安装在一个圆盘上。同时为了更好地接收阳光照射以及减少干扰，在圆盘上套上如图4所示的圆柱罩。圆柱罩中间是一个透光孔，让太阳光从透光孔射入来判断具体方向。圆柱罩的高度选择很重要，圆柱罩太高会导致某些时段太阳光不能照射到任何一个光敏二极管，系统会认为是阴天或者晚上，导致不停地进行两种跟踪方式的切换；圆柱罩太低，会造成几个光敏二极管同时照射到太阳光，会造成系统混乱。每2个光敏二极管之间保持一定距离，以D0为中心分布。距离选择需要恰当合适，距离太大会导致太阳光照射不到且占据巨大空间没有必要；距离太小又会导致几个光敏二极管同时被太阳光照射到，造成混乱，不能很好地达到光电跟踪的效果。图5所示为入射光示意图。

图5入射光示意图

(1) 确定圆柱罩的开孔直径。选择的光敏二极管直径5 mm，开孔直径R也选为5 mm，D0固定在开孔正下方，这样一来在阳光垂直入射时，太阳光正好全部照射在D0，保证了充足的感应面积，不会由于圆柱罩的开孔太大而照射到另外二极管，造成系统紊乱以至死机[8]；同时空心圆柱罩的开孔也不能太小，开孔太小会造成入射光不够，从而造成光敏二极管不能导通。

(2) 计算各光敏二极管间的直线距离。将圆柱罩开孔直径设置为与光敏二极管的直径相同，为5 mm，则各个光敏二极管的直线距离必须大于5 mm。当2个光敏二极管的直线距离小于5 mm时，容易造成太阳光照射在2个光敏二极管上，导致系统混乱，不能区分具体方向；但光敏二极管之间的直线距离又不宜过大，过大可能会造成太阳在某一段时间内无法照射到任何一个二极管上，同样会导致系统不正常工作。本设计需要实现的是：太阳光每时每刻都只照射到一个光敏二极管上，这样就能实时检测到光敏二极管的高低电位然后做出判断。考虑到夏天的太阳光过于强烈，太阳光照射到2个光敏二极管的空隙时，反射和折射的太阳光强度较大，会造成2个光敏二极管都导通，因此需要将各光敏二极管之间的直线距离控制到比光敏二极管的直径略大一些，设为6 mm。如果将D1～D4光敏二极管分别放置在东南西北4个方向，太阳光可能会从东北、东南、西北、西南等方向射入，因此极有可能导致太阳光照射不到任何光敏二极管。本模式是先采用太阳固定轨迹跟踪方式进行粗略跟踪之后使用光电跟踪方式进行精确跟踪。保证太阳能板基本上每天都按照太阳的运行轨迹进行运动，可以很好地纠正这一点。

(3) 计算圆柱的高度H。假设太阳入射角度为β，那么可以根据β计算出H。太阳在15 min内移动的角度非常小，因此本系统设定每过15 min检测一次。太阳入射光与跟踪装置垂直则说明太阳光照射在D0位置，检测到D0为高电平。本设计希望看到的情况是15 min内太阳光在圆柱罩内的移动距离大于2.5 mm，同时小于13.5 mm，这些都是基于圆柱的高度H。如果圆柱罩太低，会导致太阳光长时间停留在一个光敏二极管上，可能因为太阳的移动角度不够大，太阳光根本照射不到任何一个光敏二极管，这样一来根本无法分辨太阳的方向；但如果圆柱罩过高，又会造成太阳入射角β变化很小角度，太阳光就就会照射到圆柱罩的内壁，这些都是要兼顾和攻克的点。据此可以得出以下公式：

x=Htanβ，2.5≤x≤13.5

(6)

可以得知，白天12 h太阳移动180°，即1 h移动15°，15 min移动4°左右，tan 4°≈0.07。因此可计算出：36 mm≤H≤193 mm。考虑到要尽量避免在每15 min时恰好出现光线移动到2个光敏二极管之间的间隙中，那么圆柱罩不能太高，综合考虑取柱高H=40 mm。

2　太阳能跟踪装置硬件设计

2.1　系统机械设计

太阳跟踪器模拟实验系统使用双轴跟踪，即使用2个电动机实现太阳能板的上下转动以及水平方向的上下转动。机械部分由转动支架、太阳能板、电动机等组成[9]，具体如图6所示。

图6机械结构图

2.2　系统硬件实现

在太阳跟踪器机械架构设计完成的情况下，还需完成以下硬件设计[10]:采用STM32F103VBT6单片机作为主控CPU。STM32F103属于增强型系列，是32位单片机，因其芯片自身携带较多功能，接口相对简单，性能较高，工作速度非常快，是51系列的几十倍，适用于许多工业系统开发。同时，STM32F103VBT6内置RTC实时时钟，可以提供太阳固定轨迹跟踪所需要的时间且可以判断昼夜，晚上整个系统进入待机模式。

采用光电传感器进行阴晴天判断，同时作为光电跟踪的依据。光电检测电路使用了5个光敏二极管用于检测太阳高度角和方位角的变化，电路图如图7所示。由电路图可知，当太阳能电池板正对太阳时，即D0收到光照导通时，STM32F103VBT6的4个引脚PB1～PB4检测到高电平。D0没有受到光照时，可以得知当D1～D4任何一个光敏二极管受到光照时其所对应的运放输出低电平，其他没有受到光照的光敏二极管所对应的运放输出为高电平，这点可以通过调节电路中的5个电阻阻值实现。例如：当D1受到光照处于导通而其他光敏二极管都处于截止状态时，从电路中可以看出，只有D1所对应的运放输出低电平，D2～D4所对应的运放都是输出高电平，这时PB1检测到低电平，PB2～PB4检测到高电平。

利用矩阵键盘可以手动输入当地的经纬度，校准当地时间，同时也能实现手动控制。矩阵按键又称为行列式键盘。这种行列式键盘能有效提高系统中IO口的利用率。本系统使用矩阵按键来实现手动控制，可以手动输入当地经纬度，修改系统时间，调整太阳能板的角度，不同跟踪模式切换等[11]。

图7　光电检测电路

选用OLED显示当地经纬度、当地时间、太阳角度、支架角度等。OLED，即有机发光二极管，相对于LCD需要背光，OLED自发光，无需背光。同样地显示，OLED效果要来得好一些。OLED模块有以下特点：尺寸非常小；占用IO口较少；自发光，两种颜色可选；高分辨率，该模块的分辨率为128×64；不需要高压，直接3.3 V就可以工作。

电源模块管理的设计。本系统采用自制12 V电源用于对步进电动机的供电。微处理器STM32F103VBT6是3.3 V供电,光电传感器是5 V供电，因此采用稳压芯片LM2595和AMS1117降压固定输出5 V和3.3 V。用LM2596将12 V电源降压为5 V，再通过稳压芯片AMS1117将电源降压为3.3 V实现对STM32F103VBT6供电。

步进电动机能够将脉冲信号转换成角位移信号输出，接收到一个脉冲信号就转过一个角度，并且能实现断电急停。综合本次设计的特点，选择步进电动机作为驱动电动机。同时，电动机驱动模块选择也是设计的关键。THB7128电动机驱动在稳定性和操作性上成为方案首选。THB7128驱动芯片具有128高细分、大功率、散热性好、可靠性高、运行平稳等优点，最高耐压可达40 V，电流峰值是3.3 A，可设置驱动电流值进行保护。其电路连接如图8所示。控制信号端：THB7128通过脉冲信号端口(CLK)接收STM32F103VBT6的脉冲信号(PWM)，按接收到脉冲信号数量来驱动步进电动机转动角度；方向信号端(CW)：发送高低电平控制步进电动机正转或者反转；控制信号的使能端(EN)：此端子加高电平电动机工作，此端子加低电平电机不工作[12-13]。

图8　步进电动机驱动器电路

3　太阳能跟踪装置软件设计

3.1　软件总体设计

系统开机之后，由实时时钟程序以及电路可以判断白天黑夜。若是黑夜，系统不工作；若是白天，则通过判断阴晴天来选择不同的跟踪模式。软件总体设计流程图如图9所示[14]。

图9软件总体设计流程图

系统可以使用RTC实时时钟来判断昼夜，也可以通过光敏二极管的运放电路来判断昼夜。为了保证判断正确，在程序中当2个条件同时符合时才认为判断正确，当有一项结果和另一项结果不符合时，系统给出反馈并且在OLED上显示来提醒使用者。考虑到太阳固定轨迹跟踪模式的程序较为繁琐，计算量较大，不适合放于中断服务程序中，检测晴天还是阴天通过IO口查询的方式判断，IO口查询方式虽然比较耗费单片机的运行时间，但STM32F103系列单片机作为单片机中的战斗机，最大72 MB的系统时钟完全可以忽略这一点[15]。

光电跟踪模式：STM32F103系列单片机每一个IO口都可以作为中断端口，选择低电平的中断触发方式。位于圆盘中央的光敏二极管D0受到光照，说明太阳能板与太阳光正好垂直，系统不进入中断。当D1～D4任一光敏二极管导通时，对应的单片机接收引脚PB1～PB4触发中断，进入中断服务程序，将对应标志位置位，主程序中进行查询，电动机转动使D0重新受到光照。

太阳固定轨迹跟踪模式：晴天时，先使用太阳固定跟踪模式进行粗略跟踪，随后使用光电跟踪模式进行精确跟踪；阴雨天时，光电跟踪模式干扰较大，单独使用太阳固定轨迹跟踪模式进行跟踪，弥补了光电跟踪在阴雨天的跟踪缺憾。

3.2　实时时钟软件设计

STM32F103VBT6的内置RTC实时时钟是一个独立的定时器，可以提供时钟日历的功能，修改计数器的值可以重设系统当前的时间和日期。RTC实时时钟属于APB1总线，RTC的APB1接口用来和APB1总线相连，RTC核心由一组可编程计数器组成：RTC的预分频模块TR_CLK和32位(232=136 a)可编程计数器。单片机设置RTC时钟步骤如下：① 使能电源时钟和备份区域时钟(设置RCC_APB1ENR)；② 取消备份区域写保护；③ 复位备份区域，开启外部低速振荡器；④ 选择RTC时钟并使能；⑤ 设置RTC的分频以及配置RTC时钟；⑥ 更新配置，设置RTC中断；⑦ 编写中断服务函数。

3.3　光电跟踪模式的设计

光电跟踪部分的程序相对简单，它不需要知道实时时间和经纬度，程序计算量也不像太阳固定轨迹模式那样大，它不需要计算出太阳的高度角和方位角。单片机通过光电传感器对应电路会判断出太阳跟踪器的具体转向，然后控制步进电机转动到相应位置。这部分的程序主要是通过D0～D4光敏二极管对应的单片机的4个引脚的高低电平来判断太阳朝向。程序流程图如图10所示[16]。

图10光电跟踪流程图

3.4　太阳固定轨迹跟踪模式的设计

STM32F103VBT6单片机实时时钟提供当地时间，根据当地经纬度可以计算出太阳的高度角和方位角，从而可以计算出太阳能电池板在上下和左右两个方向应该转过的角度，15 min后，再次计算角度，得到两次的角度差并利用这个高度差计算出步进电机需要转动的角度。该程序流程图如图11所示。

图11太阳固定轨迹跟踪模式流程图

4　结　语

本文建立了一个太阳跟踪器模拟实验系统。系统选择STM32F103VBT6单片机作为主控，将光电跟踪方式和太阳固定轨迹跟踪方式相结合。选择5个光敏二极管作为光电传感器，分别放置于东西南北中，电路简单，降低了成本。机械部分采用二轴跟踪设计，是对太阳高度角和方位角的双向跟踪，相对于单轴跟踪太阳能利用率更高。本设计在现有太阳能跟踪器的基础上做了进一步的设计和开发，以期进一步提高太阳能的利用率。

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