基于单片机的太阳能智能追光系统设计

刘正宇 李俊桥 孟凡星 刘向南

摘要

当前能源危机和环境污染的日益加重，各个国家在新能源研究和开发方面的投入也越来越多。其中太阳跟踪技术是提高太阳能利用效率的一种新技术和发展方向。本设计使用高速、低功耗、超强抗干扰的新一代STC12C5A60S2单片机，内部自集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），比传统8051速度快8-12倍，适用于针对强干扰场合的电机控制采用四象限法，将光敏电阻放置于SG-PSP-A1.8W-SPC A级多晶硅太阳能电池板上对光信号进行精确采集处理，将模拟电压信号传送到单片机中的A/D转换器两两比较电压值，结合太阳高度和太阳方向角智能算法，输出PWM波驱动舵机转动，一直到光敏电阻产生相同的光照强度。

【关键词】单片机 太阳能 追光系统

1 单片机的太阳能智能追光系统的设计思路

目前大多数太阳能电池板阵列采用的固定式结构，无法使太阳能资源得到充分利用，无法有效解决发电效率低下的问题。因此，各种太阳追踪装置被提上了历史的进程，比较普遍的有机械追踪的，有电子追踪的，还有用GPS来追踪的。电子追踪类的，一般都是科研单位或者大型企业为了进行某一项研究而专门设计制造的仪器设备，一方面精密高但容易损坏，另一方面造价高。机械追踪类的，其内部一般都有发条和加速装置，由于没有使用软件来调整，其误差会随着时间的积累而变得越来越大。GPS则是比较高端的产品了，它对太阳能的判断已经超出了地球的范围，通过地外检测，控制大规模的太阳能电池矩阵来接受偏转方向。它的精度极高，造价极其昂贵，目前大众还无法接受。

在这个大背景下，我们设计了一款太阳能智能降温追光系统，在最大限度的采集太阳能的同时，提高光电转换效率，降低功耗。在保证成本低廉、结构简单的前提下，实现较高的跟踪精度和转换效率。同时考虑到太阳能板的光电转换效率会随着环境温度的上升而降低，实验表明温度每上升一度，输出功率将减少0.4%～0.5%，大于45度会成倍减少。所以有效地控制降温也是增强总体光电转换效率的重要途径。

我们搭建了太阳能智能降温追光系统的基础模型，其主要的设计思路如图1所示。

（1）硬件设计部分我们采用了四象限法放置的光敏电阻采集光信号，将幅值不同的电压信号传送到高速、低功耗、超强抗干扰的新一代STC12C5A60S2单片机中，该款单片机自带10位A/D转换和抗干扰滤波电路，可以实现两两电压比较。然后输出PWM波驱动舵机转动，一直到光敏电阻产生相同的光照强度。供电电路部分我们采用LM7805三端稳压集成芯片进行稳压调压，同时并联两路大電容构成滤波电路。温控电路部分使用的是DS18B20温度传感器，它将实时监测太阳能板温度并传送至单片机并显示在LCD1602显示屏上，当大于设定温度将驱动直流电机旋转降温。

（2）软件设计部分我们利用kei15进行编程，算法方面我们将电压比较算法与太阳高度和太阳方向角智能算法相结合，能较好的解决太阳能设备的法线与太阳光线的夹角在15°以内时，对太阳的利用效率变化不明显的问题，同时可以有效提高太阳能板的转动反应速度和灵敏度，能在短时间内精确对准光源。

（3）在太阳能智能降温追光系统中，我们添加了PWR2.5标准充电口，双电源的供电方式使设备不至于出现电池没电导致的无法工作问题。

2 设计要点

在单片机和自控技术的理论学习的基础上，我们结合现有的传感器，搭建了基于太阳能智能降温追光系统实体模型，其主要分为硬件设计与软件设计两大部分。其中硬件设计部分我们采用新一代STC12C5A60S2单片机作为MCU，光敏电阻作为光传感器，DS18B20作为温度传感器，LCD1602作为显示器，舵机和直流电机作为驱动元器件，以及其他功放和供电元器件;软件设计部分我们将电压比较算法与太阳高度和太阳方向角智能算法相结合，利用kei15进行编程，STC-ISP进行烧录。

3 创新之处

（1）采用了较新型的控制MCU新一代STC12C5A60S2单片机，有效降低了功耗，提高了计算速度，增强了抗干扰能力;

（2）在传统的电压比较算法上加入了太阳高度和太阳方向角智能算法，能较好的解决太阳能设备的法线与太阳光线的夹角在15°以内时，对太阳的利用效率变化不明显的问题，同时可以有效提高太阳能板的转动反应速度和灵敏度，能在短时间内精确对准光源;

（3）由于STC12C5A60S2自带10位高精度AD转换和滤波电路，摒弃了传统设计上的电压跟随器LM324和电压比较器LM339，将光敏电压模拟信号直接模数转换，减少了中间流程，提高了工作效率。

4 结语

综上所述，视日运动轨迹跟踪方式中的单轴追踪存在很多问题，结构设计简单，应用广泛，但受极端环境和天气的影响较大，需在算法上加精，以降低执行机构的误动。因此需要设计一款太阳能智能降温追光系统，在最大限度的采集太阳能的同时，提高光电转换效率。在保证成本低廉、结构简单的前提下，实现较高的跟踪精度和转换效率。而本课题太阳能智能降温追光系统刚好填补了这个空缺，应用前景广泛。

参考文献

[1]陶涛.太阳能板自动追光系统设计与实现[D].安徽大学，2013.

[2]王庆帅，刘万春，杨侃，范宝元，王友亮.间歇供电式自动追光系统研究与实现[J].电子技术，2016（08）：41-44.