基于光敏电阻的太阳自动追踪系统

0 引言

太阳能被广泛地应用于人类的生产和生活，研究表明当太阳光线垂直照射太阳能电池板时可获得更高的太阳能利用率。因此研发太阳追踪装置来提高太阳能光伏发电效率，具有非常重要的理论意义和实际应用价值。近年来太阳追踪装置得到了广泛的关注与研究，在跟踪装置方面单轴装置结构简单，但追踪精度不高；在控制算法方面文献[1]采用模糊控制算法与PID算法相结合的方法实现太阳追踪，文献[2]通过对SPA和PSA算法的对比，提出以程序粗跟踪与传感器精确跟踪相结合的方法实现太阳追踪，两种算法虽可显著提高太阳能利用率，但是控制算法和控制程序都过于复杂。本文提出一种基于光敏电阻的太阳自动追踪系统，根据光敏电阻的工作原理设计制作了高效低成本的光照强弱检测模块，采用双轴追踪控制，实现控制算法简单化，太阳能利用率最大化。

1 系统方案

太阳自动追踪系统主要由五部分组成：①光照强弱检测模块，主要由光敏电阻组成，采集不同方位光照强度信息，传入单片机进行分析处理；②单片机；③控制算法；④太阳追踪机构，本文设计的太阳自动追踪系统采用二维追踪装置，可以使太阳能电池板实现八个方向转动，这样既可以对太阳自东向西的运动轨迹进行追踪，也可以对太阳的高度变化进行追踪，提高了太阳能电池板对光照角度变化的追踪效率；⑤太阳能电池板。太阳自动追踪系统整体框图如图1所示。

图1 太阳自动追踪系统整体框图

2 光照强弱检测模块

由于地球上的方向分为北、南、西、东四个方向，以太阳能电池为中心，为了检测太阳能电池板北、南、西、东四个方向的太阳光照强弱，将光敏电阻通过和一个固定阻值的电阻串联后，分别安装在太阳能电池板的上、下、左、右四个位置分别用于检测北、南、西、东四个方向的太阳光照强弱，如图2所示。光电检测传感器使用了四个光敏电阻用以检测太阳能电池板北、南、西、东四个方向的太阳光照强弱，由于光敏电阻的工作原理是光照强度越强，阻值越小，光照强度越弱，阻值越大[3]。所以将和光敏电阻串联的电阻分压得到的电压值作为检测到的光照强弱值，为了有统一的参考标准，四个光敏电阻R1、R2、R3、R4分别和阻值大小相同的固定电阻R5、R6、R7、R8串联后，并连在电压5V的电源正极和负极上，如图3所示。

图2 光敏电阻位置示意图

图3 光电检测传感器电路原理图

3 太阳追踪机构

为了满足太阳能电池板可以向转向北、南、西、东四个方向的设计要求，在水平面中建立平面坐标系，将西、东方向作为坐标系的X轴的正方向和负方向，将北、南方向作为坐标系的Y轴的正方向和负方向，将与舵机1输出轴连接的U型架安装于太阳能电池板背面的中间位置，与舵机1输出轴连接的U型架可以左右转动，代表X轴的西、东方向，将与舵机2输出轴连接的U型架安装于舵机1的壳体上，与舵机2输出轴连接的U型架和与舵机1输出轴连接的U型架垂直，可以前后转动，代表Y轴的北、南方向[4]。

4 单片机选型

太阳自动追踪系统是利用光电检测传感器采集光强信息，通过单片机的A/D转换模块将不同光强所对应的电压值转化为数字信号，并送入单片机中，单片机通过比较不同电压值来确定各个方向光照强度的强弱，从而发出相应指令来控制追踪机构，实现太阳追踪，所以所选用的单片机一定要具有高精度的A/D转换功能，在单片机的学习使用过程中常用的有以下两种。

4.1 80C51单片机

80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package），内 有128Byte的RAM单 元 及4K的ROM。80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口，A/D转换精度8位数据。

4.2 AVR mega16单片机

ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率，A/D转换精度10位数据。

通过以上分析可知80C51单片机和AVR mega16单片机性能都很卓越，但是80C51单片机的A/D转换精度8位数据，电压模拟量转换为数字量最大值为28即256，AVR mega16单片机的A/D转换精度10位数据，电压模拟量转换为数字量最大值为210即1024，AVR mega16单片机的A/D转换精度更高，由于太阳自动追踪系统需要精确比较经过A/D转换过的北、南、西、东四个方向的太阳光照强弱，然后发出控制指令控制太阳能电池的转向，所以本文选用A/D转换精度更高的AVR mega16单片机太阳自动追踪系统控制元件。

5 太阳自动追踪系统控制算法设计

由于AVR mega16单片机的A/D转换模块转换精度是10位数据，即最大值为210为1024[5]，因此将北、南、西、东四个方向的光敏电阻检测到的太阳光照强弱，经过AVR mega16单片机的A/D转换模块转换得到的数字量设为u1、u2、u3、u4，e1=u1-u2、e2=u3-u4、e3=u2-u1、e4=u4-u3。

根据多次实验测试得出的阈值数据，光电检测追踪方法的具体工作过程可以分为八种情况具体讨论：

①若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u3-u4=e2＜100，则北方比南方光照强，西方比东方光照强；进一步分析，若-100＜e1-e2＜100，则北方光照强度和西方光照强度差距较小，系统控制采用比例控制：

式中：y1为X轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；

式中：y2为Y轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出X轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y1的控制下向北方向转动，Y轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y2的控制下向西方向转动，最终太阳能电池板转向西北方向接受光照。

②若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u3-u4=e2＜100，则北方比南方光照强，西方比东方光照强；进一步分析，若100＜e1-e2＜200，则北方光照强度大于西方光照强度，系统控制采用比例控制：

式中：y1为X轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出X轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y1的控制下向北方向转动，Y轴光照角度调节舵机保持不动，最终太阳能电池板转向北方向接受光照。

③若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u3-u4=e2＜100，则北方比南方光照强，西方比东方光照强；进一步分析，若-200＜e1-e2＜-100，则北方光照强度小于西方光照强度，系统控制采用比例控制：

式中：y2为Y轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出Y轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y2的控制下向西方向转动，X轴光照角度调节舵机保持不动，最终太阳能电池板转向西方向接受光照。

④若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u4-u3=e4＜100，则南方比北方光照强，东方比西方光照强；进一步分析，若-100＜e3-e4＜100，则南方光照强度和东方光照强度差距较小，系统控制采用比例控制：

式中：y3为X轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；

式中：y4为Y轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出X轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y3的控制下向南方向转动，Y轴光照角度调节舵机在AVR mega16单片机输出控制量y4的控制下向东方向转动，最终太阳能电池板转向东南方向接受光照。

⑤若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u4-u3=e4＜100，则南方比北方光照强，东方比西方光照强；进一步分析，若100＜e3-e4＜200，则南方光照强度大于东方光照强度，系统控制采用比例控制：

式中：y3为X轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出X轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y3的控制下向南方向转动，Y轴光照角度调节舵机保持不动，最终太阳能电池板转向南方向接受光照。

⑥若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u4-u3=e4＜100，则南方比北方光照强，东方比西方光照强；进一步分析，若-200＜e3-e4＜-100，则南方光照强度小于东方光照强度，系统控制采用比例控制：

式中：y4为Y轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出Y轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y2的控制下向东方向转动，X轴光照角度调节舵机保持不动，最终太阳能电池板转向东方向接受光照。

⑦若0＜u1-u2=e1＜100、0＜u4-u3=e4＜100，则北方比南方光照强，东方比西方光照强；进一步分析，若-100＜e1-e4＜100，则北方光照强度和东方光照强度差距较小，系统控制采用比例控制：

式中：y5为X轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；

式中：y6为Y轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出X轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y5的控制下向北方向转动，Y轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y6的控制下向东方向转动，最终太阳能电池板转向东北方向接受光照。

⑧若0＜u2-u1=e3＜100、0＜u3-u4=e2＜100，则南方比北方光照强，西方比东方光照强；进一步分析，若-100＜e3-e2＜100，则南方光照强度和西方光照强度差距较小，系统控制采用比例控制：

式中：y7为X轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；

式中：y8为Y轴光照角度调节舵机单片机输出控制量；k1为光照强度差距较小时的常数比例因子取2；得出X轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y7的控制下向南方向转动，Y轴光照角度调节舵机在单片机输出控制量y8的控制下向西方向转动，最终太阳能电池板转向西南方向接受光照。

因此采用此算法，不仅可实现快速准确的角度跟踪，北、南、西、东、西北、东南、东北、西南八个都有兼顾，而且降低了系统震荡，提高系统跟踪的稳定性。

6 实验研究

在户外进行日照充电实验，实验采用两块同样规格的太阳能电池板，一块调至最佳角度固定安装；另外一块采用太阳自动追踪系统。实验所用的12V蓄电池容量为6AH，实验采用的12V-10W电池板理论电流为0.83A，12V-6AH蓄电池理论充电时间为7.3小时。

实验从上午8:00开始，直到下午18:00两种太阳能电池板充电控制器的蜂鸣器都没有响起，于是在第二天上午8:00继续进行测试，在上午9:15时采用太阳自动追踪系统的太阳能电池板充电控制器蜂鸣器响起，用时11小时15分钟，在上午12:06采用固定安装角度的太阳能电池板充电控制器蜂鸣器响起，用时14小时6分钟。

7 结论

蓄电池理论充电时间为7.3小时，但是两种充电系统用时都较长，分析其中原因有两个。第一、两块太阳能电池板本身质量问题；第二、实际测试过程中天空中时常有云层出现，影响了太阳能电池板的充电效率。但是从实验中依旧可以得出，采用太阳自动追踪系统的太阳能电池板充电系统比采用固定安装角度的太阳能电池板充电系统充电效率高。