基于51單片機(jī)的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究

0 引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽能作為一種清潔能源，無疑受到各國(guó)的普遍重視。在相同條件下，光照強(qiáng)度越大，太陽能電池輸出功率越大。因而增大太陽能電池受光面的光照強(qiáng)度，就可增大太陽能電池輸出功率。除了提高太陽光電池本身的轉(zhuǎn)換效應(yīng)和提高蓄電池充放電效應(yīng)外，對(duì)太陽的自動(dòng)跟蹤是太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段。因此，在太陽能的利用過程中，實(shí)施太陽跟蹤是很有必要的。
對(duì)太陽進(jìn)行跟蹤的方法很多，但不外乎為采用確定太陽位置所用的兩種坐標(biāo)系統(tǒng)，即赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，并分為雙軸跟蹤和單軸跟蹤。單軸跟蹤已在很多文獻(xiàn)作了介紹，本文要討論的為雙軸跟蹤。為了敘述方便，在以后的陳述中將兩種坐標(biāo)系下的整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)稱為太陽能板。
本文采用在地平坐標(biāo)系下的太陽跟蹤及程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的控制方式，即采用程序控制，利用光學(xué)傳感器對(duì)太陽能板做自動(dòng)定位和誤差校正，而通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)利用時(shí)鐘提供的日期和時(shí)間，計(jì)算出太陽能板的預(yù)期位置，與編碼器提供的當(dāng)前位置比較，輸出控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)控制俯仰角電機(jī)和方位角電機(jī)使太陽能板運(yùn)行至太陽垂直照射點(diǎn)，從而進(jìn)行跟蹤。傳感器在太陽能板位置出現(xiàn)誤差時(shí)進(jìn)行校正。

1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由時(shí)鐘、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、編碼器、太陽能板和傳感器6部分組成。系統(tǒng)的核心部件是傳感器和單片機(jī)。太陽跟蹤系統(tǒng)原理見圖1。

1．1 智能單元與雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
本文的控制系統(tǒng)選用了AT89C51單片機(jī)作為智能單元。AT89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè)4 KB的FLASH可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器。文中所述系統(tǒng)為地平坐標(biāo)系的雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，因此采用雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制，雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制就是在x軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在y軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。這2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)對(duì)象，使對(duì)象在一個(gè)平面上以任意曲線運(yùn)動(dòng)。二維步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

AT89C51單片機(jī)通過P2口輸出控制脈沖信號(hào)，P2．0～P2．3為一路，P2．4～P2．7為一路，分兩路各控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。P3．2～P3．5設(shè)置為行程保護(hù)開關(guān)，作二維步進(jìn)電機(jī)正反向最大行程保護(hù)。功率放大電路中采用74LS05將單片機(jī)P2口脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)9014控制光電耦合器，隔離后，由功率管DK63驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，圖中L11，L12即為步進(jìn)電機(jī)的各相線圈。