太陽(yáng)能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽(yáng)能利用效率低，這一問(wèn)題一直影響和阻礙著太陽(yáng)能技術(shù)的普及，如何提高太陽(yáng)能利用裝置的效率，始終是人們關(guān)心的話題，太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問(wèn)題提供了新途徑，從而大大提高了太陽(yáng)能的利用效率。

跟蹤太陽(yáng)的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件根據(jù)入射光線的強(qiáng)弱變化產(chǎn)生反饋信號(hào)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序調(diào)整采光板的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便;缺點(diǎn)是受天氣的影響很大，如果在稍長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽(yáng)的情況，會(huì)導(dǎo)致跟蹤裝置無(wú)法跟蹤太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。

而視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，所以本設(shè)計(jì)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，利用步進(jìn)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全天候跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種需要跟蹤太陽(yáng)的裝置。該文主要從硬件和軟件方面分析太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文介紹的是一種基于單片機(jī)控制的雙軸太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由平面鏡反光裝置、調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統(tǒng)電路控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

任意時(shí)刻太陽(yáng)的位置可以用太陽(yáng)視位置精確表示。太陽(yáng)視位置用太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角兩個(gè)角度作為坐標(biāo)表示。太陽(yáng)高度角指從太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩�與當(dāng)?shù)厮�平面的夾角。太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇�的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)來(lái)追蹤太陽(yáng)的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽(yáng)的位置。上位機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)接收上位機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整，俯仰方向的調(diào)整，太陽(yáng)的跟蹤及手動(dòng)校準(zhǔn)等功能。

硬件電路設(shè)計(jì)

1　跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器接口電路

跟蹤系統(tǒng)中微處理器選用89系列性價(jià)比高和功耗低的89C52。74HC14芯片是6非門施密特觸發(fā)器，與P1.1和P1.2口相連，控制方位限位信號(hào)。74HC240芯片，八反相三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動(dòng)器，用于數(shù)據(jù)緩沖及總線驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)使用兩片74HC240芯片，通過(guò)P0口引腳控制，兩片74HC240的16個(gè)輸出引腳作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸入控制信號(hào)，分別控制步進(jìn)電機(jī)俯仰方向和水平方位的正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)與上位機(jī)的通信選用MAX485接口芯片，由P1.0口控制其收發(fā)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)器接口電路如圖3所示。

2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的執(zhí)行器。在跟蹤系統(tǒng)中，以74HC240的16個(gè)輸出信號(hào)作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入控制信號(hào)，用以控制步進(jìn)電機(jī)俯仰方向和水平方位的正反轉(zhuǎn)。圖4所示的是步進(jìn)電機(jī)一路驅(qū)動(dòng)電路圖，系統(tǒng)共有四路驅(qū)動(dòng)電路，分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)俯仰方向和水平方位的正反轉(zhuǎn)。

其中，水平方位電機(jī)由D7，D6，D5，D4驅(qū)動(dòng);俯仰方向電機(jī)由D3，D2，D1，D0驅(qū)動(dòng)。跟蹤裝置中步進(jìn)電機(jī)選用42BYG250C型，步矩角1.8°。水平俯仰方向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的最大角度是360°，共需運(yùn)行20000步。減速器的傳動(dòng)比為1：100，即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)100°時(shí)水平轉(zhuǎn)臺(tái)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)1°。以步進(jìn)電機(jī)1.8°的步距角計(jì)算，當(dāng)鏡面裝置的水平轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)1°時(shí)，步進(jìn)電機(jī)發(fā)出100/1.8個(gè)脈沖，由此可以計(jì)算平面鏡法向量的方位角為a時(shí)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)為100α/1.8個(gè)。步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作頻率可手動(dòng)設(shè)置，默認(rèn)情況下，步進(jìn)電機(jī)每隔15s動(dòng)作一次。

3　限位信號(hào)采集電路

采用光電耦合器與電壓比較器電路組成的微機(jī)步進(jìn)電機(jī)限位電路，其電路圖如圖5所示。

限位電路中利用雙三態(tài)門來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖通路。工作原理是：在到達(dá)限位位置之前，光耦導(dǎo)通，電壓比較器LM393的反向輸入端有信號(hào)，允許步進(jìn)電機(jī)控制脈沖從此通過(guò)。當(dāng)限位桿到達(dá)限位位置時(shí)，擋住了光耦的光通路，使LM393的反向輸入端無(wú)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就停止。

軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的軟件分為兩部分，一是步進(jìn)電機(jī)控制部分，主要由單片機(jī)完成。單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，主要分為如下幾個(gè)軟件模塊：主程序模塊、串行口中斷處理模塊、正常跟蹤處理模塊、串行口中斷復(fù)位處理模塊等。單片機(jī)主程序流程圖如圖6所示。

軟件的另一部分為PC機(jī)部分，PC機(jī)軟件部分主要是負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽(yáng)位置的計(jì)算并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，并將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器。與單片機(jī)通信的部分使用VC++中的MSComm控件來(lái)編譯串口通訊的應(yīng)用程序，采用MSComm32.OCX控件。使用控件的屬性進(jìn)行串口設(shè)置，使用控件的事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行串口響應(yīng)，使用控件的方法完成串行口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。PC機(jī)通信流程圖如圖7所示。

上位機(jī)控制系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整，俯仰方向的調(diào)整，太陽(yáng)位置的跟蹤、手動(dòng)校準(zhǔn)及計(jì)算當(dāng)日數(shù)據(jù)等功能。其中“設(shè)置”按鈕，可進(jìn)行地方經(jīng)緯度、波特率、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作頻率等的設(shè)置。上位機(jī)可執(zhí)行程序控制界面如圖8所示，圖9所示的是控制主界面下“設(shè)置”按鈕的對(duì)話框。

試驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)分析

由于影響跟蹤精度的因素很多，不僅跟當(dāng)?shù)鼐暥�、太�?yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角的取值有關(guān)，還跟步進(jìn)電機(jī)的精度以及跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而需要對(duì)跟蹤軌跡的程序進(jìn)行校正。校正采用手動(dòng)操作，通過(guò)控制水平俯仰方位步進(jìn)電機(jī)，使兩個(gè)軸帶動(dòng)平面鏡反光裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)不斷觀察平面鏡反射太陽(yáng)光的影子，當(dāng)影子中心剛好聚在指定點(diǎn)時(shí)為最佳，記錄下從原點(diǎn)到該點(diǎn)兩軸的步進(jìn)電機(jī)各自走過(guò)的步數(shù)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行步數(shù)與理論運(yùn)行步數(shù)之差，可計(jì)算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。校正可以選擇任一天中幾個(gè)不同時(shí)刻進(jìn)行。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，觀察到太陽(yáng)在正午至下午3點(diǎn)期間，高度角方位角變化曲線存在明顯拐點(diǎn)，變化比較顯著，在此期間內(nèi)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)位置的跟蹤存在誤差。

表1中列出了2009年1月12日中午至下午三時(shí)左右的理論數(shù)據(jù)，并用系統(tǒng)的手動(dòng)校準(zhǔn)功能，記錄下不同時(shí)刻的步進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行步數(shù)。

為了更準(zhǔn)確地得到太陽(yáng)實(shí)際位置的參數(shù)修正值，應(yīng)在春夏秋冬四季中不同時(shí)刻分別觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)，將得到的一組高度角和方位角的校正值，擬合其曲線。用校正系數(shù)校正理論值存入控制程序，可以提高跟蹤精度。

本文介紹的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置可以有效地提高太陽(yáng)能利用率，適用于各種需要跟蹤太陽(yáng)的裝置。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、測(cè)試和實(shí)際使用，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置是基于視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為使系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度，可采用光電傳感器跟蹤校正，構(gòu)成由視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律跟蹤和傳感器跟蹤的混合跟蹤系統(tǒng)。隨著太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的廣泛應(yīng)用，它定會(huì)有助于提高綠色能源利用的進(jìn)程，為環(huán)境保護(hù)和提高人民的生活質(zhì)量做出更大的貢獻(xiàn)。