李　真，　彭輝麗，　孫偉華

(杭州電子科技大學(xué) a.自動(dòng)化學(xué)院； b. 理學(xué)院，杭州 310018)

0　引　言

目前全世界的能源消耗還是以石油、天然氣、煤等為主，但這些能源都是不可再生的，并且會(huì)排放出有毒氣體污染環(huán)境破壞大氣層，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，形成霧霾等。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些問題的存在，嘗試逐步擺脫對(duì)這些能源的依賴，轉(zhuǎn)而發(fā)展其他清潔可再生能源。

太陽能不僅能量巨大而且還能長(zhǎng)期供應(yīng)，是完全清潔的能源。不過太陽能的能量密度很低，導(dǎo)致了太陽能的利用也有很大的困難。本文研究了太陽跟蹤器模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬太陽光線自動(dòng)跟蹤，使太陽能電池板始終與光源垂直，旨在提高太陽能的能量利用率以及降低太陽光跟蹤成本[1]。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

太陽的位置是實(shí)時(shí)改變的，但并不是無規(guī)律可循，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和時(shí)間計(jì)算出太陽的高度角和方位角。本系統(tǒng)采用雙軸跟蹤方式，根據(jù)計(jì)算得到的太陽高度角和方位角控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行粗略跟蹤，同時(shí)采用光電傳感器實(shí)現(xiàn)反饋控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的精確跟蹤[2]。氣候不同，太陽的光照強(qiáng)度也會(huì)不同，當(dāng)光照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，選擇光電跟蹤為主要跟蹤方式；當(dāng)光照強(qiáng)度較弱時(shí)，光電傳感器會(huì)有很大誤差且精度很差，這時(shí)以高度角-方位角式跟蹤為主。圖1所示為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路[3]。

圖1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

(1) 高度角-方位角式跟蹤模塊。太陽的運(yùn)行規(guī)律有跡可循。該模塊主要根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律來計(jì)算實(shí)時(shí)高度角和方位角以及太陽跟蹤器的仰角和水平角(見圖2)。利用時(shí)鐘芯片和單片機(jī)控制單元根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和實(shí)時(shí)時(shí)間計(jì)算出太陽的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)跟蹤[4-5]。

① Cooper方程δ：太陽赤緯角δ每天在-23°27′～+23°27′的范圍內(nèi)發(fā)生變化。由Cooper方程可以計(jì)算得到春分后第d天的

(1)

② 太陽時(shí)角ω：正午時(shí)ω=0，每隔1 h增加15°，上午為正，下午為負(fù)。

③ 太陽高度角h：

sinh=sin[90°±(φ-δ)]

(2)

④ 太陽方位角γ：

(3)

圖2太陽角示意圖

⑤ 日照時(shí)間：日出日沒時(shí)間計(jì)算公式為

cosωω=-tanφtanδ

(4)

式中:ωθ表示日出或日沒時(shí)角，正為日沒時(shí)角，負(fù)為日出時(shí)角。1 d中可能的日照時(shí)間為

(5)

確定太陽跟蹤系統(tǒng)所在地的經(jīng)緯度和時(shí)刻，就可以利用上述太陽高度角和方位角的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出太陽的高度角和方位角。從而控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤[6]。

(2) 光電傳感器跟蹤模塊。該模塊將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行處理，完成對(duì)太陽位置的探測(cè)和跟蹤。本系統(tǒng)采用的光電傳感器是5個(gè)光電二極管，用于檢測(cè)晴天或陰天。太陽能電池板上的光電傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽光的入射方向，并把信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理，控制電動(dòng)機(jī)改變太陽能電池板的位置，使太陽能利用率達(dá)到最高[7]。

不同的光敏半導(dǎo)體在數(shù)量和尺寸上存在著差異，導(dǎo)致光電跟蹤模型種類眾多。綜合考慮各種因素，本系統(tǒng)的光電傳感器模型設(shè)計(jì)如圖3、4所示。

圖3　光敏二極管分布模型圖4　光電傳感器組合模型

如圖3所示，5個(gè)光敏二極管按照一定距離散布安裝在一個(gè)圓盤上。同時(shí)為了更好地接收陽光照射以及減少干擾，在圓盤上套上如圖4所示的圓柱罩。圓柱罩中間是一個(gè)透光孔，讓太陽光從透光孔射入來判斷具體方向。圓柱罩的高度選擇很重要，圓柱罩太高會(huì)導(dǎo)致某些時(shí)段太陽光不能照射到任何一個(gè)光敏二極管，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為是陰天或者晚上，導(dǎo)致不停地進(jìn)行兩種跟蹤方式的切換；圓柱罩太低，會(huì)造成幾個(gè)光敏二極管同時(shí)照射到太陽光，會(huì)造成系統(tǒng)混亂。每2個(gè)光敏二極管之間保持一定距離，以D0為中心分布。距離選擇需要恰當(dāng)合適，距離太大會(huì)導(dǎo)致太陽光照射不到且占據(jù)巨大空間沒有必要；距離太小又會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)光敏二極管同時(shí)被太陽光照射到，造成混亂，不能很好地達(dá)到光電跟蹤的效果。圖5所示為入射光示意圖。

圖5入射光示意圖

(1) 確定圓柱罩的開孔直徑。選擇的光敏二極管直徑5 mm，開孔直徑R也選為5 mm，D0固定在開孔正下方，這樣一來在陽光垂直入射時(shí)，太陽光正好全部照射在D0，保證了充足的感應(yīng)面積，不會(huì)由于圓柱罩的開孔太大而照射到另外二極管，造成系統(tǒng)紊亂以至死機(jī)[8]；同時(shí)空心圓柱罩的開孔也不能太小，開孔太小會(huì)造成入射光不夠，從而造成光敏二極管不能導(dǎo)通。

(2) 計(jì)算各光敏二極管間的直線距離。將圓柱罩開孔直徑設(shè)置為與光敏二極管的直徑相同，為5 mm，則各個(gè)光敏二極管的直線距離必須大于5 mm。當(dāng)2個(gè)光敏二極管的直線距離小于5 mm時(shí)，容易造成太陽光照射在2個(gè)光敏二極管上，導(dǎo)致系統(tǒng)混亂，不能區(qū)分具體方向；但光敏二極管之間的直線距離又不宜過大，過大可能會(huì)造成太陽在某一段時(shí)間內(nèi)無法照射到任何一個(gè)二極管上，同樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不正常工作。本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的是：太陽光每時(shí)每刻都只照射到一個(gè)光敏二極管上，這樣就能實(shí)時(shí)檢測(cè)到光敏二極管的高低電位然后做出判斷?？紤]到夏天的太陽光過于強(qiáng)烈，太陽光照射到2個(gè)光敏二極管的空隙時(shí)，反射和折射的太陽光強(qiáng)度較大，會(huì)造成2個(gè)光敏二極管都導(dǎo)通，因此需要將各光敏二極管之間的直線距離控制到比光敏二極管的直徑略大一些，設(shè)為6 mm。如果將D1～D4光敏二極管分別放置在東南西北4個(gè)方向，太陽光可能會(huì)從東北、東南、西北、西南等方向射入，因此極有可能導(dǎo)致太陽光照射不到任何光敏二極管。本模式是先采用太陽固定軌跡跟蹤方式進(jìn)行粗略跟蹤之后使用光電跟蹤方式進(jìn)行精確跟蹤。保證太陽能板基本上每天都按照太陽的運(yùn)行軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可以很好地糾正這一點(diǎn)。

(3) 計(jì)算圓柱的高度H。假設(shè)太陽入射角度為β，那么可以根據(jù)β計(jì)算出H。太陽在15 min內(nèi)移動(dòng)的角度非常小，因此本系統(tǒng)設(shè)定每過15 min檢測(cè)一次。太陽入射光與跟蹤裝置垂直則說明太陽光照射在D0位置，檢測(cè)到D0為高電平。本設(shè)計(jì)希望看到的情況是15 min內(nèi)太陽光在圓柱罩內(nèi)的移動(dòng)距離大于2.5 mm，同時(shí)小于13.5 mm，這些都是基于圓柱的高度H。如果圓柱罩太低，會(huì)導(dǎo)致太陽光長(zhǎng)時(shí)間停留在一個(gè)光敏二極管上，可能因?yàn)樘柕囊苿?dòng)角度不夠大，太陽光根本照射不到任何一個(gè)光敏二極管，這樣一來根本無法分辨太陽的方向；但如果圓柱罩過高，又會(huì)造成太陽入射角β變化很小角度，太陽光就就會(huì)照射到圓柱罩的內(nèi)壁，這些都是要兼顧和攻克的點(diǎn)。據(jù)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太陽移動(dòng)180°，即1 h移動(dòng)15°，15 min移動(dòng)4°左右，tan 4°≈0.07。因此可計(jì)算出：36 mm≤H≤193 mm?？紤]到要盡量避免在每15 min時(shí)恰好出現(xiàn)光線移動(dòng)到2個(gè)光敏二極管之間的間隙中，那么圓柱罩不能太高，綜合考慮取柱高H=40 mm。

2　太陽能跟蹤裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

太陽跟蹤器模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用雙軸跟蹤，即使用2個(gè)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)太陽能板的上下轉(zhuǎn)動(dòng)以及水平方向的上下轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械部分由轉(zhuǎn)動(dòng)支架、太陽能板、電動(dòng)機(jī)等組成[9]，具體如圖6所示。

圖6機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.2　系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

在太陽跟蹤器機(jī)械架構(gòu)設(shè)計(jì)完成的情況下，還需完成以下硬件設(shè)計(jì)[10]:采用STM32F103VBT6單片機(jī)作為主控CPU。STM32F103屬于增強(qiáng)型系列，是32位單片機(jī)，因其芯片自身攜帶較多功能，接口相對(duì)簡(jiǎn)單，性能較高，工作速度非?？欤?1系列的幾十倍，適用于許多工業(yè)系統(tǒng)開發(fā)。同時(shí)，STM32F103VBT6內(nèi)置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以提供太陽固定軌跡跟蹤所需要的時(shí)間且可以判斷晝夜，晚上整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。

采用光電傳感器進(jìn)行陰晴天判斷，同時(shí)作為光電跟蹤的依據(jù)。光電檢測(cè)電路使用了5個(gè)光敏二極管用于檢測(cè)太陽高度角和方位角的變化，電路圖如圖7所示。由電路圖可知，當(dāng)太陽能電池板正對(duì)太陽時(shí)，即D0收到光照導(dǎo)通時(shí)，STM32F103VBT6的4個(gè)引腳PB1～PB4檢測(cè)到高電平。D0沒有受到光照時(shí)，可以得知當(dāng)D1～D4任何一個(gè)光敏二極管受到光照時(shí)其所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放輸出低電平，其他沒有受到光照的光敏二極管所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放輸出為高電平，這點(diǎn)可以通過調(diào)節(jié)電路中的5個(gè)電阻阻值實(shí)現(xiàn)。例如：當(dāng)D1受到光照處于導(dǎo)通而其他光敏二極管都處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，從電路中可以看出，只有D1所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放輸出低電平，D2～D4所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放都是輸出高電平，這時(shí)PB1檢測(cè)到低電平，PB2～PB4檢測(cè)到高電平。

利用矩陣鍵盤可以手動(dòng)輸入當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度，校準(zhǔn)當(dāng)?shù)貢r(shí)間，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。矩陣按鍵又稱為行列式鍵盤。這種行列式鍵盤能有效提高系統(tǒng)中IO口的利用率。本系統(tǒng)使用矩陣按鍵來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，可以手動(dòng)輸入當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，修改系統(tǒng)時(shí)間，調(diào)整太陽能板的角度，不同跟蹤模式切換等[11]。

圖7　光電檢測(cè)電路

選用OLED顯示當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、當(dāng)?shù)貢r(shí)間、太陽角度、支架角度等。OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管，相對(duì)于LCD需要背光，OLED自發(fā)光，無需背光。同樣地顯示，OLED效果要來得好一些。OLED模塊有以下特點(diǎn)：尺寸非常?。徽加肐O口較少；自發(fā)光，兩種顏色可選；高分辨率，該模塊的分辨率為128×64；不需要高壓，直接3.3 V就可以工作。

電源模塊管理的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用自制12 V電源用于對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的供電。微處理器STM32F103VBT6是3.3 V供電,光電傳感器是5 V供電，因此采用穩(wěn)壓芯片LM2595和AMS1117降壓固定輸出5 V和3.3 V。用LM2596將12 V電源降壓為5 V，再通過穩(wěn)壓芯片AMS1117將電源降壓為3.3 V實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32F103VBT6供電。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠?qū)⒚}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移信號(hào)輸出，接收到一個(gè)脈沖信號(hào)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，并且能實(shí)現(xiàn)斷電急停。綜合本次設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。THB7128電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在穩(wěn)定性和操作性上成為方案首選。THB7128驅(qū)動(dòng)芯片具有128高細(xì)分、大功率、散熱性好、可靠性高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，最高耐壓可達(dá)40 V，電流峰值是3.3 A，可設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流值進(jìn)行保護(hù)。其電路連接如圖8所示?？刂菩盘?hào)端：THB7128通過脈沖信號(hào)端口(CLK)接收STM32F103VBT6的脈沖信號(hào)(PWM)，按接收到脈沖信號(hào)數(shù)量來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；方向信號(hào)端(CW)：發(fā)送高低電平控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)；控制信號(hào)的使能端(EN)：此端子加高電平電動(dòng)機(jī)工作，此端子加低電平電機(jī)不工作[12-13]。

圖8　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路

3　太陽能跟蹤裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1　軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)之后，由實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序以及電路可以判斷白天黑夜。若是黑夜，系統(tǒng)不工作；若是白天，則通過判斷陰晴天來選擇不同的跟蹤模式。軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示[14]。

圖9軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)可以使用RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘來判斷晝夜，也可以通過光敏二極管的運(yùn)放電路來判斷晝夜。為了保證判斷正確，在程序中當(dāng)2個(gè)條件同時(shí)符合時(shí)才認(rèn)為判斷正確，當(dāng)有一項(xiàng)結(jié)果和另一項(xiàng)結(jié)果不符合時(shí)，系統(tǒng)給出反饋并且在OLED上顯示來提醒使用者?？紤]到太陽固定軌跡跟蹤模式的程序較為繁瑣，計(jì)算量較大，不適合放于中斷服務(wù)程序中，檢測(cè)晴天還是陰天通過IO口查詢的方式判斷，IO口查詢方式雖然比較耗費(fèi)單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，但STM32F103系列單片機(jī)作為單片機(jī)中的戰(zhàn)斗機(jī)，最大72 MB的系統(tǒng)時(shí)鐘完全可以忽略這一點(diǎn)[15]。

光電跟蹤模式：STM32F103系列單片機(jī)每一個(gè)IO口都可以作為中斷端口，選擇低電平的中斷觸發(fā)方式。位于圓盤中央的光敏二極管D0受到光照，說明太陽能板與太陽光正好垂直，系統(tǒng)不進(jìn)入中斷。當(dāng)D1～D4任一光敏二極管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的單片機(jī)接收引腳PB1～PB4觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，將對(duì)應(yīng)標(biāo)志位置位，主程序中進(jìn)行查詢，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使D0重新受到光照。

太陽固定軌跡跟蹤模式：晴天時(shí)，先使用太陽固定跟蹤模式進(jìn)行粗略跟蹤，隨后使用光電跟蹤模式進(jìn)行精確跟蹤；陰雨天時(shí)，光電跟蹤模式干擾較大，單獨(dú)使用太陽固定軌跡跟蹤模式進(jìn)行跟蹤，彌補(bǔ)了光電跟蹤在陰雨天的跟蹤缺憾。

3.2　實(shí)時(shí)時(shí)鐘軟件設(shè)計(jì)

STM32F103VBT6的內(nèi)置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘是一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，可以提供時(shí)鐘日歷的功能，修改計(jì)數(shù)器的值可以重設(shè)系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間和日期。RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘屬于APB1總線，RTC的APB1接口用來和APB1總線相連，RTC核心由一組可編程計(jì)數(shù)器組成：RTC的預(yù)分頻模塊TR_CLK和32位(232=136 a)可編程計(jì)數(shù)器。單片機(jī)設(shè)置RTC時(shí)鐘步驟如下：① 使能電源時(shí)鐘和備份區(qū)域時(shí)鐘(設(shè)置RCC_APB1ENR)；② 取消備份區(qū)域?qū)懕Ｗo(hù)；③ 復(fù)位備份區(qū)域，開啟外部低速振蕩器；④ 選擇RTC時(shí)鐘并使能；⑤ 設(shè)置RTC的分頻以及配置RTC時(shí)鐘；⑥ 更新配置，設(shè)置RTC中斷；⑦ 編寫中斷服務(wù)函數(shù)。

3.3　光電跟蹤模式的設(shè)計(jì)

光電跟蹤部分的程序相對(duì)簡(jiǎn)單，它不需要知道實(shí)時(shí)時(shí)間和經(jīng)緯度，程序計(jì)算量也不像太陽固定軌跡模式那樣大，它不需要計(jì)算出太陽的高度角和方位角。單片機(jī)通過光電傳感器對(duì)應(yīng)電路會(huì)判斷出太陽跟蹤器的具體轉(zhuǎn)向，然后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置。這部分的程序主要是通過D0～D4光敏二極管對(duì)應(yīng)的單片機(jī)的4個(gè)引腳的高低電平來判斷太陽朝向。程序流程圖如圖10所示[16]。

圖10光電跟蹤流程圖

3.4　太陽固定軌跡跟蹤模式的設(shè)計(jì)

STM32F103VBT6單片機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供當(dāng)?shù)貢r(shí)間，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度可以計(jì)算出太陽的高度角和方位角，從而可以計(jì)算出太陽能電池板在上下和左右兩個(gè)方向應(yīng)該轉(zhuǎn)過的角度，15 min后，再次計(jì)算角度，得到兩次的角度差并利用這個(gè)高度差計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。該程序流程圖如圖11所示。

圖11太陽固定軌跡跟蹤模式流程圖

4　結(jié)　語

本文建立了一個(gè)太陽跟蹤器模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇STM32F103VBT6單片機(jī)作為主控，將光電跟蹤方式和太陽固定軌跡跟蹤方式相結(jié)合。選擇5個(gè)光敏二極管作為光電傳感器，分別放置于東西南北中，電路簡(jiǎn)單，降低了成本。機(jī)械部分采用二軸跟蹤設(shè)計(jì)，是對(duì)太陽高度角和方位角的雙向跟蹤，相對(duì)于單軸跟蹤太陽能利用率更高。本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有太陽能跟蹤器的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和開發(fā)，以期進(jìn)一步提高太陽能的利用率。

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