太陽能電池板自動尋光控制系統的設計

陳越　冷宏宇　趙志浩

【摘 要】為了提高太陽能電池板的集光能力，設計一種太陽能電池板自動尋光控制系統。該系統以C8051F020單片機為主控芯片，在太陽光線的照射下，檢測光敏電阻的阻值，并把電阻阻值的偏差信號經過電壓轉換電路處理后轉換成電壓偏差信號。利用該偏差信號計算出控制量，用控制量去調節PWM信號的占空比，進而控制步進電機的轉速，實現太陽能電池板的自動尋光控制。PC機與單片機連接并發出控制指令，單片機將太陽能電池板法線方向、輸出電壓、功率等參數輸出至上位機PC并顯示。

【關鍵詞】太陽能電池板；集光能力；單片機；自動尋光

【Abstract】In order to improve the light collecting capability of solar panels， light control system for automatic design of a solar panel. The system with C8051F020 MCU as the main control chip， under the irradiation of sun light， the resistance value of the detection of the photosensitive resistance， and the resistance value of the error signal through the voltage conversion circuit is converted into voltage error signal. The calculated control with the error signal， with volume control to adjust the duty cycle of the PWM signal， then control the stepper motor speed， automatic light control solar panels. PC and MCU to connect and send the control command， the MCU will solar panels in normal direction， output voltage， power and other parameters are output to the PC and display PC.

【Key words】Solar panels； Light collecting ability； Singlechip； Automatic searching

0 引言

隨著世界經濟的發展以及全球資源消耗的日益加劇，對新能源的開發和應用成為當今世界發展的必然趨勢。而太陽能作為一種清潔的、低密度、間歇性的一次能源，受到了各國的普遍重視。當前在中國，太陽能電池板和太陽能熱水器應用范圍比較廣[1]。然而目前在太陽能熱水器、太陽能電池板等領域中普遍存在能源轉換效率偏低的問題。主要原因是太陽能電池板傾角固定不變，這樣不利于太陽能電池板對太陽能的最大化收集，導致太陽能的利用率比較低，使人類對太陽的開發和利用遇到了瓶頸。

通過上面的分析，主要問題是太陽能電池板傾角固定不變的放置導致太陽光無法時時刻刻都與太陽能電池板垂直照射。另外，現在太陽能電池板基本上都是固定的，無法實現智能化，使太陽能熱水器的普及受到了阻礙。針對上述問題，我們設計了太陽能電池板自動尋光控制系統。

首先，在光源探測電路中，我們以C8051F020單片機為主控芯片，在太陽光的照射下，檢測光敏電阻的阻值，并把阻值的偏差信號經過電壓轉換電路和A/D轉換電路處理后轉換成電壓偏差信號，再去執行控制系統。在控制系統方面，利用電壓偏差信號計算出控制量，用控制量去調節PWM信號的占空比，進而控制步進電機的轉速，實現太陽能電池板的自動尋光控制[2]。另外，把PC機通過RS232接口與C8051F020單片機連接，將太陽能電池板法線方向、輸出的電壓、功率等參數傳至上位機PC，并顯示。

1 光源探測電路

為了實現太陽能電池板的自動尋光，我們要獲得光源的光強信號。所以，首先我們以C8051F020單片機為主控芯片，用于接收光源信號的4個光敏電阻對稱分布于太陽能電池板的上、下、左、右四個邊緣的中間。當太陽光線不與太陽能電池板垂直時，四個方向上的光敏電阻由于接收到的光強不同，致使光敏電阻[3]的阻值將會不同，將電阻阻值信號經過電壓轉換電路和A/D轉換電路處理后轉換成電壓信號。

得到經轉換電路轉換的電壓信號后，對電壓信號進行比較判斷，如果電壓信號不存在偏差，則繼續檢測光敏探測頭中光敏電阻的阻值；如果存在偏差，就分別驅動步進電機轉動，直至電壓信號偏差幾乎不存在時，步進電機停止轉動。至此，太陽光線基本垂直太陽能電池板，從而形成閉環控制系統（圖1）。

2 控制系統

本系統對控制系統中步進電機的控制采用PID算法，控制系統為雙軸跟蹤控制。

雙軸跟蹤控制[4]是指由C8051F020單片機控制兩個不同方向上的步進電機，實現太陽能電池板在方位角上的水平轉動和在高度角[5]上的仰臥運動，從而使太陽的入射光線和太陽能電池板基本保持垂直。相對于轉動平臺垂直放置的電機為方位角步進電機，用來控制太陽能電池板做水平轉動，以跟蹤太陽在方位角方向上的偏移；相對于轉動平臺水平放置的電機為高度角步進電機，用來控制太陽能電池板做仰俯運動，以跟蹤太陽在高度角方向上的偏移。

在光源探測電路中得到電壓偏差信號后，利用該偏差的比例、積分和微分計算出控制量，用控制量去調節PWM信號的占空比，實現對步進電機轉速的控制。在控制器參數的確定上，系統按照工程經驗公式進行整定。采用先比例、后積分、再微分的順序進行反復調試。具體的整定步驟如下：

（1）比例環節的整定。將比例系數由小變大，并觀察相應步進電機的響應，直至得到反應快、超調量小的轉速響應曲線。

（2）積分環節的整定。將第（1）步整定得到的比例系數略微減小至原來的50%-80%，然后置積分系數為一較大值，再逐漸減小積分系數，并根據步進電機轉速響應曲線的好壞反復改變比例系數和積分系數，在轉動平臺運行穩定的情況下，使得太陽能電池板在最終位置處，光源探測頭中光敏電阻阻值引起的信號偏差盡可能的小，由此得到合適的積分系數。

（3）微分環節的整定?？上戎梦⒎窒禂禐榱?，在第（2）步整定的基礎上逐漸增大微分系數，同時相應改變比例和積分系數，以實現系統優化。

3 系統的結構

當太陽光線不與太陽能電池板垂直時，該系統的光源方向探測電路中的光敏電阻的阻值將發生偏差，偏差信號經過電壓轉換電路和A/D轉換電路處理后，送至單片機，從而為尋光提供指引。

另外，TSL2561光強傳感器用來采集當前的光強信號、根據光強的大小確定系統的工作模式；風力檢測裝置，用來檢測風速，實現在大風條件下，太陽能電池板的自動穩固平放。

采用增量式PID算法[6]，實現太陽能電池板姿態的雙軸閉環控制。其中，雙軸轉動平臺的執行機構為方位角步進電機和高度角步進電機；太陽能電池板法線方向的檢測由方位角和高度角上的光電編碼器間接完成。

為了實現上位機與單片機間的通信，設計基于Visual Basic的上位機界面。PC機通過RS232接口與C8051F020單片機連接。一方面，PC機向C8051F020單片機發送控制指令；另一方面，C8051F020單片機將太陽能電池板法線方向、以及輸出的電壓、功率等參數傳至上位機PC，并以數字和曲線的方式進行顯示（圖2）。

4 結束語

本系統以C8051F020單片機為主控芯片，利用光源信號捕捉頭中的光敏電阻、電壓轉換電路和A/D轉換電路把光信號的強弱轉化成電壓信號的大小。再通過增量式PID算法計算出控制量，用控制量去調節PWM信號的占空比，進而控制方位角步進電機，以跟蹤太陽在方位角方向上的偏移；控制高度角步進電機，以跟蹤太陽在高度角方向上的偏移。使太陽光線能夠時時刻刻都垂直于太陽能電池板。

利用TSL2561光強傳感器來采集當前的光強信號、根據光強的大小確定系統的工作模式；利用風力檢測裝置，用來檢測風速，實現在大風條件下，太陽能電池板的自動穩固平放。PC機通過RS232接口與C8051F020單片機連接，將太陽能電池板法線方向、以及輸出的電壓、功率等參數傳至上位機PC，并顯示（實物如圖3所示）。

因此，太陽能電池板自動尋光控制系統能使太陽光時時刻刻都與太陽能電池板垂直照射，另外本系統具有智能性、實用性等特點，從而可以大大提高太陽能電池板的集光能力，充分利用了太陽能資源。

【參考文獻】

[1]楊東凱.太陽能利用及太陽能熱水器的發展與現狀[J].世界家苑，2012，2：206-206.

[2]趙林，王志坤.可折疊式太陽能電池板智能追光系統的研究[J].山西電子技術，2014，4：77-79.

[3]王東偉.自動跟蹤式太陽能光伏水泵設計及性能預測[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[4]閆秋娟，蔣猛.太陽能電池板自動跟蹤裝置的研究進展[J].科技創新與應用，2013，14：14-15.

[5]申來明，楊亞龍.一種利用單片機實現太陽能跟蹤的設計方法[J].現代電子技術，2014，37（10）：158-162.

[6]杜井慶，高世橋，羅創，姚峰林，劉海鵬.基于PID算法的控制量按任意函數變化的一種控制方法[J].儀器儀表學報，2011，32（6）：1317-1323.

[責任編輯：楊玉潔]