摘要：為了改善固定式安裝的光伏組件發電受太陽高度角和方位角的變化導致太陽能利用效率低的問題，設計一款基于單片機的光伏追日系統，系統在硬件上由控制模塊、信號采集模塊、命令執行模塊、光伏電池板以及電源組成，在軟件上采用單片機控制技術，通過步進電機驅動太陽能電池板時刻正對太陽，以達到太陽能利用率最大化。經測試，基于單片機的光伏追日系統能夠根據光照度自動調整轉角，增加光伏電池板的轉換效率，步進電機轉速和系統修正精度符合設計預期。

　　關鍵詞：光伏追日;單片機;自動跟蹤;太陽能電池板;系統設計;系統調試

　　0引言伴隨著社會現代化的持續推進，全世界對能源的需求量越來越大，導致資源過度開采，環保壓力巨大。基于可持續發展的目標，人們不能靠消耗礦物燃料來維持與日俱增的能源需求，因此全球大多數的國家都在致力于對可再生能源的深度研究和廣泛利用[1]，此時清潔、廉價的太陽能成了人們的首選。雖然太陽能資源非常豐富，但能量收集困難，而且由于太陽位置的持續改變，傳統固定式安裝的光伏組件未能跟隨太陽轉動，只能在固定時間段正對太陽[2]，從而導致太陽能的利用率十分低下。因此，利用光敏電阻模塊和單片機控制模塊組成的自動控制裝置，采用達林頓和步進電機配合使用，從而保持太陽能電池板能夠實時追蹤太陽，達到增加光伏電池板的轉換效率，提高太陽能利用率的目的。

　　單片機論文范例：單片機的智伴系統的設計

　　1追日系統工作原理

　　該系統采用光電跟蹤結合高精度的二維跟蹤方式，光電檢測部分由光敏電阻對光照度信息進行采集，采集的數據實時發送到單片機進行處理。將4個完全相同的光敏電阻1~4分別安裝在光伏電池板的4個方向上。當太陽光垂直照射太陽能電池板時，同一方向相對的2個光敏模塊接收到的光照相同，其阻值相同，此時步進電機不轉動[3]。當太陽光與光伏電池板垂直方向產生夾角時，相對的2個光敏電阻模塊接收到的光照度不同，通過雙電壓比較集成電路LM393對光敏電阻電壓進行比較，利用光敏電阻電平的變化[4]，單片機發出控制命令給執行模塊，在達林頓接收到信息后，給步進電機發送脈沖信號，從而實現步進電機的正反轉。通過間接命令對步進電機的控制，實現對光伏電池板的控制，從而實現對太陽光的自動跟蹤。在濕度較高的環境下則直接暫停跟蹤并保持光伏板傾斜。

　　2硬件設計

　　本文介紹的光伏追日系統采用模塊化設計，均為5V電源驅動，主要包括控制模塊、信號采集模塊、命令執行模塊、光伏電池板以及電源在內的5個模塊。

　　2.1控制模塊

　　控制模塊以單片機為核心，與其他輔助電路相連，利用單片機不同的管腳功能，結合軟件程序實現控制輸入/輸出的可控電路。本光伏追日系統單片機使用的是STC12C5A60S2，比傳統的80C51單片機的運算速度更快，速度可以達到C51的8~12倍，能耗更低，抗干擾的能力更強，擁有8路10位精度ADC，轉換速率[5]高達250Kb/s。

　　2.2信息采集模塊

　　信號采集模塊包括光敏模塊和濕度檢測模塊。本文設計使用的光信號采集器為5V四針光敏模塊。光敏傳感器的原理是將光信號轉換為電信號，有數字信號與模擬信號兩種輸出[6]方式。光敏電阻是最普通的光敏傳感器，常與LM393搭配使用，光敏模塊靈敏度極高，驅動能力強，在追蹤過程中，發揮著至關重要的作用。

　　濕度檢測模塊選用DHT11，它是集數字式濕度信號采集與溫度信號采集于一體的模塊，采用數字信號輸出方式，濕度檢測最高精度為±5%RH，溫度最大檢測精度為±2℃，濕度檢測范圍為20%RH~90%RH，溫度檢測范圍為0~50℃。該模塊采用單線制串行接口，系統中的數據傳輸、控制全部由單總線完成[7]。通常要求外接一個約5.1kΩ的上拉電阻，當總線空閑時，保持高電平狀態。只有主機發出信號時，模塊才會響應，因此主機訪問DHT11都必須嚴格遵循單總線序列，出現序列混亂，器件不會響應主機。

　　2.3命令執行模塊

　　命令執行模塊包含達林頓模塊和步進電機兩個模塊。每一對達林頓都需串聯一個2.7kΩ的基極電阻，在工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理需要標準邏輯緩沖器來處理的數據，工作電壓高，電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行[8]。

　　本文系統的設計是利用達林頓為步進電機提供脈沖信號，控制2個步進電機的正反轉實現雙軸光伏追日系統的自動控制。步進電機驅動電路的工作流程為從P0或者P1端口開始輸出0x00。由于追日系統使用雙軸交叉設計，單片機和2個達林頓模塊連接，每個達林頓模塊包含5個管腳，但只有1個管腳處于保持導通狀態，其余4個處于斷開狀態。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。

　　在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響[9]。步進電機不能像普通的直流、交流電機那樣，在常規下使用。它必須由控制系統結合雙環形脈沖信號、功率驅動電路組成，方可使用，步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。通過改變脈沖的順序，可以輕松改變轉動的方向。該設計使用的是28BYJ48，它是5V直流電源驅動的4相5線步進電機，減速比為1∶64，轉動1圈需要4096(360÷5.625×64=4096)個脈沖信號。功耗電流為200mA，采用ULN2003模塊驅動，驅動端口為P0.0(A)、P0.1(B)、P0.2(C)、P0.3(D)。正轉次序：AB組—BC組—CD組—DA組(即一個脈沖，正轉5.625°);反轉次序：AB組—AD組—CD組—CB組(即一個脈沖，正反轉5.625°)[10]。

　　3軟件設計

　　在程序開始之前，首先設定濕度閾值，程序開始后，單片機發送啟動信號，系統從休眠模式變為運行模式，濕度傳感器給出反饋，開始濕度采集，并將采集到的數字信號發送給單片機，與單片機所設置的濕度閾值進行比對[11]。

　　如果濕度超過設定值，則調用步進電機1的左轉子程序一次，使光伏板傾斜，同時返回到濕度檢則程序繼續執行并調用長時間延時程序，暫停后續的光線檢測跟蹤程序;如果濕度低于限定值，則直接返回到檢測溫濕度的程序繼續執行，隨后調用光照檢測跟蹤程序，光敏模塊在系統啟動后立即進入到工作狀態，實時發送目前檢測到的數字信號給單片機，檢測電路根據光照強弱確定輸出的信號是高電平還是低電平[12]。高電平表示目前檢測到的情況為沒有光照，低電平則表示目前檢測到光照。

　　然后將輸出的信號發送給程序進行情況判斷比對，如果相對的兩個光敏模塊檢測到的光照是平衡的，這時不進行后續調用操作，光照檢測繼續循環進行[13]。如果相對的兩個光敏模塊檢測到的光照不是平衡的，再通過程序判定是否為1模塊、3模塊，如果是1模塊、3模塊則調用P1步進電機子程序，反之則調用P0步進電機子程序。主程序在兩個電機控制循環的過程中加入延時程序以達到每個電機之間不同命令的隔離，從而保證各自的獨立性，主程序流程如圖7所示。

　　4系統調試

　　在初始調試過程中出現了電機旋轉不到位，同時存在旋轉方向與實際設計相反的情況，這表示在程序中步進電機的正反轉表調用了相反的列表，此時第一時間回到編寫的程序中找到相應的步進電機控制子程序，更改轉動列表的調用。而后在對光敏測試可發現有一個光敏電阻模塊總是表現為高電平，通過檢測確認該模塊損壞，更換備用的模塊后該故障解除，可以正常實現各部分之間的配合運轉。

　　5結語

　　本文系統實現的基于單片機的光伏追日控制系統， 在應用中具有成本低、設計簡單可靠的特點。采用光電追蹤與二維追蹤相結合的方式，提高了光伏追日的精準度，從而也提升了太陽能的利用率。本文系統實現了全自動跟蹤模式，采用數字式溫濕度傳感器，根據濕度高低來決定是否繼續運行后續程序，當濕度過高時終止跟蹤太陽，反之則繼續自動跟蹤，這樣就避免了雨天時刻系統的運行，擁有節約用電以及防止產生機械疲勞的優勢。

　　參考文獻

　　[1]納塔利·格力羅.走向綜合[J].世界建筑導報，2013，28(6)：72⁃87.

　　[2]王斯成，王長貴，吳達成，等.狠抓：質量、安全、成本和能效追求：光伏發電工程收益最大化[J].太陽能，2014(2)：14⁃26.

　　[3]李平.煉鋼生產智能調度模擬系統的設計與實現[D].天津：天津大學，2014.

　　[4]張江林，周揚，鄧昌建，等.基于LM393控制的太陽能循跡小車設計與實現[J].現代電子技術，2015，38(10)：121⁃123.

　　[5]滕雨鑫，馬占軍，孟令輝，等.基于單片機控制的逐日太陽能小車設計[J].科學技術創新，2018(2)：192⁃193.

　　[6]何燕陽.太陽能電池板追日自動跟蹤方案的研究[J].蚌埠學院學報，2015，4(6)：1⁃5.

　　作者：趙永鑫，黃韜，陳衛，唐琳