基于51单片机的太阳自动跟踪系统的研究

0 引言
随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视。在相同条件下，光照强度越大，太阳能电池输出功率越大。因而增大太阳能电池受光面的光照强度，就可增大太阳能电池输出功率。除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外，对太阳的自动跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段。因此，在太阳能的利用过程中，实施太阳跟踪是很有必要的。
对太阳进行跟踪的方法很多，但不外乎为采用确定太阳位置所用的两种坐标系统，即赤道坐标系和地平坐标系，并分为双轴跟踪和单轴跟踪。单轴跟踪已在很多文献作了介绍，本文要讨论的为双轴跟踪。为了叙述方便，在以后的陈述中将两种坐标系下的整个系统统称为太阳能板。
本文采用在地平坐标系下的太阳跟踪及程序跟踪和传感器跟踪相结合的控制方式，即采用程序控制，利用光学传感器对太阳能板做自动定位和误差校正，而通过单片机控制步进电机来实现。单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳能板的预期位置，与编码器提供的当前位置比较，输出控制信号。驱动装置根据单片机提供的信号控制俯仰角电机和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点，从而进行跟踪。传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正。

1 系统组成
系统由时钟、单片机、驱动装置、编码器、太阳能板和传感器6部分组成。系统的核心部件是传感器和单片机。太阳跟踪系统原理见图1。

1．1 智能单元与双坐标步进电机控制系统
本文的控制系统选用了AT89C51单片机作为智能单元。AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4 KB的FLASH可编程、可擦除只读存储器。文中所述系统为地平坐标系的双轴自动跟踪控制系统，因此采用双坐标步进电机控制，双坐标步进电机控制就是在x轴方向控制1台步进电机，在y轴方向控制1台步进电机。这2台步进电机同时驱动同一个对象，使对象在一个平面上以任意曲线运动。二维步进电机控制系统原理如图2所示。

AT89C51单片机通过P2口输出控制脉冲信号，P2．0～P2．3为一路，P2．4～P2．7为一路，分两路各控制1台步进电机。P3．2～P3．5设置为行程保护开关，作二维步进电机正反向最大行程保护。功率放大电路中采用74LS05将单片机P2口脉冲信号进行放大，经9014控制光电耦合器，隔离后，由功率管DK63驱动步进电机的各相绕组，图中L11，L12即为步进电机的各相线圈。