摘要：針對固定式太陽能利用裝置的光能利用率低，設計一種太陽追蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)由單片機智能控制，采用光電傳感器檢測太陽照射下遮光器的陰影，從而精確定位太陽與太陽能利用裝置相對位置，實現(xiàn)太陽能利用裝置的全程太陽追蹤，使太陽光能最大限度地得到利用。

隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，自然資源被大量地、甚至是掠奪性地開發(fā)和利用，人類的自然資源即將枯竭，因此，尋找新能源已迫在眉睫。而太陽能作為一種干凈環(huán)保并且取之不盡的可再生新能源在人類生產(chǎn)生活中具有廣泛作用。于是，合理開發(fā)利用太陽能，提高太陽能利用率有著極其重要的意義。目前，太陽能利用裝置的放置位置大多是固定不變的，而一天當中太陽與太陽能利用裝置的相對位置是時刻變化的，這也就無法保證太陽能利用裝置時刻受到陽光直射，從而使太陽光能的利用率大大降低。為了提高太陽能的利用率，設計一種太陽追蹤系統(tǒng)，使太陽能利用裝置時刻接受陽光直射，最大限度的利用太陽光能。

1 總體方案的設計

太陽追蹤系統(tǒng)由控制模塊、檢測模塊、執(zhí)行模塊3部分組成。其中，控制模塊主要包括STC89C52單片機組成的中央處理器;檢測模塊主要由遮光器配合下的光電傳感器、位置傳感器及其外圍電路構成;執(zhí)行模塊主要包括步進電機、驅(qū)動電路。其總體結構如圖1所示，其樣機如圖2所示。

陽光照射下的物體會產(chǎn)生陰影，陰影的方向與太陽光線的方向一致。根據(jù)這一原理，本系統(tǒng)采用光電傳感器檢測太陽照射下遮光器的陰影，精確定位太陽與太陽能利用裝置相對位置。

太陽在一天中的運動軌跡可以分解為水平方向和俯仰方向。如圖3所示，在水平方向上，當太陽光線直射太陽能利用裝置時，水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4;在俯仰方向上，當太陽光線直射太陽能利用裝置時，俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6。當兩個光電傳感器同時完全處在陰影下時，太陽能利用裝置處在陽光直射狀態(tài)下。

如圖3所示，當水平遮光器3的陰影沒有完全遮住水平光電傳感器4時，說明太陽能利用裝置2在水平方向上沒有達到太陽直射，控制模塊接收到此時水平光電傳感器4傳遞的信號后會控制執(zhí)行模塊水平方向上的電機轉(zhuǎn)動，直到水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4，水平方向上的電機才停止轉(zhuǎn)動，使太陽能利用裝置在水平方向上達到太陽直射;當俯仰遮光器5的陰影沒有完全遮住俯仰光電傳感器6時，說明太陽能利用裝置2在俯仰方向上沒有達到太陽直射，控制模塊接收到此時俯仰光電傳感器6傳遞的信號后會控制執(zhí)行模塊俯仰方向上的電機轉(zhuǎn)動，直到俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6，俯仰方向上的電機才停止轉(zhuǎn)動，使太陽能利用裝置在俯仰方向上達到太陽直射;當水平遮光器3的陰影完全遮住水平光電傳感器4、俯仰遮光器5的陰影完全遮住俯仰光電傳感器6時，太陽能利用裝置此時達到太陽直射。

陰天時太陽光線暗，但是遮光器在太陽照射下產(chǎn)生的陰影與太陽光線之間仍然存在著明顯對比，故本系統(tǒng)可以繼續(xù)精確定位太陽位置，從而使太陽追蹤系統(tǒng)不受天氣變化的影響;當太陽光線暗到不適合太陽能利用裝置工作時，檢測光照強度的光電傳感器將信號傳遞給控制模塊，控制模塊會使太陽追蹤系統(tǒng)停止工作，降低太陽追蹤系統(tǒng)的能源損耗。

水平方向上太陽追蹤系統(tǒng)的運動軌跡：從早晨到晚上，太陽的運動軌跡是自東向西，執(zhí)行模塊的初始設定軌跡也是自東向西，初始設定位置是朝向東方的。晚上，執(zhí)行模塊是朝向西方的，第二天早晨，朝向西方的執(zhí)行模塊會繼續(xù)自東向西轉(zhuǎn)動一定角度觸動水平位置傳感器，控制模塊接受到水平位置傳感器的信號后會使執(zhí)行模塊在水平方向上復位，從而使執(zhí)行模塊一直追蹤太陽自東向西轉(zhuǎn)動。俯仰方向上太陽追蹤系統(tǒng)的運動軌跡：從早晨到中午，太陽的運動軌跡是自低到高，從中午到晚上，太陽的運動軌跡是自高到低。從早晨到中午，執(zhí)行模塊跟隨太陽自低到高轉(zhuǎn)動;從中午到晚上，執(zhí)行模塊首先會繼續(xù)自低到高轉(zhuǎn)動一定角度觸動第一俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第一俯仰位置傳感器的信號后會使執(zhí)行模塊跟隨太陽自高到低運動;第二天早晨，執(zhí)行模塊首先會繼續(xù)自高到低轉(zhuǎn)動一定角度觸動第二俯仰位置傳感器，控制模塊接受到第二俯仰位置傳感器的信號后會使執(zhí)行模塊跟隨太陽自低到高運動。

2 太陽追蹤系統(tǒng)的硬件設計

2.1 執(zhí)行模塊設計

為了使執(zhí)行模塊帶動太陽能利用裝置全程追蹤太陽，執(zhí)行模塊必須能夠在水平和俯仰兩個方向轉(zhuǎn)動，以滿足太陽水平方向：東-西，俯仰方向：低-高-低的運動特點。因此，執(zhí)行模塊裝有兩個步進電機，通過兩個步進電機的配合轉(zhuǎn)動實現(xiàn)執(zhí)行模塊在水平跟俯仰方向上的運動，從而實現(xiàn)全程追蹤太陽。

兩步進電機由兩個ULN2003芯片驅(qū)動，兩驅(qū)動芯片與控制模塊中單片機的P0口相連接。其中，P0.0—P0.3控制水平方向上的步進電機，P0.4-P0.8控制俯仰方向上的步進電機，在單片機的控制信號下實現(xiàn)轉(zhuǎn)動或停止。兩步進電機的驅(qū)動電路如圖4所示。

2.2 檢測模塊設計

水平光電傳感器及其相配合的水平遮光器結構實物如圖5所示。用水平光電傳感器檢測水平遮光器產(chǎn)生的陰影來確定太陽能利用裝置與太陽的水平相對位置。