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[摘 要]太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及。本文介绍了一种新型太阳跟踪调节系统为解决这一问题提供了新途径。大大提高了太阳能的利用效率。该系统以单片机为控制核心，采用新型太阳位置判断方式，可实现有效跟踪太阳位置。体积小，价格低廉，并具有较广泛的应用前景。
[关键词]太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机
中图分类号：S282 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）04-0399-02
1.引言
从能源安全和能源战略角度来看，太阳能是一种理想的可再生绿色能源，太阳能发电是解决化石能源日趋紧缺和减少环境污染的重要途径。目前光伏发电系统一般以固定式居多，总体上存在能源转化效率低、安装体积大等问题。本文介绍的新型太阳跟踪调节系统。该系统以STM32单片机为控制核心，具备体积小，跟踪准确，转换效率高，成本低廉，功能完善，安装简单，适用范围广。与同类项目比较具有较高的竞争力。
2.设计思路
目前，常规的太阳跟踪控制器跟踪方法主要有以下几种：
第一种是匀速跟踪法，这种方法是让跟踪器在一天的时间内对太阳按照设定值跟踪。此方法带来的后果是，无论有没有太阳都会按照固定的模式跟踪，这样存在很大的盲目性，并且造成了能量的巨大浪费。
第二种是反射聚光跟踪法，这种方法虽然在很多情况下可以排除外界散射光的影响，但是汇聚后的光斑带有巨大能量，尤其是光照强烈的夏季，灼热的光斑会对感光面造成灼伤，毁坏器件，不利于长久的户外工作。
至此，本文提出了一种简单实用的太阳跟踪控制器。太阳跟踪控制器设计图如图1：
在太阳跟踪控制器的基板上布置了4个光敏电阻，在光敏电阻之间安装十字交错的遮光板，两块遮光板的交线就是对光轴。太阳跟踪控制器的基板可由Y向电机驱动做Y向旋转。同时Y向电机安装在一固定框上，该固定框可由X向电机驱动做X向旋转。两个方向的组合运动可使对光轴做4个自由度的运动。当对光轴不对准太阳时，太阳光会因遮光板的遮挡在太阳跟踪控制器的基板的四个区域分别留下阴影。阴影会因为太阳的不同方位，遮挡不同的光敏电阻。我们通过实际测量，将太阳在不同位置造成光敏电阻的通断编制不同二进制编码。以ARM架构的STM32单片机通过判断不同二进制编码给两台电机送出对应的驱动信号使太阳跟踪控制器的基板发生转动，最终保证对光轴对准太阳。该种模式可以通过软件编程增加多种工作工况及故障模式的处理功能，大幅降低太阳跟踪控制器的维护量，使其在实际应用中功能更加丰富.
3.硬件介绍
1）可調光敏电阻
在太阳跟踪控制器上采用的光敏电阻，采用了动作阈值可调的光敏电阻，在实际安装及使用前，以正常天气下，晚上6点时光照强度确定为动作阈值。当光照强度高于定值，光敏电阻送输出端输出低电平。反之送出高电平。单片机实时监测四个光敏电阻的输出端的输出情况。
2）单片机
太阳跟踪控制器的控制核心采用STM32系列核心单片机，STM32系列产品基于超低功耗的ARMCortex-M4处理器内核，采用意法半导体独有的节能技术。采用C语言方式编程，相对容易。并且现在市场上的STM32的单片机功能板很成熟，我们直接采用了了Risym公司的STM32F103RCT6小型系统板。单片机直接接受4个光敏电阻的输出信号。经过预设程序的逻辑判断后，直接驱动两台直流电机工作。
3）执行电机
我们选用了常规的直流步进电机作为调节驱动装置，通过接受单片机控制模块输出的开关量信号来控制电机正反转，已达到光伏电板及太阳位置判断模块的偏转。我们使用一个X向电机和一个Y向电机以实现太阳跟踪控制器全方向旋转，我们采用了一个四通道的直流电机模块。电机驱动模块本身自带四路L9110S芯片，供电电压为2.5-12v，工作电流为0.8A。可以驱动4个直流电机。以便实现后续功能的扩展。
4.软件逻辑说明
1）系统逻辑功能概述
太阳位置判断是利用4个光敏电阻的通断做成4位二进制编码输入给单片机然后系统发出开关量控制电机进行系统调整。因此系统必须有四个开关量输入及四个开关量输出（X，Y方向电机的正反向控制）。通过实际观察和调试，我们总结归纳出了一张光敏电阻的输入和直流电机的关系对应表。
我们设定四个光敏电阻分别为A1，A2，A3，A4，光敏电阻受光导通时为0，无光截止时为1。X向电机正转为C1反转为C2，Y向电机正转为C3反转为C4.输出1时电机启动（表1）。
2）特殊工况的逻辑说明
在实际运行中，我们研究发现太阳跟踪控制器会存在两种特殊工况：
故障模式：太阳跟踪控制器必然会在运行中遇上电机卡涩时，如无故障模式，单片机会一直要求电机转动，这样就会发生电机烧毁的事故，我们增加输入扫描周期，即20分钟扫描输入状态一次，开始执行内部程序，如果指令执行15秒后输入状态状态无变化，则程序也必须停止，确保电机不会过热。直至20分钟后进行下一次输入状态判断。
复位模式：当太阳落山后，和突遇阴天雨天等恶劣天气，造成无光照，我们则要求系统复位，发电板必须回到水平位。我们在水平位安装两个接近开关（B1，B2）来作为位置判断。当旋转框架恢复水平位置，会触发接近开关。单片机系统只要当四个光敏开关都没有接收到光信号，就会在1小时后启动复位程序。X向电机先正转后反转，在此过程中一定会找到水平位（即触发接近开关），而不必再加设判断装置判断X方向到底是需要正转还是反转。同理B2（Y方向）未复位也执行上述动作。
5.实际调试
在实际调试中，我们首先确定光敏电阻的动作阈值。我们在2017年8月12傍晚6时认为此时的光强已经对光伏电板的发电效果不大，我们将太阳位置判断模块对准太阳，依次调节光电感应模块的调节定位器，使光电感应模块上的开关指示灯熄灭，证明此时光敏电阻已截止。
第二天，进行全天观察，我们设计的太阳跟踪控制器一直保持对太阳稳定的跟踪，系统输出电压稳定，在晚上7点20分，太阳跟踪控制器复位，光伏面板恢复水平。系统复位模式测试正常。
第三天，我们在中午14时遮住太阳跟踪控制器，下午15时30分，系统复位。然后我们取走遮挡物，太阳跟踪控制器重新保持对太阳的跟踪。阴天工作模式测试正常。
随后我们在系统运行中估计卡住转向电机，我们通过测量电机驱动模块输出电压，发现电机驱动模块15秒后输出停止，随后我们停止卡住转向电机，20分钟后，系统重新恢复跟踪。故障模式测试正常。
6.结语
通过理论研究和实际调试后，我们一致认为太阳跟踪控制器能够满足我们的设计要求。但我们也在测试中发现一些问题，如太阳跟踪控制器的旋转锁定问题等。我们会进一步研究和改进我们的方案。相信通过人们不断的努力和研究，一定会有力地推动我国绿色能源的发展和进步。加速提高光伏系统普及推广。真正实现国家能源的升级换代！
参考文献
[1] 胡寿松.自动控制原理[M].国防工业出版社，1994.
[2] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[3] 陈尚松.电子测量与仪器[M].北京：电子工业出版社，2004.
[关键词]太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机
中图分类号：S282 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）04-0399-02
1.引言
从能源安全和能源战略角度来看，太阳能是一种理想的可再生绿色能源，太阳能发电是解决化石能源日趋紧缺和减少环境污染的重要途径。目前光伏发电系统一般以固定式居多，总体上存在能源转化效率低、安装体积大等问题。本文介绍的新型太阳跟踪调节系统。该系统以STM32单片机为控制核心，具备体积小，跟踪准确，转换效率高，成本低廉，功能完善，安装简单，适用范围广。与同类项目比较具有较高的竞争力。
2.设计思路
目前，常规的太阳跟踪控制器跟踪方法主要有以下几种：
第一种是匀速跟踪法，这种方法是让跟踪器在一天的时间内对太阳按照设定值跟踪。此方法带来的后果是，无论有没有太阳都会按照固定的模式跟踪，这样存在很大的盲目性，并且造成了能量的巨大浪费。
第二种是反射聚光跟踪法，这种方法虽然在很多情况下可以排除外界散射光的影响，但是汇聚后的光斑带有巨大能量，尤其是光照强烈的夏季，灼热的光斑会对感光面造成灼伤，毁坏器件，不利于长久的户外工作。
至此，本文提出了一种简单实用的太阳跟踪控制器。太阳跟踪控制器设计图如图1：
在太阳跟踪控制器的基板上布置了4个光敏电阻，在光敏电阻之间安装十字交错的遮光板，两块遮光板的交线就是对光轴。太阳跟踪控制器的基板可由Y向电机驱动做Y向旋转。同时Y向电机安装在一固定框上，该固定框可由X向电机驱动做X向旋转。两个方向的组合运动可使对光轴做4个自由度的运动。当对光轴不对准太阳时，太阳光会因遮光板的遮挡在太阳跟踪控制器的基板的四个区域分别留下阴影。阴影会因为太阳的不同方位，遮挡不同的光敏电阻。我们通过实际测量，将太阳在不同位置造成光敏电阻的通断编制不同二进制编码。以ARM架构的STM32单片机通过判断不同二进制编码给两台电机送出对应的驱动信号使太阳跟踪控制器的基板发生转动，最终保证对光轴对准太阳。该种模式可以通过软件编程增加多种工作工况及故障模式的处理功能，大幅降低太阳跟踪控制器的维护量，使其在实际应用中功能更加丰富.
3.硬件介绍
1）可調光敏电阻
在太阳跟踪控制器上采用的光敏电阻，采用了动作阈值可调的光敏电阻，在实际安装及使用前，以正常天气下，晚上6点时光照强度确定为动作阈值。当光照强度高于定值，光敏电阻送输出端输出低电平。反之送出高电平。单片机实时监测四个光敏电阻的输出端的输出情况。
2）单片机
太阳跟踪控制器的控制核心采用STM32系列核心单片机，STM32系列产品基于超低功耗的ARMCortex-M4处理器内核，采用意法半导体独有的节能技术。采用C语言方式编程，相对容易。并且现在市场上的STM32的单片机功能板很成熟，我们直接采用了了Risym公司的STM32F103RCT6小型系统板。单片机直接接受4个光敏电阻的输出信号。经过预设程序的逻辑判断后，直接驱动两台直流电机工作。
3）执行电机
我们选用了常规的直流步进电机作为调节驱动装置，通过接受单片机控制模块输出的开关量信号来控制电机正反转，已达到光伏电板及太阳位置判断模块的偏转。我们使用一个X向电机和一个Y向电机以实现太阳跟踪控制器全方向旋转，我们采用了一个四通道的直流电机模块。电机驱动模块本身自带四路L9110S芯片，供电电压为2.5-12v，工作电流为0.8A。可以驱动4个直流电机。以便实现后续功能的扩展。
4.软件逻辑说明
1）系统逻辑功能概述
太阳位置判断是利用4个光敏电阻的通断做成4位二进制编码输入给单片机然后系统发出开关量控制电机进行系统调整。因此系统必须有四个开关量输入及四个开关量输出（X，Y方向电机的正反向控制）。通过实际观察和调试，我们总结归纳出了一张光敏电阻的输入和直流电机的关系对应表。
我们设定四个光敏电阻分别为A1，A2，A3，A4，光敏电阻受光导通时为0，无光截止时为1。X向电机正转为C1反转为C2，Y向电机正转为C3反转为C4.输出1时电机启动（表1）。
2）特殊工况的逻辑说明
在实际运行中，我们研究发现太阳跟踪控制器会存在两种特殊工况：
故障模式：太阳跟踪控制器必然会在运行中遇上电机卡涩时，如无故障模式，单片机会一直要求电机转动，这样就会发生电机烧毁的事故，我们增加输入扫描周期，即20分钟扫描输入状态一次，开始执行内部程序，如果指令执行15秒后输入状态状态无变化，则程序也必须停止，确保电机不会过热。直至20分钟后进行下一次输入状态判断。
复位模式：当太阳落山后，和突遇阴天雨天等恶劣天气，造成无光照，我们则要求系统复位，发电板必须回到水平位。我们在水平位安装两个接近开关（B1，B2）来作为位置判断。当旋转框架恢复水平位置，会触发接近开关。单片机系统只要当四个光敏开关都没有接收到光信号，就会在1小时后启动复位程序。X向电机先正转后反转，在此过程中一定会找到水平位（即触发接近开关），而不必再加设判断装置判断X方向到底是需要正转还是反转。同理B2（Y方向）未复位也执行上述动作。
5.实际调试
在实际调试中，我们首先确定光敏电阻的动作阈值。我们在2017年8月12傍晚6时认为此时的光强已经对光伏电板的发电效果不大，我们将太阳位置判断模块对准太阳，依次调节光电感应模块的调节定位器，使光电感应模块上的开关指示灯熄灭，证明此时光敏电阻已截止。
第二天，进行全天观察，我们设计的太阳跟踪控制器一直保持对太阳稳定的跟踪，系统输出电压稳定，在晚上7点20分，太阳跟踪控制器复位，光伏面板恢复水平。系统复位模式测试正常。
第三天，我们在中午14时遮住太阳跟踪控制器，下午15时30分，系统复位。然后我们取走遮挡物，太阳跟踪控制器重新保持对太阳的跟踪。阴天工作模式测试正常。
随后我们在系统运行中估计卡住转向电机，我们通过测量电机驱动模块输出电压，发现电机驱动模块15秒后输出停止，随后我们停止卡住转向电机，20分钟后，系统重新恢复跟踪。故障模式测试正常。
6.结语
通过理论研究和实际调试后，我们一致认为太阳跟踪控制器能够满足我们的设计要求。但我们也在测试中发现一些问题，如太阳跟踪控制器的旋转锁定问题等。我们会进一步研究和改进我们的方案。相信通过人们不断的努力和研究，一定会有力地推动我国绿色能源的发展和进步。加速提高光伏系统普及推广。真正实现国家能源的升级换代！
参考文献
[1] 胡寿松.自动控制原理[M].国防工业出版社，1994.
[2] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[3] 陈尚松.电子测量与仪器[M].北京：电子工业出版社，2004.