太陽能是已知的最原始的能源，它幹淨、可再生、豐(feng) 富，而且分布範圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們(men) 關(guan) 心的話題，太陽能自動跟蹤係統的設計為(wei) 解決(jue) 這一問題提供了新途徑，從(cong) 而大大提高了太陽能的利用效率。

跟蹤太陽的方法可概括為(wei) 兩(liang) 種方式：光電跟蹤和根據視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳(chuan) 感器件根據入射光線的強弱變化產(chan) 生反饋信號到計算機，計算機運行程序調整采光板的角度實現對太陽的跟蹤。光電跟蹤的優(you) 點是靈敏度高，結構設計較為(wei) 方便;缺點是受天氣的影響很大，如果在稍長時間段裏出現烏(wu) 雲(yun) 遮住太陽的情況，會(hui) 導致跟蹤裝置無法跟蹤太陽，甚至引起執行機構的誤動作。

而視日運動軌跡跟蹤的優(you) 點是能夠全天候實時跟蹤，所以本設計采用視日運動軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，利用步進電機雙軸驅動，通過對跟蹤機構進行水平、俯仰兩(liang) 個(ge) 自由度的控製，實現對太陽的全天候跟蹤。該係統適用於(yu) 各種需要跟蹤太陽的裝置。該文主要從(cong) 硬件和軟件方麵分析太陽自動跟蹤係統的設計與(yu) 實現。

係統總體(ti) 設計

本文介紹的是一種基於(yu) 單片機控製的雙軸太陽自動跟蹤係統，係統主要由平麵鏡反光裝置、調整執行機構、控製電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤係統電路控製結構框圖如圖1所示，係統機械結構示意圖如圖2所示。

任意時刻太陽的位置可以用太陽視位置精確表示。太陽視位置用太陽高度角和太陽方位角兩(liang) 個(ge) 角度作為(wei) 坐標表示。太陽高度角指從(cong) 太陽中心直射到當地的光線與(yu) 當地水平麵的夾角。太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平麵上的投影與(yu) 當地子午線的夾角，可近似地看作是豎立在地麵上的直線在陽光下的陰影與(yu) 正南方的夾角。係統采用水平方位步進電機和俯仰方向步進電機來追蹤太陽的方位角和高度角，從(cong) 而可以實時精確追蹤太陽的位置。上位機負責任意時刻太陽高度角和方位角的計算，並運用軟件計算出當前狀況下俯仰與(yu) 水平方向的步進電動機運行的步數，將數據送給跟蹤係統驅動器，單片機接收上位機送來的數據，驅動步進電機的運行。係統具有實現複位、水平方位的調整，俯仰方向的調整，太陽的跟蹤及手動校準等功能。

硬件電路設計

1　跟蹤係統驅動器接口電路

跟蹤係統中微處理器選用89係列性價(jia) 比高和功耗低的89C52。74HC14芯片是6非門施密特觸發器，與(yu) P1.1和P1.2口相連，控製方位限位信號。74HC240芯片，八反相三態緩衝(chong) 器/線驅動器，用於(yu) 數據緩衝(chong) 及總線驅動。係統使用兩(liang) 片74HC240芯片，通過P0口引腳控製，兩(liang) 片74HC240的16個(ge) 輸出引腳作為(wei) 步進電機驅動電路的輸入控製信號，分別控製步進電機俯仰方向和水平方位的正反轉。係統與(yu) 上位機的通信選用MAX485接口芯片，由P1.0口控製其收發狀態。驅動器接口電路如圖3所示。

2　步進電機驅動電路

步進電動機是一種用電脈衝(chong) 信號進行控製，並將電脈衝(chong) 信號轉換成相應角位移的執行器。在跟蹤係統中，以74HC240的16個(ge) 輸出信號作為(wei) 步進電機驅動器的輸入控製信號，用以控製步進電機俯仰方向和水平方位的正反轉。圖4所示的是步進電機一路驅動電路圖，係統共有四路驅動電路，分別驅動步進電機俯仰方向和水平方位的正反轉。

其中，水平方位電機由D7，D6，D5，D4驅動;俯仰方向電機由D3，D2，D1，D0驅動。跟蹤裝置中步進電機選用42BYG250C型，步矩角1.8°。水平俯仰方向步進電機運行的最大角度是360°，共需運行20000步。減速器的傳(chuan) 動比為(wei) 1：100，即電機轉動100°時水平轉台相應轉動1°。以步進電機1.8°的步距角計算，當鏡麵裝置的水平轉台轉動1°時，步進電機發出100/1.8個(ge) 脈衝(chong) ，由此可以計算平麵鏡法向量的方位角為(wei) a時步進電機發出的脈衝(chong) 數為(wei) 100α/1.8個(ge) 。步進電機動作頻率可手動設置，默認情況下，步進電機每隔15s動作一次。

3　限位信號采集電路

采用光電耦合器與(yu) 電壓比較器電路組成的微機步進電機限位電路，其電路圖如圖5所示。

限位電路中利用雙三態門來控製步進電機的脈衝(chong) 通路。工作原理是：在到達限位位置之前，光耦導通，電壓比較器LM393的反向輸入端有信號，允許步進電機控製脈衝(chong) 從(cong) 此通過。當限位杆到達限位位置時，擋住了光耦的光通路，使LM393的反向輸入端無信號，步進電機就停止。

軟件設計

太陽自動跟蹤係統的軟件分為(wei) 兩(liang) 部分，一是步進電機控製部分，主要由單片機完成。單片機的軟件設計采用模塊化設計的方法，主要分為(wei) 如下幾個(ge) 軟件模塊：主程序模塊、串行口中斷處理模塊、正常跟蹤處理模塊、串行口中斷複位處理模塊等。單片機主程序流程圖如圖6所示。

軟件的另一部分為(wei) PC機部分，PC機軟件部分主要是負責任意時刻太陽位置的計算並運用軟件計算出當前狀況下俯仰與(yu) 水平方向步進電機運行的步數，並將數據送給跟蹤係統驅動器。與(yu) 單片機通信的部分使用VC++中的MSComm控件來編譯串口通訊的應用程序，采用MSComm32.OCX控件。使用控件的屬性進行串口設置，使用控件的事件驅動進行串口響應，使用控件的方法完成串行口接收和發送數據。PC機通信流程圖如圖7所示。

上位機控製係統具有實現複位、水平方位的調整，俯仰方向的調整，太陽位置的跟蹤、手動校準及計算當日數據等功能。其中“設置”按鈕，可進行地方經緯度、波特率、步進電機動作頻率等的設置。上位機可執行程序控製界麵如圖8所示，圖9所示的是控製主界麵下“設置”按鈕的對話框。

試驗觀察數據分析

由於(yu) 影響跟蹤精度的因素很多，不僅(jin) 跟當地緯度、太陽赤緯角、太陽時角的取值有關(guan) ，還跟步進電機的精度以及跟蹤轉台的機械結構有關(guan) ，因而需要對跟蹤軌跡的程序進行校正。校正采用手動操作，通過控製水平俯仰方位步進電機，使兩(liang) 個(ge) 軸帶動平麵鏡反光裝置轉動，同時不斷觀察平麵鏡反射太陽光的影子，當影子中心剛好聚在指定點時為(wei) 最佳，記錄下從(cong) 原點到該點兩(liang) 軸的步進電機各自走過的步數，根據實際運行步數與(yu) 理論運行步數之差，可計算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。校正可以選擇任一天中幾個(ge) 不同時刻進行。係統在實際運行時，觀察到太陽在正午至下午3點期間，高度角方位角變化曲線存在明顯拐點，變化比較顯著，在此期間內(nei) 係統對太陽位置的跟蹤存在誤差。

表1中列出了2009年1月12日中午至下午三時左右的理論數據，並用係統的手動校準功能，記錄下不同時刻的步進電機實際運行步數。

為(wei) 了更準確地得到太陽實際位置的參數修正值，應在春夏秋冬四季中不同時刻分別觀測記錄數據，將得到的一組高度角和方位角的校正值，擬合其曲線。用校正係數校正理論值存入控製程序，可以提高跟蹤精度。

本文介紹的太陽自動跟蹤裝置可以有效地提高太陽能利用率，適用於(yu) 各種需要跟蹤太陽的裝置。經過試驗、測試和實際使用，各項指標均達到了設計要求。本文設計的太陽自動跟蹤裝置是基於(yu) 視日運動規律，為(wei) 使係統具有更高的跟蹤精度，可采用光電傳(chuan) 感器跟蹤校正，構成由視日運動規律跟蹤和傳(chuan) 感器跟蹤的混合跟蹤係統。隨著太陽能自動跟蹤裝置的廣泛應用，它定會(hui) 有助於(yu) 提高綠色能源利用的進程，為(wei) 環境保護和提高人民的生活質量做出更大的貢獻。