基于ATmega8的雙軸太陽跟蹤器設計策略

?? 太陽能作為一種清潔能源，倍受人們重視，因此提高太陽能的利用率已成為研究熱點。理論分析表明：精確跟蹤與非跟蹤太陽，其能量的接收效率相差37．7％。因此精確跟蹤太陽，對其利用率的提高是很顯著的。
??? 跟蹤太陽的方式主要有光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤。前者是閉環的隨機系統，跟蹤靈敏度高，結構設計較為方便，易于實現，但受天氣影響大，如果長時間烏云遮住太陽，太陽光線往往不能照到感光元件，導致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至會出現誤動作；后者是開環的程控系統。在任何天氣下都可正常工作，但在跟蹤過程中不能消除累積誤差。該太陽跟蹤器設計采用一種互補跟蹤控制方式，在晴天時，選擇跟蹤靈敏度高的光電跟蹤方式，而在天氣狀況不太好時。則切換到視日運動軌跡跟蹤。

1 太陽跟蹤器硬件設計
??? 圖1為整個跟蹤控制器的具體原理框圖。單片機循環檢測，通過光電檢測模塊所采集的信號判斷工作模式。陰天時選擇視日運動軌跡跟蹤，通過讀取時鐘模塊的日歷時間信息計算此時本地太陽的高度角與方位角，進而通過單片機發出指令驅動電機轉動跟蹤；晴天時選擇光電跟蹤模式，通過光電檢測模塊檢測到的信號驅動電機旋轉跟蹤。

1．1 ATmega8單片機
??? 這里選擇性價比較高的ATmega8單片機為控制核心，ATmega8是一款具有RISC結構的高性能、低功耗的8位AVR微處理器。它具有130條指令(大多數指令執行時間為單個時鐘周期)，3個定時器，3通道PWM，10位A／D轉換器，2個可編程的串行USART，SPI串行接口，I2C接口等功能模塊。該太陽跟蹤器可采用單片機內部的A／D采樣、PWM通道、I2C接口等功能模塊，從而簡化程序編程。
1．2 光電檢測模塊
??? 利用光敏電阻在光照時阻值發生變化的原理，將4只完全相同的光敏電阻分別放置于太陽光接收器的東南西北方向，負責偵測這4個方向的光源強度。如果太陽光垂直照射太陽能電池板，東西(南北)2只光敏電阻接收到的光照強度相同。其阻值完全相等，此時電動機不轉動。當太陽光方向與電池板的法線有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減小，信號采集電路采集到光敏電阻的信號差值，控制電路將其差值轉換成控制信號，驅動電動機轉動，直至2只光敏電阻上的光照強度相同。

??? 圖2是光電檢測模塊的俯視簡圖，共由5只光敏電阻組成。正中央1只，旁邊4只圍成一圈。左右2只光敏電阻(A、B)檢測太陽方位角的變化，上下2只(C、D)檢測太陽高度角的變化。中間1只用于檢測環境亮度判斷白天還是晚上，晴天還是陰天。圖3是5路光敏電阻與ATmega8的連接電路，電源電壓經光敏電阻和定值電阻的分壓后送入ADCx引腳。

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1．3 實時時鐘模塊
??? 由于系統需進行時間控制，因此，需采用實時時鐘。若使用單片機計時，長時間會引起較大誤差，因此使用串行實時時鐘PCF8583。該器件具有實時時鐘，可提供秒、分、時、日、星期、月和年(閏年補償)，可采用12 h或24 h方式計時。它具有日歷時鐘、計時、可編程定時中斷，并提供256字節低功耗靜態RAM。采用I2C總線串行數據線，可方便與單片機接口。采用雙電源(主電源和備用電源)供電。PCF8583與ATmega8通過I2C總線連接，其連接電路如圖4所示。

1．4 步進電機及驅動器
??? 該太陽跟蹤器選用57BYG系列二相／四相混合式步進電機，步距角為1．8°，要滿足高精度跟蹤要求，必須提高電機步進角度的分辨率，因此選用TS-220系列高性能步進電機細分驅動器作為控制電路。驅動器選用原裝驅動模塊，純正弦波電流細分控制方式，具有很強的抗干擾能力。控制信號與內部線路實現光電隔離，并具有精度高，可靠性好，電機噪音極低等特點。

2 太陽跟蹤器軟件設計
??? 該跟蹤器軟件采用ATmega8單片機C語言，選用ICCAVR編譯器，主要包括主程序、光電跟蹤子程序、視日運動軌跡跟蹤子程序等。
2．1 太陽跟蹤主程序
??? 主程序初始化單片機相關功能模塊，巡回檢測光電檢測模塊的信號，判斷當前工作在光電跟蹤還是視日運動軌跡跟蹤控制方式，進而驅動步進電機驅動器控制太陽能利用裝置始終正對太陽。其主程序流程如圖5所示。

2．2 光電跟蹤子程序
??? 光電檢測模塊探測太陽位置，通過ATmega8的ADCx引腳送入單片機，經過A／D轉換通過信號差值判斷太陽能利用裝置是否正對太陽，直到調整太陽能利用裝置對準太陽，然后再返回主程序。光電跟蹤子程序流程如圖6所示。

2．3 視日運動跟蹤子程序
??? 所謂程序跟蹤就是跟蹤太陽高度角和方位角。雖然太陽的位置時刻都在變化，但其運行具有嚴格的規律性，在地平坐標中，太陽的位置可由高度角α與方位角ψ來確定。
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式中，δ為太陽赤緯角；φ為當地的緯度角；ω為時角。
??? 太陽赤緯角與時角由本地時間確定，而對于確定的地點，本地的緯度角也是確定的，因此只要輸入當地相關地理位置與時間信息就可確定此時刻的太陽位置。視日運動軌跡跟蹤子程序流程如圖7所示。

3 結束語
??? 該太陽跟蹤器以ATmega8單片機為核心，外圍電路簡單，性能穩定可靠，跟蹤精度高，能自動識別天氣狀況，使光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤控制方式的優點得到有效互補，但在抗風和掉電保護等方面還需進一步研究。由于該太陽跟蹤器結構簡單，價格低廉，所以具有發展潛力，可廣泛應用于太陽灶、太陽能光伏(平板和聚光)發電系統、太陽能聚焦熱水器系統、太陽能制氫、太陽能集能器等那些需實時精確跟蹤太陽的應用領域。