0 引言
近年世界各国相关机构努力开展对新能源的开发和利用，太阳能具有广阔的发展前景。如何最大限度地提高太阳能电池板的利用率，仍为国内外学者的研究热点。研究表明，精确地自动跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高，自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，成本下降25%。但目前太阳能发电的实际应用中依然存在一些技术问题，如固定式太阳能电池板、单轴追踪式太阳能电池板效率低，日轨迹追踪法算法复杂且抗干扰性能差等问题。太阳跟踪的方式主要有光电式和机械式，光电式为被动跟踪，其精度较低；而机械式为主动跟踪，其原理是通过程序计算出太阳位置，控制步进电机来跟踪太阳。目前国内多数采用机械式跟踪，但此法中因无检测机构，使得累计误差逐渐增大，效果并不十分理想。另外，太阳电池发电时其温度随外界气象条件变化而变化，当电池温度升高，会引起光伏电池发电效率下降，当温度从25℃升至60℃时，太阳能电池板的输出功率下降25%，因此有必要对太阳能电池板温度进行监控并采取散热措施。
针对上述机械和效率问题，本文设计了一种基于IAP15F2K61S2单片机最小系统和“3+1”象限光敏传感器及考虑电池温度的双轴跟踪太阳能发电系统，从而达到提高太阳能发电效率的目的。
1 自动追光系统的方案选择和总体设计
1.1 系统整体设计方案
系统由以IAP15F2K61S2[9]为核心的控制芯片、太阳能电池板、双轴旋转机械结构、步进电机、能量控制器、蓄电池、逆变器和无线串口模块等主要部分构成，结构如图1所示。
系统由3块IAP15F2K61S2控制芯片组成，在图1中处于中心位置的为控制总核心，作为主机，能与图1中左右两侧的1号从机、2号从机进行通信；主机主要起信息收集、传递和交换作用，同时通过无线模块与上位机进行无线串口通信。1号从机实现双轴自动追光、实时位置记录、事故掉电保存数据、手动和自动复位等功能。2号从机实现系统电压、电流的采样、监控、与市电自动切换、电池板温度采集和数码显示等功能。
1.2 系统机械结构设计
如图2为设计的双轴旋转机械结构，电路控制部分集中置于作为支撑底座的控制箱中。电池板支架管上套有齿轮和步进机1转轴的齿轮连接。丝杆和步进机2同轴固定，支撑杆与电板连接。传感器置于电池板边沿，与太阳能电板平行。
支架主材采用机械强度高、质量轻的亚克力有机玻璃，选择丝杆作为机械传动部件，较小的转矩就能达到传动的要求和目的。该设计能耗低，使电机选型小型化、小功率化，系统制造成本低。
1.3 光影传感器的设计与制作
1.3.1 光影跟踪原理
本文设计一种“3+1”象限式光影传感器来调整电池板的空间姿态，原理示意如图3所示。
1、2、3为三象限光敏二极管，当太阳光照射方向与传感器平面不垂直时，在感光板不同象限平面上形成长度和形状不同的影子。太阳从由东向西运动(图3中由右向左)，在1与2之间的遮光板遮光作用下，在感光板2和3平面上形成一定形状的影子，此时调整传感器水平方向上的角度；当光线与1与2之间的遮光板平行时，表明光线已垂直照在感光板1与3水平连接线上，此时垂直角度调整完成。接着，再次判断太阳光线是否能够同时垂直照射在感光板2和3上，进而调节电池板的角度。在这一系列调整过程中先进行垂直方向的追踪，再进行水平追踪，由此完成系统的跟踪过程。但追光装置的实际运用过程中，如果人为操作或其他外界扰动因素导致电池板背面朝向太阳光，使得光影传感器1、2、3象限的光照强度几乎一致，系统控制器无法对太阳能电池板的追光角度进行调整。为解决该问题，须在电池板的背面装设一个光敏二极管（该背面定义为第4象限）。当电池板背面朝向太阳光时，太阳光直射第4象限光敏二极管，而第1、2、3象限处于背光位置，此时控制系统将通过指令控制纵轴旋转180°，从而使跟踪系统以电池板正面重新追踪光线角度，避免系统出现跟踪死区。
1.3.2 “3+1”象限光影传感器制作
太阳光线照射形成的影子长短和太阳入射角度、导致产生影子的物体高度有关，如图4所示。
太阳入射角可由式(1)计算。式中，d为影子长度，H为物体高度，?琢表示太阳入射角。
因此根据d、H和 3个参数进行光影传感器设计：当太阳光线垂直于感光板，太阳入射角为90°，影子的长度为零。若把H的值设为固定值，则当太阳入射角越大，影子的长度越短；反之，太阳入射角越小，影子的长度越长。跟踪角度精度J由式(2)计算：
在本设计中光敏二极管的直径为3 mm，1与2之间的遮光板与光敏二极管安装孔1中心的距离为3 mm，光敏二极管安装孔2和3中心与长、短两块遮光板的距离均为4 mm，算得本设计制作的传感器跟踪精度J约为1.1°。同样，可根据实际所需要的跟踪精度要求由式(2)来计算出需要的遮光板参数，设计出需要的遮光板高度。
2 系统硬件电路设计
2.1 能量监控及切换电路设计
由于天气、昼夜等因素，当太阳能发电电量不足，负载必须切换接入其他电源或市电，以保持负载供电连续性。由此设计了能量监控和不断电自动切换电路，如图5所示，系统实时对A端电压进行采样，当采样值低于设定值时，表明蓄电池电量不足，继电器S2闭合，延时一定时间，继电器S1断开，此时负载由市电继续供电，同时市电指示灯LED1亮，负载工作在市电供电状态。当系统电量恢复之后，S1闭合，延时一定时间， S2断开，此时负载恢复到蓄电池供电，同时蓄电池指示灯LED0亮。二极管D1、D2的作用是保证LED0、LED1正确指示。
2.2 降温除尘系统电路设计
本文采用18B20温度传感器，外围电路如图6所示，该传感器仅通过一线(DQ线，称为数据线)与单片机I/O口相连，经过程序驱动处理即可测量电池板温度的温度值。当温度值大于设定值时，系统启动循环水对电池板进行降温。
2.3 数据保存模块电路设计
本系统不使用外加位移传感器、编码器等方法记录电池板的运行轨迹，而是采用单片机程序算法实现。但在系统故障掉电或人为关机后再一次上电时，单片机将复位，程序初始化，原本记录的数据将会被清除，导致此后记录到的位置信息有可能和实际的位置信息不一致。为解决这一局限问题，系统通过设计I2C串行总线AT24C02能将数据保存且系统初始化之后读取保存数据，电路如图7所示。
图7中SCL为串行时钟输入线，由程序产生时钟驱动，用于数据发送或接收的时钟输入。SDA为串行数据或地址线，用于数据发送接收或地址传送，为双向传输。SCL、SDA为漏极开路，需上拉电阻，其典型值为10 k。WP为写保护线，WP为高电平时，只能读出不能写入；WP为低电平时，允许读和写，本系统中数据要保存和读取，因此WP接电源地GND。A0、A1、A2为器件地址输入线，系统只使用一个AT24C02芯片，全部接地GND或电源VCC都可以，但必须与程序寻址一致。
2.4 无线通信电路设计
系统通过主机与从机通信，将1号从机和2号从机的数据信息收集汇总，再由CC1101无线串口模块将数据无线发送给上位机，电路如图8所示。
主机起信息收集、处理、传递和交换等作用。IAP15-
F2K61S2单片机具有2个全双工异步串行口（UART），一个串口与从机通信，另一串口通过CC1101模块与上位机通信，实现双串口通信功能。CC1101模块只负责收发串口数据，且不限制一次往模块串口发送的字节个数。其中RX为数据接收端口，与单片机或PC的TXD发送端口连接；TX为无线模块的数据发送端口，与单片机或PC的RXD接收端口连接；而无线模块的引脚CON悬空即可。
3 系统软件设计
自动追光程序流程如图9，系统上电或复位后，程序初始化，光影传感器采集太阳光信号，判断电池板是否背面朝向太阳光，防止追踪出现死区。若电池板背向太阳，则驱动纵轴使电池板旋转180°；否则，继续判断是否已经完成纵轴方向追踪(即南北方向追踪)。若已完成，则继续执行传感器采集太阳光信号环节，否则驱动步进电机执行纵轴追踪。完成后，传感器采集太阳光信号，判断是否已完成横轴追踪，若已实现横轴追踪（即东西方向的追踪），则进入下一环节执行；否则驱动横轴步进电机执行横轴追踪，直到完成横轴追踪过程。当完成横轴追踪之后，进一步判断纵轴、横轴是否都完成追踪，若已完成，则停止追踪，否则重新返回直到完成追踪。
系统显示界面如图10所示，可实现对东西、南北偏转角度、系统输出电压、电流等值的监视。
4 结论
本文设计了一种基于IAP15F2K61S2单片机和“3+1”象限光影传感器的自动追光系统，使用者可任意选择不同方向和角度安装，采用丝杆设计的双轴跟踪方式使功率较小的步进电机即能传递足够的动力，降低了自动追光装置的制造和能源成本。系统可与上位机进行无线通信，上位机可以获取太阳能发电系统的相关运行数据信息。本文设计的全自动太阳能发电系统可使平均功率提高30% 以上。通过改变本设计系统中的太阳能电池板以及与之匹配的步进电机驱动器等可以使该系统的功率、容量得到扩展，以满足不同用户的需要。