基于Arduinouno單片機(jī)的太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鈺 黃開(kāi)亮 楊笑然 鄧旭東

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，新能源的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。作為新能源的太陽(yáng)能，雖然是清潔能源，但利用率有待提高。為了提高太陽(yáng)能的利用率，文章提出了基于Arduino uno單片機(jī)的太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)。當(dāng)太陽(yáng)光照充足的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)行光電檢測(cè)，Arduino uno單片機(jī)控制著舵機(jī)隨光轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)能電池板進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)，蓄電池不斷地進(jìn)行蓄電；當(dāng)太陽(yáng)光變暗的時(shí)候，蓄電池進(jìn)行放電，從而點(diǎn)亮LED。太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)；Arduino uno單片機(jī)；太陽(yáng)能電池板；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP39? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

如今，人們對(duì)能源的需求日益增大，不可再生能源不斷地被消耗，能源問(wèn)題逐漸成為人們重點(diǎn)研究的對(duì)象。隨著科技的進(jìn)步，大量的新能源不斷地被開(kāi)發(fā)與利用，有效地緩解了能源問(wèn)題。作為清潔能源的太陽(yáng)能，不斷地被應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，比如新能源汽車、太陽(yáng)能熱水器、節(jié)能路燈以及光伏發(fā)電等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷地研究如何更高效地利用太陽(yáng)能，為此提出不同的設(shè)計(jì)方案。韓竺秦等［1］提出了基于STC89C52單片機(jī)的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路以及太陽(yáng)定位電路等。石玉軍等［2］通過(guò)四象限光敏傳感器探測(cè)太陽(yáng)的位置，并利用STC89C52單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的跟蹤。隨云飛等［3］開(kāi)發(fā)了一套太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，使得太陽(yáng)能電池板和集熱管垂直于太陽(yáng)光線，實(shí)現(xiàn)較高的跟蹤精度。韓悅等［4］基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)追蹤系統(tǒng)，通過(guò)角度追蹤和光電感應(yīng)方式全方位地追蹤太陽(yáng)能。邱錫強(qiáng)［5］基于STM32單片機(jī)研制了一種可移動(dòng)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤裝置，利用GPS模塊和傾角傳感器測(cè)量太陽(yáng)和裝置的角度。陳沛宇等［6］從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能目標(biāo)雙軸追蹤機(jī)械系統(tǒng)，將光電傳感器和雙軸追蹤相融合，實(shí)現(xiàn)快速追蹤太陽(yáng)能。張雙華等［7］為提高光電轉(zhuǎn)換效率通過(guò)時(shí)控和光控方式跟蹤太陽(yáng)能，設(shè)計(jì)了一種高精度太陽(yáng)能雙軸跟蹤系統(tǒng)。太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)可以應(yīng)用到生活中，比如家用電器、汽車行業(yè)、農(nóng)業(yè)等，充分利用新能源太陽(yáng)能，減少了空氣污染，改善了人們的生活環(huán)境。因此，研究和設(shè)計(jì)太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)具有很大意義。

本文提出了基于Arduino uno單片機(jī)的太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)部分，通過(guò)Arduino平臺(tái)進(jìn)行軟件編程，并將編譯無(wú)誤的程序加載到Arduino uno單片機(jī)內(nèi)，根據(jù)是否有太陽(yáng)光判斷是否進(jìn)行光電檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)控制著舵機(jī)和太陽(yáng)能電池板的角度進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)；硬件設(shè)計(jì)部分，本文設(shè)計(jì)了追隨系統(tǒng)的電路并進(jìn)行實(shí)物制作與調(diào)試，確保該系統(tǒng)可以達(dá)到實(shí)時(shí)追光的效果。當(dāng)有太陽(yáng)光照射時(shí)，光敏電阻模塊給Arduino uno單片機(jī)提供信號(hào)，單片機(jī)控制著舵機(jī)和太陽(yáng)能電池板進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)，蓄電池持續(xù)蓄電操作；當(dāng)光線變暗時(shí)，蓄電池進(jìn)行放電，點(diǎn)亮LED。

1 太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于Arduino uno單片機(jī)的太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以光敏電阻模塊為觸發(fā)開(kāi)關(guān)，Arduino uno單片機(jī)作為太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的主控芯片，搭載了舵機(jī)、太陽(yáng)能電池板和蓄電池等模塊［8］。該太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)在有太陽(yáng)光的時(shí)候可進(jìn)行自動(dòng)追光運(yùn)動(dòng)，提高了太陽(yáng)能的利用率，達(dá)到了節(jié)能的目的。

基于Arduino uno單片機(jī)的太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如下：

（1）當(dāng)有太陽(yáng)光照射到光敏電阻模塊時(shí)，光敏電阻模塊為Arduino uno單片機(jī)提供信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)運(yùn)行。

（2）通過(guò)Arduino平臺(tái)進(jìn)行編程，并將程序加載到Arduino uno單片機(jī)內(nèi)，控制著兩個(gè)舵機(jī)追隨太陽(yáng)光進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)。

（3）太陽(yáng)能電池板隨著舵機(jī)進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)，并且太陽(yáng)能電池板通過(guò)充電模塊TP4056給蓄電池充電。

（4）當(dāng)太陽(yáng)光光線變暗時(shí)，舵機(jī)和太陽(yáng)能電池板不再運(yùn)動(dòng)，蓄電池進(jìn)行放電，從而點(diǎn)亮LED。

2 太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的程序是通過(guò)Arduino uno單片機(jī)在Arduino平臺(tái)上編程實(shí)現(xiàn)的，其軟件設(shè)計(jì)總體流程如圖2所示。

根據(jù)是否有太陽(yáng)光來(lái)判斷程序是否進(jìn)行光電檢測(cè)，如果沒(méi)有太陽(yáng)光，程序進(jìn)入初始化狀態(tài)；如果有太陽(yáng)光，經(jīng)光電檢測(cè)后設(shè)置兩個(gè)舵機(jī)的水平和垂直運(yùn)動(dòng)的角度等參數(shù)。在Arduino平臺(tái)編譯好程序后，將程? 序加載到單片機(jī)內(nèi)，并調(diào)試舵機(jī)能否正常運(yùn)行。為了消除舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)行了濾波處理。

3 太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

基于Arduino uno單片機(jī)的太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的電路原理是利用太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池板上方的光敏電阻模塊時(shí)，舵機(jī)就會(huì)受到Arduino uno單片機(jī)的控制，實(shí)時(shí)地調(diào)整舵機(jī)的角度，進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)，其電路原理如圖3所示。

本設(shè)計(jì)選用的是5 V的太陽(yáng)能電池板，將太陽(yáng)能電池板一正一負(fù)接到電池充電模塊TP4056輸入上，再把充電模塊輸出接上充電的電池。當(dāng)太陽(yáng)光照射的時(shí)候，太陽(yáng)能經(jīng)處理后通過(guò)充電模塊給蓄電池充電，蓄電池持續(xù)蓄電操作。

將PNP三極管8550的發(fā)射極接到充電模塊OUT+，集電極經(jīng)過(guò)一個(gè)10 Ω的限流電阻接上LED，三極管的基極和太陽(yáng)能電池板的正極接在一起。當(dāng)太陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，太陽(yáng)能電池板有電壓，正極就是高電位給到PNP三極管的基極，三極管就被截止了，LED不亮，相當(dāng)于給充電電池充電。當(dāng)光線變?nèi)醯臅r(shí)候，太陽(yáng)能電池板兩端的電壓就會(huì)逐漸降低，低到比較小的電壓的時(shí)候，電池板的正極就相當(dāng)于一個(gè)低電位，正極和三極管的基極相接，此時(shí)三極管導(dǎo)通。從充電電池里面流出的電流經(jīng)過(guò)三極管和限流電阻，點(diǎn)亮LED，從而實(shí)現(xiàn)有光照時(shí)追光蓄電、光線暗時(shí)給LED供電的功能。

3.2 太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)Arduino uno單片機(jī)控制兩個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)追光的效果。當(dāng)有太陽(yáng)光照射時(shí)，光敏電阻模塊檢測(cè)到光線亮度，會(huì)給Arduino uno單片機(jī)提供信號(hào)。Arduino uno單片機(jī)控制舵機(jī)進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)能電池板的方位隨著舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)而改變，達(dá)到實(shí)時(shí)追光的效果。

利用舵機(jī)來(lái)控制太陽(yáng)能電池板運(yùn)動(dòng)時(shí)，使用兩個(gè)舵機(jī)分別控制太陽(yáng)能電池板的方位，從而進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)舵機(jī)的布局如圖4所示。兩個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍是0～180°，在組裝的時(shí)候要進(jìn)行調(diào)整，防止在追光運(yùn)動(dòng)過(guò)程中舵機(jī)卡住，從而導(dǎo)致舵機(jī)損壞。由于舵機(jī)的工作角度受限，太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)有時(shí)候停留的地方光線較弱，按下Arduino uno開(kāi)發(fā)板上的紅色按鈕或者盾板上的RESET鍵重新尋找并跟隨太陽(yáng)光，從而實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前的坐標(biāo)位置。根據(jù)照射角傳感器的變化來(lái)調(diào)整定位角度，從而增強(qiáng)太陽(yáng)能電池板的追光效果，提高了太陽(yáng)能的利用率。

在制作實(shí)物時(shí)，實(shí)驗(yàn)器材的使用情況如下表所示，追隨系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。當(dāng)有太陽(yáng)光照射時(shí)，光敏電阻模塊會(huì)給Arduino uno單片機(jī)提供信號(hào)，單片機(jī)發(fā)揮控制作用，舵機(jī)和太陽(yáng)能電池板進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)，蓄電池進(jìn)行蓄電操作；當(dāng)光線變暗時(shí)，舵機(jī)和太陽(yáng)能電池板不運(yùn)動(dòng)，蓄電池不斷放電，LED被點(diǎn)亮。表1為實(shí)驗(yàn)器材。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino uno單片機(jī)的太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)，提高了太陽(yáng)能的利用率，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)太陽(yáng)光照射到光敏電阻模塊上，Arduino uno單片機(jī)控制著舵機(jī)進(jìn)行水平和垂直運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)能電池板進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)蓄電池進(jìn)行蓄電操作；當(dāng)光線變暗時(shí)，舵機(jī)和太陽(yáng)能電池板不運(yùn)動(dòng)，蓄電池釋放電能，從而點(diǎn)亮LED。太陽(yáng)能追隨系統(tǒng)有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，經(jīng)研究后也可以應(yīng)用到人們的日常生活中，比如太陽(yáng)能電動(dòng)車、太陽(yáng)能充電寶以及太陽(yáng)能風(fēng)扇等，有效地緩解了能源問(wèn)題，減少了空氣污染，營(yíng)造美好的生活環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 傅金睿）

Design of solar tracking system based on Arduino uno microcontroller

Wang? Yu， Huang? Kailiang， Yang? Xiaoran， Deng? Xudong

（Nanjing Normal University Taizhou College， Taizhou 225300， China）

Abstract： With the development of society， the research and application of new energy has become an inevitable trend. As a new energy， solar energy is a clean energy， but its utilization needs to be improved. In order to improve the utilization of solar energy， this paper proposes a solar tracking system based on Arduino uno microcontroller. When the sun is shining， the system performs photoelectric detection，? the servo is controlled by the Arduino uno microcontroller to rotate with the sun， at the same time，the solar panel moves with the sun， then the battery keeps charging with the system tracking the sun；when the sun dims， the battery is discharged， so the LED is lit. The solar tracking system can effectively improve the utilization of solar energy and achieve the purpose of saving energy.

Key words： solar tracking system; Arduino uno microcontroller; solar panel；save energy