本实用新型涉及太阳能电池板领域，具体地说是一种基于负反馈的太阳光跟踪电池板及其配套的软件系统。
背景技术：
随着科技的快速发展，目前太阳光跟踪系统中实现追踪太阳光的方法很多，最常用的技术是采用如下两种方式。一种方式是通过太阳主动跟踪控制系统安放点的经纬度等信息计算一年中每一天不同时刻太阳所在的角度和位置，并将其存储到单片机或电脑中来实现太阳光的跟踪，也就是靠计算位置来实现跟踪，采用这种跟踪方法的系统被称为主动跟踪系统，这种系统根据视日运动轨迹进行跟踪，但这种方法实现起来成本相对较高，需要的运算也较为复杂。另一种跟踪方式，主要采用光强控制的方法，即通过利用光敏元件和传感器来实现太阳光的跟踪调节，由于这种方法被动的跟踪太阳光，所以也称之为被动跟踪系统。除此之外，还有基于数字图像处理的跟踪系统和混合跟踪系统。
现有技术存在的问题：目前，太阳能的利用效率仍然不够高，这主要来自于两个方面。一方面是由于自然条件的限制，因为当太阳光方向发生变化的时候，太阳能电池板的位置保持不变，所以一天内太阳能电池板所吸收的太阳能是有限的；另一方面是由于科技水平不高造成的，目前生产出来的太阳能转化设备的转换效率并不高，以至于无法提供较大的转换能量。
现有的视日运动轨迹跟踪系统的追踪精度相对较低，但其可靠性及稳定性相对较高，同时这种系统存在着成本相对较高以及算法相对复杂的问题。光电检测跟踪系统的追踪精度相对较高，但其可靠性及稳定性相对较低，同时这种系统中通常采用光电二极管来获取光强信息，存在系统结构相对复杂的问题。
技术实现要素：
鉴于现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于负反馈的太阳光跟踪系统；通过基于负反馈的自适应追光装置，实现太阳光的高效稳定跟踪。
为了达到上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
一种基于负反馈的太阳光跟踪系统，其结构包括：电源供电系统、单片机、驱动芯片、舵机、A/D转换器、单晶太阳能板、光敏电阻桥式光电检测器、印制电路板（PCB板）。其中，电源供电系统为单片机、驱动芯片、舵机、以及A/D转换器供电；光敏电阻桥式光电检测器的两个输出端连接到A/D转换器的CH0和CH1端口上；A/D转换器的DO和DI端口连接到单片机的P1.2口上；单片机的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3口与驱动芯片上的IN1、IN2、IN3、IN4相连；单片机、驱动芯片和A/D转换器焊接到PCB板上；光敏电阻桥式光电检测器用胶粘贴到太阳能板上；PCB板和舵机用螺丝固定在底座上。
优选的，硬件控制部分采用电源、STC15W408AS单片机、A/D转换器、ULN2003A驱动芯片、SG90 9g舵机组成。利用STC15W408AS单片机和ADC转换器将光敏电阻桥式光电检测器得到的电压值转换成数字值，并通过与输入电压信号进行比较得到PWM信号，利用PWM信号控制驱动芯片ULN2003A工作，并由该芯片驱动SG90 9g舵机进行工作。
优选的，所述单片机供电电压5.5V，通信接口等采用5V电压，舵机驱动电压5V；并采用简单的稳压电源电路。
优选的，所述单片机采用STC15W408AS系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机，采用STC第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟，温飘，ISP编程时5MHz-35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路。3路CCP/PWM/PCA，1组超高速异步串行通信口，1组高速同步串行通信端口，内置比较器，功能更加强大。
优选的，所述A/D转换器采用ADC0832串行模数转换芯片，通过该芯片可以将光敏电阻桥式光电检测器得到的电压值转换成数字值。
优选的，所述舵机的驱动模块ULN2003A的驱动直接用单片机系统的5V电压，舵机对它进行初步的测试，就是将5伏电源的正端接上最边上两根褐色的线，然后用5伏电源的地线分别和另外四根线（红、兰、白、橙）依次接触，发现每接触一下，舵机便转动一个角度，来回五次，舵机刚好转一圈。地线与四线接触的顺序相反，舵机的转向也相反。
优选的，所述舵机包括水平舵机和垂直舵机，使舵机能够通过旋转轴实现单晶太阳能板在水平和垂直两个方向上转动，舵机传动装置采用齿轮或传送带，通过舵机或者电机来驱动转动。
优选的，所述舵机上还设有固定保护壳，在固定保护壳上的上、下、左、右四个方向上分布着八个固定孔，利用该孔可以将舵机固定在追光系统的底座上，整个机械系统通过为水平舵机增加底座来提高系统的稳定性。
进一步地，所述光敏电阻桥式光电检测器主要由4个光敏电阻组成，4个光敏电阻呈对称分布，在三维直角坐标系下。本申请光敏电阻与追光板的最优夹角分为可追光最大角度参数θ和追光误差参数1/δ。由于两个参数之间存在着不一致的特性，所以最优夹角通过公式ω1θ(α)+ω2/δ(α)求出，ω1和ω2为权重系数，通过的4个光敏电阻与追光板夹角α进行遍历，发现当4个光敏电阻与面板夹角为 α=45度时，使得对称的两个光敏电阻值的阻值相差很大，得到的收集电压和期望电压有很大的差别，从而来控制舵机的接收板角度，使太阳能板朝向太阳，在追光效果上达到最优。
有益效果：太阳光跟踪系统采用基于桥式光电检测的负反馈跟踪方式对太阳光进行自适应跟踪。由于光电传感器跟踪对光电转换电路的设计要求比较高，结合该系统的实际应用需要，硬件设计时需要考虑如下问题：稳定性高，成本低，控制方便，品于组装，易于扩充。本系统采用的设计具有功耗低，追光精度高，稳定性好的特点。
附图说明
图1是本实用新型整体结构示意图。
图2是本实用新型电源系统结构图。
图3是本实用新型驱动单元电路图。
图4是本实用新型舵机装置分布图。
图5是本实用新型舵机装置固定设计图。
图6是本实用新型光敏电阻分布图。
图7是本实用新型系统软件程序流程图。
其中，附图1中，1-电源供电系统、2-单片机、3-驱动芯片、4-舵机、5-A/D转换器、6-单晶太阳能板、7-光敏电阻桥式光电检测器。附图4中，水平舵机4-1、垂直舵机4-2、旋转轴4-3、单晶太阳能板6。附图5中，固定孔4-4、底座4-5。
具体实施方式
为使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本实用新型的实施方式仅仅是示例性的，并且本实用新型并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型的技术方案，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
实施例1
本实施例提供了一种基于负反馈的太阳光跟踪系统，如附图1所示，其结构包括：电源供电系统1、单片机2、驱动芯片3、舵机4、A/D转换器5、单晶太阳能板6、光敏电阻桥式光电检测器7。其中，电源供电系统1为单片机2、驱动芯片3、舵机4、以及A/D转换器5供电；光敏电阻桥式光电检测器7的两个输出端连接到A/D转换器5的CH0和CH1端口上；A/D转换器5的DO和DI端口连接到单片机2的P1.2口上；单片机2的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3口与驱动芯片3上的IN1、IN2、IN3、IN4相连；单片机2、驱动芯片3和A/D转换器5焊接到PCB板上；光敏电阻桥式光电检测器7用胶粘贴到太阳能板上；PCB板和舵机4用螺丝固定在底座上。
进一步地，硬件控制部分采用电源、STC15W408AS单片机、A/D转换器、ULN2003A驱动芯片、SG90 9g舵机组成。利用STC15W408AS单片机和ADC转换器将光敏电阻桥式光电检测器得到的电压值转换成数字值，并通过与输入电压信号进行比较得到PWM信号，利用PWM信号控制驱动芯片ULN2003A工作,并由该芯片驱动SG90 9g舵机进行工作。
进一步地，所述单片机供电电压5.5V，通信接口等采用5V电压，舵机驱动电压5V。如图2所示，采用简单的稳压电源电路。
进一步地，所述单片机采用STC15W408AS系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机，采用STC第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟，温飘，ISP编程时5MHz-35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路。3路CCP/PWM/PCA，1组超高速异步串行通信口，1组高速同步串行通信端口，内置比较器，功能更加强大。
进一步地，所述A/D转换器采用ADC0832串行模数转换芯片，通过该芯片可以将光敏电阻桥式光电检测器得到的电压值转换成数字值。
进一步地，如图3所示，所述舵机的驱动模块ULN2003A的驱动直接用单片机系统的5V电压，舵机对它进行初步的测试，就是将5伏电源的正端接上最边上两根褐色的线，然后用5伏电源的地线分别和另外四根线（红、兰、白、橙）依次接触，发现每接触一下，舵机便转动一个角度，来回五次，舵机刚好转一圈。地线与四线接触的顺序相反，舵机的转向也相反。
进一步地，如图4所示，所述舵机包括水平舵机4-1和垂直舵机4-2，使舵机能够通过旋转轴4-3实现单晶太阳能板6在水平和垂直两个方向上转动，舵机传动装置才用齿轮或传送带，通过舵机或者电机来驱动转动。
进一步地，如图5所示，所述舵机上还设有固定保护壳，在固定保护壳上的上、下、左、右四个方向上分布着八个固定孔4-4，利用该孔可以将舵机固定在追光系统的底座4-5上，整个机械系统通过为水平舵机增加底座4-5来提高系统的稳定性。
进一步地，如图6所示，所述光敏电阻桥式光电检测器7主要由4个光敏电阻组成，4个光敏电阻呈对称分布，在三维直角坐标系下。本申请光敏电阻与追光板的最优夹角分为可追光最大角度参数θ和追光误差参数1/δ。由于两个参数之间存在着不一致的特性，所以最优夹角通过公式ω1θ(α)+ω2/δ(α)求出，ω1和ω2为权重系数，通过的4个光敏电阻与追光板夹角α进行遍历，发现当4个光敏电阻与面板夹角为 α=45度时，使得对称的两个光敏电阻值的阻值相差很大，得到的收集电压和期望电压有很大的差别，从而来控制舵机的接收板角度，使太阳能板朝向太阳，在追光效果上达到最优。
有益效果：太阳光跟踪系统采用基于桥式光电检测的负反馈跟踪方式对太阳光进行自适应跟踪。由于光电传感器跟踪对光电转换电路的设计要求比较高，结合该系统的实际应用需要，硬件设计时需要考虑如下问题：稳定性高，成本低，控制方便，品于组装，易于扩充。本系统采用的设计具有功耗低，追光精度高，稳定性好的特点。
实施例2
本实施例提供一种基于负反馈的太阳光跟踪系统的控制方法，包括如下步骤：
（1）如图7所示，系统在完成上电初始化后，通过软件编程使单片机控制A/D转换器0、1通道开始转换桥式电路产生的压差信号，单片机根据该信号判断是否开启光电跟踪，如果判断的结果是符合开始光电跟踪的条件，则先根据A/D转换器0通道采集到光照强度电压信号判断水平舵机是正转、反转，并使相应标志位为置1；然后再根据A/D转换器1通道采集到光照强度电压信号进行来判断垂直舵机的正转、反转，并使相应标志位为置1；单片机将根据数据位的置位情况及光照电压强度数字信号调用程序中的光电传感器算法输出调制后的 PWM 脉冲，该脉冲信号将传送给驱动芯片，该芯片控制水平和垂直舵机转动。此后程序将控制系统不断通过反馈电路不断调整舵机转动的状态，直到太阳板与太阳光线垂直。当判断的结果不符合开始光电跟踪的条件，系统将进入低功耗状态，直到光强满足条件唤醒系统。
（2）系统程序通过串口将程序下载到单片机中，对系统硬件上电，经过硬件初始化后，系统便可以正常自动工作。在系统正常工作后，当光敏电阻桥式光电检测器采集到太阳光强度达到系统设置阈值后，系统将正常工作。否则，系统将进入低功耗状态，直到光照强度满足条件，系统将再次被唤醒继续工作。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。