基于二自由度云台控制的太阳能跟踪控制系统
摘要：太阳能跟踪控制是太阳能电池系统重要研究内容之一。目前已报道的多
以一自由度控制居多，本作品提供一种基于二自由度云台的太阳能跟踪控制方案。
系统采用的是太阳光位置传感器输出位置数据，由 STC12C5A60S2 单片机，经过
PID 算法处理后生成两路 PWM 波，在二自由度的云台舵机上完成控制，从而实现
将太阳能电池板实时正对着太阳，已达到太阳光的最大利用率。
关键词：太阳能跟踪；二自由度云台；PID 算法；实时控制
太阳能是人类所需要能量之根本，其能量巨大，取之不尽、用之不绝，远远
超过了地球上的所有能源储藏，再加上现今石油等不可再生能源的日益缺乏，在
不远的时间内将会使用殆尽。太阳能利用研究中，利用效率是关键问题之一，本
研究正是聚集如此做出一些探索。
1 系统的总体设计
该系统以主要由 STC12C5A60S2 单片机，四个光敏电阻制作的太阳光位置传感
器，电压信号放大器，LCD12864 显示屏，二自由度云台和太阳能电池板几个部分
组成。系统原理结构图 1 所示。
2 硬件设计
(1) 太阳能位置传感器由四个光敏电阻制作而成，制作原理是四个光敏电阻嵌
入光滑平板上，然后在每个光敏电阻的内侧放置一个黑色的小挡板。太阳能位置
传感器如图 2 所示。
采集位置传感器原理：当太阳光位于该传感器的右侧时，由于挡光板的存在
所以②号光敏接收的光强大于①号，于是①②两个光敏电阻经过电压信号放大
就产生了一个较大位置偏差量。当太阳光慢慢的从右边往左边移动的过程中②号
接收的光强在减小，①号接收的光强在增大 当太阳光移动到①②之间后即所产
生的位置偏差为零。当太阳光从中间慢慢往左移动的时候①②两个光敏电阻就
产生了一个负的慢慢变大的位置偏差量，于是对于③④两个光敏电阻产生的结
果是一样的。
(2)二自由度云台由上下两个舵机组成，在本系统中，下面的舵机用来控制太
阳能电池板左右 0°~180°方向转动，上面舵机用来控制太阳能电池板上下 0°~90°方
向转动。用此方法可以确定太阳能电池板在 1/4 球面上的任意点位置方向。
3 软件设计
该系统开机后首先对 PWM 模块初始化，ADC 采集初始化，LCD12864 初始化，
PID 算法初始化，然后，四路 ADC 开始采集四个光敏电阻传感器的数据，然后计
算 error1=AD2-AD1；error2=AD4-AD3；将 error1 和 error2 进行 PID 计算，这里我
们利用了经典的方向控中的 PD 控制设置 KP1=15，KD1=10，KP2=15，KD2=10，计
算出来的输出值能够均匀的在 333~1661 之间，再由 PWM 波输出加在舵机上，从
而达到实时精确的跟随效果。系统具体流程图如图 3 所示。
图 3 系统总程序流程图
由此得出的舵机打角是实时的跟随太阳光的位置而变化的，在实践过程中我
们发现不同的太阳光强会有一些不同的效果，比如在夏季太阳光十分强，太阳能
电池板的打角会非常迅速非常灵敏，而在冬天太阳光不那么强所以打角会变得不
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