畢業(yè)設(shè)計(jì)----太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第1章 緒 論1.1太陽能利用的前景當(dāng)今，煤，石油，天然氣等常規(guī)礦產(chǎn)能源，儲(chǔ)量越來越少，世界各大經(jīng)濟(jì)體都面臨能源危機(jī)。按照目前的開采和使用速度，己探明的礦產(chǎn)能源僅夠人類再利用幾十年，可以說，己經(jīng)是處在日益枯竭的形勢之下。為了能夠獲得更多的資源，在石油儲(chǔ)量豐富的地區(qū)，一直以來沖突不斷，而且有外部勢力的干預(yù)。為了得到能源，保證經(jīng)濟(jì)這架大車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不惜以戰(zhàn)爭為手段，以人民的生命為代價(jià)。中國，作為世界上最大的發(fā)展中國家，對(duì)石油的依賴程度很高。以2010年為例：海關(guān)總署公布的數(shù)據(jù)顯示，2010年全年我國進(jìn)口原油2.39億噸，去年全年原油產(chǎn)量2億噸，對(duì)外依存度逼近55%。我國已經(jīng)進(jìn)入能源預(yù)警階段。根據(jù)

2、國家能源局的報(bào)告，到2010年中國已成為世界第一大能源消費(fèi)國。其中,電力消費(fèi)從2005年的2.5億千瓦時(shí)增加到2010年的4.2億千瓦時(shí)，年均增長11.1%；煤炭消費(fèi)量從2005年的23.18億噸增加到2010年的32億噸,年均增長6.8%；石油消費(fèi)從3.25億噸增加到4.28億噸，年均增長5.7%；天然氣消費(fèi)從468億立方米增加到1090億立方米，年均增長18.5%；非石化能源消費(fèi)從1.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增加到2.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增長10.1%。“十二五”期間我困能源消費(fèi)總量將增加8億至1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增長4.8%至5.5%，到2015年能源消費(fèi)總量達(dá)41億至42.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從以上的數(shù)據(jù)，

3、很容易看出，完全依靠煤炭!石油等常規(guī)能源，是無法滿足未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于能源需求的1。另外一個(gè)方面，礦產(chǎn)能源在使用中產(chǎn)生的二氧化碳會(huì)造成溫室效應(yīng)；其它的廢渣廢氣對(duì)環(huán)境造成了無法挽回的損失。即使是這些能源本身泄漏都會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，如石油管道損壞造成的石油泄漏?；谝陨蟽蓚€(gè)方而的原因，人類正在尋找更適合的能源。希望能夠逐步取代常規(guī)的礦產(chǎn)能源。在填補(bǔ)現(xiàn)有能源不足的同時(shí)，也為保護(hù)環(huán)境做積極的改善。目前所開發(fā)和利用的新能源主要有核能、風(fēng)能、太陽能、潮汐能等。其中，風(fēng)能、太陽能、潮汐能都是利用自然界原本的能力，主要是一個(gè)轉(zhuǎn)換利用的過程。而核能的利用則是一把雙刃劍，在高效的同時(shí)，人類也為它的使用付出了沉重

4、的代價(jià)，切爾諾貝利核電站爆炸，日本福島電站泄漏，這些情景都依然清晰。太陽能是分布最廣，也是最容易獲取的“清潔”能源。人類很早就開始利用太陽能。隨著溫室氣體排放以及能源枯竭等問題越來越嚴(yán)重，世界上越來越多的國家和地區(qū)開始重視太陽能的開發(fā)利用。相比其他新能源而言，太陽能具有安全、使用方便、范圍廣等特點(diǎn)2。其儲(chǔ)量巨大，可以廣泛地利用。每年到達(dá)地球的太陽能可達(dá)1.73Kw，其中到達(dá)地球表面的約為8.1Kw。人類可以轉(zhuǎn)化和利用的部分約為1.7Kw。按照目前人類消耗能量的速度，每年的獲取量都可以供人類使用幾千年。對(duì)于人類而言，太陽就是一個(gè)取之不盡，用之不竭的能源基地，只要太陽東升西落不變，人類就可以一直獲

5、得充足的能源。即或是只利用照射到陸地部分的太陽能，也足夠人類的使用了。隨著技術(shù)的發(fā)展，突破技術(shù)瓶頸后，太陽能轉(zhuǎn)換效率上提高，能夠?qū)⒋蟛糠帜芰哭D(zhuǎn)換，再增大開發(fā)利用的規(guī)模，就可以更加廣泛的利用太陽能了。太陽能的利用方式有很多種，目前太陽能的利用形式主要有光熱利用，光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換利用和光能化學(xué)轉(zhuǎn)換利用三種形式。太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要方式,發(fā)展應(yīng)用前景非常廣闊。太陽能的總能量非常大，但是平均密度不高，需要很大的面積才能獲得較大的能量。太陽能利用的核心問題就在于兩個(gè)方面：一是光伏電池的轉(zhuǎn)換效率問題，即在接收太陽能時(shí)能將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的比例；二是太陽能板如何對(duì)準(zhǔn)太陽，因?yàn)樘柵c地球平面是相對(duì)運(yùn)

6、動(dòng)的，且是在兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，如何高效的跟蹤上太陽就成為了一個(gè)問題。目前，在太陽能開發(fā)利用領(lǐng)域中，如何提高太陽能輻射的接收效率，依然是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而提高接收效率的重要途徑之一就是進(jìn)行太陽的自動(dòng)跟蹤。當(dāng)然，此方法是在光伏電池轉(zhuǎn)換效率一定的基礎(chǔ)上做的改善工作。太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)就是利用太陽與地球相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來進(jìn)行定位跟蹤的系統(tǒng)。太陽的視位置，在天空中的運(yùn)動(dòng)是可以測算的，每天東升西落，具體時(shí)刻對(duì)應(yīng)的太陽的位置，是可以提前計(jì)算得到的。系統(tǒng)根據(jù)這種已知的位置，即可以通過調(diào)整系統(tǒng)自身的位置，使太陽能接收板始終對(duì)準(zhǔn)太陽。太陽入射光線垂直地照射到太陽能電池接收板上時(shí)，太陽能的接收效率最高，所獲得

7、的能量也就最高。再將輻射能通過光伏設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能，集中起來方便人們的使用。1.2太陽能跟蹤控制器的發(fā)展?fàn)顩r當(dāng)前，各種類型的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)，可以分為兩類：機(jī)械跟蹤系統(tǒng)和電控跟蹤系統(tǒng)。機(jī)械跟蹤系統(tǒng)一般為壓差式。電控跟蹤系統(tǒng)可分為光電傳感式跟蹤控制系統(tǒng)和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)3。下面分別對(duì)這些系統(tǒng)作簡要的介紹4：(1)壓差式跟蹤系統(tǒng)的基本工作原理是:跟蹤系統(tǒng)沒有對(duì)準(zhǔn)太陽,即太陽能光線沒有垂直照射到系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部密閉容器兩側(cè)受光而積不同，介質(zhì)會(huì)因光照的不同發(fā)生相應(yīng)的物理變化，產(chǎn)生不同的壓力，從而在兩側(cè)形成壓力差。在這種壓力差的作用下，使跟蹤控制系統(tǒng)做相應(yīng)方向的運(yùn)動(dòng)，重新調(diào)整，直到兩側(cè)的壓力相同。此

8、時(shí)，容器兩側(cè)受光相同，系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)到太陽。根據(jù)密閉容器里存儲(chǔ)的介質(zhì)，可以將壓差式太陽能跟蹤系統(tǒng)分為液壓差式、氣壓差式、重力差式等。這類跟蹤控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，不用電子控制部分和外部電源，為純機(jī)械控制系統(tǒng)。但該系統(tǒng)有局限性，一般只能用于單軸跟蹤系統(tǒng)，跟蹤精度很低。因此，此系統(tǒng)僅適用于一般用戶的低需求時(shí)采用。(2)光電傳感式太陽能跟蹤控制光電傳感式太陽跟蹤控制系統(tǒng)采用光敏硅光電管、硅光電池等元件。目前國內(nèi)較常用的光電跟蹤系統(tǒng)有電動(dòng)式、重力式、電磁式。這些光電跟蹤控制系統(tǒng)都采用光敏元件作為傳感器。在這類跟蹤控制系統(tǒng)中，傳感器一般安裝在采光板上或固定的位置，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整采光板的位置使采

9、光板正對(duì)太陽。當(dāng)太陽向西移動(dòng)時(shí)，采光板的跟著偏移，光電傳感器因受到陽光照射會(huì)輸出一定值的電壓或電流，作為輸入信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整太陽能采光板的角度使跟蹤系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)太陽。光電傳感器式跟蹤具有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，但容易受天氣的影響，若出現(xiàn)陰天或云遮住太陽的情況，太陽光線經(jīng)過散射，就會(huì)導(dǎo)致跟蹤控制系統(tǒng)無法對(duì)準(zhǔn)太陽實(shí)際的位置，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，使跟蹤失敗。(3)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的軸數(shù)，分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種：單軸跟蹤方式一般分為三種方式：傾斜布置東西跟蹤；焦線南北水平布置，東西跟蹤；焦線東西水平布置，南北跟蹤。以上三

10、種跟蹤方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向跟蹤或東西向跟蹤，工作原理相同。跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸(或焦線)東西向布置，由預(yù)先計(jì)算好的太陽赤緯角的變化，即跟蹤角度，使太陽能采集板繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。采用此種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)熱流最大；而在早上或下午太陽光線都是斜射。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，由于入射光線不能始終與太陽能接收板垂直，太陽能的利用率相對(duì)較低。綜上，在以上各種跟蹤控制系統(tǒng)中，純機(jī)械式的跟蹤控制器精度較低，但是跟蹤太陽的目的在于提高太陽能的利用率，如果精度低，跟蹤利用率就比較低，要提高利用率就要在添加其它設(shè)備，額外提高了成本。光電傳感式太陽跟蹤控制系統(tǒng)的精度

11、較高，但如上所述還存在不少問題。如果要提高太陽能的利用效率，需要進(jìn)一步的研究和探討，開發(fā)出真正高精、實(shí)用、廉價(jià)的太陽能自動(dòng)跟蹤器， 本文將對(duì)此做進(jìn)一步研究。1.3研究的目的和意義綜上可知，太陽能作為一種新型的綠色能源，有著廣泛的發(fā)展前景。但是由于太陽能本身的缺點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)太陽能的利用率普遍較低，并且現(xiàn)有跟蹤控制器也有著各種缺點(diǎn)。為了盡可能的提高太陽光能的利用效率，改進(jìn)現(xiàn)有太陽能跟蹤控制的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的一種高精度太陽能跟控制系統(tǒng)。這種跟蹤控制系統(tǒng)采用軟件控制和傳感器控制相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過硬件控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高精度的太陽跟蹤。第2章 太陽跟蹤裝置的設(shè)計(jì)及方案為了提高太陽能的利用

12、率，本文提出了一種基于單片機(jī)的固定軌跡粗略跟蹤與光電傳感器精確跟蹤的雙模式太陽能跟蹤控制器。其中，固定軌跡跟蹤方式是使跟蹤裝置的控制器根據(jù)相關(guān)的公式和參數(shù)計(jì)算出白天太陽的位置（視日運(yùn)動(dòng)），再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤太陽。光電傳感器精確跟蹤控制是由5個(gè)普通的光敏二極管來實(shí)現(xiàn)，精確地跟蹤太陽光信號(hào)的最強(qiáng)點(diǎn)，使太陽光垂直照射電池板，提高太陽光能的利用率。2.1太陽跟蹤器工作原理太陽的光照強(qiáng)度是隨著天氣變化而實(shí)時(shí)變化的，當(dāng)光照強(qiáng)度較好時(shí)，光電傳感器對(duì)光線比較敏感，此時(shí)選用自動(dòng)追蹤模式(即光電跟蹤)；當(dāng)天氣不好、光照強(qiáng)度比較弱時(shí)，漫反射的加重對(duì)光電傳感器產(chǎn)生很大的干擾，這種情況下選

13、用固定跟蹤模式。圖2.1所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用雙軸跟蹤，利用高度角方位角式跟蹤，采集來的信號(hào)通過特定的電路進(jìn)行處理后，輸入單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部程序的處理得到太陽位置偏差角度，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的精確跟蹤。圖2.1太陽能跟蹤系統(tǒng)基本框圖2.2太陽能跟蹤器各模塊設(shè)計(jì)2.2.1固定軌跡跟蹤模塊雖然太陽位置是實(shí)時(shí)變化的，但是它的運(yùn)行規(guī)律還是可循的。軟件算法主要根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律計(jì)算其實(shí)時(shí)方位角和高度角，以及太陽能跟蹤控制器的水平角和仰角。利用時(shí)鐘芯片和單片機(jī)控制單元按照太陽運(yùn)行遵循的公式計(jì)算得到太陽的實(shí)時(shí)位置，通過指令使電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽跟蹤裝置，實(shí)現(xiàn)太陽實(shí)時(shí)跟蹤5。（1）Cooper方程太

14、陽光線與地球赤道面的交角就是太陽的赤緯角，以占表示。在一年中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過士2327的范圍。夏天最大變化到夏至日的+2327；冬季最小變化到冬至日的-2327。太陽赤緯隨季節(jié)變化，按照Cooper方程， (2-1)式中，n為一年中的天數(shù)，如:在春分，n=81，則=0，自春分日起的第d天的太陽赤緯為: (2-2)（2）太陽角的計(jì)算如圖2.2所示，指向太陽的向量與天頂Z的夾角定義為天頂角，用表示；向量與地平面的夾角定義為太陽高度角，用h表示；圖2.2 太陽角的定義在地面上的投影線與南北方向線之間的夾角為太陽方位角，用表示。太陽的時(shí)角用表示，它定義為:在正午時(shí)=0，每隔一個(gè)小時(shí)增加

15、15，上午為正，下午為負(fù)。1）太陽高度角計(jì)算太陽高度角的表達(dá)式為 （2-3）式中，為地理緯度；為太陽赤緯；為太陽時(shí)角。正午時(shí) ，(2-3)式可以簡化為：因?yàn)?，所?（2-4）正午時(shí)，若太陽在天頂以南，即，取 從而有 （2-5）在南北回歸線內(nèi)，有時(shí)正午時(shí)太陽正對(duì)天頂，則有，從而h=90。2）太陽方位角太陽方位角按下式計(jì)算， (2-6)也可用下式計(jì)算， (2-7)根據(jù)地里緯度，太陽赤緯以及觀測時(shí)間，利用式(2-6)或者式(2-7)中的任意一個(gè)可以求出任何地區(qū)，任何季節(jié)某一時(shí)刻的太陽方位角。3）日照時(shí)間太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角h=0。若不考慮地表曲率及大氣折射的影響，可得出日出日沒時(shí)角表

16、達(dá)式 (2-8)式中-日出或日沒時(shí)角，以度表示，正為日沒時(shí)角;負(fù)為日出時(shí)角。對(duì)于北半球，當(dāng)，解式(2-8)，有 (2-9)求出時(shí)角后，日出日沒時(shí)間用求出。一天中可能的日照時(shí)間由下式給出 （2-10）利用太陽高度角和方位角的數(shù)學(xué)模型，就可以在固定緯度，固定時(shí)段計(jì)算出太陽在此條件下的方位。從而可以通過控制使光伏系統(tǒng)朝向太陽位置對(duì)其進(jìn)行有效跟蹤，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。2.2.2光電傳感器跟蹤模塊光電自動(dòng)跟蹤模式是使用光電傳感器作為探測元件，實(shí)時(shí)探測太陽位置并將信號(hào)送達(dá)核心處理芯片進(jìn)行處理以完成對(duì)太陽位置的探測和跟蹤。本文以5個(gè)光敏二極管為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)光電傳感器，來檢測陰晴天。當(dāng)太陽能電池板上的光電傳感器

17、即時(shí)感應(yīng)太陽光入射方向，將光信號(hào)變成電信號(hào)，在經(jīng)過運(yùn)放放大后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來改變太陽能板的朝向，以達(dá)到更充分接收太陽光的目的6。因?yàn)楣怆娮粉櫮Ｐ头N類較多，尤其是在光敏半導(dǎo)體的數(shù)量和尺寸上存在差異。當(dāng)然光敏半導(dǎo)體數(shù)量越多，效果越好，但是成本也越高，相應(yīng)的模型體積也就越大。本次設(shè)計(jì)綜合考慮多種因素后，設(shè)計(jì)如下模型，如圖2.3，2.4，2.5所示。圖2.3光敏二極管分布模型 圖2.4空心開孔圓柱罩模型圖2.5光電傳感器組合模型如上圖形，是由5個(gè)光敏二極管是按一定分布安裝在一個(gè)圓盤上面，并在圓盤外套上如圖2.4所示的中空的圓柱罩，用來篩選接收陽光，以更好的接收太陽光的照射以及避免無謂

18、的干擾。圓柱套頂上有一個(gè)透光孔，所以必須正確的選擇圓柱罩的高度，太高了會(huì)導(dǎo)致陽光射在內(nèi)壁上，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為是陰天甚至晚上，影響接收效率，或?qū)е孪到y(tǒng)切換太過頻繁而混亂，甚至死機(jī)；圓柱罩太低，幾個(gè)光敏二極管又會(huì)隨時(shí)接收到陽光，系統(tǒng)無從選擇，也容易造成混亂。這5個(gè)光敏二極管以D0為中心呈十字分布，每個(gè)光敏二極管和它周圍的二極管都保持一定間隙。間隙太大不但占用空間，而且使得接收范圍變得相對(duì)狹窄或者接收不到；太近了又容易出現(xiàn)接受混亂（即都接收或都接收不到，而且光反射折射都會(huì)有較大的影響）。下面對(duì)光電傳感器的空間尺寸進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)，如圖2.6所示。圖2.6入射光線示意圖首先確定圓柱罩上的開孔直徑:設(shè)定的是當(dāng)正

19、中央的D0被太陽垂直照射時(shí),電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。因此空心圓柱罩的開孔不能過大，過大會(huì)同時(shí)照射到其它二極管，造成系統(tǒng)混亂：當(dāng)然也不能過小，過小會(huì)導(dǎo)致入射光線不夠,而出現(xiàn)產(chǎn)生的電流不足以被單片機(jī)接收到的信號(hào)。為了檢測方便，把開孔的直徑R設(shè)定為光敏二極管的直徑，一般選為5mm，并和D0處于一個(gè)垂直面上，這樣在陽光垂直入射時(shí)，就會(huì)剛好全面照射到D0，確保了充足的感應(yīng)面積。計(jì)算各個(gè)光敏二極管之間的直線距離：因?yàn)殚_孔為5mm，所以D0與D1D4兩個(gè)二級(jí)管之間的距離不得小于5mm，否則在陽光斜射時(shí)很可能會(huì)同時(shí)照射到兩個(gè)二極管上，造成電位沖突，引起系統(tǒng)混亂；但如果兩個(gè)二極管距離過大，則有可能在一定的時(shí)間內(nèi)陽光照射不到

20、任意一個(gè)二極管時(shí),沒有感應(yīng)光電流產(chǎn)生,也會(huì)造成系統(tǒng)混亂。因此，最好的情形就是在陽光剛好完全離開一個(gè)二極管時(shí)，又照射到另一個(gè)二極管，這樣任何時(shí)候都會(huì)檢測到高低電位。然而由于夏天太陽的照射太過強(qiáng)烈,有可能會(huì)導(dǎo)致太陽光即時(shí)剛好處于2個(gè)二極管之間的空隙時(shí),因反射和折射等問題,導(dǎo)致相鄰的兩個(gè)二極管都產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而導(dǎo)致了系統(tǒng)的混亂,所以需要把二極管之間的距離增加到比二極管的直徑稍微再大上一點(diǎn)，取為6mm。如果D1D4剛好處于東南西北四個(gè)正方向,但是依然會(huì)可能出現(xiàn)陽光偏移時(shí),從東北、西北、東南、西南四個(gè)斜向經(jīng)過，那么很可能照射不到任何二極管，這一點(diǎn)因?yàn)橐肓颂柦嵌茸粉櫮K而得到了糾正，在介紹太陽角度追

21、蹤模塊時(shí)，可以得知，通過單片機(jī)的計(jì)算，控制電機(jī)使太陽能板上的東西方向基本上每天都是和太陽運(yùn)行軌跡在同一平面內(nèi)，比較徹底的解決了這個(gè)問題。計(jì)算圓柱的高度H：假設(shè)太陽入射角度不垂直,而是一個(gè)傾斜角，則可以根據(jù)來計(jì)算出圓柱罩合適的高度。因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)定的是假如檢測到D0是高電位，證明此事入射光與太陽板垂直，那么會(huì)待機(jī)15分鐘以后再次檢測。因?yàn)?5分鐘之內(nèi)的太陽移動(dòng)角度不大，但是如果圓柱罩過矮，就會(huì)造成15分鐘后，光線依然照在D0上，甚至由于角度不夠，陽光根本照射不到四周的光敏二極管上，但實(shí)際光線已經(jīng)不與太陽能板垂直了，這樣造成接收效率降低；相反，如果圓柱罩過高，入射光線角度只要稍微偏離一點(diǎn)，就可能造成射

22、到圓柱罩的內(nèi)壁，系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生誤判而紊亂，此兩種情形如下圖所示.因此,最好的情況是在15分鐘內(nèi),陽光在圓柱罩內(nèi)圓盤上移動(dòng)的距離X不小于0.5個(gè)光敏二極管的直徑2.5mm，但是也不超過1.5倍光敏二極管直徑加6mm的間隙13.5mm?？梢缘贸鲆韵鹿剑海?.5x13.5） （2-1）因此： （2-2）又因?yàn)?5分鐘太陽移動(dòng)的角度幾乎為一個(gè)定值，即：太陽白天12小時(shí)移動(dòng)，即1小時(shí)移動(dòng)，所以15分鐘接近移動(dòng)，因?yàn)?.07，因此可計(jì)算出：36mmH193mm。綜合考慮到圓柱罩不宜過高，且盡量避免在每15分鐘時(shí)恰好出現(xiàn)光線移動(dòng)到兩個(gè)二極管質(zhì)之間的間隙中，因此取柱高為H=40mm。2.3機(jī)械部分的設(shè)計(jì)2.3

23、.1機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本追光系統(tǒng)采用雙軸跟蹤方法，即太陽能電池板通過繞數(shù)值軸和水平軸獨(dú)立動(dòng)作而改變系統(tǒng)的方向角和俯仰角。本雙軸自動(dòng)追光系統(tǒng)的機(jī)械部分由太陽能電池板（中間帶有光電傳感器）、T型支架、連桿、凸輪、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和2個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成。如圖2.7所示7。圖2.7 雙軸跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由步進(jìn)電機(jī)A帶動(dòng)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速后驅(qū)動(dòng)T型支架（上裝有豎直軸）實(shí)現(xiàn)水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即方向角的調(diào)整。由步進(jìn)電機(jī)B帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)使太陽能電池板繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角的調(diào)整。通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，從而使太陽能電池板與太陽光線垂直。 2.3.2渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用本部分的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)。該結(jié)構(gòu)可將運(yùn)

24、動(dòng)依靠兩個(gè)交錯(cuò)的軸承來傳遞（一般交錯(cuò)角為90度），蝸桿是主動(dòng)件，渦輪為從動(dòng)件。蝸桿傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1.傳動(dòng)比大：在動(dòng)力傳動(dòng)中，單級(jí)傳動(dòng)比一般為880，在分度機(jī)構(gòu)中或傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)比可達(dá)1000，因傳動(dòng)比大，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。2.工作平穩(wěn)噪聲?。簻u輪齒為連續(xù)不斷的螺旋形，在與渦輪嚙合過程中是連續(xù)的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)數(shù)又較多，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小。3.可以自鎖：當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)自鎖。蝸桿傳動(dòng)適用于傳動(dòng)比大、而傳動(dòng)效率不大且做間歇運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。這正適合本系統(tǒng)的傳動(dòng)要求。2.3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇本太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)要求能夠比較準(zhǔn)確的跟蹤太陽位置，因此要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠準(zhǔn)確的把電信

25、號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸上的角位移。于是本系統(tǒng)選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)8。步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的移量或者線位移量S與脈沖數(shù)k成正比；它的轉(zhuǎn)速n，或者線速度v與脈沖頻率f成正比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。因而可適用于開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速;能夠快速反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。它不需要變換可直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純

26、粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此作常適合于單片機(jī)控制。本文采用型號(hào)57BYGH84049的2相式混合步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)步距角為1.8，額定電流為3.0A，靜力矩為17Kg.cm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為440g.cm2。2.4系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想 在太陽能追蹤器設(shè)計(jì)完成的情況下，通過大量查閱資料以及了解一些具體實(shí)例，在上述基礎(chǔ)上，為了更好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的功能，采取下列措施：1 采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心。2 利用2.2.2所設(shè)計(jì)的光電傳感器進(jìn)行白天還是黑夜，晴天還是陰天的程序運(yùn)行。3 對(duì)光電檢測部分進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并連接單片機(jī)，以達(dá)到有效

27、地控制。4 可以使用LED顯示器，時(shí)鐘電路可以采用串行時(shí)鐘芯片DS1302.5 控制部分首先將單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)放大，然后發(fā)送給電動(dòng)機(jī)，電機(jī)獲得信號(hào)后執(zhí)行動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)追蹤功能。6 機(jī)械裝置采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，達(dá)到減速和改變運(yùn)動(dòng)方向的目的。系統(tǒng)框架圖如圖2.8所示。圖2.8太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)框圖2.5本章小結(jié) 本章主要闡述的內(nèi)容是太陽能追蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想和方案。為了實(shí)現(xiàn)本任務(wù)和目的，介紹了應(yīng)采取的措施，確定了光電跟蹤與固定軌跡跟蹤兩種跟蹤方式結(jié)合在一起使用的方案，并進(jìn)行了相關(guān)說明。在此基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了光電傳感器，并對(duì)整體機(jī)械模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與說明。第3章 硬件系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)3.1 AT89C51

28、單片機(jī)簡介本單元的主要功能是接收由光電檢測電路所發(fā)出的信號(hào)，據(jù)此信號(hào)來控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的追蹤。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)所選用的單片機(jī)為AT89C51型單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)因其強(qiáng)大的功能而被廣泛的使用，它的性能如下10：（1）4KB可改寫程序Flash存儲(chǔ)器（2）全靜態(tài)工作：0Hz24Hz（3）3級(jí)程序存儲(chǔ)器保密（4）1288字節(jié)內(nèi)部RAM（5）32條可編程I/O線（6）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（7）5個(gè)中斷源（8）可編程串行通道圖3.1是AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖，共有40個(gè)引腳，雙列直插封裝方式。 圖3.1 AT89C51芯片引腳圖AT89C

29、51的設(shè)計(jì)選用的是靜態(tài)邏輯，也就是說它的頻率可以到0，可以實(shí)現(xiàn)空閑模式和掉電模式。在空閑模式中，CPU停止工作，而RAM、定時(shí)/計(jì)時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作；在掉電模式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。3.2 光電檢測電路的設(shè)計(jì)3.2.1判斷陰晴天的電路設(shè)計(jì)因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)由兩種追蹤模式組成，即光電追蹤模式和太陽角度追蹤模式。當(dāng)太陽光比較弱的時(shí)候光電追蹤模式會(huì)表現(xiàn)的不靈敏，甚至使系統(tǒng)紊亂。而太陽固定軌跡追蹤模式是通過計(jì)算太陽高度角和太陽方位角來進(jìn)行追蹤的，太陽角度追蹤模式與太陽光強(qiáng)度沒關(guān)系。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是將光電追

30、蹤模式和太陽角度追蹤模式結(jié)合起來，當(dāng)陰天的時(shí)候，太陽光比較弱，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)由光電追蹤模式轉(zhuǎn)換到太陽角度追蹤模式。圖3.2是電路部分。圖3.2判斷陰晴天的電路此電路中使用一個(gè)光敏二極管來檢測太陽光的強(qiáng)弱，用一組運(yùn)放做比較電路，運(yùn)放的輸出端接到單片機(jī)引腳P0.4上。即是，晴天時(shí)，光電二極管受到的光照強(qiáng)度足以使其導(dǎo)通，運(yùn)放輸出高電位，這時(shí)P0.4檢測到高電位，程序繼續(xù)運(yùn)行，通過光電追蹤模式進(jìn)行追蹤11；當(dāng)太陽光的強(qiáng)度不足以使電路中的光敏二極管導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)過比較電路之后，運(yùn)放輸出低電平，這時(shí)單片機(jī)的引腳P0.4檢測到地電位，這時(shí)利用軟件來控制系統(tǒng)啟用太陽固定軌跡追蹤模式。這樣就可以無論陰天到晴天還是晴天到

31、陰天下的追蹤模式的切換。3.2.2 判斷晝夜的電路設(shè)計(jì)檢測白天還是黑夜，除了可以用時(shí)鐘芯片來設(shè)定跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間范圍，當(dāng)然也可以采用圖4-2類似的電路所不同的是二極管型號(hào)不同，電阻的大小不同，運(yùn)放輸出要接到中斷0上。即實(shí)現(xiàn)如下功能：白天時(shí)，運(yùn)放輸出高電位，中斷0檢測到高電位，系統(tǒng)沒有中斷請(qǐng)求，程序繼續(xù)運(yùn)行，開始檢測是陰天還是晴天；黑夜時(shí)，運(yùn)放輸出低電位，INT0檢測到低電位，外部中斷0是低電平有效地引腳，因此INT0=0時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，單片機(jī)接到中斷請(qǐng)求后，外部中斷0被激活，進(jìn)入外部中斷0處理程序，從而進(jìn)入等待狀態(tài)。檢測電路如下圖3.3所示。圖3.3判斷晝夜的檢測電路3.2.3光電

32、檢測電路的設(shè)計(jì)光電檢測電路主要是檢測太陽的高度角和方位角的變化，電路中采用了5個(gè)光敏二極管，排列如圖2-1所示。將整個(gè)光電檢測裝置（光電傳感器）安裝在太陽板上，光敏二極管的檢測面與太陽能板平行。電路圖如圖3.4所示。D0處在圓盤的中間位置,當(dāng)D0受到光照時(shí)(這時(shí)太陽能板正對(duì)太陽)，D0導(dǎo)通，4組運(yùn)放的同相輸入端連在一起同時(shí)檢測到高電位，這時(shí)分布在D0周圍的4個(gè)光敏二極管D1D4的正極分別接到了LM324芯片的4組運(yùn)算放大器AL1AL4的反相輸入端，D1D4截止，4組運(yùn)放的反相輸入端檢測到低電位。由運(yùn)算放大器的工作原理知，這時(shí)4組運(yùn)放的輸出端同時(shí)輸出高電位。也就是當(dāng)D0受到光照時(shí)，單片機(jī)AT89

33、C51的4個(gè)引腳P2.0P2.3圖3.光電檢測的電路設(shè)計(jì)同時(shí)檢測到高電位。因?yàn)殡娐分惺抢昧诉\(yùn)算放大器將D0和D1D4進(jìn)行比較，為了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，調(diào)節(jié)電路中的5個(gè)電阻值，使得當(dāng)處在中間位置的D0沒有受到光照時(shí)，同時(shí)保證D1D4中沒有受到光照的光敏二極管所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放輸出高電位，而受到光照的那個(gè)光敏二極管所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放輸出低電位。當(dāng)D1D4中的某一個(gè)受到光照時(shí),電路工作原理是一樣的。以D1為例：當(dāng)D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，正如上文所述，這時(shí)只有D1所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算放大器AL1輸出低電位，而與D0一樣沒有受到光照的D2、D3、D4所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算放大器AL2、AL3、AL4輸出高電位，這時(shí)對(duì)應(yīng)得AT89C51的引腳

34、P2.0檢測到低電位，而P2.1、P2.2、P2.3檢測到高電位。3.3單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路是用來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的，由上文所介紹的檢測電路檢測到光信號(hào)(即太陽光的朝向),經(jīng)過比較電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，單片機(jī)據(jù)此檢測到的電信號(hào)來命令控制電路的工作，以達(dá)到系統(tǒng)追蹤的目的。控制電路時(shí)通過兩級(jí)NPN管的導(dǎo)通而來控制繼電器的吸合或斷開，進(jìn)而控制電機(jī)的工作狀態(tài)，如圖3.5所示12。圖3.5單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)圖3.5是控制電路中的一組。當(dāng)光電二極管受到光照時(shí)，通過光電檢測電路之后，AT89C51單片機(jī)的P2.0引腳會(huì)檢測到低電位，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變，這時(shí)系統(tǒng)需要軟件將光電檢測部

35、分與控制部分聯(lián)系起來?？赏ㄟ^軟件設(shè)計(jì)程序，當(dāng)P2.0檢測到低電平時(shí)，將P1.4清零，這時(shí)控制電路中的第一個(gè)晶體管截止，而第二個(gè)晶體管導(dǎo)通，從而繼電器吸合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就達(dá)到了對(duì)電機(jī)的控制。上圖中所畫出的只是整個(gè)控制電路的一個(gè)分支，完整的控制電路由四組與上圖完全相同的電路組成，四個(gè)分支分別由AT89C51的四個(gè)引腳P1.4P1.7引出，四組電路接了四個(gè)繼電器，分別控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。3.4時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)本次選擇DALLAS公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時(shí)序控制，且具有寫保護(hù)位，抗干擾效果好，同時(shí)體積小，連線少，外圍只有一個(gè)32.768Hz晶振，使

36、用靈活。具有318RAM，可供保存有用數(shù)據(jù)。DS1302與單片機(jī)的通信僅需三根線即SCLK（串行時(shí)鐘線）、I/O（數(shù)據(jù)線）、RST（復(fù)位線）。數(shù)據(jù)可以按每次一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的形式傳送到時(shí)鐘RAM或從中送出。串行時(shí)鐘芯片為了初始化任何的數(shù)據(jù)傳送，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)至高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST提供有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的手段13。時(shí)鐘SCLK是上升沿后繼以下降沿的序列。數(shù)據(jù)輸入時(shí)，在時(shí)鐘的上升沿前必須有效，而數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘的下降沿之后輸出。如果RST輸出低電平，則I/O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，中止數(shù)

37、據(jù)傳送。上電時(shí)，Vcc2.5V，RST必須為邏輯0，當(dāng)RST由0至1狀態(tài)時(shí)，SCLK必須為邏輯0。DS1302主要引腳有：X1，X2連接32.768kHz晶振。GND：電源地。RST：復(fù)位， 對(duì)芯片操作。I/O：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。SCLK：串行時(shí)鐘輸入。VCC1，VCC2：主電源與后備電源。如圖3.6所示。圖3.6時(shí)鐘電路3.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的控制器的步進(jìn)電機(jī)采用SJ-220MA驅(qū)動(dòng)器14。該驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)二相混合式步進(jìn)電機(jī)57BYGH8404。SJ-220MA驅(qū)動(dòng)器采用原裝進(jìn)口模塊，實(shí)現(xiàn)高頻斬波恒流驅(qū)動(dòng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性、起動(dòng)頻率高、高頻性能好、內(nèi)部信號(hào)與控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電隔

38、離、電流可調(diào)、整半步可自由設(shè)定、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、運(yùn)行平穩(wěn)、帶動(dòng)4A以下所有的42BYG、57BYG、86BYG系列步進(jìn)電機(jī)。其電路連接如圖3.7所示。圖3.7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路SJ-220MA步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線區(qū)可分為三個(gè)部分：控制信號(hào)端，電源端，步進(jìn)電機(jī)接線端?？刂菩盘?hào)端：驅(qū)動(dòng)器通過脈沖信號(hào)(CP)接線端口接收脈沖信號(hào)，按接收到脈沖信號(hào)數(shù)量來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；驅(qū)動(dòng)器通過方向信號(hào)端(DIR)接收方向信號(hào)，發(fā)送相應(yīng)的指令使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；控制信號(hào)的公共端(COM)； 脫機(jī)電平輸入端(RST)：此端子加低電平，電機(jī)處于自由狀態(tài)。3.6本章小結(jié) 本章主要闡述的內(nèi)容是整個(gè)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)

39、，包括器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)。電路主要包括光電檢測電路、單片機(jī)控制電路、時(shí)鐘電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路。在介紹每部分電路的同時(shí)，對(duì)在此部分電路中所選取的芯片也作了介紹，重點(diǎn)介紹對(duì)象是每部分電路的連接方法、電路原理以及電路在系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的功能。第4章 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)整個(gè)程序設(shè)計(jì)包括光電檢測跟蹤模式、太陽固定軌跡跟蹤模式、時(shí)鐘部分、顯示部分。即開機(jī)之后，上電復(fù)位，系統(tǒng)進(jìn)入啟用中斷處理程序，進(jìn)入等待模式；若是白天，系統(tǒng)會(huì)通過光敏二極管來判斷是晴天還是陰天，晴天時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入光電追蹤模式，陰雨天時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入太陽固定軌跡跟蹤模式15。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖4.1所示。圖4.1

40、系統(tǒng)流程圖 其中檢測白天還是黑夜時(shí)通過中斷0來判斷的，只要INT0檢測到低電位，系統(tǒng)就進(jìn)入中斷服務(wù)程序，即等待狀態(tài)。而檢測晴天還是陰天是通過I/O口查詢來實(shí)現(xiàn)的，盡管I/O口查詢方式需要不斷的偵測I/O的電平變化，比較耗費(fèi)單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間資源，但是由于太陽固定軌跡跟蹤模式的程序比較繁瑣，計(jì)算量比較大，因此這部分不適合使用中斷。在光電跟蹤模式下：系統(tǒng)首先檢測位于圓盤中央的光敏二極管D0是否受到了光照，系統(tǒng)是通過檢測D0對(duì)應(yīng)的單片機(jī)的引腳的高低電位來判斷的。如果系統(tǒng)檢測到D0受到了光照，這時(shí)軟件控制系統(tǒng)延時(shí)15分鐘。如果系統(tǒng)檢測到D0沒有受到光照，之后系統(tǒng)對(duì)分布在D0周圍的4個(gè)光敏二極管D1D4分

41、別檢測，如果檢測到哪個(gè)光敏二極管所對(duì)應(yīng)的單片機(jī)引腳是低電位，這就說明這個(gè)光敏二極管受到了光照，這時(shí)系統(tǒng)命令此光敏二極管所對(duì)應(yīng)的電機(jī)超規(guī)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到D0受到光照為止，這樣就完成了追蹤太陽的目的。在太陽固定軌跡追蹤模式下：當(dāng)陰天時(shí)，光電追蹤模式不能準(zhǔn)確地追蹤，因此啟用太陽固定軌跡追蹤模式進(jìn)行追蹤。此模式只與時(shí)間和地點(diǎn)有關(guān)，而不受太陽光強(qiáng)弱的影響，正好彌補(bǔ)了光電追蹤模式陰天不能正常追蹤的缺陷。時(shí)鐘部分：系統(tǒng)選用的是串行時(shí)鐘芯片DS1302,在太陽固定軌跡追蹤模式下,系統(tǒng)需要讀取DS1302內(nèi)的時(shí)間來計(jì)算太陽高度角和方位角。系統(tǒng)中用到了中斷服務(wù)程序，黑夜?fàn)顟B(tài)下INT0檢測到低電位，系統(tǒng)進(jìn)入中斷處

42、理程序，命令兩個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，程序設(shè)計(jì)如下：Void initial（） /初始化EA=1； /CPU所以中斷開EX0=1； /IT0中斷開IT0=0； /IT0低電平觸發(fā)EX=1； /INT1中斷開IT1=0； /IT1低電平觸發(fā)Return；void int-0（）interrupt 0 using 0 FINT0=1；If（FINT0=0） /中斷0 FINT0=0；P1=0xff； /所有電機(jī)停轉(zhuǎn)4.2光電追蹤器模塊的設(shè)計(jì)系統(tǒng)啟動(dòng)之后進(jìn)行判斷啟用何種模式，晴天時(shí)進(jìn)入光電檢測追蹤模式，遇到陰天時(shí)進(jìn)入太陽固定軌跡追蹤模式。光電檢測追蹤模式的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)太陽固定軌跡追蹤模式來說要簡單的多，它

43、不存在讀取DS1302時(shí)間，計(jì)算太陽角度問題，它是通過判斷指定的單片機(jī)引腳電位的高低來確定太陽的朝向，之后單片機(jī)控制電機(jī)朝太陽光的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)動(dòng)到位于圓盤中央的D0光敏二極管受到光照為止。因此這部分的設(shè)計(jì)也不存在每次調(diào)整時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算，因?yàn)檫@個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間是隨機(jī)的，它因太陽光線與太陽板之間的角度的大小而不同。這部分的程序設(shè)計(jì)只需要根據(jù)單片機(jī)檢測4個(gè)光敏二極管所對(duì)應(yīng)的單片機(jī)的4個(gè)引腳的點(diǎn)位的高低，來判斷當(dāng)時(shí)太陽的朝向，并對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)出相應(yīng)的命令，程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2光電檢測追蹤模式流程圖4.3光電檢測追蹤模塊的設(shè)計(jì)以4.2節(jié)為子程序進(jìn)一步設(shè)計(jì)光電檢測模塊16。本文以SJ-22

44、0MA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)二相混合式步進(jìn)電機(jī)57BYGH8404運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)停止位置只取決于接收脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，在通常情況下，負(fù)載大小對(duì)其沒有影響。步進(jìn)電機(jī)每收到一個(gè)脈沖信號(hào)，則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，因?yàn)榫哂羞@種線性關(guān)系，且步進(jìn)電機(jī)只有周期誤差，沒有累積誤差， 步進(jìn)電機(jī)在速度位置等控制領(lǐng)域應(yīng)用變得簡單，具有瞬間啟動(dòng)和急停等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)如圖4.3所示。圖4.3光電檢測追蹤模式流程圖4.4太陽固定軌跡追蹤模式的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)中，是通過查詢單片機(jī)引腳P0.4電位高低來判斷陰雨天氣的。設(shè)定P0.4在低電位，啟動(dòng)太陽固定軌跡追蹤模式程序。原理：首先進(jìn)入太陽固定軌跡追蹤模式，從時(shí)鐘芯片那里獲取當(dāng)前時(shí)間，再

45、結(jié)合預(yù)設(shè)的模型里的公式，計(jì)算出太陽能板當(dāng)時(shí)在太陽高度角及方位角方向分別偏移水平方向的高度，延時(shí)15分鐘后，利用相同方法計(jì)算延時(shí)后所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)方向上的偏移高度，計(jì)算兩次調(diào)整之間的角度差，就可以利用這個(gè)高度差計(jì)算出需要電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度了17。該追蹤程序流程圖如圖4.4所示。圖4.4太陽固定軌跡追蹤模式流程圖4.5本章小節(jié) 本章的主要內(nèi)容是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，以理論為主。分別闡述了系統(tǒng)下列程序部分：系統(tǒng)主程序模塊、光電追蹤器模塊、光電檢測追蹤模塊、固定軌跡跟蹤模式，并在每個(gè)模塊的介紹中都以框圖形式說明了各個(gè)程序模塊的工作原理。第5章 結(jié) 論本文所有設(shè)計(jì)就此告一段落。主要內(nèi)容是對(duì)太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研

46、究，在學(xué)習(xí)研究前任的能科研成果基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的開發(fā)。首先，對(duì)世界范圍內(nèi)的能源問題以及各國對(duì)太陽能發(fā)展利用的現(xiàn)狀，進(jìn)一步了解國內(nèi)外目前的太陽能追蹤方式之后，選擇了以單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)，將太陽能固定軌跡跟蹤模式和光電檢測跟蹤模式相結(jié)合，相互彌補(bǔ)了這兩種追蹤模式單獨(dú)使用時(shí)的不足，提高了系統(tǒng)的追蹤精度，完善了系統(tǒng)。單片機(jī)選擇的是ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)，這樣可以打打簡化電路。選擇了光敏二極管作為光電傳感器，并采用5個(gè)光敏二極管設(shè)計(jì)光電傳感器空間模型，通過組成的比較電路來判斷太陽的方向，以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)來調(diào)節(jié)太陽能板的方向，提高接收效率。機(jī)械部分采用的是水平方向和垂直方向的雙向跟蹤設(shè)計(jì)，是

47、對(duì)太陽高度角和方位角的雙向跟蹤調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)能自動(dòng)的檢測判斷晝夜以及陰晴天。當(dāng)檢測到黑夜時(shí)會(huì)啟用中斷服務(wù)程序，進(jìn)入等待狀態(tài)；檢測到晴天時(shí)會(huì)啟用光電檢測追蹤模式進(jìn)行追蹤；檢測到晴天就會(huì)進(jìn)入太陽角度追蹤模式。本系統(tǒng)即使在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，也能正常的運(yùn)行，提高了追蹤的精度。此系統(tǒng)也可以直接從電池板上獲得電能，無需另外輸入電能，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，當(dāng)然這塊還需要進(jìn)一步研究。參 考 文 獻(xiàn)1胡賽純.太陽能利用現(xiàn)狀與趨勢J.湖南城建高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2003,1.2中國太陽能利用研究取得新發(fā)展.發(fā)明與創(chuàng)新J.2004，（01）.3高峰，孫成權(quán).太陽能開發(fā)利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.世界科技研究與發(fā)展.

48、2001.3539.4高巍.太陽能電池自動(dòng)跟蹤隨動(dòng)系統(tǒng)的研制J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).2007（28）.5任偉，宋濤.雙軸光伏電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研制J.傳感器世界.2010,16（5）.6周天沛.全自動(dòng)光伏發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)J.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用.2011（1）.7陳隆昌，閻治安，劉新正.控制電機(jī)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.5.8郭文川，周超超.基于ARM920T的太陽能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（1）.9房玉明.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)J.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006,33（4）：6165.10張毅剛，彭喜源.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版

49、社，2007.7.11畢滿清.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.6.12向平，程建民.基于ARM的太陽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)測量與控制，2009,17（6）：11021105.13陳維.太陽能利用中的跟著控制方式的研究J.新能源及工藝.2003,3：1823.14萬里瑞.太陽能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)C.機(jī)械工程與自動(dòng)化.2008，3：156159.15王小鑫等.高精度太陽能控制器J.電光與控制.2012，19（12）：8387.16趙麗偉.太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的研究D.吉林長春：吉林大學(xué)，2007.17趙建釗，馬健.智能型太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.電網(wǎng)技術(shù)，2008,32（2

50、4）：9397.致 謝 本課題是在王健安老師的精心指導(dǎo)下完成的。在此，我首先要向王健安老師表示崇高的敬意和深深的感謝。在學(xué)習(xí)和論文研究期間，王老師給予了莫大的幫助和付出很大的心血。而且王老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、兢兢業(yè)業(yè)的敬業(yè)精神、孜孜以求的工作作風(fēng)，都對(duì)我產(chǎn)生了重要的影響，給予我深深地啟迪。同時(shí)我還要感謝太原科技大學(xué)的研究生楊國韜學(xué)長，他在我的論文寫作期間給予我莫大的幫助和指導(dǎo)，在此一并表示衷心的感謝!附 錄 設(shè)計(jì)程序的主要程序ORG 000HLJMP MAIN MAIN: DT EQU B DATA EQU 0 ADDR EQU 1READTIME1:MOV A,#2 MOV ADDR,A MOV A,#30H MOV DATA,A MOV