光伏組件的最佳傾角跟蹤系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、iii遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）光伏組件的最佳傾角跟蹤系統(tǒng)設計摘 要能源，也就是能量資源。為人類生產(chǎn)生活提供能量，來給人們的生產(chǎn)生活帶來幫助。隨著人們生活水平的提高，人們對各種能源的需要也越來越高。能源對社會的發(fā)展和進步也起著重要的作用。石油、煤炭、天然氣是當今社會發(fā)展的三大主流能源。隨著人口的增加和社會的發(fā)展，能源正在被不斷消耗，能源問題已經(jīng)成為人類需要解決的重要問題之一。因此開發(fā)新能源已經(jīng)刻不容緩。越來越多研究正在把目光投向能量巨大的太陽能，并在對太陽能的利用率上不斷進行研究，以求擴大太陽能的應用范圍。雖然我國研究人員正在不斷研究開發(fā)但相對于國外來說仍然有一定的差距，并且在太陽能的

2、開發(fā)以及應用的范圍等方面還相對不夠廣闊。本篇文章主要是對太陽能進行研究發(fā)現(xiàn)，介紹了太陽能在人類生活中有著良好的應用前景。為了能夠增強對太陽能的使用率，本文通過制造了一個跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)目的，其中光伏組件可以自動跟蹤太陽的方向就是主要的原理。本設計過程分為四步，分別為設計的原理、編程、pcb圖和試驗分析。本論文也重點介紹了整個系統(tǒng)的設計原理和思路。本設計使用了四個光敏電阻對太陽光線的照射強度進行感應，在不同光照強度下，比較器的正輸入的電壓不同，根據(jù)比較后電壓的正負值的不同，傳輸給單片機的信號也不同。單片機根據(jù)輸入信號控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，一直達到所要求的范圍為止。關鍵詞：新能源；光伏組件；步進電機；

3、自動跟蹤the optimum tilt angle of pv modules tracking systemabstractenergy, also known as energy resources or energy resources, material resources for a variety of capacity and power for the production of human life. in a sense, the development of human society can not be separated from energy supply an

4、d use of advanced energy technologies. in todays world, the main energy supply is still mainly oil, coal and natural gas. with the continuous increase in the earths population, this type of energy being constant drain on the energy issue has become one of the human need to address an important focus

5、. the new energy will be the main future human use. more and more people are looking to the huge solar energy, and ongoing research on the utilization of solar energy in order to expand the scope of application of solar energy.over the past few years, chinas domestic development and utilization of t

6、his one in the solar in the constantly accelerating, chinas utilization of solar energy technology is still relatively backward compared to the foreign, and the scope of application of solar energy is also relatively narrow.this design covers the basic process principles, programming, pcb map, and t

7、he final test analysis. in this paper the working principle of the detailed overall analysis, describes the overall system design ideas. this design uses four photosensitive resistance induction under different light intensities, the comparator positive input voltage irradiation intensity of the sun

8、s rays, according to the comparison of positive and negative values of the different voltage, the transmitted signal to the microcontroller, . scm thus be calculated according to the input signal. then control the rotation of the stepper motor. know to achieve the set range.key words：new energy; pv

9、modules; stepper motor; automatic trackingiv 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）目 錄1 緒論11.1 課題研究實現(xiàn)的目標11.2 國內(nèi)外針對光伏組件及太陽跟蹤的系統(tǒng)研究狀況21.3 論文主要內(nèi)容42 光伏發(fā)電工作原理62.1 光伏發(fā)電工作原理62.2 設計依據(jù)62.3 光伏組件最佳傾角設計循跡控制器的設計方案8 2.3.1 時鐘式陽光循跡9 2.3.2 光敏元件比較式循跡92.4系統(tǒng)方案確定93 系統(tǒng)的硬件設計113.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)113.2 感光元件的選取113.3 光電池123.4 光敏電阻的放置133.5比較放大模塊的選取143.6 單片機

10、153.7 單片機芯片的選擇163.8 振蕩電路元件選擇173.9復位電路的構(gòu)建183.10 顯示模塊的選取193.11 步進電機213.12 電動機的選取213.13 電機驅(qū)動模塊的選取224 軟件設計244.1 步進電機水平方向流程圖244.2 啟動a/d轉(zhuǎn)換244.3 1602顯示25結(jié)論28致 謝29參考文獻30第 30 頁 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）1 緒論人們的生活離不開能源，但是地球上的能源是有限的，為了能夠更好的生活，我們必須要尋找新的能源。新型環(huán)保的一類資源及能源會慢慢的變成以后人們在地球上使用的主要的能量資源?，F(xiàn)在正在有更多的科學技術人員在尋找自然能源被代替的辦法。

11、如風能、潮汐能、太陽能等。而太陽能之所以被人們更多的去注意并且研究，是因為其本身蘊含著巨大的能量資源?？墒翘柲苡钟幸恍┎蛔愕牡胤?，比如它的光能的密度并不高，同時還有不持續(xù)性，空間布局也千變?nèi)f化。因此而導致目前針對太陽能的使用的功效方面的百分比并不是很高【1】。到現(xiàn)在為止，世界范圍內(nèi)主要出現(xiàn)的增大太陽能的使用功效的方法有三種：第一種是聚焦光線的技術，第二種是光強跟蹤的技術，第三種是通過跟蹤最大功率的技術（mppt）。本設計為光伏組件的最佳傾角跟蹤系統(tǒng)的設計，對于普通的固定式的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其吸收能源的量值受太陽光照射角度影響。而一年四季每個時間段太陽光的照射角度一直在發(fā)生著改變。一些固定

12、式的太陽能所設計的機械的缺陷就顯現(xiàn)了出來。本文針對這一問題，設計了對太陽光的自動感應系統(tǒng)，對控制轉(zhuǎn)動方向及角度的步進電機進行控制，從而實現(xiàn)光伏組件對太陽光線的自動跟蹤,以提高太陽能利用率。1.1 課題研究實現(xiàn)的目標近十幾年來，太陽能光伏發(fā)電的研究和應用技術有了突飛猛進的增長，成為研究新能源的熱點之一。從世界能源的角度和中國能源的角度來看，這一類一般的不可再生的能源都并不是無限量的，尤其對于中國來說，我國所擁有的基礎能源，或者說是不可再生的能源要遠遠的低于其他國家的平均的水準。隨著不可再生資源的不斷消，以煤炭，天然氣及石油等資源為主的化石燃料正在逐漸的被消耗殆盡，能源危機成為世界將要共同面臨的問

13、題之一，同時，化石資源所造成的環(huán)境問題也在不斷地出現(xiàn)，環(huán)境污染問題日益嚴重，因此，必須尋找研究一種有很高的能量，而且不會對環(huán)境造成影響的新的能源作為代替【2】。這個時候太陽能發(fā)的一系列的優(yōu)點就被顯示出來了?，F(xiàn)在大部分應用太陽能發(fā)電的光伏組件，均是太陽能電池板被固定在相應的方位上的低效發(fā)電方式。太陽能板的相對固定，在一定的范圍內(nèi)，接收到的太陽能的能量并不是十分的充足。太陽一直處在運動當中的，因此而不能達到對太陽能的最大利用率。當太陽能電池板始終和太陽照射成垂直時，其接收的能量才是最好的，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)正是利用這一原理，提高了太陽能的利用率。本設計應用的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)可以大幅度的提高發(fā)電量

14、，從而有效的節(jié)省投資成本，達到了提高效率的目的。1.2 國內(nèi)外針對光伏組件及太陽跟蹤的系統(tǒng)研究狀況太陽時刻都在散發(fā)著大量的能量，其中地球能夠接從中獲得巨大的能源。人類每年在地球上消耗的能量是非常巨大的，地球本身的資源在未來會慢慢地被消耗掉，而太陽每分鐘所產(chǎn)生的能量就可以供人類使用10天之久。由此看來，太陽能將會是一種取之不竭的能源為人類所使用。它的開發(fā)潛力是非常巨大的。目前世界上發(fā)展最為快速的可再生能源技術有很多種，其中發(fā)展最為快速的，并且被人們投以廣泛關注的能源技術就是太陽能光伏技術。近年來，世界太陽電池的年產(chǎn)量迅速增加，對于這一類可再生資源，全世界有越來越多的國家對其投入了更多的注意力，也

15、在逐漸加大力度去對這一塊進行研發(fā)。作為今后的商業(yè)原因和各自國家對于電力方面的使用情況，世界各國都把注意力放在了這些可以重復利用的能源中來，這一類資源有很多種，但相對發(fā)展比較成熟和速度也比較快的技術主要是光伏發(fā)電技術和風力能源發(fā)電的技術。一直到二零一零年為止，光伏發(fā)電在全世界的累計裝機容量已經(jīng)達到了40gw，歐洲有個部門是專門研究及測試這一塊的，根據(jù)他們的預測，太陽能在今后的電力的能量供給方面的比重在不斷的增加。起到越來越重要的作用。預計達到二零三零年的時候，這個比值會比百分之十還要多，同時太陽能的能源供應在這么多的可再生的新能源的總體比值中將會占到百分之三十左右。再過四十年左右，一次性能源，即

16、不可再生資源的儲量會更加縮小，作為供給人類生活及工作生產(chǎn)的能源消耗，其中總消耗的百分之二十將會是太陽能來給人類提供，同時，它在這一類新的可以重復使用的能源中占到的比值會超過百分之四十。直到21世紀的末期，即90年后，在能源的供給這一方面，在人類生產(chǎn)生活所使用的能量方面，太陽能將會成為當之無愧的第一大的能源提供的原材料。 直到現(xiàn)在為止，對于光伏組件這一類研究自動系統(tǒng)的在國外已經(jīng)有很多的國家，首先要說到的就是美國的這家研究機構(gòu)，名字叫做blackface，這家機構(gòu)的研究設計很大程度上的提高了設備對于太陽能的吸收效率，使其將近提高了百分之十五左單軸太陽能跟蹤裝置就是這家機構(gòu)于九七年成功并研制的一種跟

17、蹤裝置，它可以實現(xiàn)在東西方向上使其對系統(tǒng)自動的對系統(tǒng)進行跟蹤。有一種裝置被研究人員稱作為atm，這種裝置在一九九八年被成功的研制了出來。研制成功的地方是美國的加利福尼亞州。這種裝置的特別之處在于為了使其能夠更大程度的增高熱能的接受率，將菲涅爾透鏡安裝在了用于接受能量的太陽能面板上，透鏡的作用是用來集中更多的陽光。joel.h.godman通過了自己不斷了努力，以及多方面的實驗，最終終于成功的研究出來了一種移動式的，可以追蹤太陽光的裝置。這個裝置更大程度的增加了對于太陽光的吸收情況。它的特別之處是可以使裝置運動式的從相對的兩個方向東西向追蹤太陽光。所額外加入的其間是一個可以轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)臺面。這個回

18、轉(zhuǎn)臺面擁有很大的直徑?？梢愿蠓秶耐瓿蛇\動。它有著一個窗體，這個窗體的結(jié)構(gòu)采用了特別的形狀，拱形的一個圓，這就使得收集太陽光的儀器可以排成整排來一起跟尋太陽的運動。有一種全新形式的太陽能跟蹤裝置被成功的開發(fā)研制出來，研制它的部門是亞利桑那大學，他們于二零零二年完成了此次研制工作。這個裝置在硬件方面額外的加入了電機。通過控制電動機的轉(zhuǎn)動來完成整套裝置的轉(zhuǎn)動，從而完成能夠進行跟蹤的目的。這套部件采用了鋁合金的框架式的外部結(jié)構(gòu)。整個設計使得部件的結(jié)構(gòu)更為的簡練精密，而且質(zhì)量小，易于進行移動。在這一方面很大程度的加大了跟蹤器可以被應用的范圍。太陽能在國外被正式應用于生活化的國家有很多。比較早的要追溯

19、到一九九四年，在德國相對靠北的地方就被民眾使用。這些民用化的太陽能廚房所用到的技術就是單軸追蹤的技術。與國外相比，我國對于這一方面的研究開展的時間較晚，在最近這十幾年才開始慢慢有一些研究專家開始研究。在太陽能跟蹤方面，關于太陽灶這些民用的設備的自動跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)我國是從一九九二年推出的。這種液壓形的追蹤設備，在太陽能雜志上被介紹給公眾。相對有一種自動追蹤太陽移動方向的設備，其型號為fst型【3】。它能做到全自動的去運動。這種設備是于一九九零年在我國的國家氣象局所研制而成的。這種設備被科研人員投入針對太陽所散發(fā)能量的觀測當中。到現(xiàn)在為止，全世界的科研人員已經(jīng)開發(fā)研制了很多種能夠追蹤太陽的運動方位

20、的系統(tǒng)設備。其中最核心或者說是最主要的方式為下面所介紹的兩種方法，兩者屬于不同的兩種系統(tǒng)。根據(jù)太陽的運動路線進行循跡：兩種方式分別根據(jù)太陽的運動路線進行循跡的系統(tǒng)有兩種方式，這是單軸和雙軸追蹤的方式。單軸追蹤：這種追蹤技術大致的分為三個不同的方法，第一種為在南北方向上進行布置，在東西方向上完成對太陽的追蹤。第二種是在東西相對的方向進行布置，而在南北相對的方向完成對太陽運動的追蹤。還有一種方法是將設備傾斜放置，然后在東西相對的方向完成追蹤。這些方式有一個共同點是他們的轉(zhuǎn)動形式都是單軸的轉(zhuǎn)動，然后對一個平面內(nèi)的方向進行運動。這一類儀器進行單軸的轉(zhuǎn)動然后完成跟蹤的可取之處在于他們的結(jié)構(gòu)都不是十分復雜

21、，總體較為簡單，易于實現(xiàn)。可是對于太陽光的收集的功效并不是非常的完美，因為設備運動只是沖著相對的兩個方位，而不能保證任何時候都能正對著運動中的太陽【4】。雙軸追蹤：獲取更多的太陽能源是這項技術的立足點。雙軸追蹤技術不僅在太陽運動緯度上做到了追蹤，同時還對太陽在經(jīng)度方面完成了追蹤。達到了對太陽方位的追尋。這種追蹤的技術同時又被分為兩種方式：極軸式全追蹤和防衛(wèi)地點高度角全追蹤形式。光電追蹤：一直到現(xiàn)在為止，世界上存在著多種多樣的光電方面的追蹤方式。其中電磁式的追蹤方式，重力式光電追蹤方式和電動式的光電追蹤方式這三種方式是人們經(jīng)常使用的。這幾類光電方面的追蹤方式都有一點共同之處，就是他們的設計中都使

22、用到了光敏傳感器這個部件。這一類技術人員所設計的追蹤裝置，有一塊遮光板，貼近遮光板的地方安放著光電管。遮光板進行移動，到達的角度正好與太陽相對，這個時候硅光管依然被安放在陽光照射不到的地方。當太陽開始朝向西面運動時，這是光線形成的度數(shù)會慢慢改變【5】。當光線照射到光電管的時候，光電管會因為光線的照射而輸出一個微小的電流。這個電流被當做一個偏差的信號。被設計好的放大電路的進行放大。然后經(jīng)過角度的調(diào)整完成裝置的運動。光電追蹤方式的可取之處或者優(yōu)點是這種方式具有很高的敏捷性，而且整個裝置的結(jié)構(gòu)也并不是十分的復雜。但它也存在著不足之處，比如它的穩(wěn)定性并不高。因為天氣影響而造成的一些誤差較大。當光電追蹤

23、裝置置于室外，而很長的時間內(nèi)沒有太陽的照射，比如太陽被云層所遮擋住。這個時候的太陽所散發(fā)出的光線就沒有辦法直接的照射到硅光管上而造成誤差。1.3 論文主要內(nèi)容本次設計的出發(fā)點在于太陽能擁有易于使用及沒有污染的特點。采用28skdip/sop封裝的盛群mcu ht46ur232作為主控制cpu，設計控制電路，應用運放器lm224n組成比較模塊,通過光敏電阻對光線的感應強度和設定的基準電壓比較結(jié)果的檢測，并對檢測結(jié)果進行分析與比較后，控制負責其水平方向和豎直方向運動的步進電機運動，設計出自動進行調(diào)節(jié)的光伏組件，使其達到最佳傾角的作用。因為太陽能是一種不會被耗盡且又干凈而又可以重復使用的新能源。對于

24、現(xiàn)在全世界都在尋找并且進行研究的新一類能源，都具備著兩個特點：一個是儲量或者說能量十分的巨大，不會被消耗殆盡。第二個是這些能源要干凈，最好是完全的沒有污染，對人類生活的環(huán)境不會造成不好的影響。這么多年的研究，直到現(xiàn)在為止，科研人員發(fā)現(xiàn)了很多種新能源，但最主要的有三種：一是太陽能，二是燃料電池【6】。三是風力能源。其中，最理想的新能源仍是太陽能。把太陽能板相對固定在一個方向上，進行能量吸收是現(xiàn)在常見的使用方式。但固定朝向的太陽能板的供電裝置受到光照方向的轉(zhuǎn)變較大，即太陽照射角度的影響較大，隨著太陽光線角度的不斷變化，轉(zhuǎn)化效率和轉(zhuǎn)化功率都受到很大的限制。太陽能光伏板利用太陽能的效率比較高的時候是在

25、光線偏離垂直方向正負十五度以內(nèi)。所以說能夠自動跟隨太陽轉(zhuǎn)動的太陽能板供電裝置的效果更好，比固定式太陽能供電裝置的光能利用率更高。針對自動調(diào)節(jié)太陽光照射的最佳傾角設計，首先要實現(xiàn)對太陽方位的確定，本文探討了兩種方案來實現(xiàn)對太陽方位的檢測，將他們的優(yōu)缺點進行比較之后，最終確定了方案，并且做出了相應的優(yōu)化。之后說明了控制原理，并對每一個模塊的設計及軟硬件部分做出詳細說明。2 光伏發(fā)電工作原理2.1 光伏發(fā)電工作原理光伏發(fā)電技術運用到了光生伏特。在半導體的界面上可以做到把接收到的太陽光線轉(zhuǎn)變成能量電能。太陽能電池是核心部件。此外，控制設備功率的器件還要額外的加入其中。光伏發(fā)電裝置的優(yōu)點是受地域的限制較

26、少，因為陽光照射大地的范圍廣闊，同時，光伏系統(tǒng)還有很多優(yōu)點也值得更多的去開發(fā)利用【7】?；静粫斐晌廴?，沒有噪聲的干擾，使用或者安裝起來也快速便捷，不需要再次消耗燃料，不需要架設輸電線路，就可以就地發(fā)電并供電的優(yōu)點。光伏發(fā)電設備的可取之處在于設備的構(gòu)成十分的簡單,沒有太復雜的機械結(jié)構(gòu)。而且設備運行起來十分穩(wěn)定，使用年限很長。 2.2 設計依據(jù)根據(jù)歐幾里得平面幾何知識的推理獲悉，在三維空間中，假設有一條確定的直線和一個確定的平面，如果對平面進行一定的旋轉(zhuǎn)，使得直線和平面垂直，那么平面的旋轉(zhuǎn)可以分解為水平方向的旋轉(zhuǎn)和垂直方向的旋轉(zhuǎn)的疊加，證明方法是作平面的垂線，旋轉(zhuǎn)垂線使得該垂線和原先確定的直線

27、平行。假設有確定的直線，其方程為，平面的方程為，設平面為水平面，則與平面垂直的平面都是豎直面，如圖2.1所示。圖2.1 三維坐標中的線面圖直線的方向向量為： (1.1)該直線與水平面的夾角： (1.2)平面法向量： (1.3)該向量與水平面的夾角： (1.4)過已知直線做豎直面： (1.5)過做豎直面： (1.6)將平面在平面上沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)度，然后在豎直平面上沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)度，就可以使和直線平行，即平面和直線垂直，其中是豎直面和豎直面的夾角，是和的夾角，即： (1.7) (1.8)根據(jù)以上推理，要想使太陽能光伏板與太陽光線照射方向相互垂直需滿足兩個條件1確定太陽光線所照射的方向2調(diào)整太陽

28、能光伏板的水平方向，另外轉(zhuǎn)動的輪子和滑輪分別由太陽能自動跟蹤小車的兩個電機在水平方向和豎直方向分別進行驅(qū)動控制【8】。水平方向轉(zhuǎn)動的示意圖如圖2.2所示：圖2.2 太陽能蓄電自動跟蹤器水平旋轉(zhuǎn)示意圖太陽能自動跟蹤器小車由一個固定的支撐點（點p）和一個輪子支撐起來。滾輪轉(zhuǎn)動（電機m2驅(qū)動）時，以點p為圓心，帶動整個裝置繞p點轉(zhuǎn)動。從圖二可知，此時滾輪在水平面xy上經(jīng)過的軌跡是一個以支撐點p為圓心的圓。豎直方向轉(zhuǎn)動示意圖如圖2.3所示：圖2.3 太陽能蓄電自動跟蹤器豎直方向旋轉(zhuǎn)示意圖太陽能光伏板放在a板上并將其固定，電機m1圍繞渦桿轉(zhuǎn)動，渦桿被固定在該位置，只允許繞z軸轉(zhuǎn)動，在xy平面內(nèi)不允許發(fā)生

29、移動。渦桿上安裝一個升降平臺（升降平臺連接并固定在太陽能光伏板a板的一端），由于與a板一端相連，所以升降平臺不能進行水平方向上的旋轉(zhuǎn)。因此，電機驅(qū)動渦桿轉(zhuǎn)動時，升降平臺只能進行上下移動，即升降平臺上任意一點只有z的坐標值會變化。a板一端由于升降平臺的帶動在豎直方向上下移動，而a板另一端被架在平行板高度沒有發(fā)生變化b平面上，在b平面上可以進行滑動，使a板和b板的夾角q發(fā)生一定的變化（圖2.3所示），從而實現(xiàn)在豎直方向上太陽能光伏板平面（a板）發(fā)生角度的變化。為使太陽能利用效率始終保持最高，在太陽能板同一平面上安裝光電池，利用光電池來檢測該平面的法線與太陽垂直入射角偏離的情況。本作品包含太陽能設備

30、，太陽能光伏板支撐架被設置在太陽能光伏板的背面中心，與豎直轉(zhuǎn)軸相連接在一起；通過兩個電動機實現(xiàn)上述裝置的上下運動和水平周轉(zhuǎn)運動；太陽能光伏板上安裝感光裝置，通過控制電路進而控制電動機的工作以達到實現(xiàn)對太陽跟蹤的目的。使得所設計的設備在吸收太陽光后轉(zhuǎn)化成電能的功率達到進一步的提高。2.3 光伏組件最佳傾角設計循跡控制器的設計方案到目前為止國內(nèi)外關于針對光伏組件陽光循跡控制方面有很多設計方案，但光敏元件比較式陽光循跡和時鐘式陽光循跡的設計方案占主導地位。2.3.1 時鐘式陽光循跡時鐘式陽光循跡方案，主要是先通過手動輸入當時光伏組件安放的經(jīng)度和緯度，之后通過依照時鐘芯片用來提供一些信息如時間信號和經(jīng)

31、緯度等等，電機所需要的轉(zhuǎn)速也會通過計算機的測試來得出。進而由電動機控制光伏板的轉(zhuǎn)動，對應太陽的運動方位做出調(diào)整。這種循跡方式的特點是構(gòu)成其的電子路線并不是十分復雜【9】。這種跟蹤裝置的制作及使用成本較為昂貴，對投入民用的范圍不大。計算機的處理系統(tǒng)的要求也較高，需要有很大的計算能力，這就不得不加入大規(guī)模的集成電路作為支持。此類跟蹤裝置主要的使用范圍仍是集中于大發(fā)電量的電力部門，或者是對太陽軌跡進行觀測的氣象臺等。因為其中應用到了計算機控制技術，可以使得在設備的控制方面具有很大的精確度。2.3.2 光敏元件比較式循跡光敏元件比較式陽光循跡，最核心的部件是光敏元件，光敏元件的特別之處，或者說特點是其

32、參數(shù)性能會隨著太陽光線的照射而發(fā)生變化。一般的設計方式是在采光板的邊沿處，分四個方向上都安裝上了相同的光敏元件。當太陽運動至所發(fā)出的光線與采光板的平面呈90角時，這個時候相對的兩個方向上的光敏元件在接收太陽光能量多少的數(shù)值是相等的。因為差值并沒有產(chǎn)生所以電機并不會轉(zhuǎn)動。而當太陽繼續(xù)運動，偏離了于采光板垂直的角度，沒有到達或者是已經(jīng)超過了這個垂直的角度時，光線會與采光板的法線形成一定的夾角。這一次，太陽能將是兩個光敏接收元素之間的區(qū)別。直到馬達驅(qū)動的照明板打開再垂直于太陽光線，兩個感光元件相當于收到等量的能量。電機停止轉(zhuǎn)動。這種循跡方式的優(yōu)點在于擁有較高的精確度，控制起來也相對容易。內(nèi)部電路及外

33、部構(gòu)件較為簡單，但是追蹤效果并不是十分出色【10】。2.4系統(tǒng)方案確定選擇時鐘式陽光循跡控制方案，則需要專門的時鐘芯片來確定時間，并且對經(jīng)緯度的確定存在一系列的問題，若是手動進行輸入，則還需要查詢本地經(jīng)緯度，操作起來很不方便，不利于光伏發(fā)電技術的推廣。如果是選用gps來精確定位其地理位置，又會很大程度上的增加了系統(tǒng)的成本。考慮到系統(tǒng)精確度、電路的復雜程度以及設備成本方面等因素，本文選擇了控制較為精確，精度也相對較高，電路設計也比較容易實現(xiàn)的光敏元件比較式陽光循跡方案，來進行陽光的快速跟蹤與精確定位。3 系統(tǒng)的硬件設計3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本設計包括步進電機、步進電機驅(qū)動器，光電轉(zhuǎn)換器、盛群mcu

34、 ht46ur232系列單片機以及相應的機械方面的設計等。太陽能電池板水平和豎直方向的轉(zhuǎn)動分別由位于兩個方向的電機調(diào)整【11】。單片機加電復位后，單片機將對通過光敏電阻采樣并進行a/d轉(zhuǎn)換后的電壓模擬信號進行比較，此時的電位差會有幾種情況，當電壓大于所設定的范圍，則控制令電動機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，若電壓小于設定的范圍，電機反轉(zhuǎn)。如圖3.1所示:圖3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3.2 感光元件的選取光敏，這個元件又被稱作光感電阻，這種電阻的特別之處在于其阻值會在光線的照射下發(fā)生改變。光線越強阻值越小，光線越弱阻值越大。其原理圖如圖3.2所示圖3.2 光敏電阻工作原理圖從圖3.2可以看出，在黑暗的環(huán)境中，光敏電阻的內(nèi)

35、部不會產(chǎn)生光電子，陽極與陰極不導通，相當于有很高的阻值。一旦有光線照射到光敏電阻的身上時，此時就存在著一種情況，就是光敏電阻中的光子本身的能量如果超過了半導體材料本身的一種特性值禁帶寬度。這是光子就有能力跳躍移動到導帶當中。除此之外還會有一個本身帶有正電的空穴生成在價帶當中，隨著數(shù)量的增多阻值降低。3.3 光電池隨著當今社會能源結(jié)構(gòu)的進一步改變與升級，太陽能電力系統(tǒng)作為其中的一種新型環(huán)保，高能量的能源。在電力供應上它的地位越來越高。光電池所應用到的原理是靠其中被摻雜的氧化硅的特性來改變空穴和電子的運行軌跡。漸漸的隨著一些新型材料的不斷出現(xiàn)，制作光電池的材料也慢慢的增多。像cis和cdte等【1

36、2】。光電池作為無污染的環(huán)保能源收集器它的優(yōu)點已經(jīng)不言而喻了并且運行起來也十分的簡潔方便。當被安裝完成后只要有陽光的照射就能夠進行工作。另外的一個優(yōu)點是：太陽能是無限量的，系統(tǒng)安裝后便可馬上使用運行。而且不需要額外的進行花費，能夠在很長的時間內(nèi)穩(wěn)定的運行，提供能量。在設備的維護方面也相對容易。不需要太多的花費。太陽能電池的工作原理如圖3.3所示：圖3.3 太陽能電池工作原理圖 3.4 光敏電阻的放置外部光敏電阻放置位置如圖3-5所示：圖3.5 外部光敏電阻放置位置電機驅(qū)動光伏板有兩種方式：水平面的防衛(wèi)控制、豎直面的防衛(wèi)控制。在太陽能板的上方平面放置四片小型光敏電阻是根據(jù)光線方向?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)移的思

37、路實行的，因為光敏電阻接收到的光能會隨著太陽光照射角度的改變而發(fā)生一定的變化，所以當太陽光照射角度隨著時間發(fā)生變化的同時，電壓信號也會發(fā)生相應的變化。電路通過采樣這四片小型光敏電阻輸出電壓，太陽的移動方向可以大致確定，在太陽的移動角度大于一定值的情況下，控制電機m1的轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)光伏板豎直方向上角度的變化，控制電機m2轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)光伏板水平方向上角度的變化，光敏元件內(nèi)部接線圖如圖3.6所示：圖3.6 內(nèi)部光敏元件接線圖圖3.6中，p4到p7是四個一樣的光敏電阻，r4到r7為四個相同阻值且阻值固定的普通電阻。，電壓u4到u7會隨著照射到光敏電阻上的光強的變化而隨之發(fā)生變化，u4與光強在一定范圍內(nèi)

38、滿足的關系為 (3.1)式中：u表示為給定的電壓，在此u的數(shù)值為5v；k指的是光敏電阻的光敏系數(shù)，光敏上所照射的光強為e。從式(3.1)可看出電壓u4隨光電增大而增大。最終，u4到u7的電壓信號將送入信號調(diào)整差動轉(zhuǎn)換模塊。3.5比較放大模塊的選取 本設計中的比較放大模塊的芯片選擇為lm224。信號調(diào)整差動轉(zhuǎn)換的目的是實現(xiàn)對光敏傳感器輸入信號的比較放大，并調(diào)整成為單片機可識別的高、低電壓信號。信號調(diào)整差動轉(zhuǎn)換電路芯片說明:在信號調(diào)整差動轉(zhuǎn)換電路中主要具有運算放大功能的芯片。兩個運算放大器在其內(nèi)部，它們之間是相互獨立，不影響的。特點是有很大的增益，而且可以進行內(nèi)部對于頻率損失的補償。lm224的工

39、作模式有多種，它可以用到雙電源當中，也可以用到單電源中區(qū)，單電源的電壓范圍可以很寬，并不受到影響。表3.1 lm224特性額定工作電壓+5v工作溫度-25至85c-3db的帶寬增益乘積1.2mhz變化斜率0.5v/slm224管腳圖如圖3.7所示。圖3.7 lm224n管腳圖 由圖3.7可看出，lm224n有四個用于運算的放大器，第一個運算放大器的輸入端是引腳2、3，引腳1為輸出端，同樣5.、6、7,9、10、8，12、13、14為另外三個運算放大器的輸入、輸出端口。引腳4接5v直流電，引腳11接地。3.6 單片機在陽光循跡控制器中，單片機所要完成的功能為：首先，讀取光傳感器或開關量的輸入信號

40、。然后，運算和控制存儲器里面存儲的程序，再將把輸出端輸出的信號作為結(jié)果。單片機根據(jù)寫入存儲器的程序產(chǎn)生不同的動作，而程序則是根據(jù)微控制器內(nèi)部的“0”和“1”所組合成的二進制數(shù)進行操作。示單片機結(jié)構(gòu)：圖3.8 單片機結(jié)構(gòu)圖 由圖3.8可看出，單片機有輸入、輸出、存儲、運算及控制功能，輸入、輸出僅由端口出入。3.7 單片機芯片的選擇ht46ru232是有28個管腳的插件芯片。復位功能是低電復位。ht46ru232與別的單片機芯片不同之處在于它帶有a/d轉(zhuǎn)換功能，它是一種性能很高的，且計算機指令相對簡單的8位單片機。為一些需要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的產(chǎn)品提供了便利之處。同時它的功率消耗控制在了一個極低的范

41、圍內(nèi)，輸入輸出端口的使用也十分的方便。ht46ru232這款單片機被很大范圍的使用到很多工業(yè)控制的技術當中，比如傳感器中需要的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，在電機的控制，和其他工業(yè)的控制領域也起到了便利的作用。28管腳的分布如圖3.9所示：圖3.9 ht46ur232引腳圖3.8 振蕩電路元件選擇振蕩電路ht46ru232芯片，其內(nèi)部的振蕩的法子有兩種，第一種是外部電阻電容的振蕩方式。另外一種是芯片外面的晶體的振蕩。當選取了外部電容電阻的振蕩時，應該有額外的一個電阻在外部接于 osc1,vss 的中間。這個數(shù)值是30k750k。這時osc2被用于和外部的邏輯進行協(xié)同。這種方式所需要提供的資源或者是金錢并不是很

42、多。缺點是其頻率會因為外在的一些材料上，硬件上的影響而產(chǎn)生偏移。所以，并不適合被使用在對精確度有太高要求的場合下。如果所選擇的方式為晶體震蕩，則還需要一個晶體被連接接入osc1和osc2兩者的中間。這個晶體為設備提供了信號返回時的信息。并不需要在外部接入其他的器件【13】。晶體振蕩被選擇為本次設計的震蕩方式，在此需要一個晶體連接接入osc1和osc2兩者的中間。而且還需要額外接入兩個電容。這兩個電容作為交聯(lián)電容加入電路中間。如果不加入這兩個電容會使得電路無法正常的工作。停止振動。在本系統(tǒng)中選用的是8mhz。負載電容cl的計算公式如下 （3.2）其中，cl為負載電容；c1和c2為額外接入的電容；

43、cic為集成電路內(nèi)部電容，在本設計中選用的外接電容c1=c2=0.1uf, cic一般等于3pf此電路中cl的計算數(shù)值為： （3.3）根據(jù)以上介紹和計算，設計出本系統(tǒng)的振蕩電路如下圖3.10所示:圖3.10 振蕩電路圖3.9復位電路的構(gòu)建為了保證系統(tǒng)振蕩器起振并穩(wěn)定運行，系統(tǒng)復位或暫停狀態(tài)喚醒時，系統(tǒng)啟動定時器提供了一個額外的延遲時間。由于按鍵都是電動式，故在按鍵兩端并上一個電容和電阻，緩解按鍵松開時，對單片機管腳的沖擊。因為單片機的承受的工作電流最大為2ma,故在按鍵的下端要接上一個20k的電阻，使此時電路的電流為0.25ma,起到一個限流的作用。復位電路如圖3.11所示：圖3.11 復位電

44、路3.10 顯示模塊的選取1602連接圖如下圖3.12所示：圖3.12 1602連接圖1602模塊的功能是被人們用于顯示平常所用到的數(shù)字，包括文字和字母等。表3.3 1602管腳介表引腳符號功能說明1vss一般接地2vdd接電源（+5v）3v0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比度）。4rsrs為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5r/wr/w為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。6ee(或en)端為使能(enable)端，下降沿使能。7

45、db0底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8db1底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9db2底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10db3底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11db4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12db5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13db6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14db7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flag）15bla背光電源正極16blk背光電源負極3.11 步進電機步進電動機是感應式電機。它的原理是當脈沖信號給入后電機按照要求向某一方向轉(zhuǎn)動相應的角度。其特點是控制起來簡單，準確，因為其轉(zhuǎn)動的度數(shù)可以根據(jù)給定的脈沖個數(shù)來控制。電

46、機速度隨著脈沖頻率改變而改變。設備整體構(gòu)成也并不復雜，易于調(diào)整。而且過載能力很強。轉(zhuǎn)速并不受到所加負載的影響【14】。步進電機連接如圖3.13所示：圖3.13 步進電機連接示意圖步進電動機又三種勵磁方式第一種：反應式步進電動機此種電動機的特別之處在于其轉(zhuǎn)子的制作用到了一種特殊的材料。這種材料就是軟磁。而且在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部也沒有加入電阻【15】。步距角能被控制在一個很小的度數(shù)下而且成本并不高，結(jié)構(gòu)又不復雜是它的特點。 第二種：永磁式步進電功機所謂永磁式就是由于電動機轉(zhuǎn)子的材料是由永磁材料制作的。這樣一來其轉(zhuǎn)子自身就相當于一個磁源,而且不僅輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性也很好,步距角也相對較大。第三種：混合式步進

47、電動機作為感應式步進電動機。它最大的特點是將前兩種電機的優(yōu)點進行整合，加入到自身的設計當中。擁有很大的輸出轉(zhuǎn)矩，在運動的性能上也有著很大的優(yōu)勢，而且步距角也可以控制的很精細，運行起來十分的平穩(wěn)。但價格相對較為昂貴。3.12 電動機的選取表3-4 森創(chuàng)57byg250c兩相混合式步進電機參數(shù)規(guī)格編號相數(shù)步距角靜態(tài)相電流（a）相電阻（）相電感(mh)保持轉(zhuǎn)矩（nm）定位轉(zhuǎn)矩（nm）空載啟動頻率(khz)57byg250c20.9/1.81.51.58.710.042.5圖3.14 森創(chuàng) 57byg250c兩相混合式步進電機3.13 電機驅(qū)動模塊的選取本設計的驅(qū)動器為：森創(chuàng)兩相混合式步進電機細分驅(qū)動

48、器sh-20403表3.5 性能指標供電電源10v-40vdc,容量0.03kva輸出電流峰值3a/相（max）驅(qū)動方式衡相流pwm控制勵磁方式整步，半步，4細分，8細分，16細分，32細分，64細分絕緣電阻在常溫常壓下100m絕緣方式在常溫常壓下0.5kv，1分鐘步進電機接線圖如下圖3.15所示：圖3.15 步進電機接線圖4 軟件設計4.1 步進電機水平方向流程圖圖4.1 太陽能蓄電系統(tǒng)水平跟蹤模塊流程圖系統(tǒng)水平方向：該系統(tǒng)由左右光敏電阻、比較放大器和驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)三部分組成，左右光敏電阻安裝在太陽能光伏板同一平面上，與其同步運行，四片光電池做在一個開口的小盒內(nèi)，小盒的四個盒壁是由遮光片做成【

49、16】。光源方向一旦發(fā)生改變，則左右光電池輸出電壓產(chǎn)生差(v1-v2)，經(jīng)過lm224芯片內(nèi)電路比較放大以后輸出相應信號：當右邊光強大于左邊時，由于右邊遮光片擋住了右邊的光電池，導致左光電池接受的光大于右光電池，即(v1v2)時，驅(qū)動電路1導通，電動機開始正向轉(zhuǎn)動，帶動太陽能板向右轉(zhuǎn)動；當左邊光強大于右邊時，右光電池接收到更強的光，(v14;/a/d轉(zhuǎn)換后低4位數(shù)據(jù)dis0+=_adrh 41)cur1=cur1+1;/四舍五入4.3 1602顯示1602的顯示只有當其使能信號只有在下降沿時液晶模塊執(zhí)行命令。rs將作為寄存器的選擇，若為1時，則選擇數(shù)據(jù)寄存器，若為0時，則選擇指令寄存器。r/w

50、為讀寫操作選擇，1時為讀，0為寫。在其打開1602時，應該對其使能信號進行一定時間的延時。在液晶1602寫數(shù)據(jù)或?qū)懼噶钪笆且袛嗥涫欠褚呀?jīng)啟動好1602模塊【18】。在1602模塊中，對于顯示屏的控制有以下幾條重要的指令：0x38/設置16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口0x0c/設置顯示開，光標不顯示0x06/每次輸入一個字符后地址指針就加10x01/顯示清零，數(shù)據(jù)指針也顯示清零1602的程序流程圖如下所示：圖4.3 1602流程圖注意：在此程序中的核心語句有：void write_cmd(int com) /寫指令rs=0;rw=0;e=0;data=com;/data為數(shù)據(jù)端口e=1;_delay(100);e=0;void write_dat (int dat)/寫數(shù)據(jù)rs=1;rw=0;e=0;data=dat;/data為數(shù)據(jù)端口e=1;_delay(100);e=0;結(jié)論小型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對于我們這個能源消耗大國來說，有著很強的現(xiàn)實意義，而在美國、德國等國家都已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，如果將本設計的系統(tǒng)應用到并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中其