太陽能光跟蹤裝置

摘要太陽能光跟蹤裝置是一種通過低功耗單片機控制的光伏組件光跟蹤裝置，該裝置通過檢測光源位置，驅動步進電機，能夠自動跟蹤太陽光的運動，保證太陽能裝置的能量轉換部分所在的平面始終與太陽光保持垂直，使太陽能裝置能夠最大限度的利用太陽能。系統(tǒng)主要包括傳感器部分、信號轉換電路、單片機系統(tǒng)和電機驅動電路等。系統(tǒng)采用光電檢測追蹤模式實現(xiàn)對太陽的跟蹤。傳感器采用光敏電阻，將五個完全相同的光敏電阻分別放置于檢測面板的上下左右和中心位置，當太陽光線發(fā)生偏離，光敏電阻接收到的光照強度不相同時，通過信號轉換電路將信號送給單片機，由單片機分析，控制驅動步進電機正反轉。步進電機分為橫向步進電機和縱向步進電機兩個，橫向步進電機帶動電池板使其能夠在水平方向轉動，實現(xiàn)電池板對太陽光的跟蹤，縱向步進電機帶動電池板在垂直方向能夠進行仰角的調整，并通過通信接口將部分數(shù)據(jù)反饋給單片機進行程序上的修正，使其無論在什么時候都能夠使電池板與太陽光保持垂直。太陽能追蹤系統(tǒng)的開發(fā)與研究，減少了太陽能資源的浪費，大幅度提高了對太陽能的利用率。同時太陽能又是一種無污染的清潔能源，加強太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護環(huán)境也有重大的意義。關鍵詞：步進電機；太陽能跟蹤；光敏傳感器

AbstractThesolarenergylighttrackingdeviceisapvmoduleslighttrackingdevicethroughthelowpowerconsumptionMCUcontrol,thedevicethroughthedetectionlightsourceposition,drivesteppingmotor,themovementofthesuncanautomatictracking,ensurethatsolarenergyconversiondevicesintheplaneofthesunalwaysandkeepthevertical,makesolarpowermaximumuseofsolarenergy.Thesystemincludessensorsignalintothecircuit,part,MCUsystemandmotordrivecircuitandsoon.Thesystemadoptsphotoelectricdetectiontrackingmodeltoachievethetrackingofthesun.Sensoradoptsphotoconductiveresistance,makethefiveidenticalphotoconductiveresistancerespectivelyinplaceofthepanelup,down,leftandrightandtestingcenterposition,whenthesunlighthappendeviation,photoconductiveresistancereceivesthelightintensitythatatthesametime,throughthesignalcircuitwillsignaltoasingle-chipmicrocomputer,bytheone-chipcomputeranalysis,thecontroldrivesteppingmotorandreversing.Steppingmotorisdividedintohorizontalandverticalstepmotorsteppingmotortwo,horizontalsteppingmotordrivepanelswhichcaninhorizontaldirection,torealizethesunpanelstrackingthelight,thelongitudinalsteppingmotordrivepanelsinverticaldirectioncanbeadjustedtotheelevationof,andthroughthecommunicationinterfacewillbepartofdatabacktothefixedontheprogramMCU,makeitnomatterwhattimecanmakepanelsandthelightfromthesuntokeepthevertical.Theresearchanddevelopmentofthesolarenergytrackingsystem,reducethesolarenergywasteofresources,Improvedtheutilizationrateofthesolarenergy.Atthesametimethesolarenergyisakindofpollutionfree,tostrengthenthedevelopmentofsolarenergy,tosavetheenergy,protecttheenvironmentalsohassignificantmeaning.Keywords：steppermotor；solarpowertrack；photosensor

目錄第1章緒論 11.1課題研究背景與意義 11.2太陽能光跟蹤裝置的現(xiàn)有科技水平 31.2.1太陽能利用的發(fā)展現(xiàn)狀 31.2.2太陽能光跟蹤裝置的發(fā)展現(xiàn)狀 51.3指標參數(shù) 6第2章太陽能光跟蹤裝置的方案論證 72.1跟蹤方式的選擇 72.2單片機的選擇 92.3步進電機的選擇 102.4步進電機驅動芯片的選擇 10第3章整體電路設計 123.1系統(tǒng)總體框圖 123.2系統(tǒng)總體設計方案分析 133.2.1光源檢測部分設計方案分析 133.2.2單片機設計方案分析 133.2.3DC/DC轉換電路設計方案分析 133.2.4光源跟蹤部分設計方案分析 133.2.5通信模塊設計方案分析 133.3整體電路原理說明 14第4章各單元電路的設計與分析 164.1信號轉換電路的設計 164.1.1LM324功能介紹 164.1.2信號轉換電路 164.2單片機及外圍電路的設計 174.2.1ATmega16單片機功能簡介 174.2.2ATmega16單片機引腳說明 194.2.3單片機最小系統(tǒng) 214.3步進電機及驅動電路的設計 224.3.1步進電機特性介紹 224.3.2THB6016H功能簡介 224.3.3THB6016H引腳說明 224.3.4步進電機驅動電路 244.4DC/DC轉換電路的設計 254.4.1LM2575功能簡介 254.4.2LM2575引腳說明 264.4.3DC/DC轉換電路 264.5通信接口的設計 284.5.1RS485通信方式的介紹 284.5.2MAX485功能簡介 284.5.3MAX485引腳說明 294.5.4RS485接口定義介紹 294.5.5DB9引腳說明 304.5.6通信接口電路 31第5章系統(tǒng)軟件說明 325.1主程序流程圖 325.2步進電機控制子程序 335.3通信部分控制子程序 34第6章測試方案與測試結果 366.1對DC/DC電路的測試 366.1.1測試連線框圖 366.1.2測試條件與儀器 366.1.3測試結果 366.2對步進電機的測試 376.2.1測試條件與儀器 376.2.2測試方案 376.2.3測試結果 37第7章結論 39參考文獻 40致謝 42附錄Ⅰ英文資料 43附錄Ⅱ電路原理圖 50附錄Ⅲ元器件清單 51附錄Ⅳ部分程序代碼 53緒論課題研究背景與意義隨著時代的前進，人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時人類社會的負擔和責任也隨之增加。能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎，社會經(jīng)濟發(fā)展得越快，人類對能源的需求就越大，利用能源時可能對環(huán)境造成較大程度的破壞。當前，包括我國在內(nèi)的絕大多數(shù)國家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源，然而長期以來，世界能源主要依靠的石油和煤炭等礦物燃料，都是一次性不可再生資源，儲量有限，而且燃燒時產(chǎn)生大量的二氧化碳，造成地球氣溫升高，生態(tài)環(huán)境惡化。隨著礦物燃料的日漸枯竭和全球環(huán)境的不斷惡化，很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究和開發(fā)工作。雖然如今煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結構中占有相當?shù)谋戎?，但人們對核能以及太陽能、風能、地熱能、水能、生物能等可持續(xù)能源資源的利用日益重視，在整個能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。據(jù)統(tǒng)計，20世紀90年代，全球煤炭和石油的發(fā)電量每年增長l%，而太陽能發(fā)電每年增長達20%，風力發(fā)電的年增長率更是高達26%。預計在未來5至10年內(nèi)，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面?；诋斀袷澜缒茉磫栴}和環(huán)境保護問題已成為全球的一個“人類面臨的最大威脅”的嚴重問題，目前礦物燃料提供了世界商業(yè)能源的95%，且其使用在世界范圍內(nèi)以每10年20%的速度增長。這些燃料的燃燒構成改變氣候的溫室氣體的最大排放源，按照可持續(xù)發(fā)展的目標模式，決不能單靠消耗礦物原料來維持日益增長的能源需求。因此越來越多的國家都在致力于對可再生能源的深度開發(fā)和廣泛利用。其中具有獨特優(yōu)勢的太陽能開發(fā)前景廣闊。太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有四大優(yōu)點：儲量的“無限性”，太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用能量巨大。太陽放射的總輻射能量大約是3.75×1021kW，極其巨大的。其中到達地球的能量高達1.73×1011kW,穿過大氣層到達地球表面的太陽輻射能大約為8.1×1013kW。在到達地球表面的太陽輻射能中，到達地球陸地表面的輻射能大約為1.7×1013kW，相當于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬五千多倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球能源的時間可以是無限的。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源缺乏、枯竭的最有效途徑。存在的普遍性，雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻但相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。利用的清潔性，太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲量的無限性，是人類理想的替代能源。利用的經(jīng)濟性，可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術發(fā)展水平下，有些太陽能利用己具經(jīng)濟性。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術突破，太陽能利用的經(jīng)濟性將會更明顯。太陽能的利用也有它的缺點：第一，能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。第二，大氣影響較大，給使用帶來不少困難。盡管相繼研究出一系列的太陽能裝置如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等，但太陽能的利用還遠遠不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽能裝置而言，如何最大限度的提高太陽能的利用率，仍為國內(nèi)外學者的研究熱點。解決這一問題應從兩個方面入手，一是提高太陽能裝置的能量轉換率，二是提高太陽能的接收效率，前者屬于能量轉換領域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術則可解決。太陽跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能。不管哪種太陽能利用設備，如果它的集熱裝置能始終保持與太陽光垂直，并且收集更多方向上的太陽光，那么，它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能。但是太陽每時每刻都是在運動著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽光，那就必須要跟蹤太陽。太陽能的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差很大，固定安裝方式全天平均日照有效時間約為3.5小時，而太陽能跟蹤能使發(fā)電量增加45%，精確的跟蹤太陽可使接收器的接收效率大大提高，進而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領域。本課題的目的是為了更充分的利用太陽能、提高太陽能的利用率，而進行太陽追蹤系統(tǒng)的開發(fā)研究，這對我們面臨的能源問題有重大的意義。同時太陽能又是一種無污染的清潔能源，加強太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護環(huán)境也有重大的意義。太陽能光跟蹤裝置的現(xiàn)有科技水平太陽能利用的發(fā)展現(xiàn)狀太陽能應用包括太陽能發(fā)電和太陽能熱利用。太陽能發(fā)電又分為光伏發(fā)電，光化學發(fā)電，光感應發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽能電池這種半導體器件吸收太陽光輻射能，使之轉化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電是當今太陽能發(fā)電的主流。世界光伏產(chǎn)業(yè)從1999年的201MW增加到2005年的1100MW。目前以32.1%的年平均增長率高速發(fā)展，位于世界能源發(fā)電市場增長率的首位。日本通產(chǎn)省(MITI)第二次新能源分委會宣布了光伏、風能和太陽熱利用計劃，2010年光伏發(fā)電裝機容量達到5GW。歐盟的可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運動”是驅動歐洲光伏發(fā)展的里程碑，總目標是2010年光伏發(fā)電裝機容量達到3GW。美國能源部制定了從2000年1月1日開始的5年國家光伏計劃和2020～2030年的長期規(guī)劃，以實現(xiàn)美國能源、環(huán)境、社會發(fā)展和保持光伏產(chǎn)業(yè)世界領導地位的戰(zhàn)略目標。按照預計的發(fā)展速度，2010年美國光伏銷售達到4.7GW。發(fā)展中國家的光伏產(chǎn)業(yè)近幾年一直保持世界光伏組件產(chǎn)量的10%左右。預測未來10年仍將保持10%或稍高的發(fā)展水平，達到1.5GW(約10.6%)。其中印度近幾年發(fā)展迅速,居發(fā)展中國家領先地位,目前光伏系統(tǒng)的年生產(chǎn)量約10MW，累計安裝量40～50MW。因此，到2010年世界光伏系統(tǒng)累計安裝容量已經(jīng)達到14～15GW。日本是世界上太陽能開發(fā)利用第一大國，也是太陽能應用技術強國。日本太陽熱能的利用，從1979年第二次石油危機后開始，1990年進入普及高峰。太陽能技術日益創(chuàng)新，能量轉換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽能的利用分為太陽光能和熱能兩種。太陽光能發(fā)電，是利用半導體硅等將光轉化為電能。從2000年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽能發(fā)電裝機容量約為86萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機容量的49.1%，并計劃到2010年達到482萬千瓦，增加約6倍。德國對太陽能資源的利用可追溯到20世紀70年代，現(xiàn)在德國已經(jīng)在太陽能系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗，發(fā)明了一系列高效的太陽能系統(tǒng)。1990年德國政府推出了“一千屋頂計劃”，至1997年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量1～5千瓦，累計安裝量已達3.3萬千瓦。根據(jù)德國聯(lián)邦太陽能經(jīng)濟協(xié)會的數(shù)字，在過去的幾年中，德國太陽能相關產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其他國家平均水平高出一倍。另據(jù)德新社報道，全球最大的太陽能發(fā)電廠已在德國南部巴伐利亞州正式投入運營。這家太陽能發(fā)電廠投資7000萬歐元，占地77萬平方米，發(fā)電總容量達12兆瓦，能為3500多個家庭供電。截至2005年年底，德國共有670萬平方米的屋頂鋪設了太陽能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已用4%的德國家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。目前，美國太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005年，美國光伏發(fā)電總容量達到100萬千瓦，排在日本和德國之后，居世界第3位。為了降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國政府最近制定了陽光計劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財政投入，加快多晶硅和薄膜半導體材料的研發(fā)，提高太陽能光伏電池的光電轉化效率。目前，美國正在新建幾座新的太陽能電站。預計到2015年，美國光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的21～40美分/千瓦時降到6美分/千瓦時，屆時，太陽能光伏發(fā)電技術的競爭力將會大大增強。太陽能在能源發(fā)展中占有相當?shù)膬?yōu)勢，據(jù)美國博士對世界一次能源替代趨勢的研究結果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽能占第二位，21世紀末，太陽能將取代核能占第一位，很多國家對太陽能的利用加強了重視。意大利1998年開始實行“全國太陽能屋頂計劃”，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總容量達5萬千瓦。印度也于1997年12月宣布，將在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。法國已經(jīng)批準了代號為“太陽神2006”的太陽能利用計劃，按照該計劃，每年將投入3000萬法郎資金，到2006年，法國每年安裝太陽能熱水器的用戶達2萬家。我國地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。我國的國土跨度從南至北，自西至東，距離都在5000km以上，總面積達960萬平方公里，占世界陸地總面積的7%，居世界第三位。在我國廣闊富饒的土地上，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽能輻射量為33408400MJ/(m2.a)，中值為5852MJ/（m2·a）。我國太陽能資源豐富和比較豐富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時數(shù)大于2200h，太陽輻射總量高于50165852MJ/（m2·a），面積約占全國總面積的2/3以上。太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的重要方式，隨著國家西部開發(fā)政策的推行及光明工程的實施，太陽能光伏發(fā)電技術取得了較快發(fā)展。目前我國已建成的較大的光伏電站有西藏雙湖25千瓦光伏電站，西藏安多100千瓦光伏電站以及目前中國最大的新疆北塔山牧場150千瓦太陽能光伏電站等。這些電站都建在光照充足，地理位置偏僻，電網(wǎng)不能到達的地區(qū)。近來一些幾瓦到幾百瓦的中小型光伏發(fā)電應用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽能交通警示燈，高速公路上的太陽能廣告牌，太陽能路燈等。2005年我國系統(tǒng)累計裝機容量為70MW，《中華人民共和國可再生能源法》，承諾2010年太陽能光伏累計裝機容量450MW。從國家發(fā)改委制定的中長期規(guī)劃看，2006-2020年每年的平均裝機容量約60MW。我國由建設部制定的《建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)則》中已將太陽能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項目。目前我國太陽能熱水器的推廣普及十分迅速，1997年銷售面積近300萬平方米，數(shù)量居世界首位。全國從事太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達1000余家，年產(chǎn)值20億元。根據(jù)我國1996～2020年太陽能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計劃，在2000年和2020年的太陽能光電總容量將分別達到6.6萬千瓦和30萬千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽光電站建設方面，計劃2020年前建成5座MW級陽光電站。由國家投資1700萬元修建的西藏第三座太陽能電站——安多光伏電站，總裝機容量100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國裝機容量最大的太陽能電站?？傊?，大力發(fā)展太陽能利用技術，使節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要途徑。太陽能光跟蹤裝置的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)階段國內(nèi)外已經(jīng)有的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。單軸跟蹤一般采用：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。這三種方式都是單軸轉動的南北向或東西向跟蹤，工作原理基本相似。雙軸跟蹤又可以分為兩種方式：極軸式全跟蹤和高度一方位角式全跟蹤。太陽能設備的能量轉換部分的一軸指向天球北極，即與地球自轉軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時太陽能設備的能量轉換部分所在平面繞極軸運轉，其轉速的設定與地球自轉角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽方位角:反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉動是為了適應太陽高度角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調整。這種跟蹤方式并不復雜，但在結構上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設計比較困難。目前，國外對于太陽光線自動跟蹤裝置(或稱為太陽跟蹤器)的研究有，美國Blackace，在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調節(jié)，接收器對太陽能的熱接收率提高了15%。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使效率進一步提高。1998年美國加州成功的研究了八JM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多能量，使熱收率進一步提JoeLH.Godman研制了活動太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉臺使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風窗體是白晝光照鼓膜結構窗體，窗體上面是圓頂結構，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏季能量的獲取率。2002年2月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結構，結構緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領域。1994年在德國北部，太陽能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽能跟蹤裝置1321。捷克科學院物理研究所則以形狀記憶合金調節(jié)器為基礎，通過日照溫度的變化實現(xiàn)了單軸被動式太陽跟蹤。我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。據(jù)估算，我國陸地表面每年接收的太陽輻射能約為50×1018KJ，全國各地太陽年輻射總量達335～837KJ/cm2·A，中值為586KJ/cm2·A。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時間為3005.7h，相對日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽總輻射為816KJ/cm2·A，比全國其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國以四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。例如素有“霧都”之稱的成都市，年平均日照時數(shù)僅為1152.2h，相對日照為26％，年平均晴天為24.7天，陰天達244.6天，年平均云量高達8.4天，其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。在太陽能跟蹤方面，我國在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調節(jié)，接收器的接收效率提高了。在國內(nèi)近年來有不少專家學者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)，1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器，完成了單向跟蹤。指標參數(shù)本裝置通過單片機的控制，可以跟隨太陽的轉動方向來調整采光部分的方向，使太陽光與采光部分始終保持垂直，達到最大限度利用太陽能的目的。裝置能夠達到以下指標：光伏組件端電壓36V，蓄電池電壓24V，光源位置檢測精度0.25°/分鐘，步進角度<0.1°，采用RS485標準通信方式。太陽能光跟蹤裝置的方案論證跟蹤方式的選擇目前國內(nèi)外采用的跟蹤太陽的方法有很多，但主要采用的方式有以下幾種：程序控制式跟蹤；時鐘式跟蹤；視日軌跡跟蹤；光電式跟蹤。下面就這兩種跟蹤方案做一個簡要的介紹和比較。方案一：程序控制式跟蹤程序控制式太陽跟蹤方式是與計算機相結合的。首先利用一套公式通過計算機算出在給定時間的太陽的位置，再計算出跟蹤裝置被要求的位置，最后通過電機傳動裝置達到要求的位置，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。在美國加州建成的10MW太陽1號塔式電站，就是使用這種控制系統(tǒng)，在總計28萬平方米的范圍內(nèi)分散著1818塊反射鏡。首先計算出太陽的位置，然后求出每個反射鏡要求的位置，再通過固定在兩個旋轉軸(高度角和方位角跟蹤軸)上的13位增量式編碼器得到反射鏡的實際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實際上所處的位置進行比較，偏差信號用來驅動122.5W的支流電機，使反射裝置對太陽運動進行跟蹤。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計誤差，并且自身不能消除。方案二：時鐘式跟蹤時鐘式太陽跟蹤方式是一種被動式的跟蹤方式，有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時法。根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應轉動的角度，從而確定出電動機的轉速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應變動。雙軸跟蹤器的主要結構是通過電機帶動反射器以每小時15度的恒速繞日軸轉動，以跟蹤太陽的赤經(jīng)運動，另一個電機帶動反射器以每天以巧分的恒速繞季軸旋轉，以跟蹤太陽的赤緯運動。這樣反射器就能全年和入射陽光相垂直，達到跟蹤太陽的目的。為了完成這兩個方向上的跟蹤，機構應該采用子午坐標跟蹤系統(tǒng)。這種跟蹤裝置的主要優(yōu)點是：結構簡單，便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng)也十分簡單。其主要缺點是跟蹤精度不夠。太陽的高度角隨季節(jié)的變化不是均勻的，對這種屬于被動式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時調整角度以對準太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進行校正。方案三：視日軌跡跟蹤不論是采用極軸坐標系統(tǒng)還是地平坐標系統(tǒng)，太陽運行的位置變化都是可以預測的，通過數(shù)學上對太陽軌跡的預測可完成對日跟蹤。太陽跟蹤裝置采用地平坐標系較為直觀方便，操作性強，但也存在軌跡坐標計算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標系中赤緯角和時角在日地相對運動中任何時刻的具體值卻嚴格已知，同時赤道坐標系和地平坐標系都與地球運動密切相關，于是通過天文三角形之間的關系式可以得到太陽和觀測者位置之間的關系。根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標準時間來確定。在應用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。在設定跟蹤地點和基準零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標公式自動運算太陽的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅動信號，實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉動的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準零點。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復雜，計算量的增大會增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結構的加工水平有較嚴格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機械結構加工精度足夠高。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。同時，還要通過儀器底部的水平準直儀將底面調節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點處于地面水平面內(nèi)。方案四：光電式跟蹤光電式太陽跟蹤首先設置一個圓筒形外殼，在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北和中心五個位置上也分別布置5只光電阻，其中一對光電阻東西對稱安裝在圓筒的內(nèi)側，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度，另一對光電阻南北對稱安裝在圓筒的內(nèi)側，用來精確檢測太陽的視高度，中心位置的光電阻用來檢測入射光線是否與跟蹤裝置主光軸平行。如此來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當偏差超過一個值時，執(zhí)行機構調整跟蹤裝置的位置，直到使太陽光線與跟蹤裝置光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。與前三種跟蹤裝置相比，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)，受到普遍關注，原則上光電式跟蹤由三大部件組成：光源檢測部件、控制部件、跟蹤部件。光源檢測部件主要由性能經(jīng)過挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等?？刂撇考饕邮軓墓庠礄z測部件傳輸?shù)奈⑷跣盘?，?jīng)放大后送到單片機進行分析處理，控制部件是整個裝置的核心。跟蹤部件實為跟蹤裝置的執(zhí)行元件，執(zhí)行單片機發(fā)出的命令，主要由電機組成。由上述介紹可知，程序控制式跟蹤存在累計誤差，并且自身不能消除。時鐘式跟蹤屬于被動式的跟蹤，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時調整角度以對準太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進行校正。視日軌跡跟蹤存在許多局限性，主要是在開始運行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動調整等。因此使用此跟蹤方法時，需要定期的人為調整跟蹤裝置的方向。而光電跟蹤則不同，當跟蹤裝置開始運行時，光敏傳感器初始定位，在運行當中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時測量作反饋，對程序進行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使太陽能裝置得到穩(wěn)定、可靠并且最大限度的利用太陽能。方案四跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應用于目前許多太陽能發(fā)電裝置。所以選擇方案四。單片機的選擇目前市面上的單片機多種多樣，其中AT89C51與ATmega16是其中應用比較廣泛的兩種，它們都具有很高的性能價格比。方案一：AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。方案二：ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用寄存器，16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。由于系統(tǒng)采用太陽能供電，應當把系統(tǒng)的功耗降到最低，ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。所以選擇方案二。步進電機的選擇裝置的跟蹤部分采用步進電機來實現(xiàn)，步進電機是將電脈沖信號轉化成角位移的執(zhí)行機構。因此非常適合單片機控制，步進電動機推動了電動機的發(fā)展，為電動機的應用開辟了廣闊的前景。按勵磁方式分類，步進電動機可分為3大類：反應式步進電動機又稱為磁阻式步進電動機。它的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。永磁式步進電功機永磁式步進電動機的轉子是用永磁材料制成的。轉子本身就是一個磁源。它的輸出轉矩大，動態(tài)性好。轉子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負脈沖信號。又稱為脈沖電動機，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。移或直線位移，即給一個沖信?；旌鲜讲竭M電動機混合式步進電動機也稱為感應式步進電動機。它綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉矩，動態(tài)性能好，步距角小，是一種很有發(fā)展前途的步進電動機。綜上所述裝置選用混合式步進電機作為裝置的跟蹤部分。步進電機驅動芯片的選擇考慮到系統(tǒng)的供電采用太陽能供電，太陽能電池板轉化的電能不能全部用于供電，所以驅動芯片應該選取低功耗、外圍電路器件較少的芯片。方案一：選用ULN2003，目前ULN2003是比較常用的步進電機驅動芯片，ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅動電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，適用于TTLCOMS，由達林頓管組成驅動電路。它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。方案二：選用THB6016H，THB6016H是低功耗、高集成的兩相混合式步進電機驅動芯片，該芯片內(nèi)置雙全橋MOSFET驅動、溫度保護及過流保護，每相額定電流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作電壓40V，最小4.5V，外圍電路簡單、工作可靠、使用方便。通過上述介紹可知ULN2003工作電壓高，工作電流大，不適合用于本裝置，相比之下THB6016H對于本裝置更加適用，所以選擇方案二。整體電路設計系統(tǒng)總體框圖本設計包括傳感器、步進電機、單片機、通信接口以及相應的外圍電路等。太陽能電池板有兩個轉動角度，分別為水平方向和垂直仰角，由兩個步進電機帶動。光源的位置檢測由五個光敏傳感器來完成，傳感器分別放置在檢測面板的上下左右和中心位置，左右兩個傳感器負責檢測太陽轉動的位置，上下兩個傳感器負責檢測太陽高度的變化，中心位置的傳感器負責校準太陽光是否與采光部分的垂直。裝置通過檢測部分采集到的信號經(jīng)過信號轉換電路將檢測信號傳輸給單片機。單片機加電復位后，并將對采樣進來的電壓進行判斷，進而驅動步進電機分別對水平方向和垂直仰角做出相應的調整，即電壓有增大和減小兩種可能，如果電壓增大，則電池板繼續(xù)轉動，反之減小，單片機將立即發(fā)出信號，讓電機反轉，實現(xiàn)對太陽光的跟蹤，并通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸出來?？傮w框圖如圖3.1所示。光光敏傳感器信號轉換電路ATmega16主控單片電路電機驅動芯片電機驅動芯片橫向步進電機縱向步進電機光伏電源DC/DC電路RS485通信模塊圖3.1總體框圖系統(tǒng)總體設計方案分析光源檢測部分設計方案分析光源檢測部分在跟蹤面板的東、南、西、北和中心五個位置上也分別布置5只光電阻，其中一對光電阻東西對稱安裝，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度，另一對光電阻南北對稱安裝，用來精確檢測太陽的視高度，中心位置的光電阻用來檢測入射光線是否與跟蹤裝置主光軸平行。檢測部分采集到的信號還需要通過放大電路的放大，然后傳輸?shù)絾纹瑱C上分析，這樣就能夠準確判斷出當前太陽所在位置。單片機設計方案分析主控單片機采用ATmega16單片機，ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用寄存器，支持片內(nèi)調試，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器。具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。能夠在降低功耗的情況下快速準確的對數(shù)據(jù)做出處理和分析。DC/DC轉換電路設計方案分析單片機需要5V電壓供電，所以要通過DC/DC電路將電壓轉換成5V直流電壓，使單片機能夠正常工作。電路通過LM2575芯片實現(xiàn)電壓轉換功能，LM2575系列開關穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，且內(nèi)部有完善的保護電路。光源跟蹤部分設計方案分析光源的跟蹤部分通過步進電機來實現(xiàn)，步進電機是將電脈沖信號轉化成角位移的執(zhí)行機構。能夠分步進行轉動，可以準確轉動到指定位置，從而對太陽位置的跟蹤更加準確。步進電機驅動芯片采用THB6016H，THB6016H是低功耗，高集成混合式兩相步進電機驅動芯片。具有雙全橋MOSFET驅動，有多種細分運行方式可供選擇，內(nèi)置溫度保護及過流保護，外圍電路簡單能將功耗降低，且使用方便。通信模塊設計方案分析裝置采用RS485標準通信方式，RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。接口信號電平比RS232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。整體電路原理說明ATmega16單片機ATmega16單片機LM2575THB6016H橫向步進電機光敏電阻MAX485PC機圖3.2器件組成框圖系統(tǒng)輸入端接五個光敏傳感器，對光源位置進行檢測，通過光敏傳感器采集信號，信號經(jīng)過運算放大器放大，由輸出端連接到主控單片機的模數(shù)轉換模塊。由于系統(tǒng)供電采用太陽能供電，所以主控單片機采用功耗較低的ATmega16單片機，ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用寄存器，支持片內(nèi)調試，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器。具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。端口A做為A/D轉換器的模擬輸入端。端口B作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流，端口B也可以用做其他不同的特殊功能。端口C作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。如果JTAG接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活，端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口D作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。端口D也可以用做其他不同的特殊功能，RESET復位輸入引腳。XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端，XTAL2反向振蕩放大器的輸出端。AREFA/D的模擬基準輸入引腳AVCC是端口A與A/D轉換器的電源。單片機對傳輸進來的信號進行判斷，并對步進電機做出相應的調整。由步進電機來帶動電池板在水平方向和垂直方向轉動，以達到對太陽光進行跟蹤的目的。步進電機的驅動采用THB6016H芯片來實現(xiàn)，THB6016H是低功耗，高集成混合式兩相步進電機驅動芯片。每相額定電流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作電壓40V、最小4.5V，外圍電路簡單、工作可靠、使用方便。由于采用太陽能供電，光伏組件端電壓為36V，蓄電池電壓為24V，而單片機工作需要5V電壓供電，需要通過DC/DC轉換電路將24V電壓轉換成5V電壓給單片機供電。電路通過LM2575芯片實現(xiàn)電壓轉換功能，輸入電容應大于47μF，并要求盡量靠近電路。輸出電容使用的電容量為100μF～470μF，其耐壓值應大于額定輸出的1.5～2倍。對于5V電壓輸出，推薦使用耐壓值為16V的電容。二極管的額定電流值應大于最大負載電流的1.2倍，但考慮到負載短路的情況，二極管的額定電流值應大于LM2575的最大電流限制,另外二極管的反向電壓應大于最大輸入電壓的1.25倍。VIN：未穩(wěn)壓電壓輸入端；OUTPUT：開關電壓輸出，接電感及快恢復二極管；GND：公共端；FEEDBACK：反饋輸入端；ON/OFF：控制輸入端，接公共端時，穩(wěn)壓電路工作；接高電平時，穩(wěn)壓電路停止。系統(tǒng)采用RS485標準通信方式，用MAX485芯片通過標準的DB9與PC機相連，將相關數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上。各單元電路的設計與分析信號轉換電路的設計LM324功能介紹圖4.1LM324引腳圖LM324內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\算放大器，低功耗電流，適合于電池供電，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，電源電壓范圍寬：單電源(3—32V)，雙電源(±1.5—±16V)。在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。信號轉換電路信號轉換電路包括光源檢測電路和信號放大電路兩部分，輸入端接由光敏傳感器組成的光源檢測電路，其由五個光敏電阻安裝在同一塊面板上構成，分別位于上下左右和中心位置，其上下為一組，檢測太陽的垂直移動；左右為—組，檢測太陽的水平移動；中間的一個為一組，為光線檢測，提供復位觸發(fā)。當陽光垂直射入時，照射不到四周的光敏電阻，只有陽光光線發(fā)生傾斜即探頭不對準太陽時才有可能使光線射到四周的光敏電阻。當太陽的水平或垂直位置發(fā)生偏移時，四個光敏電阻中必有一個受陽光照射，通過光敏傳感器采集信號，信號經(jīng)過運算放大器放大，由輸出端連接到主控單片機的模數(shù)轉換模塊，這樣就可確認太陽運動的方向了。信號放大電路由一個運算放大器組成，根據(jù)放大倍數(shù)計算公式，選取R7=100k,R8=10k,放大倍數(shù)為：（4-1）同時為了消除偏置電壓，在運算放大器的正向輸入端和地之間接入R6，大小選取為10k。信號轉換電路如圖4.2所示。圖4.2信號轉換電路單片機及外圍電路的設計ATmega16單片機功能簡介主控單片機采用功耗較低的ATmega16單片機。ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。為了獲得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard結構，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行，CPU在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令（在本文稱為預取），這個概念實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行，程序存儲器是可以在線編程的FLASH?？焖僭L問寄存器文件包括32個8位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期，從而實現(xiàn)了單時鐘周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，兩個位于寄存器文件中的操作數(shù)同時被訪問，然后執(zhí)行運算，結果再被送回到寄存器文件，整個過程僅需一個時鐘周期。寄存器文件里有6個寄存器可以用作3個16位的間接尋址寄存器指針以尋址數(shù)據(jù)空間，實現(xiàn)高效的地址運算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為16位的X、Y、Z寄存器。ALU支持寄存器之間以及寄存器和常數(shù)之間的算術和邏輯運算，ALU也可以執(zhí)行單寄存器操作，運算完成之后狀態(tài)寄存器的內(nèi)容得到更新以反映操作結果。程序流程通過有/無條件的跳轉指令和調用指令來控制，從而直接尋址整個地址空間。大多數(shù)指令長度為16位，亦即每個程序存儲器地址都包含一條16位或32位的指令。程序存儲器空間分為兩個區(qū)：引導程序區(qū)(Boot區(qū))和應用程序區(qū)。這兩個區(qū)都有專門的鎖定位以實現(xiàn)讀和讀/寫保護，用于寫應用程序區(qū)的SPM指令必須位于引導程序區(qū)。在中斷和調用子程序時返回地址的程序計數(shù)器(PC)保存于堆棧之中。堆棧位于通用數(shù)據(jù)SRAM，因此其深度僅受限于SRAM的大小，在復位例程里用戶首先要初始化堆棧指針SP。這個指針位于I/O空間，可以進行讀寫訪問，數(shù)據(jù)SRAM可以通過5種不同的尋址模式進行訪問。AVR存儲器空間為線性的平面結構，AVR有一個靈活的中斷模塊，控制寄存器位于I/O空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位，每個中斷在中斷向量表里都有獨立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關，中斷向量地址越低，優(yōu)先級越高。I/O存儲器空間包含64個可以直接尋址的地址，作為CPU外設的控制寄存器、SPI，以及其他I/O功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址0x20~0x5F。ATmega16有如下特點：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉換時的開關噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲器技術生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash允許程序存儲器通過ISP串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR內(nèi)核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(ApplicationFlashMemory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(BootFlashMemory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW操作。通過將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C語言編譯器、宏匯編、程序調試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。ATmega16單片機引腳說明ATmega16管腳圖如圖4.3所示。圖4.3 ATmega16引腳圖ATmega16單片機各管腳名稱及各管腳功能如表4.1所示。表4.1ATmega16引腳功能管腳編號管腳符號功能描述1~8PB0~PB7端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。9RESET復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。10VCC電源正11GND電源地12XTAL2反向振蕩放大器的輸出端13XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端14~21PD0~PD7端口D為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。22~29PC0~PC7端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。30AVCCAVCC是端口A與A/D轉換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與VCC連接。31GND數(shù)字地32AREFA/D的模擬基準輸入引腳33~40PA7~PA0端口A做為A/D轉換器的模擬輸入端。端口A：端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B：其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口C：其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口D：其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。單片機最小系統(tǒng)單片機各功能部件的運行都以始終控制信號為基準，有條不紊的一拍一拍的工作，因此，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路設計有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式，通過單片機內(nèi)部的一個用于構成震蕩器的高增益反相放大器來實現(xiàn)，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。外部時鐘方式使用現(xiàn)成的外部震蕩器產(chǎn)生脈沖信號，外部時鐘源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空。本裝置采用內(nèi)部時鐘方式，電路中的電容C2和C3的典型值通常選擇27pF，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體振蕩器通常選擇8MHZ，晶體的頻率越高，系統(tǒng)的時鐘頻率越高，單片機運行的速度也就越快。復位是單片機的初始化操作，復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，當電源接通時，只要Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。按鈕復位有電平和脈沖兩種方式，電平復位時通過/RESET端經(jīng)電阻與電源Vcc接通來實現(xiàn)，脈沖復位是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。本裝置采用上電自動復位，當時鐘頻率為8MHz時，C選取0.1μF，R選取10kΩ。單片機最小系統(tǒng)如圖4.4所示。圖4.4單片機最小系統(tǒng)步進電機及驅動電路的設計步進電機特性介紹步進電機特性：步距角，步距角指每給一個電脈沖信號電機轉子所應轉過的角度。步進電機的步距角是由轉子齒數(shù)和電機的相數(shù)所決定。典型的混合式步進電機是四相200步的電機，步距角為1.9。選擇步進電機時，步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度。電機的步距角應等于或小于此角度。矩角特性，矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時通以直流電流時，電磁轉矩與失調角的關系。響應頻率，在某一頻率范圍內(nèi)步進電機可以任意運行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應頻率。通常用啟動頻率f作為衡量的指標。它是指在一定負載下直接啟動而不失步的極限頻率，稱為極限啟動頻率或突跳頻率。啟動矩頻特性，在給定的驅動條件下，負載慣量一定時，啟動頻率與負載轉矩之間的關系稱為啟動矩頻特性，又稱牽入特性。運行矩頻特性，在負載慣量不變時，運行頻率與負載轉矩之間的關系稱為運行矩頻特性，又稱牽出特性。慣頻特性，在負載力矩一定時，頻率和負載慣量之間的關系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為啟動慣頻特性和運行慣頻特性。THB6016H功能簡介THB6016H是低功耗，高集成混合式兩相步進電機驅動芯片。每相額定電流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作電壓40V、最小4.5V，具有雙全橋MOSFET驅動，還具有1/2細分、1/4細分、1/8細分、1/16細分運行方式可供選擇，內(nèi)置溫度保護及過流保護，采用HZIP25-P-1.27封裝，外圍電路簡單、工作可靠、使用方便。斬波頻率說明：電容值：450P慢衰減：2細分斬波時間：40us占空比（高—低）：4—36快衰減：16細分斬波時間：40us占空比（高—低）：20—20電容值：150P慢衰減：2細分斬波時間：15us占空比（高—低）：1.5—13.5快衰減：16細分斬波時間：15us占空比（高—低）：7.5—7.5THB6016H引腳說明THB6016H管腳圖如圖4.5所示。圖4.5THB6016H管腳圖THB6016H各管腳名稱及功能如表4.2所示。表4.2THB6016H引腳功能管腳編號輸入/輸出管腳符號功能描述1輸入TQ2驅動電流大小控制端2輸入TQ1驅動電流大小控制端3輸入CLK脈沖輸入端4輸入ENABLE使能端ENABLE＝0所有輸出為0，ENABLE=1正常工作5輸入RESET上電復位端6—SGND地線7—OSC斬波頻率控制端：C=1000PF，f=44KHz；C=330PF，f=130KHz8輸入VMB驅動電源（小于40VDC）9輸出OUT_BM電機繞組B相10—PGNDB地線11—NFBB相電流檢測端，須大于0.2Ω12輸出OUT_BP電機繞組B相13輸出OUT_AM電機繞組A相14—NFAA相電流檢測端，須大于0.2Ω15—PGNDA地線16輸出OUT_AP電機繞組A相17輸出MO18輸入VMA驅動電壓小于40VDC19輸出Protect溫度保護，芯片溫度大于150℃自動斷開所有輸出20輸入VDD5V穩(wěn)壓電源21輸入CW/CCW正反轉控制22輸入M2細分數(shù)選擇端23輸入M1細分數(shù)選擇端24輸入DCY2衰減方式控制端25輸入DCY1衰減方式控制端步進電機驅動電路步進電機驅動芯片采用THB6016H，電機的控制方式為抽頭式控制方式，在芯片的OSC引腳連接電容對斬波頻率進行選擇，A相檢測端與B相檢測端與地之間需連接大于0.2Ω的電阻進行保護，并在電源與地之間連接兩個去耦電容，以消除器件本身產(chǎn)生的噪聲和電源攜帶的噪聲對電路的干擾。步進電機驅動電路如圖4.6所示。圖4.6驅動芯片外圍電路DC/DC轉換電路的設計LM2575功能簡介由于采用太陽能供電，光伏組件端電壓為36V，蓄電池電壓為24V，而單片機工作需要5V電壓供電，需要通過DC/DC轉換電路將24V電壓轉換成5V電壓給單片機供電，電路通過LM2575芯片實現(xiàn)電壓轉換功能。LM2575系列開關穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數(shù)情況下不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等；芯片可提供外部控制引腳。是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代產(chǎn)品。該系列分為LM1575、LM2575及LM2575HV三個系列，其中LM1575為軍品級產(chǎn)品，LM2575為標準電壓產(chǎn)品，LM2575HV為高電壓輸入產(chǎn)品。每一種產(chǎn)品系列均提供3.3V、5V、12V、15V及可調（ADJ）等多個電壓檔次產(chǎn)品。除軍品級產(chǎn)品外，其余兩個系列均提供TO-200直腳、TO-220彎腳、塑封DIP-16腳、表面安裝DIP-24腳、表面安裝T）-263-5腳等多種封裝形式，并分別用后綴T、FlowLB3、N、M、S表示。對于5V輸出的LM2575產(chǎn)品，不同的封裝形式，其完整表示分別為LM2575T-5.0、LM2575T-5.0FlowLB03、LM2575N-5.0、LM2575M-5.0、LM2575S-5.0。LM2575的內(nèi)部框圖如圖4.7所示，該框圖對應于TO-220封裝的引腳。其中R1=1kΩ（ADJ時開路），R2分別為1.7kΩ（3.3V）、3.1kΩ（5V）、8.8kΩ（12V）、11.3kΩ（15V）和0（ADJ），可以看出LM2575內(nèi)含52kHz振蕩器、基準電路、熱關斷電路、電流限制電路、放大器、比較器及內(nèi)部穩(wěn)壓等電路。將穩(wěn)壓輸出的電壓接到反饋輸入端的目的是同內(nèi)部電壓基準比較，若電壓偏低，則用放大器來控制內(nèi)部振蕩器以提高輸出占空比，從而提高輸出電壓。圖4.7LM2575內(nèi)部結構框圖LM2575引腳說明圖4.8是LM2575集成穩(wěn)壓器引腳圖。圖4.8LM2575穩(wěn)壓器引腳圖LM2575引腳功能如表4.3所示。表4.3LM2575引腳功能管腳編號管腳符號功能描述1VIN未穩(wěn)壓電壓輸入端2OUTPUT開關電壓輸出，接電感及快恢復二極管3GROUND公共端4FEEDBACK反饋輸入端5ON/OFF控制輸入端，接公共端時，穩(wěn)壓電路工作；接高電平時，穩(wěn)壓電路停止DC/DC轉換電路在利用LM2575設計電路時，應注意以下幾點：（1）電感的選擇根據(jù)輸出的電壓檔次、最大輸入電壓Vin(MAX)、最大負載電流Iload（MAX）等參數(shù)選擇電感時可參照相應的電感曲線圖來查找所需采用的電感值如圖4.9所示。圖4.9電感曲線圖（2）輸入輸出電容的選擇輸入電容應大于47μF，并要求盡量靠近電路。而輸出電容推薦使用的電容量為100μF～470μF，其耐壓值應大于額定輸出的1.5～2倍。對于5V電壓輸出，推薦使用耐壓值為16V的電容。（3）二極管的選擇二極管的額定電流值應大于最大負載電流的1.2倍，但考慮到負載短路的情況，二極管的額定電流值應大于LM2575的最大電流限制；另外二極管的反向電壓應大于最大輸入電壓的1.25倍。DC/DC轉換電路如圖4.10所示。圖4.10DC/DC轉換電路通信接口的設計RS485通信方式的介紹系統(tǒng)采用RS485標準通信方式，RS485采用差分信號負邏輯，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網(wǎng)絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：一是共模干擾問題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡才能正常工作。當網(wǎng)絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。二是EMI問題：發(fā)送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。MAX485功能簡介單片機與通信接口之間用MAX485芯片連接，MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片。MAX485CPA、MAX485、MAX487-MAX491以及MAX1487是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器。MAX483、MAX487、MAX488以及MAX489具有限擺率驅動器，可以減小EMI，并降低由不恰當?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實現(xiàn)最高250kbps的無差錯數(shù)據(jù)傳輸。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1487的驅動器擺率不受限制，可以實現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。這些收發(fā)器在驅動器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120µ；A至500µ；A之間。另外，MAX481、MAX483與MAX487具有低電流關斷模式，僅消耗0.1µ；A。所有器件都工作在5V單電源下。采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉換為RS－485電平的功能。MAX485引腳說明MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅動器和接收器。其引腳圖如圖4.11所示。圖4.11MAX485引腳圖MAX485引腳功能如表4.4所示。表4.4MAX485引腳功能管腳編號管腳符號功能描述1RORO為接收器的輸出端，與單片機的RXD端相連2/RE/RE為接收使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)3DEDE為發(fā)送使能端，當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)4DIDI為驅動器的輸入端，與單片機TXD端相連5GND地6AA端為接收差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為17BB端為發(fā)送差分信號端，當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為08VCC電源RS485接口定義介紹1、連接主機端的RS485接口定義如表4.5所示。表4.5連接主機端RS485接口定義RS485接口信號含義3BRXD－接收數(shù)據(jù)4ARXD＋接收數(shù)據(jù)5YTXD＋發(fā)送數(shù)據(jù)7ZTXD－發(fā)送數(shù)據(jù)2、連接從機端的RS485接口定義如表4.6所示。表4.6連接從機端RS485接口定義RS485接口信號含義3ZTXD－發(fā)送數(shù)據(jù)4YTXD＋發(fā)送數(shù)據(jù)5ARXD＋接收數(shù)據(jù)7BRXD－接收數(shù)據(jù)DB9引腳說明通信模塊與PC機之間用DB9接口連接，DB9管腳圖如圖4.12所示及引腳功能如下。圖4.12DB9管腳圖DB9引腳功能如表4.7所示。表4.7DB9引腳功能管腳編號管腳符號功能描述1DCD載波檢測2RXD接收數(shù)據(jù)3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR數(shù)據(jù)終端準備好5GND信號地6DSR信號準備好7RTS請求發(fā)送8CTS清除發(fā)送9RI振鈴提示通信接口電路通信接口電路中采用MAX485芯片作為收發(fā)器，通過DB9接口與PC機進行連接，在MAX485的VA與VB引腳之間跨接一個120Ω電阻作為匹配電阻，以減少由于不匹配而引起的反射、噪聲干擾等影響，并連接了兩個二極管對電路進行保護。通信接口電路如圖4.13所示。圖4.13通信接口電路系統(tǒng)軟件說明主程序流程圖開機之后，上電復位，系統(tǒng)進行初始化，初始化之后，系統(tǒng)首先判斷當時是白天還是黑夜，若是黑夜，則系統(tǒng)啟用中斷處理程序，進入等待狀態(tài)，若是白天系統(tǒng)進入光電追蹤模式，并根據(jù)檢測信號判斷電機是否需要調整，若不需要，進入等待狀態(tài)，若需要調整，根據(jù)信號具體情況驅動電機進行正轉或者反轉。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5.1所示。系統(tǒng)初始化日出？傳感器跟蹤系統(tǒng)初始化日出？傳感器跟蹤電機要驅動嗎驅動步進電機NNYY開始圖5.1主程序流程圖步進電機控制子程序步進電機控制子程序流程如圖5.2所示。串行口初始化步進電驅動芯片初始化串行口初始化步進電驅動芯片初始化讀入控制字驅動步進電機返回光敏電阻電位是否相等YN開始圖5.2子程序流程圖本部分的程序設計主要是通過判斷連接在單片機A/D轉換模塊上的五個光敏電阻的電位的不同，來判斷太陽當時太陽的朝向，從而對步進電機發(fā)出命令驅動步進電機，控制其正反轉，實現(xiàn)對太陽的跟蹤。當裝置開始工作時，首先對單片機串行口進行初始化，然后對步進電機驅動芯片初始化，讀入檢測端信號，判斷檢測端電位情況，若相等，進入等待，若不想等，驅動步進電機正反轉。即當檢測端右方傳感器電位高于左方，驅動水平方向步進電機正向轉動，當上方傳感器電位高于下方，驅動垂直方向步進電機正轉，反之則驅動其反轉。若太陽光照射到中心位置的傳感器，及說明太陽光與采光部分垂直，不需要進行調整，進入等待狀態(tài)。通信部分控制子程序通信部分子程序流程圖如圖5.3所示。開始開始當前時間當前時間太陽位置太陽位置NN步進電機運行步數(shù)步進電機運行步數(shù)向單片機反饋數(shù)據(jù)向單片機反饋數(shù)據(jù)PC機繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)PC機繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)Y返回Y返回 圖5.3通信部分子程序流程圖當裝置開始工作，通信部分程序主要是負責將數(shù)據(jù)傳輸給PC機，通過PC機計算出任意時刻太陽的位置，垂直方向步進電機仰角及水平方向步進電機的運行步數(shù)進而在PC機上反映出來，并將部分數(shù)據(jù)反饋給單片機進行程序上的修正。如果有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生則繼續(xù)向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，若沒有，則進入等待狀態(tài)。測試方案與測試結果對DC/DC電路的測試測試連線框圖測試連線框圖如圖6.1所示。DC/DC模塊DC/DC模塊V1V2+-+-圖6.1測試連線框圖測試條件與儀器1、測試條件：檢查多次，硬件電路系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路無