太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷的消耗，將越來越不適應(yīng)可持續(xù)能源的發(fā)展的需要。加速開發(fā)以太陽(yáng)能為主體的可再生能源以成為人們的共識(shí)。太陽(yáng)能作為一種作為一種清潔能源，倍受人們重視。精確跟蹤太陽(yáng)，對(duì)太陽(yáng)能利用率的提高是顯著的，市場(chǎng)上急需一種高精度，高穩(wěn)定性的跟蹤控制器。</p><p>　　跟蹤太陽(yáng)的

2、方式主要有光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤主要控制過程是：由光敏傳感器采集太陽(yáng)與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)緩慢調(diào)整角度。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤將太陽(yáng)位置受時(shí)間、季節(jié)、所在地區(qū)經(jīng)維度等因素綜合考慮。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用光時(shí)互補(bǔ)的跟蹤方法，即是以視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤為粗調(diào)，從時(shí)

3、鐘模塊讀出當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出太陽(yáng)的空間位置，并根據(jù)經(jīng)緯度進(jìn)一步計(jì)算出太陽(yáng)的方位角和高度角。由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)指定位置。先大致定位太陽(yáng)的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)到既定位置之后再采用光電跟蹤方式，精確定位。這樣可以互相彌補(bǔ)不足。為完成本設(shè)計(jì)，本文對(duì)跟蹤方式進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上主要采用CDS光敏電阻，STC12C5A單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)完成跟蹤器的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)，提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并確定方案性原理上的可行性。根據(jù)要求

4、和各個(gè)模塊的功能，完成主要器件的選型。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用匯編語(yǔ)言完成軟件程序的程序編寫。最后，論文還對(duì)整個(gè)課題設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)課題中存在的問題提出了改善措施和進(jìn)一步完善本系統(tǒng)的建議。</p><p>　　主要工作包括以下內(nèi)容：</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤的電路原理圖;</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍電路，光電轉(zhuǎn)換電路，

5、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路;</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的電路原理圖;</p><p>　　（4）軟件的設(shè)計(jì)：使用C51語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的控制程序設(shè)計(jì);</p><p>　　關(guān)鍵詞： 光電跟蹤;視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤;光敏電阻;單片機(jī)</p><p><b>　　Abstract</b></p><

6、p>　　As the consumption of natural resources based on conventional energy sources in energy structure, it will not become more and more able to meet the requirements for sustainable energy development. It becomes our c

7、ommon views to accelerate the exploitation of the solar energy which is the the main body of the renewable energy. As a kind of clean energy, the solar energy is becoming much appreciated. Therefore, tracking the sun p

8、recisely is significant to improve the utilization rate of solar en</p><p>　　There are mainly two ways to track the sun , including tracking the sun by photosensitive sensor and tracking the sun’s trajectory

9、. The process of tracking by sensor is mainly : the sensor receive the signals which are the position discrepancy between the sunlight and the solar panel，in other word ,that is the position of the horizontal and vertica

10、l direction deviation. And feedback to the data processor and controller, then process the data and amplify , output driving signal . At last ,through</p><p>　　This design use both tracking methods which are

11、 complementary . In other words ,it depends on the trajectory tracking for coarse adjustment ,which locate the sun. When it rotate on the setting position ,it will activate the photosensitive sensor to adjust the panel’s

12、 position accurately. And it can offset the both imperfections . To complete this design, this paper makes a deep research . And on this basis, we mainly </p><p>　　use the Photosensitive resistance-CDS ,STC

13、12C5A and stepping motor to complete the design of the tracker.First of all, according to the design requirements, we put forward system design plan and determine the feasibility of the project in principle. According

14、to the requirements and function of each module, we complete the selection of main device. On the basis of the hardware system,use the assembly language to complete this programming. Finally, the paper summarizes the who

15、le </p><p>　　project design, and puts forward improvement measures on the problems existing in the subject and suggestions to improve. </p><p>　　Main work includes the following contents:</p

16、><p>　　Design Automatic tracking solar panel of the circuit diagram;</p><p>　　Design the MCU peripheral circuit , photoelectric conversion circuit, stepper motor drive control circuit;</p

17、><p>　　(3) Design circuit diagram of the entire system; </p><p>　　(4) The design of the software: use C51 language to realize the control program design by single chip microcomputer ;</p

18、><p>　　Key words: sun tracking of using photosensitive sensor ; sun’s trajectory tracking ; Photosensitive resistance; Single chip microcomputer</p><p><b>　　目錄</b>

19、</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景及意義1</p><p>　　1.2 太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外

20、研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)5</p><p>　　第2章 太陽(yáng)能電池板跟蹤相關(guān)理論研究6</p><p>　　2.1 太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律6</p><p>　　2.1.1 太陽(yáng)高度角，方位角及時(shí)角介紹6</p><p>　　2.1.2 太陽(yáng)高度角及方位角計(jì)算公式6<

21、;/p><p>　　2.1.3 太陽(yáng)能電池板跟蹤參考坐標(biāo)系8</p><p>　　2.2 光伏電池的特性分析9</p><p>　　2.2.1 光伏電池的光伏效應(yīng)9</p><p>　　2.2.2 溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響9</p><p>　　2.2.3 太陽(yáng)的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響10</

22、p><p>　　2.2.4 光伏電池的I-V和P-V特性曲線11</p><p>　　第3章 太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的控制目標(biāo)與控制方案12</p><p>　　3.1 控制方案選擇12</p><p>　　3.2 控制方案設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2.1 光敏電阻設(shè)計(jì)的傳感器13</p><

23、p>　　3.2.2 跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖14</p><p>　　3.2.3 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)15</p><p>　　第4章 電池板跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1 關(guān)鍵器件介紹16</p><p>　　4.1.1 STC12C5A60S2簡(jiǎn)介16</p><p>　　4.1

24、.2 步進(jìn)電機(jī)介紹18</p><p>　　4.1.3 光敏傳感器及元件20</p><p>　　4.2 CPU模塊設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.2.1 CPU硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖21</p><p>　　4.2.2 CPU 模塊電路原理圖22</p><p>　　4.2.3 復(fù)位電路23</p>

25、;<p>　　4.2.4 晶振電路23</p><p>　　4.2.5 發(fā)光二極管24</p><p>　　4.3 光電傳感模塊24</p><p>　　4.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊27</p><p>　　4.5 RS232通訊模塊28</p><p>　　4.6 EEPROM存儲(chǔ)模塊29</

26、p><p>　　4.7 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路30</p><p>　　第5章 太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)31</p><p>　　5.1 Keil C51 軟件介紹31</p><p>　　5.2 軟件總體設(shè)計(jì)及流程圖32</p><p>　　5

27、.2.1 軟件總體設(shè)計(jì)32</p><p>　　5.2.2 軟件流程圖設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.3 軟件關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)34</p><p>　　5.3.1 串口通信程序設(shè)計(jì)34</p><p>　　5.3.2 EEPROM的讀寫程序核心代碼34</p><p>　　5.4 程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)36&

28、lt;/p><p>　　第6章 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論40</p><p>　　第7章 總結(jié)及展望41</p><p><b>　　7.1 總結(jié)41</b></p><p><b>　　7.2 展望41</b></p><p><b>　　第8章 附錄42</b&g

29、t;</p><p>　　8.1 控制板原理圖42</p><p>　　8.2 部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)42</p><p>　　8.3 部分軟件代碼46</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)53</p><p><b>　　致　　謝54</b></p><p><b&g

30、t;　　緒論</b></p><p>　　太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景及意義</p><p>　　英國(guó)的工業(yè)革命推動(dòng)生產(chǎn)力的極大發(fā)展，而工業(yè)化需要能源作為保障的。據(jù)統(tǒng)計(jì)人類前5000年都沒有近300年對(duì)能源需求的迫切。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展需要更多的能源滿足人們的需求！尤其是正處于發(fā)展高速期的我國(guó)更是對(duì)能源的需求更加旺盛；預(yù)計(jì)全球?qū)Ω鞣N能源的需求年均增長(zhǎng)約1.7%，到2030

31、年日需求量將從目前的約2.2億桶油當(dāng)量增加到約3.35億桶油當(dāng)量。這樣巨大的能源增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出今天所消耗的能源數(shù)量，以油當(dāng)量計(jì)算，大約是目前沙特阿拉伯石油產(chǎn)量的10倍中國(guó)能源消費(fèi)目前已經(jīng)占世界總量的13.6%使得世界越來越將能源的話題聚焦在中國(guó)和亞太地區(qū)；能源危機(jī)已經(jīng)開始顯現(xiàn)。能源的危機(jī)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是致命的。發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)對(duì)石油極其的敏感。各國(guó)多石油的爭(zhēng)奪日趨激烈化，眾所周知的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，現(xiàn)在的北極之爭(zhēng)等都是以能源爭(zhēng)奪作為背景的！因此對(duì)資

32、源的爭(zhēng)奪，仍將是未來幾十年世界動(dòng)蕩的主要原因之一。</p><p>　　太陽(yáng)能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式—電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1. 太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，每天照射到地球上的太陽(yáng)能是人類消耗的能

33、 6000倍。光伏發(fā)電安全可靠，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定的沖擊。</p><p>　　2. 太陽(yáng)能隨處可得，就近供電，不必長(zhǎng)距離輸送，因而避免了輸電線路等電 能損失。</p><p>　　3. 太陽(yáng)能不用燃料，運(yùn)行成本很小。</p><p>　　4. 發(fā)電部件不易損壞，維護(hù)簡(jiǎn)單。</p><p>　　5. 光伏發(fā)電

34、不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對(duì)環(huán)境無不良影 響，是理想的清潔能源。安裝1KW光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可少排放二氧化碳600～2300kg，一氧化氮16kg，二氧化硫9kg及其他微粒0.6kg。一個(gè)4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)，可以滿足普通美國(guó)家庭用電需要，每年少排放的二氧化碳數(shù)量，相當(dāng)于一輛家庭轎車每年的排放量。</p><p>　　6. 光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽(yáng)能計(jì)算器的

35、幾個(gè)毫瓦，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽(yáng)電池容量，既方便靈活，又避免了浪費(fèi)。</p><p>　　但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價(jià)格還比較高，不過其維修費(fèi)用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價(jià)格會(huì)下降，優(yōu)勢(shì)才逐漸體現(xiàn)出來。</p><p>　　由于太陽(yáng)能發(fā)電的成本比較高是照成光伏發(fā)電沒有高速發(fā)展的主要原因之一，所以為了降低成本提高太陽(yáng)能利用率顯得極

36、其重要。又由于新技術(shù)的發(fā)展即聚光技術(shù)的發(fā)展極大的提高了太陽(yáng)能利用率，目前最新技術(shù)最高達(dá)到3～4倍。但是聚光對(duì)于但是聚光組件對(duì)太陽(yáng)入射角度要求很高，要求光線要幾近垂直的照射到電池板上，所以太陽(yáng)跟蹤技術(shù)顯得愈加重要了。有了跟蹤器加上聚光技術(shù)使得太陽(yáng)能利用率有很大的提高。所以對(duì)太陽(yáng)能電池板的跟蹤技術(shù)的研究就顯得十分必要了。而目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)電池板跟蹤器的跟蹤精度普遍不高，而且價(jià)格比較昂貴尤其是光電傳感器。本設(shè)計(jì)為一種高精度的跟蹤系統(tǒng)，而且盡可

37、能的降低成本。因此，從能源利用及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，低成本的太陽(yáng)光線跟蹤技術(shù)具有重要意義。</p><p>　　太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在太陽(yáng)能跟蹤方面，我國(guó)在1997年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的透鏡，這樣可

38、以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使效率進(jìn)一步提高。2002年2月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)近年來有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單向跟蹤。</p><p>　　目前，太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)的

39、方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤（也叫程序跟蹤）；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。</p><p>　　從上世紀(jì)80年代美國(guó)的Solar One到2005年西班牙的PSIO均采用程序控制方式。該跟蹤方式優(yōu)點(diǎn)是具有較高的適應(yīng)性，在任何氣候條件下都能穩(wěn)定的跟蹤，但是算法復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)控制器需要實(shí)時(shí)進(jìn)行大量的計(jì)算，這就要求現(xiàn)場(chǎng)控制器具有很高的數(shù)據(jù)處理能力和較

40、大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，該跟蹤系統(tǒng)還需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測(cè)，成本較高。</p><p>　　根據(jù)跟蹤裝置的軸數(shù)，視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤裝置分為單軸和雙軸兩種。（因?yàn)榇蠖疾捎秒p軸跟蹤，故下面主要講后者）</p><p><b>　　1．單軸跟蹤 </b></p><p>　　單軸跟蹤裝置一般采用三種方式： </p>&

41、lt;p>　　(1)傾斜布置東西跟蹤 ;</p><p>　　(2)焦線南北水平布置，東西跟蹤 ; </p><p>　　(3)焦線東西水平布置，南北跟蹤 ;</p><p><b>　　2．雙軸跟蹤 </b></p><p>　　如果能夠同時(shí)跟蹤太陽(yáng)兩個(gè)角度的變化，就能獲得更多的太陽(yáng)能量，雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要

42、求而設(shè)計(jì)的。雙軸跟蹤通?？梢苑譃閮煞N方式：極軸式全跟蹤和高度角-方位角式全跟蹤。 </p><p>　　(1)極軸式全跟蹤 </p><p>　　極軸式全跟蹤是指聚光鏡的一軸指向地球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸。另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。反射面繞極軸用與地球自轉(zhuǎn)角速度相同方向相反的固定轉(zhuǎn)速進(jìn)行跟蹤，反射鏡按照季節(jié)時(shí)間的變化圍繞赤緯軸作俯仰運(yùn)動(dòng)以適應(yīng)赤緯角的變化。這種跟蹤方式并

43、不復(fù)雜，但從力學(xué)角度分析，在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計(jì)比較困難。 </p><p>　　(2)高度角-方位角全跟蹤 </p><p>　　高度角-方位角全跟蹤建立在地平坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，兩軸分別為方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸。根據(jù)太陽(yáng)角度的計(jì)算方法，工作時(shí)反射鏡根據(jù)太陽(yáng)位置的理論計(jì)算值，繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變反射鏡的傾斜

44、角，使反射鏡的主光軸始終與太陽(yáng)光線平行。這種跟蹤裝置的跟蹤準(zhǔn)確度高，而且反射鏡的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支持機(jī)構(gòu)容易設(shè)計(jì)。但是在計(jì)算太陽(yáng)角的過程中容易出現(xiàn)誤差，影響跟蹤準(zhǔn)確度。</p><p>　　程序跟蹤是根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砦恢煤蜁r(shí)間等利用程序計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)位置，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)聚光器向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，程序跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的適應(yīng)性，在任何氣候條件下都能穩(wěn)定地跟蹤，但是算法復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)控制器需要實(shí)時(shí)進(jìn)行大量的計(jì)算

45、，這就要求現(xiàn)場(chǎng)控制器具很高的數(shù)據(jù)處理能力和較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，程序跟蹤還需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測(cè)，程序跟蹤系統(tǒng)成本較高。程序跟蹤方法的控制系統(tǒng)構(gòu)成是采用開環(huán)控制方法，由于跟蹤裝置結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性導(dǎo)致跟蹤存在累積誤差，需要定期校正；在跟蹤過程中，系統(tǒng)自身無法對(duì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差、地基及天體運(yùn)行軌道的變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，跟蹤精度會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，因此也需要定期校正。</p><p>　　傳感

46、器跟蹤是利用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)光線的入射角，當(dāng)入射光線與傳感器主光軸的偏差超過設(shè)定值時(shí)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，減小偏差，傳感器跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)太陽(yáng)光線的入射方向，無累積誤差。但高精度的傳感器跟蹤系統(tǒng)受光學(xué)系統(tǒng)的限制，在太陽(yáng)光線偏離傳感器基準(zhǔn)軸線一定角度后就無法跟蹤。</p><p>　　程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的方式是指跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用程序、傳感器混合控制的方法，采用簡(jiǎn)化的太陽(yáng)位置算法對(duì)太陽(yáng)光線粗略跟蹤

47、，當(dāng)粗跟蹤結(jié)果滿足精確跟蹤要求，即精確跟蹤傳感器能夠捕捉到太陽(yáng)光線時(shí)，再利用光線跟蹤傳感器精確定位。由于粗跟蹤采用了簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)算法，因此可以用成本較低的控制器代替昂貴的控制器。程序跟蹤可以克服單一的傳感器跟蹤存在的跟蹤范圍窄，粗跟蹤不穩(wěn)定的問題，而傳感器精確跟蹤避免了程序跟蹤需要定時(shí)修正的問題。</p><p>　　目前比較先進(jìn)的程序跟蹤方法是根據(jù)太陽(yáng)軌跡算法的分析，太陽(yáng)軌跡位置由觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來確定

48、。在應(yīng)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(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。</p><p>　　在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)按照太陽(yáng)的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算太陽(yáng)的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按

49、照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點(diǎn)。從目前來看國(guó)內(nèi)外開發(fā)跟蹤系統(tǒng)以雙軸跟蹤系統(tǒng)為主，比較前沿的技術(shù)大都采用程序跟蹤與傳感器跟蹤相結(jié)合的跟法。</p><p>　　考慮到成本問題單軸跟蹤系統(tǒng)也有研究。</p><p>　　項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)</p><p>　　基于單片機(jī)的太陽(yáng)能跟蹤器開發(fā)出來并且投入市場(chǎng)。它們也都具有雙軸跟蹤，自動(dòng)調(diào)整，適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是同時(shí)

50、存在一些不足，比如精度不高，價(jià)格昂貴。不具備程控接口，不利于擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)提出一種有通信功能的跟蹤器，具有程序變更容易，精度可調(diào)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)采用光時(shí)互補(bǔ)的方法，單片機(jī)從外接時(shí)鐘模塊讀入當(dāng)?shù)貢r(shí)間，計(jì)算出太陽(yáng)的空間位置。然后從電腦中即上位機(jī)輸入當(dāng)?shù)氐乩硇畔⒓唇?jīng)緯度，結(jié)合以上計(jì)算的太陽(yáng)空間位置，計(jì)算出太陽(yáng)高度角與方位角，經(jīng)過單片機(jī)處理之后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整角度到指定位置，再啟動(dòng)光電跟蹤程序，對(duì)角度進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)變更地理位置時(shí)只要用電

51、腦，改變特</p><p>　　定地理位置對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)表，將數(shù)據(jù)傳入到存儲(chǔ)器中即可。總之該跟蹤器具有跟蹤精度高，使用靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。有著較廣闊的市場(chǎng)前景。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)是采用STC12C5A60S2作為CPU，要實(shí)現(xiàn)光電傳感模塊的設(shè)計(jì)：以GL5516光敏電阻作為基本元件設(shè)計(jì)出光電傳感器，其可以不僅可以將東西，南北方向的光強(qiáng)差傳化為電壓信號(hào)，還要將光照強(qiáng)度信號(hào)傳入單片

52、機(jī)，供單片機(jī)識(shí)別是否有云霧遮擋，以此來決定是否停止光電跟蹤程序；還要設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的CPU模塊，包括外圍的晶振電路，供電電源，復(fù)位電路等；步進(jìn)電機(jī)的選型，以及它的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，而且由于本設(shè)計(jì)中跟蹤精度要求很高，所以要求選擇精度較高的步進(jìn)電機(jī)。另一個(gè)很重要的就是控制程序的編寫，要實(shí)現(xiàn)視日軌跡跟蹤粗定位，光電跟蹤作為補(bǔ)充。</p><p>　　預(yù)期實(shí)現(xiàn)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊 ，硬件成本較低，的硬件電路。采用上位機(jī)通信，

53、地理信息調(diào)整方便可靠，靈活。太陽(yáng)高度角采用30分鐘調(diào)整一次，方位角采用30分鐘調(diào)整一次。這樣可以避免電機(jī)盲目轉(zhuǎn)動(dòng)，大大的節(jié)省電機(jī)轉(zhuǎn)到帶來的能耗。從而使跟蹤系統(tǒng)更加高效率。可以自動(dòng)調(diào)整誤差，當(dāng)烏云遮擋時(shí)可以自動(dòng)停止跟蹤，夏天早晨6點(diǎn)啟動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)光照強(qiáng)度足夠時(shí)，追蹤系統(tǒng)程序啟動(dòng)，晚上光照低于一定程度時(shí)。將太陽(yáng)電池板自西向東調(diào)整到原位停止系統(tǒng)。</p><p>　　太陽(yáng)能電池板跟蹤相關(guān)理論研究</p>&

54、lt;p><b>　　太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律</b></p><p>　　太陽(yáng)高度角，方位角及時(shí)角介紹</p><p>　　太陽(yáng)視位置指從地面上看到的太陽(yáng)的位置，用太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角兩個(gè)角度作為坐標(biāo)表示。太陽(yáng)高度角指從太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，其值在0°到90°之間變化，日出日落時(shí)為零，太陽(yáng)在正天頂上為90°。<

55、/p><p>　　太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。方位角以正南方向?yàn)榱?，由南向東向北為負(fù)，由南向西向北為正，如太陽(yáng)在正東方，方位角為-90°，在正東北方時(shí)，方位為-135°，在正西方時(shí)方位角為90°，在正北方時(shí)為±180°。 </p><p>

56、;　　太陽(yáng)高度角與地面的太陽(yáng)光強(qiáng)弱密切相關(guān)。早晚與中午的光強(qiáng)有很大的差異，原因就在于太陽(yáng)高度角的不同。在晴天條件下，太陽(yáng)光的強(qiáng)弱與太陽(yáng)高度角的正弦成正比。因此了解太陽(yáng)高度角對(duì)分析地面的太陽(yáng)光強(qiáng)有重要的意義。 </p><p>　　日面中心的時(shí)角，即從觀測(cè)點(diǎn)天球子午圈沿天赤道量至太陽(yáng)所在時(shí)圈的角距離。以地球?yàn)槔?，在地球上，同一時(shí)刻，對(duì)同一經(jīng)度，不同緯度的人來說，太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的時(shí)角是相同的。單位時(shí)間地球自轉(zhuǎn)的角度定義

57、為時(shí)角w，規(guī)定正午時(shí)角為0°，上午時(shí)角為負(fù)值，下午時(shí)角為正值。地球自轉(zhuǎn)一周360°，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為24小時(shí)，即每小時(shí)相應(yīng)的時(shí)角為15°。</p><p>　　太陽(yáng)高度角及方位角計(jì)算公式</p><p>　　根據(jù)下圖所示，設(shè)天球半徑為R，則太陽(yáng)在坐標(biāo)系二中的坐標(biāo)為：</p><p>　　x'=R·cosω，y'=R

58、·cosδsinω，z'=R·sinδ (1)</p><p>　　坐標(biāo)系二繞Y軸的旋轉(zhuǎn)矩陣為: </p><p><b>　　(2) </b></p><p>　　根據(jù) [x, y, z] = [x', y', z']A，可得太陽(yáng)在坐標(biāo)系一中的坐標(biāo)：&l

59、t;/p><p>　　x = R(cosδcosωsinФ-sinδcosФ)</p><p>　　y = R·cosδsinω</p><p>　　z = R(sinФsinδ+cosФcosδcosω)</p><p>　　因此，可求得太陽(yáng)高度角h，方位角A計(jì)算公式分別為：</p><p>　　sinh =

60、z/R = sinФsinδ+cosФcosδcosω (3)</p><p>　　cos(A-180°) = x/(R·cosh)</p><p>　　= ( cosδcosωsinФ-sinδcosФ)/cosh</p><p>　　= (sinh·sinФ-sinδ)/(cosh·cosФ) (4)<

61、;/p><p>　　sin A= cosδ·sinω/cosh (5) </p><p>　　圖2.1 太陽(yáng)位置示意圖</p><p>　　對(duì)某一地點(diǎn)來說當(dāng)?shù)氐乩砭暥颧妒谴_定的，太陽(yáng)赤緯角δ、太陽(yáng)時(shí)角ω是太陽(yáng)在赤道坐標(biāo)系中的位置，只要算出δ、ω兩個(gè)參數(shù)值便可得出太陽(yáng)在地平坐標(biāo)中的位置。 上圖中τ即時(shí)角ω。實(shí)際應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提

62、供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。這是比較先進(jìn)的跟蹤系統(tǒng)?？紤]到成本本設(shè)計(jì)沒有采用定位系統(tǒng)。而是采用通訊的方法。 </p><p>　　太陽(yáng)能電池板跟蹤參考坐標(biāo)系</p><p>　　由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽(yáng)位置相對(duì)于地面靜止物體的運(yùn)動(dòng)。這種

63、變化是周期性和可以預(yù)測(cè)的。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個(gè)23°27′的夾角，引起了太陽(yáng)赤緯角在一年中的變化。冬至?xí)r這個(gè)角為-23°27′，然后逐漸增大，到春分時(shí)變?yōu)?°并繼續(xù)增大；夏至?xí)r赤緯角達(dá)到最大的23°27′。并開始減小；到秋分時(shí)赤緯角又變?yōu)?°，并繼續(xù)減小，直到冬至，另一個(gè)變化周期開始。赤緯角可由Cooper(1969)的近似計(jì)算公式求得：</p><p&g

64、t;　　δ=23×45sin[360×(284+n)/365] （6） </p><p>　　式中，δ-赤緯角，n-年中的第幾天。 </p><p>　　在一天當(dāng)中，太陽(yáng)赤緯變化很小，位置變化主要由地球自轉(zhuǎn)引起。一天當(dāng)中隨時(shí)間變化引起的太陽(yáng)位置的變化可由太陽(yáng)時(shí)角ω表示，太陽(yáng)在正午時(shí)為0°，每小時(shí)變化15°，上午為正，下午為負(fù)。因此有： </

65、p><p>　　ω=(12-T) ×150 （7） </p><p>　　式中，T-當(dāng)?shù)貢r(shí)問。 圖2.2 地平坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)圖</p><p>　　圖2.1為地平坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，水平面為基本面，坐標(biāo)為高度角(用圓弧GG′表示)和方位角(用圓弧SG′表示)，在跟蹤過程中，鉛垂軸jj′相對(duì)于地平坐

66、標(biāo)系為靜止?fàn)顟B(tài)，水平軸dd′則在水平面內(nèi)繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2.2為極軸坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，天文赤道面為基本面，坐標(biāo)為時(shí)角(用圓弧S′G′表示)和赤緯(用圓弧GG′表示)，跟蹤過程中極軸jj′相對(duì)于極軸坐標(biāo)系為靜止?fàn)顟B(tài)，赤緯軸dd′則在赤道面(或其平行面)內(nèi)繞極軸轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　因?yàn)樵谔烨蛏系乃袌A圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾畫出的圓。同時(shí)由于鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準(zhǔn)儀所定出的水平線

67、是在幾何坐標(biāo)系中惟一能容易直接觀測(cè)的參考方向，所以地平參考系一直是實(shí)用中必不可少的媒介系統(tǒng)。在實(shí)際觀測(cè)中，最重要的幾何坐標(biāo)系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標(biāo)系。因此目前多種太陽(yáng)能發(fā)電裝置均采用地平坐標(biāo)。</p><p><b>　　光伏電池的特性分析</b></p><p><b>　　光伏電池的光伏效應(yīng)</b></p>

68、<p>　　當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。例如，當(dāng)光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子—電子和空穴。由于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各向相反方向運(yùn)動(dòng)，離

69、開勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)升高，N區(qū)電勢(shì)降低，P-N結(jié)兩端形成生電動(dòng)勢(shì)，這就是P-N結(jié)的光伏效應(yīng)。如將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，P-N結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。</p><p>　　溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響</p><p>　　圖2.3不同溫度下的光伏特性</p><p>　　光伏電池的伏安曲線；（b）光伏

70、電池的功率電壓曲線 </p><p>　　溫度上升將使光伏電池開路電壓Voc下降，短路電流則略微增大，日照強(qiáng)度不變時(shí)，不同溫度下的光伏電池的效率變化很大。由公式可知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光器的聚光倍數(shù)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。</p><p>　　太陽(yáng)的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響&

71、lt;/p><p>　　圖2.4a中的伏安特性曲線是在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下得到的，在實(shí)際運(yùn)用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會(huì)隨著兩者的變化而變化。圖2.4b是溫度不變時(shí)，不同日照強(qiáng)度下的光伏電池的特性曲線。</p><p>　　圖2.4不同日照強(qiáng)度下的光伏特性</p><p>　?。╝）光伏電池的伏安曲線（b）光伏電池的功率電壓曲線 </p>&

72、lt;p>　　從上圖曲線中得到，電池的開路電壓近似的與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。光強(qiáng)從200-1000W/m開路電壓變化比較平穩(wěn)。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)早晨光線不強(qiáng)和中午烈日當(dāng)空時(shí)，所測(cè)量的開路電壓相差不大，而天空光線極差時(shí)，開路電壓會(huì)直線下降，幾乎為0。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加。</p><p>　　所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。對(duì)于一個(gè)給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn)換效率決定

73、了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本，但是聚光器對(duì)光照條件要求比較高，最主要是要求光線要近乎垂直地照射到太陽(yáng)能電池板上。所以太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)就顯得十分有必要，而且該跟蹤系統(tǒng)的精確度直接影響到發(fā)電效率。</p><p>　　光伏電池的I-V和P-V特性曲線</p&g

74、t;<p>　　光伏電池的伏安特性是一定光強(qiáng)、一定溫度下，電池的負(fù)載外特性，直接反映出電池輸出功率。在一定的光強(qiáng)的照射下，特性曲線完全由電池的P-N結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。對(duì)應(yīng)不同的光照強(qiáng)度時(shí)，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱和橫坐標(biāo)分別為工作電流和工作電壓，兩者之積即為電池的輸出功率P，即P=VI。如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5光伏電池的

75、I-V和P-V特性曲線</p><p>　　可以看出，此I-V曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個(gè)最大功率輸出問題，在第四章中將對(duì)此問題進(jìn)行研究。在P-V特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長(zhǎng)輸出功率先上升然后下降，說明存在一個(gè)端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟I-V曲線說明了同一個(gè)問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。</p><p>　　太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的控制目標(biāo)與控

76、制方案</p><p><b>　　控制方案選擇</b></p><p>　　目前比較先進(jìn)的程序跟蹤方法是根據(jù)太陽(yáng)軌跡算法的分析，太陽(yáng)軌跡位置由觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來確定。在應(yīng)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(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。但是上述方法

77、是有一些缺點(diǎn)的，主要是程序的計(jì)算量太大，從而影響到響應(yīng)的速度，而且對(duì)CPU要求很高。另一方面就是成本問題，GPS提供數(shù)據(jù)，成本會(huì)大大的提高，所以綜合考慮整體運(yùn)用通訊的方法將數(shù)據(jù)提前存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，單片機(jī)只需從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)即可。跟蹤系統(tǒng)具體參數(shù)如下圖所示：</p><p>　　圖3.1跟蹤系統(tǒng)具體參數(shù)</p><p>　　該控制系統(tǒng)采用光時(shí)互補(bǔ)的控制方案，即以程序跟蹤做為粗調(diào)，光電跟蹤作

78、為細(xì)調(diào)。其中程序跟蹤的控制方案為：根據(jù)天亮?xí)r間，比如夏天的時(shí)候6點(diǎn)天亮，這樣就要使程序定在6點(diǎn)的時(shí)候啟動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。而冬天的時(shí)候要等到8點(diǎn)才啟動(dòng)。天黑時(shí)方案同理，將系統(tǒng)關(guān)閉，夏天和冬天關(guān)閉的時(shí)間是不一樣的。同時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)之前將電池板從最西方調(diào)整到最東方等待下一天太陽(yáng)的升起。當(dāng)啟動(dòng)后采用30分鐘調(diào)整一次，可以防止電機(jī)盲目轉(zhuǎn)動(dòng)又可以節(jié)省電機(jī)耗能。將程序的參數(shù)通過通訊存儲(chǔ)到EEPROM中。程序的數(shù)據(jù)可以修改，使用靈活方便。可以自動(dòng)調(diào)整誤差，可以避

79、免灰塵等其他因素照成的誤差，即不受外界干擾。</p><p>　　光電跟蹤作為程序跟蹤的補(bǔ)充，對(duì)電池板位置進(jìn)行精確的調(diào)整。設(shè)計(jì)光電跟蹤時(shí)首先涉及到硬件，光電傳感器用光敏電阻來設(shè)計(jì)，選用GL5516型號(hào)電阻。當(dāng)烏云遮擋時(shí)根據(jù)光電傳感器的光強(qiáng)信號(hào)可以自動(dòng)停止光電跟蹤。還有步進(jìn)電機(jī)，采用DC24V，120W的步進(jìn)電機(jī)適合驅(qū)動(dòng)4×4m的電池板。PG120L3減速器減速比30:1可以將步進(jìn)電機(jī)的每一步角度降得很低

80、。可以滿足0.1的精度要求。</p><p><b>　　控制方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　光敏電阻設(shè)計(jì)的傳感器</p><p>　　圖3.2 光電傳感器鏡筒圖</p><p>　　θ為太陽(yáng)入射光線與主光軸的夾角，d為光電傳感器上的太陽(yáng)像直徑。根據(jù)幾何光學(xué)原理可得： </p><

81、;p>　　光電傳感器直徑為25mm，可計(jì)算出光電池的檢測(cè)范圍為1.48°，太陽(yáng)像直徑約為3.8mm, 即當(dāng)粗跟蹤將傳感器主光軸與太陽(yáng)入射光線間的夾角調(diào)節(jié)至1.48°以內(nèi)時(shí)，太陽(yáng)像便能全部呈現(xiàn)在光傳感器筒內(nèi)電阻上。</p><p>　　由光敏傳感器采集太陽(yáng)與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電

82、路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)緩慢調(diào)整角度。直到太陽(yáng)光線完全垂直照射電池板。其中電源的電取自太陽(yáng)能電池板；光電傳感器利用光敏電阻特性設(shè)計(jì)而成。如上圖所示當(dāng)A與D被遮擋這是A與B之間電阻值相差很大這樣傳感器就會(huì)產(chǎn)生電壓差送入單片機(jī)處理經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)緩慢調(diào)整角度。直到A與B沒有電壓差未止。C與D同理。當(dāng)A,B與C,D都沒有電壓差時(shí)即陽(yáng)光正對(duì)電池板和傳感器鏡桶時(shí)，光敏電阻E

83、對(duì)不同的光強(qiáng)會(huì)有不同的電阻值，產(chǎn)生不同的電壓信號(hào)給單片機(jī)處理，當(dāng)烏云遮擋時(shí)，光強(qiáng)很弱，單片機(jī)就可以停止光電跟蹤，避免了盲目跟蹤。</p><p>　　跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖</p><p>　　圖3.3 跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖</p><p>　　系統(tǒng)整體框圖如上圖所示：其控制過程是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與光電跟蹤的結(jié)合方式。先從電腦中將確定地理位置信息的太陽(yáng)高度角方

84、位角的數(shù)表傳入到存儲(chǔ)器中該數(shù)表是高度角（方位角）隨天數(shù)與小時(shí)數(shù)變化的二維變量。單片機(jī)從實(shí)時(shí)時(shí)鐘中讀出時(shí)間信息，從存儲(chǔ)器中查數(shù)表，得出高度角與方位角發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這樣程序法的初步定位完成了。光電傳感器通過電池板的位置信號(hào)，得出信號(hào)差傳入到單片機(jī)中發(fā)出驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，調(diào)整電機(jī)直到精確位置。</p><p>　　太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.4太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置圖</p&g

85、t;<p>　　1-支座；2-支柱；3-電池板支架；4-銷軸；5-減速箱體（含電動(dòng)機(jī)）；6、15-主軸；7-絲桿；8-橫支架；9、5-電機(jī)；10-減速器；11-鉸鏈為方位軸和俯仰軸。</p><p><b>　　1．東西方向跟蹤</b></p><p>　　在減速箱體5內(nèi)安裝由電機(jī)等構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主軸通過軸承安裝在減速箱體上，主軸的下端固定在支座1上，

86、支柱2的下端固定在減速箱體上，支柱2的上端通過銷軸4與電池板支架連接。電機(jī)通過帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)減速箱體、電池板支架轉(zhuǎn)動(dòng)，完成東西方向的跟蹤。</p><p><b>　　2．南北方向跟蹤</b></p><p>　　支柱2上設(shè)置一個(gè)橫支架8，橫支架8端部鉸接一個(gè)減速器10，減速器中設(shè)有蝸桿（圖中未畫出）與電機(jī)9相連，蝸桿與設(shè)在減速器中的蝸輪嚙合，蝸輪中心設(shè)有螺孔與

87、絲桿7連接配合，絲桿7的一端通過鉸鏈11與電池板支架連接。電機(jī)9通過蝸輪蝸桿、絲桿螺孔機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電池板支架轉(zhuǎn)動(dòng)，完成南北方向的跟蹤。</p><p>　　電池板跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　關(guān)鍵器件介紹 </b></p><p>　　STC12C5A60S2簡(jiǎn)介 </p><p>　　STC12C5A60

88、S2系列單片機(jī)是由宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）單片機(jī)。是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速速快8-12倍。內(nèi)部集成2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。</p><p>　　圖4.1 STC12C5A60S2單片機(jī)</p><p>　　它有40個(gè)管腳，分成兩排，每一排各有20個(gè)腳，其中左下角標(biāo)有箭頭的為第1

89、腳，然后按逆時(shí)針方向依次為第2腳、第3腳……第40腳。</p><p>　　在40個(gè)管腳中，其中有32個(gè)腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這32個(gè)腳叫做單片機(jī)的“端口”，在單片機(jī)技術(shù)中，每個(gè)端口都有一個(gè)特定的名字，比如第一腳的那個(gè)端口叫做“P1.0”。</p><p><b>　　主要特性</b></p>

90、<p><b>　　與8051兼容</b></p><p>　　增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度是傳統(tǒng)8051的8-12倍</p><p><b>　　有外部掉電檢測(cè)功能</b></p><p>　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年</p><p>　　工作頻率：0HZ~35HZ</p><

91、;p>　　內(nèi)部RAM1280字節(jié)</p><p><b>　　32可編程I/O線</b></p><p>　　4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　5個(gè)中斷源</b></p><p><b>　　可編程串行通道</b></p><p&g

92、t;　　EEPROM功能，擦寫次數(shù)10萬次</p><p><b>　　管腳說明</b></p><p>　　P0.0~P0.7 P0：P0口既可以作為輸入/輸出口，也可以作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當(dāng)P0口作為輸入/輸出口時(shí)，P0是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。當(dāng)P0作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時(shí)，是低8位地址線A0~A7，數(shù)據(jù)線D0~D7

93、P1.0/ADC0/CLKOUT2 標(biāo)準(zhǔn)IO口、ADC輸入通道0、獨(dú)立波特率發(fā)生器的時(shí)鐘輸出 P1.1/ADC1 。 P1.2/ADC2/ECI/RxD2 標(biāo)準(zhǔn)IO口、ADC輸入通道2、PCA計(jì)數(shù)器的外部脈沖輸入腳，第二串口數(shù)據(jù)接收端 P1.3/ADC3/CCP0/TxD2 外部信號(hào)捕獲，高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出、第二串口數(shù)據(jù)發(fā)送端 P1.4/ADC4/CCP1/SS非 SPI同步串行接口的從機(jī)選擇信號(hào) P1.5/ADC5/MOSI

94、SPI同步串行接口的主出從入(主器件的輸入和從器件的輸出) P1.6/ADC7/SCLK SPI同步串行接口的主入從出 P2.0~P2.7 P2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入輸出口（8位準(zhǔn)雙向口），也可作為高8位地址總線使用。 P3.0/RxD 標(biāo)準(zhǔn)IO口、串口1數(shù)據(jù)接收端 P3.1/INT0非 外</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)介紹</b></p><p>　

95、　步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能

96、正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)

97、用。</p><p><b>　　其具有如下的特點(diǎn)：</b></p><p>　　1）勵(lì)磁繞組上施加的不是一個(gè)恒定的直流或交流電壓，而是采用電子開關(guān)斷續(xù)加以直流電壓，即采用脈沖供電方式，用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。</p><p>　　2）電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，

98、可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　3）步進(jìn)電機(jī)具有加速轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，其性能的提高與控制方式、驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)等有密切的關(guān)系。</p><p>　　4）停止時(shí)，具有自鎖能力，定位精度高。</p><p>　　5）無刷，電機(jī)本體部件少，可靠性高；易于啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性也好。<

99、/p><p>　　6）步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，通常可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型。</p><p>　　圖4.2 步進(jìn)電機(jī)原理圖 &l

100、t;/p><p>　　1、結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)

101、齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如

102、果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)</p><p>　　光敏傳感器及元件 </p><p>　　光敏傳感器是基于光電效應(yīng)、將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，其敏感元件是光電器件。光敏傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。

103、主要有光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池。</p><p><b>　?。?、光敏電阻原理</b></p><p>　　光敏電阻器由能透光的半導(dǎo)體光電晶體構(gòu)成，因半導(dǎo)體光電晶體成分不同，又分為可見光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化鎵晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當(dāng)敏感波長(zhǎng)的光照半導(dǎo)體光電晶體表面，晶體內(nèi)載流子增加，使其電導(dǎo)率增加

104、（即電阻減?。?。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。</p><p><b>　　2、光敏電阻的應(yīng)用</b></p><p>　　光敏電阻器廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用

105、電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)中的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是CDS光敏電阻。光敏二極管CDS是一種電阻值隨光照強(qiáng)度變化而變化的感光電阻，本系統(tǒng)采用3個(gè)光敏電阻作為傳感器來檢測(cè)天空光線的變化，跟蹤太陽(yáng)的位置。</p><p>　　光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見光的測(cè)量。選用的型號(hào)是GL5516，它的暗電阻為100K歐，亮電阻為

106、5～l0K歐。CDS的阻值變化與光照的變化之間的關(guān)系是線性的，它的阻值的變化是在一個(gè)范圍內(nèi)沿著一條直線上升或下降。</p><p>　　圖4.3 GL5516光敏電阻</p><p><b>　　CPU模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　CPU模塊負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)處理，電機(jī)控制與電腦通訊，同時(shí)協(xié)調(diào)控制各功能電路工作。本設(shè)計(jì)采用宏晶公司的高性能8

107、位單片機(jī)STC12C5A60S2。CPU模塊可以說成一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，由CPU、供電電源、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。CPU在電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路的作用下正常工作，通過EEPROM電路存取運(yùn)行參數(shù)。CPU電路設(shè)計(jì)中引腳功能定義是很重要但是也最基本的工作。</p><p><b>　　在本系統(tǒng)中：</b></p><p>　　P0口作為I/O接口，負(fù)責(zé)指示燈控制信號(hào)；<

108、/p><p>　　P1口作為I/O接口，光電信號(hào)輸入；</p><p>　　P2口作為數(shù)據(jù)接口，負(fù)責(zé)從EEPROM中讀出數(shù)據(jù)與存入數(shù)據(jù)；</p><p>　　P3口作為串行通信接口。</p><p>　　CPU硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖4.4 CPU硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　

109、　CPU 模塊電路原理圖</p><p>　　圖4.5 CPU模塊原理圖</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　為確保單片機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般單片機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它