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第 1 章 绪 论1 第 1章 绪 论1.1 太阳能利用的前景当今，煤，石油，天然气等常规矿产能源，储量越来越少，世界各大经济体都面临能源危机。按照目前的开采和使用速度，己探明的矿产能源仅够人类再利用几十年，可以说，己经是处在日益枯竭的形势之下。为了能够获得更多的资源，在石油储量丰富的地区，一直以来冲突不断，而且有外部势力的干预。为了得到能源，保证经济这架大车的正常运转，不惜以战争为手段，以人民的生命为代价。中国，作为世界上最大的发展中国家，对石油的依赖程度很高。以2010 年为例海关总署公布的数据显示， 2010 年全年我国进口原油 2.39 亿吨，去年全年原油产量 2 亿吨，对外依存度逼近 55。我国已经进入能源预警阶段。根据国家能源局的报告，到 2010 年中国已成为世界第一大能源消费国。其中 , 电力消费从 2005 年的2.5 亿千瓦时增加到 2010 年的 4.2 亿千瓦时，年均增长 11.1；煤炭消费量从 2005 年的 23.18 亿吨增加到 2010 年的 32 亿吨 , 年均增长 6.8；石油消费从 3.25 亿吨增加到4.28 亿吨，年均增长 5.7；天然气消费从 468 亿立方米增加到 1090 亿立方米，年均增长 18.5； 非石化能源消费从 1.6 亿吨标准煤增加到 2.6 亿吨标准煤， 年均增长 10.1。“十二五” 期间我困能源消费总量将增加 8 亿至 1 亿吨标准煤， 年均增长 4.8至 5.5，到 2015 年能源消费总量达 41 亿至 42.5 亿吨标准煤。从以上的数据，很容易看出，完全依靠煤炭 石油等常规能源，是无法满足未来社会经济发展对于能源需求的 [1] 。另外一个方面，矿产能源在使用中产生的二氧化碳会造成温室效应；其它的废渣废气对环境造成了无法挽回的损失。即使是这些能源本身泄漏都会对环境造成危害，如石油管道损坏造成的石油泄漏。基于以上两个方而的原因，人类正在寻找更适合的能源。希望能够逐步取代常规的矿产能源。在填补现有能源不足的同时，也为保护环境做积极的改善。目前所开发和利用的新能源主要有核能、风能、太阳能、潮汐能等。其中，风能、太阳能、潮汐能都是利用自然界原本的能力，主要是一个转换利用的过程。而核能的利用则是一把双刃剑，在高效的同时，人类也为它的使用付出了沉重的代价，切尔诺贝利核电站爆炸，日本福岛电站泄漏，这些情景都依然清晰。太阳能电池板自动跟踪系统的设计2 太阳能是分布最广， 也是最容易获取的 “清洁” 能源。 人类很早就开始利用太阳能。随着温室气体排放以及能源枯竭等问题越来越严重， 世界上越来越多的国家和地区开始重视太阳能的开发利用。相比其他新能源而言，太阳能具有安全、使用方便、范围广等特点 [2] 。其储量巨大，可以广泛地利用。每年到达地球的太阳能可达 1.73Kw，其中到达地球表面的约为 8.1Kw。人类可以转化和利用的部分约为 1.7Kw。按照目前人类消耗能量的速度，每年的获取量都可以供人类使用几千年。对于人类而言，太阳就是一个取之不尽，用之不竭的能源基地，只要太阳东升西落不变，人类就可以一直获得充足的能源。即或是只利用照射到陆地部分的太阳能，也足够人类的使用了。随着技术的发展，突破技术瓶颈后，太阳能转换效率上提高，能够将大部分能量转换，再增大开发利用的规模，就可以更加广泛的利用太阳能了。太阳能的利用方式有很多种，目前太阳能的利用形式主要有光热利用，光伏发电转换利用和光能化学转换利用三种形式。太阳能光伏发电作为太阳能利用的主要方式 , 发展应用前景非常广阔。太阳能的总能量非常大，但是平均密度不高，需要很大的面积才能获得较大的能量。太阳能利用的核心问题就在于两个方面一是光伏电池的转换效率问题，即在接收太阳能时能将太阳能转换为电能的比例；二是太阳能板如何对准太阳，因为太阳与地球平面是相对运动的，且是在两个方向上运动，如何高效的跟踪上太阳就成为了一个问题。目前，在太阳能开发利用领域中，如何提高太阳能辐射的接收效率，依然是国内外相关领域的研究热点。 而提高接收效率的重要途径之一就是进行太阳的自动跟踪。当然，此方法是在光伏电池转换效率一定的基础上做的改善工作。太阳能自动跟踪系统就是利用太阳与地球相对运动的规律来进行定位跟踪的系统。太阳的视位置，在天空中的运动是可以测算的，每天东升西落，具体时刻对应的太阳的位置，是可以提前计算得到的。系统根据这种已知的位置，即可以通过调整系统自身的位置，使太阳能接收板始终对准太阳。太阳入射光线垂直地照射到太阳能电池接收板上时，太阳能的接收效率最高，所获得的能量也就最高。再将辐射能通过光伏设备转化为电能，集中起来方便人们的使用。1.2 太阳能跟踪控制器的发展状况当前，各种类型的太阳能跟踪控制系统，可以分为两类机械跟踪系统和电控跟踪系统。机械跟踪系统一般为压差式。电控跟踪系统可分为光电传感式跟踪控制系统和视第 1 章 绪 论3 日运动轨迹跟踪系统 [3] 。下面分别对这些系统作简要的介绍 [4] 1 压差式跟踪系统的基本工作原理是 跟踪系统没有对准太阳 , 即太阳能光线没有垂直照射到系统时， 系统内部密闭容器两侧受光而积不同， 介质会因光照的不同发生相应的物理变化，产生不同的压力，从而在两侧形成压力差。在这种压力差的作用下，使跟踪控制系统做相应方向的运动，重新调整，直到两侧的压力相同。此时，容器两侧受光相同，系统对准到太阳。根据密闭容器里存储的介质，可以将压差式太阳能跟踪系统分为液压差式、气压差式、重力差式等。这类跟踪控制系统机构结构简单，造价较低，不用电子控制部分和外部电源，为纯机械控制系统。但该系统有局限性，一般只能用于单轴跟踪系统，跟踪精度很低。因此，此系统仅适用于一般用户的低需求时采用。2 光电传感式太阳能跟踪控制光电传感式太阳跟踪控制系统采用光敏硅光电管、硅光电池等元件。目前国内较常用的光电跟踪系统有电动式、重力式、电磁式。这些光电跟踪控制系统都采用光敏元件作为传感器。在这类跟踪控制系统中，传感器一般安装在采光板上或固定的位置，通过电机的转动来调整采光板的位置使采光板正对太阳。当太阳向西移动时，采光板的跟着偏移，光电传感器因受到阳光照射会输出一定值的电压或电流，作为输入信号，经放大电路放大，由电机转动调整太阳能采光板的角度使跟踪系统对准太阳。光电传感器式跟踪具有灵敏度高，反应快等优点，机械结构设计相对简单，但容易受天气的影响，若出现阴天或云遮住太阳的情况，太阳光线经过散射，就会导致跟踪控制系统无法对准太阳实际的位置，甚至引起执行机构的误动作，使跟踪失败。3 视日运动轨迹跟踪控制视日运动轨迹跟踪控制系统按系统的轴数，分为单轴跟踪和双轴跟踪两种单轴跟踪方式一般分为三种方式倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。以上三种跟踪方式都是单轴转动的南北向跟踪或东西向跟踪，工作原理相同。跟踪系统的转轴 或焦线 东西向布置，由预先计算好的太阳赤纬角的变化，即跟踪角度，使太阳能采集板绕转轴作俯仰转动。采用此种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构比较简单，由于入射光线不能始终与太阳能接收板垂直，太阳能的利用率相对较低。太阳能电池板自动跟踪系统的设计4 综上，在以上各种跟踪控制系统中，纯机械式的跟踪控制器精度较低，但是跟踪太阳的目的在于提高太阳能的利用率，如果精度低，跟踪利用率就比较低，要提高利用率就要在添加其它设备，额外提高了成本。光电传感式太阳跟踪控制系统的精度较高，但如上所述还存在不少问题。如果要提高太阳能的利用效率，需要进一步的研究和探讨，开发出真正高精、实用、廉价的太阳能自动跟踪器， 本文将对此做进一步研究。1.3 研究的目的和意义综上可知，太阳能作为一种新型的绿色能源，有着广泛的发展前景。但是由于太阳能本身的缺点， 现在对太阳能的利用率普遍较低， 并且现有跟踪控制器也有着各种缺点。为了尽可能的提高太阳光能的利用效率，改进现有太阳能跟踪控制的缺点，本文设计的一种高精度太阳能跟控制系统。 这种跟踪控制系统采用软件控制和传感器控制相结合的方法，设计合理的机械结构，通过硬件控制系统，来实现高精度的太阳跟踪。第 2 章 太阳跟踪装置的设计及方案5 第 2 章 太阳跟踪装置的设计及方案为了提高太阳能的利用率， 本文提出了一种基于单片机的固定轨迹粗略跟踪与光电传感器精确跟踪的双模式太阳能跟踪控制器。其中，固定轨迹跟踪方式是使跟踪装置的控制器根据相关的公式和参数计算出白天太阳的位置（视日运动），再转化成相应的脉冲发送给驱动器，驱动电机实时跟踪太阳。光电传感器精确跟踪控制是由 5 个普通的光敏二极管来实现，精确地跟踪太阳光信号的最强点，使太阳光垂直照射电池板，提高太阳光能的利用率。2. 1 太阳跟踪器工作原理太阳的光照强度是随着天气变化而实时变化的，当光照强度较好时，光电传感器对光线比较敏感， 此时选用自动追踪模式 即光电跟踪 ； 当天气不好、 光照强度比较弱时，漫反射的加重对光电传感器产生很大的干扰，这种情况下选用固定跟踪模式。图 2.1 所示为系统硬件结构，本系统采用双轴跟踪，利用高度角方位角式跟踪，采集来的信号通过特定的电路进行处理后，输入单片机内，经过单片机内部程序的处理得到太阳位置偏差角度，进而驱动电机实现对太阳的精确跟踪。图 2.1 太阳能跟踪系统基本框图2.2 太阳能跟踪器各模块设计2.2.1 固定轨迹跟踪模块虽然太阳位置是实时变化的，但是它的运行规律还是可循的。软件算法主要根据太阳的运行规律计算其实时方位角和高度角，以及太阳能跟踪控制器的水平角和仰角。利传感器 单片机驱动 1驱动 2电机 A高度角 电机 B方位角 太阳能电池板自动跟踪系统的设计6 用时钟芯片和单片机控制单元按照太阳运行遵循的公式计算得到太阳的实时位置， 通过指令使电机驱动太阳跟踪装置，实现太阳实时跟踪 [5] 。（ 1） Cooper方程太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以占表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士 23° 27′的范围。夏天最大变化到夏至日的 23° 27′；冬季最小变化到冬至日的 -23 ° 27′。太阳赤纬随季节变化，按照 Cooper方程，2-1 式中， n为一年中的天数，如 在春分， n81，则 0，自春分日起的第 d天的太阳赤纬为 2-2 （ 2）太阳角的计算如图 2.2 所示，指向太阳的向量与天顶 Z的夹角定义为天顶角，用表示；向量与地平面的夹角定义为太阳高度角，用 h表示；图 2.2 太阳角的定义第 2 章 太阳跟踪装置的设计及方案7 在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用表示。太阳的时角用表示，它定义为 在正午时 0，每隔一个小时增加 15°，上午为正，下午为负。1）太阳高度角计算太阳高度角的表达式为（ 2-3 ）式中，为地理纬度；为太阳赤纬；为太阳时角。正午时 ，，， 2-3 式可以简化为因为，，所以（ 2-4 ）正午时，若太阳在天顶以南，即，取从而有（ 2-5 ）在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有，从而 h90°。2）太阳方位角太阳方位角按下式计算，2-6 也可用下式计算，2-7 根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式 2-6 或者式 2-7 中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。3）日照时间太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角 h0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，可得出日出日没时角表达式2-8 式中 - 日出或日没时角， 以度表示， 正为日没时角 ; 负为日出时角。 对于北半球， 当，解式 2-8 ，有太阳能电池板自动跟踪系统的设计8 2-9 求出时角后，日出日没时间用求出。一天中可能的日照时间由下式给出（ 2-10 ）利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在固定纬度，固定时段计算出太阳在此条件下的方位。从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率。2.2.2 光电传感器跟踪模块光电自动跟踪模式是使用光电传感器作为探测元件， 实时探测太阳位置并将信号送达核心处理芯片进行处理以完成对太阳位置的探测和跟踪。 本文以 5 个光敏二极管为基础，设计光电传感器，来检测阴晴天。当太阳能电池板上的光电传感器即时感应太阳光入射方向，将光信号变成电信号，在经过运放放大后传送给单片机，单片机控制电机运转来改变太阳能板的朝向，以达到更充分接收太阳光的目的 [6] 。因为光电追踪模型种类较多，尤其是在光敏半导体的数量和尺寸上存在差异。当然光敏半导体数量越多，效果越好，但是成本也越高，相应的模型体积也就越大。本次设计综合考虑多种因素后，设计如下模型，如图 2.3， 2.4， 2.5 所示。图 2.3 光敏二极管分布模型 图 2.4 空心开孔圆柱罩模型D1D4 D2D3D0第 2 章 太阳跟踪装置的设计及方案9 图 2.5 光电传感器组合模型如上图形，是由 5 个光敏二极管是按一定分布安装在一个圆盘上面，并在圆盘外套上如图 2.4 所示的中空的圆柱罩，用来筛选接收阳光，以更好的接收太阳光的照射以及避免无谓的干扰。圆柱套顶上有一个透光孔，所以必须正确的选择圆柱罩的高度，太高了会导致阳光射在内壁上，系统会认为是阴天甚至晚上，影响接收效率，或导致系统切换太过频繁而混乱，甚至死机；圆柱罩太低，几个光敏二极管又会随时接收到阳光，系统无从选择，也容易造成混乱。这 5 个光敏二极管以 D0为中心呈十字分布，每个光敏二极管和它周围的二极管都保持一定间隙。间隙太大不但占用空间，而且使得接收范围变得相对狭窄或者接收不到；太近了又容易出现接受混乱（即都接收或都接收不到，而且光反射折射都会有较大的影响）。下面对光电传感器的空间尺寸进行简单的设计，如图 2.6 所示。图 2.6 入射光线示意图R空心圆柱罩光敏二极管5mmr入射光线太阳能电池板自动跟踪系统的设计10 首先确定圆柱罩上的开孔直径 设定的是当正中央的 D0 被太阳垂直照射时 , 电机不转动。 因此空心圆柱罩的开孔不能过大， 过大会同时照射到其它二极管， 造成系统混乱当然也不能过小，过小会导致入射光线不够 , 而出现产生的电流不足以被单片机接收到的信号。为了检测方便，把开孔的直径 R设定为光敏二极管的直径，一般选为 5mm，并和 D0处于一个垂直面上，这样在阳光垂直入射时，就会刚好全面照射到 D0，确保了充足的感应面积。计算各个光敏二极管之间的直线距离因为开孔为 5mm，所以 D0与 D1～ D4两个二级管之间的距离不得小于 5mm，否则在阳光斜射时很可能会同时照射到两个二极管上，造成电位冲突，引起系统混乱；但如果两个二极管距离过大，则有可能在一定的时间内阳光照射不到任意一个二极管时 , 没有感应光电流产生 , 也会造成系统混乱。因此，最好的情形就是在阳光刚好完全离开一个二极管时，又照射到另一个二极管，这样任何时候都会检测到高低电位。然而由于夏天太阳的照射太过强烈 , 有可能会导致太阳光即时刚好处于 2 个二极管之间的空隙时 , 因反射和折射等问题 , 导致相邻的两个二极管都产生感应电流 , 从而导致了系统的混乱 , 所以需要把二极管之间的距离增加到比二极管的直径稍微再大上一点，取为 6mm。如果 D1～ D4刚好处于东南西北四个正方向 , 但是依然会可能出现阳光偏移时 , 从东北、西北、东南、西南四个斜向经过，那么很可能照射不到任何二极管，这一点因为引入了太阳角度追踪模块而得到了纠正，在介绍太阳角度追踪模块时，可以得知，通过单片机的计算，控制电机使太阳能板上的东西方向基本上每天都是和太阳运行轨迹在同一平面内，比较彻底的解决了这个问题。计算圆柱的高度 H 假设太阳入射角度不垂直 , 而是一个倾斜角， 则可以根据来计算出圆柱罩合适的高度。因为系统设定的是假如检测到 D0 是高电位，证明此事入射光与太阳板垂直， 那么会待机 15 分钟以后再次检测。 因为 15 分钟之内的太阳移动角度不大，但是如果圆柱罩过矮，就会造成 15 分钟后，光线依然照在 D0上，甚至由于角度不够，阳光根本照射不到四周的光敏二极管上，但实际光线已经不与太阳能板垂直了，这样造成接收效率降低；相反，如果圆柱罩过高，入射光线角度只要稍微偏离一点，就可能造成射到圆柱罩的内壁，系统也会产生误判而紊乱，此两种情形如下图所示 . 因此 , 最好的情况是在 15 分钟内 , 阳光在圆柱罩内圆盘上移动的距离 X不小于 0.5 个光敏二极管的直径 2.5mm，但是也不超过 1.5 倍光敏二极管直径加 6mm的间隙 13.5mm。可以得出以下公式第 2 章 太阳跟踪装置的设计及方案11 （ 2.5 ≤ x≤ 13.5 ） （ 2-1 ）因此（ 2-2 ）又因为 15 分钟太阳移动的角度几乎为一个定值，即太阳白天 12 小时移动，即 1小时移动，所以 15 分钟接近移动，因为≈ 0.07 ，因此可计算出 36mm≤ H≤ 193mm。综合考虑到圆柱罩不宜过高，且尽量避免在每 15 分钟时恰好出现光线移动到两个二极管质之间的间隙中，因此取柱高为 H40mm。2.3 机械部分的设计2.3.1 机械传动机构的设计本追光系统采用双轴跟踪方法， 即太阳能电池板通过绕数值轴和水平轴独立动作而改变系统的方向角和俯仰角。本双轴自动追光系统的机械部分由太阳能电池板（中间带有光电传感器）、 T 型支架、连杆、凸轮、蜗轮蜗杆减速机构和 2 个步进电机组成。如图 2.7 所示 [7] 。图 2.7 双轴跟踪系统结构图T型支架 蜗轮蜗杆底座步进电机 B万向铰链万向铰链连杆步进电机 A 凸轮太阳能电池板光电传感器太阳能电池板自动跟踪系统的设计12 由步进电机 A带动经蜗轮蜗杆减速器减速后驱动 T 型支架（上装有竖直轴）实现水平方向转动，即方向角的调整。由步进电机 B 带动凸轮机构使太阳能电池板绕水平轴转动而实现对俯仰角的调整。通过对步进电机的控制，从而使太阳能电池板与太阳光线垂直。2.3.2 涡轮蜗杆传动机构的使用本部分的传动机构选用了蜗轮蜗杆传动。 该结构可将运动依靠两个交错的轴承来传递（一般交错角为 90 度），蜗杆是主动件，涡轮为从动件。蜗杆传动有以下优点1. 传动比大在动力传动中，单级传动比一般为 8～ 80，在分度机构中或传递运动时传动比可达 1000，因传动比大，因而结构很紧凑。2. 工作平稳噪声小涡轮齿为连续不断的螺旋形，在与涡轮啮合过程中是连续的，同时啮合的齿对数又较多，故传动平稳、噪声小。3. 可以自锁当蜗杆的导程角小于当量摩擦角时，蜗杆传动可实现自锁。蜗杆传动适用于传动比大、而传动效率不大且做间歇运动的设备。这正适合本系统的传动要求。2.3.3 驱动电机的选择本太阳能自动跟踪系统要求能够比较准确的跟踪太阳位置， 因此要求驱动电机能够准确的把电信号转化为电机轴上的角位移。于是本系统选取步进电机作为驱动电机 [8] 。步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电动机的移量或者线位移量 S 与脉冲数 k 成正比；它的转速 n，或者线速度 v 与脉冲频率 f 成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。 因而可适用于开环系统中作为执行元件， 使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速 ; 能够快速反转和制动。它不需要变换可直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步动机就转动一个角度，因此作常适合于单片机控制。本文采用型号 57BYGH8404[9] 的 2 相式混合步进电机。该电机步距角为 1.8 °，额定电流为 3.0A，静力矩为 17Kg.cm，转动惯量为 440g.cm2。第 2 章 太阳跟踪装置的设计及方案13 2.4 系统的总体设计思想在太阳能追踪器设计完成的情况下，通过大量查阅资料以及了解一些具体实例，在上述基础上，为了更好的实现自动跟踪系统的功能，采取下列措施1． 采用 AT89C51单片机作为系统的核心。2． 利用 2.2.2 所设计的光电传感器进行白天还是黑夜， 晴天还是阴天的程序运行。3． 对光电检测部分进行电路设计，并连接单片机，以达到有效地控制。4． 可以使用 LED显示器，时钟电路可以采用串行时钟芯片 DS1302. 5． 控制部分首先将单片机发出的信号放大，然后发送给电动机，电机获得信号后执行动作，从而实现追踪功能。6． 机械装置采用蜗轮蜗杆传动，达到减速和改变运动方向的目的。系统框架图如图 2.8 所示。图 2.8 太阳自动跟踪系统框图光电检测单片机白天 黑夜YN系统中断进入等待晴天 启动光电检测追踪模式阴天YN启动固定轨迹追踪模式比较电路单片机电机运转电池板调节进入时钟模块利用内设函数计算太阳高度角和方位角太阳能电池板自动跟踪系统的设计14 2.5 本章小结本章主要阐述的内容是太阳能追踪系统的总体设计思想和方案。 为了实现本任务和目的，介绍了应采取的措施，确定了光电跟踪与固定轨迹跟踪两种跟踪方式结合在一起使用的方案，并进行了相关说明。在此基础上，自行设计了光电传感器，并对整体机械模块进行了设计与说明。第 3 章 硬件系统部分的设计15 第 3 章 硬件系统部分的设计3. 1 AT89C51 单片机简介本单元的主要功能是接收由光电检测电路所发出的信号， 据此信号来控制电机的驱动电路，从而实现对电动机的控制，进而实现对太阳的追踪。它是整个系统的核心。本系统所选用的单片机为 AT89C51型单片机。AT89C51单片机因其强大的功能而被广泛的使用，它的性能如下 [10] （ 1） 4KB可改写程序 Flash 存储器（ 2）全静态工作 0Hz～ 24Hz （ 3） 3 级程序存储器保密（ 4） 1288 字节内部 RAM （ 5） 32 条可编程 I/O 线（ 6） 2 个 16 位定时 / 计数器（ 7） 5 个中断源（ 8）可编程串行通道图 3.1 是 AT89C51的引脚结构图，共有 40 个引脚，双列直插封装方式。太阳能电池板自动跟踪系统的设计16 图 3.1 AT89C51 芯片引脚图AT89C51的设计选用的是静态逻辑，也就是说它的频率可以到 0，可以实现空闲模式和掉电模式。在空闲模式中， CPU停止工作，而 RAM、定时 / 计时器、串行口和中断系统都继续工作；在掉电模式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内 RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。3. 2 光电检测电路的设计3.2.1 判断阴晴天的电路设计因为整个系统由两种追踪模式组成，即光电追踪模式和太阳角度追踪模式。当太阳光比较弱的时候光电追踪模式会表现的不灵敏，甚至使系统紊乱。而太阳固定轨迹追踪模式是通过计算太阳高度角和太阳方位角来进行追踪的， 太阳角度追踪模式与太阳光强度没关系。本系统设计的是将光电追踪模式和太阳角度追踪模式结合起来，当阴天的时候，太阳光比较弱，这时系统会由光电追踪模式转换到太阳角度追踪模式。图 3.2 是电路部分。图 3.2判断阴晴天的电路此电路中使用一个光敏二极管来检测太阳光的强弱，用一组运放做比较电路，运放的输出端接到单片机引脚 P0.4 上。即是，晴天时，光电二极管受到的光照强度足以使其导通，运放输出高电位，这时 P0.4 检测到高电位，程序继续运行，通过光电追踪模式进行追踪 [11] ；当太阳光的强度不足以使电路中的光敏二极管导通时，经过比较电路之后，运放输出低电平，这时单片机的引脚 P0.4 检测到地电位，这时利用软件来控制系P0.4GND5V5V100K100 Ω 100 Ω 1K -第 3 章 硬件系统部分的设计17 统启用太阳固定轨迹追踪模式。 这样就可以无论阴天到晴天还是晴天到阴天下的追踪模式的切换。3.2.2 判断昼夜的电路设计检测白天还是黑夜，除了可以用时钟芯片来设定跟踪系统的运行时间范围，当然也可以采用图 4-2 类似的电路所不同的是二极管型号不同，电阻的大小不同，运放输出要接到中断 0 上。即实现如下功能白天时，运放输出高电位，中断 0 检测到高电位，系统没有中断请求， 程序继续运行， 开始检测是阴天还是晴天； 黑夜时， 运放输出低电位，INT0 检测到低电位，外部中断 0 是低电平有效地引脚，因此 INT00 时，向单片机发出中断请求，单片机接到中断请求后，外部中断 0 被激活，进入外部中断 0 处理程序，从而进入等待状态。检测电路如下图 3.3 所示。图 3.3 判断昼夜的检测电路3.2.3 光电检测电路的设计光电检测电路主要是检测太阳的高度角和方位角的变化， 电路中采用了 5 个光敏二极管，排列如图 2-1 所示。将整个光电检测装置（光电传感器）安装在太阳板上，光敏二极管的检测面与太阳能板平行。电路图如图 3.4 所示。D0处在圆盘的中间位置 , 当 D0受到光照时 这时太阳能板正对太阳 ， D0导通， 4 组运放的同相输入端连在一起同时检测到高电位，这时分布在 D0周围的 4 个光敏二极管 D1～D4的正极分别接到了 LM324芯片的 4 组运算放大器 AL1～ AL4的反相输入端， D1～ D4截INT0GND5V5V100K1K 1K -太阳能电池板自动跟踪系统的设计18 止， 4 组运放的反相输入端检测到低电位。由运算放大器的工作原理知，这时 4 组运放的输出端同时输出高电位。 也就是当 D0受到光照时， 单片机 AT89C51的 4 个引脚 P2.0～P2.3 图 3.４光电检测的电路设计同时检测到高电位。因为电路中是利用了运算放大器将 D0和 D1～ D4进行比较，为了系统的正常运行，调节电路中的 5 个电阻值，使得当处在中间位置的 D0 没有受到光照时，同时保证 D1～ D4 中没有受到光照的光敏二极管所对应的运放输出高电位，而受到光照的那个光敏二极管所对应的运放输出低电位。当 D1～ D4中的某一个受到光照时 , 电路工作原理是一样的。以 D1为例当 D1处于导通状态，正如上文所述，这时只有 D1所对应的运算放大器 AL1输出低电位，而与 D0一样没有受到光照的 D2、 D3、 D4 所对应的运算放大器 AL2、 AL3、 AL4 输出高电位，这时对应得 AT89C51的引脚 P2.0 检测到低电位，而 P2.1、 P2.2、 P2.3 检测到高电位。3.3 单片机控制电路的设计----P2.0P2.1P2.2P2.35D0D1D2D3D4AL1AL3AL2AL4200 Ω200 Ω200 Ω200 Ω200 Ω第 3 章 硬件系统部分的设计19 单片机控制电路是用来控制电动机的转动的，由上文所介绍的检测电路检测到光信号 即太阳光的朝向 , 经过比较电路将光信号转换为电信号，单片机据此检测到的电信号来命令控制电路的工作，以达到系统追踪的目的。控制电路时通过两级 NPN管的导通而来控制继电器的吸合或断开， 进而控制电机的工作状态，如图 3.5 所示 [12] 。图 3.5单片机控制电路的设计图 3.5 是控制电路中的一组。当光电二极管受到光照时，通过光电检测电路之后，AT89C51单片机的 P2.0 引脚会检测到低电位， 实现了光信号到电信号的转变， 这时系统需要软件将光电检测部分与控制部分联系起来。可通过软件设计程序，当 P2.0 检测到低电平时， 将 P1.4 清零， 这时控制电路中的第一个晶体管截止， 而第二个晶体管导通，从而继电器吸合，电机转动，这样就达到了对电机的控制。上图中所画出的只是整个控制电路的一个分支， 完整的控制电路由四组与上图完全相同的电路组成，四个分支分别由 AT89C51的四个引脚 P1.4～ P1.7 引出，四组电路接了四个继电器，分别控制两个电机的正反转。3.4 时钟电路的设计本次选择 DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片 DS1302， 它虽然没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果好，同时体积小，连线少，外围只有一个 32.768Hz 晶振，使用灵活。具有 318RAM，可供保存有用数据。 DS1302与单片P1.45V1K 1K 1K K1Q2Q1太阳能电池板自动跟踪系统的设计20 机的通信仅需三根线即 SCLK（串行时钟线）、 I/O （数据线）、 RST（复位线）。数据可以按每次一个字节或多达 31 个字节的形式传送到时钟 RAM或从中送出。串行时钟芯片为了初始化任何的数据传送， 通过把 RST输入驱动至高电平来启动所有的数据传送。 RST提供有两种功能 首先， RST接通控制逻辑， 允许地址 / 命令序列送入移位寄存器； 其次，RST提供了单字节或多字节数据传送的手段 [13] 。时钟 SCLK是上升沿后继以下降沿的序列。数据输入时，在时钟的上升沿前必须有效，而数据位在时钟的下降沿之后输出。如果 RST输出低电平，则 I/O 引脚变为高阻状态，中止数据传送。上电时， Vcc2.5V， RST必须为逻辑 0，当 RST由 0 至 1 状态时，SCLK必须为逻辑 0。DS1302主要引脚有 X1， X2连接 32.768kHz 晶振。 GND电源地。 RST复位， 对芯片操作。 I/O 数据输入、输出引脚。 SCLK串行时钟输入。 VCC1， VCC2主电源与后备电源。如图 3.6 所示。图 3.6 时钟电路3.5 步进电机驱动器电路的设计本文设计的控制器的步进电机采用 SJ-220MA驱动器 [14] 。该驱动器驱动二相混合式步进电机 57BYGH8404。 SJ-220MA驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波恒流驱动，具有很强的抗干扰性、起动频率高、高频性能好、内部信号与控制信号实现光电隔离、电流可调、整半步可自由设定、结构简单、可靠性好、运行平稳、带动 4A 以下所有的42BYG、 57BYG、 86BYG系列步进电机。其电路连接如图 3.7 所示。P0.0P0.1P0.2Vcc1X1X2GNDVcc2SCLKI/ORSTVcc GND32.768Hz电池第 3 章 硬件系统部分的设计21 图 3.7 步进电机驱动器电路SJ-220MA步进电机驱动器接线区可分为三个部分 控制信号端， 电源端， 步进电机接线端。控制信号端驱动器通过脉冲信号 CP接线端口接收脉冲信号，按接收到脉冲信号数量来驱动步进电机转动角度；驱动器通过方向信号端 DIR 接收方向信号，发送相应的指令使步进电机正转或反转； 控制信号的公共端 COM； 脱机电平输入端 RST此端子加低电平，电机处于自由状态。3.6 本章小结本章主要阐述的内容是整个系统硬件部分的设计，包括器件的选择和电路的设计。电路主要包括光电检测电路、单片机控制电路、时钟电路、步进电机驱动器电路。在介绍每部分电路的同时，对在此部分电路中所选取的芯片也作了介绍，重点介绍对象是每部分电路的连接方法、电路原理以及电路在系统中要实现的功能。SJ-22MA步进电机驱动器AT89C51直流电源步进电机COMRSTCPDIR＋ 24－太阳能电池板自动跟踪系统的设计22 第 3 章 硬件系统部分的设计23 太阳能电池板自动跟踪系统的设计24 第 4 章 太阳能自动跟踪系统的软件设计4.1 系统主程序的设计整个程序设计包括光电检测跟踪模式、 太阳固定轨迹跟踪模式、 时钟部分、 显示部分。即开机之后，上电复位，系统进入启用中断处理程序，进入等待模式；若是白天，系统会通过光敏二极管来判断是晴天还是阴天，晴天时，系统进入光电追踪模式，阴雨天时，系统进入太阳固定轨迹跟踪模式 [15] 。系统运行流程图如图 4.1 所示。图 4.1 系统流程图其中检测白天还是黑夜时通过中断 0 来判断的，只要 INT0 检测到低电位，系统就进入中断服务程序，即等待状态。而检测晴天还是阴天是通过 I/O 口查询来实现的，尽管 I/O 口查询方式需要不断的侦测 I/O 的电平变化，比较耗费单片机的运行时间资源，但是由于太阳固定轨迹跟踪模式的程序比较繁琐，计算量比较大，因此这部分不适合使用中断。在光电跟踪模式下 系统首先检测位于圆盘中央的光敏二极管 D0是否受到了光照，系统是通过检测 D0对应的单片机的引脚的高低电位来判断的。 如果系统检测到 D0受到了光照，这时软件控制系统延时 15 分钟。如果系统检测到 D0没有受到光照，之后系统对分布在 D0周围的 4 个光敏二极管 D1～ D4分别检测， 如果检测到哪个光敏二极管所对主程序白天还是黑夜晴天还是阴天光电追踪模式时钟模块 太阳固定轨迹追踪显示模块白天黑夜阴天晴天开始第 4 章 太阳能自动跟踪系统的软件设计25 应的单片机引脚是低电位，这就说明这个光敏二极管受到了光照，这时系统命令此光敏二极管所对应的电机超规定的方向转动，直到 D0 受到光照为止，这样就完成了追踪太阳的目的。在太阳固定轨迹追踪模式下当阴天时，光电追踪模式不能准确地追踪，因此启用太阳固定轨迹追踪模式进行追踪。此模式只与时间和地点有关，而不受太阳光强弱的影响，正好弥补了光电追踪模式阴天不能正常追踪的缺陷。时钟部分 系统选用的是串行时钟芯片 DS1302,在太阳固定轨迹追踪模式下 , 系统需要读取 DS1302内的时间来计算太阳高度角和方位角。系统中用到了中断服务程序，黑夜状态下 INT0 检测到低电位，系统进入中断处理程序，命令两个电机停止转动，程序设计如下Void initial （） // 初始化{EA1 ； //CPU 所以中断开EX01 ； //IT0 中断开IT00 ； //IT0 低电平触发EX1 ； //INT1 中断开IT10 ； //IT1 低电平触发Return ； } void int-0 （） interrupt 0 using 0 { FINT01 ； } If（ FINT00 ） //中断 0{ FINT00 ；P10xff ； } //所有电机停转4.2 光电追踪器模块的设计系统启动之后进行判断启用何种模式， 晴天时进入光电检测追踪模式， 遇到阴天时进入太阳固定轨迹追踪模式。 光电检测追踪模式的软件设计相对太阳固定轨迹追踪模式来说要简单的多，它不存在读取 DS1302时间，计算太阳角度问题，它是通过判断指定的单片机引脚电位的高低来确定太阳的朝向， 之后单片机控制电机朝太阳光的方向转动，直到转动到位于圆盘中央的 D0 光敏二极管受到光照为止。因此这部分的设计也不存在太阳能电池板自动跟踪系统的设计26 每次调整时电动机转动时间的计算，因为这个转动时间是随机的，它因太阳光线与太阳板之间的角度的大小而不同。 这部分的程序设计只需要根据单片机检测 4 个光敏二极管所对应的单片机的 4 个引脚的点位的高低，来判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相应的命令，程序流程图如图 4.2 所示。图 4.2 光电检测追踪模式流程图4.3 光电检测追踪模块的设计开始D0是否受到光照D1是否受到光照D3是否受到光照D2是否受到光照D4是否受到光照返回电机不转电机 A正转电机 A反转电机 B正转电机 B反转是是是是是否否否否否第 4 章 太阳能自动跟踪系统的软件设计27 以 4.2 节为子程序进一步设计光电检测模块 [16] 。本文以 SJ-220MA驱动器驱动二相混合式步进电机 57BYGH8404运转。步进电机的转速、启动停止位置只取决于接收脉冲信号的频率和脉冲数，在通常情况下，负载大小对其没有影响。步进电机每收到一个脉冲信号，则转过一个步距角，因为具有这种线性关系，且步进电机只有周期误差，没有累积误差， 步进电机在速度位置等控制领域应用变得简单，具有瞬间启动和急停等优点。设计如图 4.3 所示。图 4.3 光电检测追踪模式流程图开始返回子程序主程
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