光伏发电光源跟踪控制系统设计本科毕设论文

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系别：电子与电气工程学院

专业：光伏发电技术及应用

班号：光伏122 学生姓名：王冬冬

学生学号： 1206213215 设计（论文）题目：光伏发电光源跟踪控制系统设计指导教师：朱文杰

设计地点：常州信息职业技术学院

起迄日期： 2014.5.19～2014.11.20

毕业设计（论文）任务书

专业光伏发电技术及应用班级光伏122 姓名王冬冬

一、课题名称：光伏发电光源跟踪控制系统设计

二、主要技术指标（或基本要求）： 1、光照强度低于100Lx时系统暂停跟踪光源，100-500Lx 时进行疏跟踪，大于500Lx时进行密跟踪。 2、太阳能电池组件转动的精度为0.9°3、用

四个光敏三极管3DU5组成光敏传感器其最高工作电压为10V，响应时间为1ms-1ums。 4、单片机要有复位电路使组件24h后回到初始位置。

三、主要工作内容： 1、考察分析光源跟踪控制系统在光伏发电中的应用的现状以及今后的发展行情；2、寻找相似案例，确定方案的可行性；3、通过网络和书籍了解并学习相关技术；

4、对所搜集的资料进行整理、分析和归纳；

5、对光源跟踪控制系统的整体方案进行设计；

6、对光源跟踪控制系统的硬件和软件进行设计；

7、撰写毕业设计；

8、与老师和同学们进行交流、研究、讨论，对毕业设计修改，直到达到毕业设计要求，进行答辩。

四、主要参考文献：

[1]王雪文,王洋,阎军锋,赵武等.太阳能自动跟踪控制系统的设计[J].西北大学学报（自然科学版）2004

[2]杨欣，张延强，张铠麟，实例解读51单片机完全学习与应用，电子工业出版社，北京，2011.4

[3]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工业应用[M].西安电子科技大学出版社，西安，2002.

[4]刘小山.单片机在步进电机控制系统中的应用[J]. 机电工程技术. 2004(01)

[5] 王雪文,王洋,阎军锋,赵武,张志勇.太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计[J].西北大学学报(自然科学版).2004(02)

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目光伏发电光源跟踪控制系统设计

一、选题的背景和意义：

背景：太阳能是一种清洁可再生的新型能源，但其也有间歇性、空间分布不断变化的缺点。其导致现在一些太阳能设备对太阳能的利用率不高。光源跟踪控制系统可以始终跟踪太阳能保证设备的要求跟踪部位正对太阳，从而提高设备对太阳能的利用率。此系统也可以应用在工业中，用光源作为引导实现自动化控制等。

意义：人们通过对太阳的追踪来实现对太阳能的充分利用，缓解能源危机的局面。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。在太阳能光伏发电中，相同条件下，采用自动发电设备要比固定式发电设备的发电量高，因此在太阳能利用中进行跟踪式十分必要的。

二、课题研究的主要内容：

1、光伏发电光源跟踪的诸多优势；

2、光伏发电光源跟踪控制系统的整体设计方案；

3、硬件设计：主控芯片、电动机和传感器的选择，主控电路、步进电机驱动电路和按键的设计及信号采集处理；

4、软件设计：主、子程序流程图；

5、本设计的总结。

三、主要研究（设计）方法论述：

1、首先分析光伏发电光源跟踪控制的发展前景，探索出它在光伏发电中的优势；

2、找到其已被应用的实例，论证其实施的可行性；

3、通过复习太阳能光伏发电系统设计与应用、传感器的应用技术、模拟（数字）电路及施工安装方面的相关知识，从而进一步掌握硬件及软件设计的理论知识；

4、分析系统设计的要求，从而确定硬件的选用；

5、与成功的案例对比，最终确定系统的设计。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）工作内容

2014-05-19~2014-05-26 在老师指导下完成毕业设计的选题2014-05-27~2014-06-15 完成毕业设计任务书，并填写开题报告2014-06-16~2014-06-30 完成开题报告

2014-07-1~2014-07-25 完成第二章内容:系统方案设计2014-07-26~2014-08-20 完成第三章内容:设计方案的比较2014-08-21~2014-09-11 完成第四章内容:系统硬件设计2014-09-12~2014-09-28 完成第五章内容:系统软件设计2014-09-29~2014-10-25 完成第六章内容并交于老师修改2014-10-14~2014-11-8 修改初稿

2014-11-16~2014-11-20 准备毕业答辩

五、指导教师意见：

指导教师签名：年月日六、系部意见：

系主任签名：年月日

光伏发电光源跟踪控制系统设计

目录

摘要

Abstract

第1章前言 (1)

1.1 本设计的意义及目的 (1)

1.2 本设计的主要内容 (1)

第2章系统方案设计 (2)

2.1 设计要求 (2)

2.2 设计思路 (2)

2.3 光源跟踪设计方案 (2)

2.4 光强检测系统方案 (3)

2.5 方案选择 (4)

2.5.1 主控芯片的选择 (4)

2.5.2 电动机的选择 (4)

2.5.3 传感器的选择 (7)

2.5.4 显示器的选择 (7)

第3章系统的硬件设计 (9)

3.1 硬件方框图 (9)

3.2主控系统 (9)

3.2.1 单片机主要特点 (9)

3.2.2 单片机主要组成 (10)

3.2.3 单片机的复位电路 (10)

3.3 步进电机驱动电路设计 (11)

3.4 按键设计 (14)

3.5 液晶显示器设计 (15)

3.6 信号采集处理 (16)

3.6.1 信号类型 (16)

3.6.2 ADC0809 转换采集信号 (16)

第4章软件设计 (19)

4.1 主流程图 (19)

4.2 子程序流程图 (19)

第5章系统调试与分析 (24)

5.1 仿真 (24)

5.2 调试与分析 (25)

第6章结束语 (27)

摘要

太阳能作为未来的能源是一种非常理想的清洁能源，近年来由于人们对能源、环境问题的日益关注。目前许多太光源阳能电池板阵列没能高效的利用太阳资源，发电效率低。本次设计是将固定的太阳能光伏组件改变成双轴跟踪光源的太阳能光伏组件，通过跟踪光源使光伏组件保持较高的输出功率。

本设计主要以超低功耗的AT89C51为控制核心，由光源检测、电机驱动等组成。用四个光敏三极管3DU5组成光敏传感器来检测光源的位置，并将其检测到的信号放大传给单片机AT89C51。通过单片机的运算和处理来确定运动趋势，同时将信号传给步进电机，使其与光源运动，最终达到高效利用太阳能的目的。

此次设计的光源跟踪控制系统能够使太阳能利用装置时刻保持与太阳光线垂直，其结构简单、成本低廉且跟踪精度高，不仅能用于光伏电站的发电，小的地方还可用于太阳灶、太阳能热水器等各种太阳能装置上，具有一定的实用价值。关键词：单片机AT89C51；双轴跟踪；传感器

Abstract

As the future of solar energy is an ideal clean energy in recent years due to growing concerns about energy and environmental issues. Solar weakens over time or become strong, so this made for the utilization of solar energy higher requirements. Many solar panel array is not efficient use of solar energy resources, low power generation efficiency. This design is to change the fixed axis tracking solar PV modules into a source of solar PV modules, photo voltaic components by tracking the light source to maintain a high output power.

This design mainly for the control of ultra-low-power AT89C51 core, from light detection, motor drive and other components. With the light sensors to detect the position of the light source, and the detected signal is transmitted to the micro controller enlarged AT89C51. To determine the source of the movement trends in computing and processing by the micro controller, while the signals to the motor, so that the light source movement, and ultimately achieve efficient use of solar energy purposes.

The design of the light source tracking control system to make the solar energy utilization device always keep vertical to sunlight, which has the advantages of simple structure, low cost and high tracking accuracy, not only can be used for photo voltaic power generation, small place also can be used for solar cooker, solar water heaters and each other kind of solar equipment, has a certain practical value.

Keywords: SCM AT89C51；Sources；Automatic tracking；Sensor；

第1章前言

1.1 本设计的意义及目的

本设计是利用光源跟踪技术提高对太阳能的利用率。该系统既能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板组件的方向使其正对光源，又能边跟踪边自动记忆和更正不同时间的坐标位。并且其结构相对简单，不需太多的人工干预，特别适合天气状况较复杂的地域和无人值守的情况，有较好的推广应用价值。

本设计的目的是为了提高设计者自身设计产品的能力，将理论与实际相结合，实践所学的知识，丰富实践经验。通过对积累的经验和所学的知识的分解与组合，实现产品的新功能，另一方面提高了动手能力和实验能力，这样才有足够的能力去设计新的产品。本设计注重对单片机的使用、太阳能光电转换原理的应用与光敏传感器的工作原理和应用。

1.2 本设计的主要内容

太阳的位置在一天内不是固定的，因此太阳能电池板需要尽可能地跟随太阳运动来获得充足的阳光。光源跟踪系统的目的就是在有阳光时，太阳能电池板能一直垂直于太阳跟随太阳同步运动，从而提高太阳能电池板的发电量。

本毕业设计包括系统设计要求、方案的比较、硬件设计和软件设计。系统设计要求主要是对太阳光角度的计算与光强检测系统的设计，此部分需参考资料来获取准确的数据方便电池板的安装。方案比较部分是为了选取更适合此次设计的器件。硬件部分设计是围绕着太阳能电池板、步进电机驱动电路、按键、液晶显示器、AT89S51型单片机这些主要部件进行设计的。软件部分设计是在了解电路设计原理之后，根据原理和目的画出流程图、编写程序。设计完成后利用软件对系统进行编译和调试，以保证设计的准确性。

第2章系统方案设计

2.1 设计要求

（1）自动跟踪的实现：

所设计的双轴太阳能自动跟踪系统的核心部分是单片机，需设计合理的程序从而对电动机进行控制，适时改变电池板的角度。

（2）抗干扰性：

为保证跟踪的准确性，系统必须具有较强的抗干扰能力，设计应从硬件和软件两反面着来抑制系统的干扰。

2.2 设计思路

对光伏发电光源跟踪控制系统的设计要求进行分析，其主要传感器电路、电机驱动电路、按键电路、单片机的复位电路、光强检测电路电路、单片机最小构成电路组成。在设计过程中应充分考虑实际情况，注意系统的功耗问题，采用分层控制，具体的地理位置，实际的施工操作等。通常按照性价比最高来设计。主要设计思路框图如图2.1所示。

图2.1 系统设计思路图

2.3 光源跟踪设计方案

本设计是以单片机为控制核心，通过四个光敏传感器来对光照进行检测。其依据光照度的变化、大小来判断光源的位置，并将光源运动分解为水平和竖直方向的二维运动，借以来控制水平电机与竖直电机的旋转角度。当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近，同时竖直方向上的两传感器的测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向光源。

光源跟踪系统被用于太阳能光伏发电是必要的。我们知道光照越充足，电池板产生的能量就越大而太阳每天都是东升西落没有固定的点，太阳能组件被固定在一个方向的话，就不能更有效的利用太阳能。因此电池组件要尽可能的跟随太阳的运动，这样才能获得充足的阳光，高效的利用太阳能。

根据图2.2的系统框图，可以设计一个太阳跟随系统的模拟，电路中四个光敏器件A,A'和B,B'构成两组，用于检测光线，经过NE555构成的单稳对信号整形后分别送到单片机的P3.0和P3.1。如果光线变暗，则光敏器件阻值增大，达到翻转阈值后单稳输出端出现高电平，单片机的P3.0和P3.1接收到这个高电平就知道太阳能电池板光线不足。

图2.2系统框图

当检测到太阳能电池板上的光线不足时，单片机将通过L298驱动X轴和Y 轴电动机MX和MY正转和反转，形成支架的组合运动直到两个轴的光敏传感器都获得最大的太阳光为止。

2.4 光强检测系统方案

光强检测系统是以传感器为中心和其他各环节组成，为了得到正确、无误的信息，这就要求传感器和检测系统精度、灵敏度和分辨率高且其具有好的线性、稳定性和重复性，工作可靠。

根据光电池的本身特性我们知道其微电池的短路电流与光照强度呈线性关系，当光照强度连续变化时，为了光电池在接近短路的状态工作，我们应当尽量减少负载电阻。在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。其优点是调节较为精确，电路也比较简单。在结构上，用N个微型光电池均匀分布在一个半圆弧上，若太阳正对某一个微型光电池时，则此时它的输出最大，这样系统就能判断此时太阳的位置从而进行跟踪。当太阳转到两个微型光电池中间时，此时由于这两路光电池输出相等，也能判断太阳的方位而进行跟踪。每2个微型光电池之间就有一个中间位置，所以共有N-1个这样的位置，这样N路

微型光电池共能判别2N-1个太阳方位。假设我们需要的跟踪范围是150度，那么其可识别的精度则为150/（2N-1）度，因此我们可以通过选择N的值来方便调整需要的精度。这样太阳任何时间出现在圆弧的任意位置上，只要在可检测的那2N-1个方位上，处理器检测到跟踪信号接着驱动电机转动，此时电池板可以迅速跟踪太阳。

为了提高综合跟踪的利用效率，我们采用了分级跟踪。当光照强度达到上限值时，实行密跟踪。当光强度达到下限值时，停止跟踪。而在中间状态时实行疏跟踪。这样便减小了系统在阴雨和多云天气下还进行跟踪的运行功耗。

2.5 方案选择

2.5.1 主控芯片的选择

本设计是基于单片机为控制核心的设计，因此要选择一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：

方案一：AT89C51单片机是一种低功耗且带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。自身电压5V，有两种工作方式：待机方式和掉电方式。其设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。由于AT89C51单片机有较强的功能和灵活性，价格方面又很合理，它被应用于各种控制领域。

方案二：MSP430F149系列单片机是16位低功耗的单片机，具有良好的性能。不仅有五种低功耗模式还有灵活的时钟使用模式。有丰富的功能模块其中包括多通道10-14位AD转换器、双路12位DA转换器、液晶驱动器、电源电压检测、看门狗定时器，多个16位、8位定时器(可进行捕捉，比较，PWM输出)、flash存储器，采用先下载程序到flash，再在器件内通过软件控制程序的运行、MSP430芯片上包括JTAG接口，仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点等。快速灵活的变成方式：可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。功能虽多，但是很多都用不到，其电压范围小；结构太过复杂，不太适合

通过比较本系统选取AT89C51系列较合适，即选取方案一。

2.5.2 电动机的选择

本系统选择电机主要作用是调整激光笔的位置，指向光源。有以下方案可供选择：

方案一：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

步进电机也叫脉冲电机，其有许多有点，因而广泛应用于机械、冶金、轻

工、计算机外围设备、仪器仪表、军工产品等领域。其优点如下：（1）是过载性好。其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。

（2）是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。容易实现正、反转和启、停控制，启、停时间短。

（3）是输出转角的精度高，无积累误差。步进电机实际步距角与理论步距角总有一定的误差，且误差可以累加，但是当步进电机转过一周后，总的误差被清零了。

（4）是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。

方案二：直流减速电机。此电机在正常通电状态下，转速平稳，角度的变化也近乎连续，控制简单方便。

由于本次跟踪设计对电机转动的精度有较高的要求，直流减速电机在此方面有明显的不足速度不容易控制，而步进电机的控制和实现是相对简单一些。因而选用方案一。

步进电机的性能指标

1)步距角精度（Δα）

在讨论步距角精度之前,先介绍步距角的概念。步距角就是步进电机输入一个脉冲所转过的角度。步距角为:

θ=360°/（m·z·k）

式中，m为定子绕组的相数；z为转子的齿数；k为通电方式系数，整部方式k=1，半步方式k=2.步距角精度是指步进电机在空载时每步实际转过的角度与理论设计的步距角之差，以分（′）表示。步进电机的静态步进误差一般在10′之内。引起误差的原因主要是定子和转子冲片的精度，齿槽分布不均匀或气隙不均匀等。在实际使用中，常以累计误差表示步距角精度。注意，步进电机的步距角累计误差在360°后清零。

2)静态距角特性

在空载状态下，给步进电机通电，则转子齿的中心线和定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出，转子处在静止状态。当电动机轴上外加一个负载转矩后，转子则要产生一个抗衡负载的电磁力矩，此时转子相对于定子按一定方向转动一个角度，该角度称之为失调角。失调角θ和静态电磁转矩Tj之间满足:

T j=T jmax sinθ

式中Tjmax──最大静转矩，N·m；

θ──失调角，θ=2π/m（m为一个通电顺序内的拍数）。

图2.4 步进电机的单相距角特性

图2.4为步进电机的单相距角特性。静态转矩越大，自锁力越大，静态误差越小。上失调角θ在-π～π之间，如果去掉外载，则转子仍然能够回到初始稳定平衡位置。因此，称-π<θ<π的区域为步进电机的静态稳定区。在图所示的距角特性曲线族中，曲线A和曲线AB的交点所对应的力矩称之为步进运行状态的最大起动转矩。采用不同的运行方式和增加步进电机相数可以提高最大启动转矩。分析可知，最大负载力矩不能超过Tq，否则电机不能启动。不同相数的电机，启动转矩不同。通过计算，可以得到下表2-1。

表2-1 步进电机的启动转矩

项目数据

运行方式相数 3 4 5

6

拍数 3 6 4 8 5 10 6 12

T q/T jmax0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 3）动态转矩和距频特性

在不同频率下步进电机产生的转矩，称为动态转矩。随着输入脉冲的增加，步进电机的转矩减小。

4）启动频率和惯频特性

步进电机从静止状态突然启动而不失步的频率，称为启动频率。它反映了电动机跟踪的快速性。若控制脉冲频率大于启动频率，则电机会出现失步，不能正常工作。目前，步进电机的启动频率为1000～3000Hz。电动机启动频率与转子和负载的惯性有关。惯性越大，则启动频率越小。

5）最高运行频率

运行频率是指电动机在额定状态下逐升速，达到不失步的连续工作频率。一

般情况下，连续运行频率远远大于启动频率。因此，步进电机在以较低的启动频率启动后，应采用升速控制策略达到运行频率。同样，采用降速策略从运行频率降到启动频率以下，在停止控制脉冲。

2.5.3 传感器的选择

当光轴对准太阳时，光斑的中心在光轴上。四个象限接收到相同的光功率，输出相同的电压信号。当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度θ时，光线经光学系统照射到四象限光电池上形成的光斑必然发生偏移即(x≠0，y≠0)。由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正比，每个象限被光斑覆盖的面积不同，因此各象限光电池产生的电压不尽相同。根据上述将Vx，Vy进行模数转换，然后送入单片机。单片机通过驱动设备可控制俯仰角电机和方位角电机转动，直到Vx=Vy=0，即x=0，y=0，则表明系统光轴已经对准太阳，根据以上原理即可对太阳能板位置误差进行校正。

本次设计选择的是步进电机，步进电机驱动有三种方案可选择：

方案一：光敏电阻。从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特性变化不灵敏。

方案二：硅光电池。硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。

方案三：光敏二极管。光敏二极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。

方案四：光敏三极管。光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两个光敏三极管采集点光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置。用四个光敏三极管组成四象限感光面，上下左右各一个光敏三极管。光敏三极管常用来检测可见光或红外光，有光照射或光强变化时，集电极产生的光伏感生电流直接流入基极，并被器件本身所放大，因此光敏三极管有较高的灵敏度。

在测试光敏电阻与硅光电池时，发现光源的距离限制了两者的应用范围。当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。经实践测定，光敏二级管与光敏三极管满足要求，但在反映速度，及变化的灵敏、快速性方面，光敏三极管更胜一筹，因此传感器选择方案四。本系统设计时采用了光敏三极管3DU5作为光强检测传感器。

2.5.4 显示器的选择

本系统显示器主要显示的是传感器检测到的信号，可选用以下方案：

方案一：FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形LCD液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗又是其中的一个显著特点。由该模块构成的液晶显示与同类型的图形点阵液晶显示

相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

方案二：七段数码管显示，显示的范围比较小，一般只能显示数值和字母。数码管多时连线也会随之复杂。

综上所述：方案一相对比较有优势，所以选LCD液晶显示。