太阳能自动跟踪系统设计
1 设计背景
1.1太阳能的发展现状及本设计的发展前景
1.1.1太阳能的发展现状
近两年来国内太阳能电池产业发展很快，特别是受无锡尚德公司在美国上市的影响，太阳能电池企业蜂拥而上。现在，我国大大小小从事太阳能电池硅材料，硅片、电池及组件的生产厂家已不下百家。
太阳能电池产量：江苏无锡尚德太阳能电力有限公司，宁波太阳能电源有限公司、中电电气南京光伏科技有限公司、云南天达光伏科技股份公司、上海交大泰阳绿色能源公司等主要的十多家公司总产量约为110MW。
太阳能电池组件生产量：天威英利新能源公司、上海太阳能科技有限公司、江苏林洋新能源公司、新疆新能源公司、浙江昱辉阳光能源公司、西安佳阳能源公司、力诺光伏高科技有限公司、上海超日太阳能科技公司、无锡佳诚太阳能科技有限公司、常州天合光能有限公司、无锡国飞绿色能源有限公司、深圳能联电子有限公司等十多家公司总产量达220MW以上。
太阳能电池用硅材料产量：河北宁晋单晶硅基地、江苏顺大半导体发展有限公司、四川峨眉半导体材料厂、洛阳中硅高科技有限公司、常州天合光能公司、宁波晶元太阳能有限公司、绍兴精工太阳能有限公司、常州亿晶光电科技有限公司、江苏华日源电子科技有限公司第十多家公司总产量约为700吨。
太阳能电池制造技术方面：由于硅材料缺乏，价格飞速上涨，极大地促进了硅太阳能电池薄片技术的发展，目前硅片厚度已普遍地从370μm降到240μm，有的厂家已减薄到220μm，仍能保持较高的成品率，同时也促进了太阳能电池转化效率的提高，多晶硅太阳能电池一般效率已达到13－14％，有的企业已能批量生产15％的产品；而单晶硅电池效率已普遍达到14－15％，有的企业已能批量生产16％的产品。此外，北京企业星华创股份有限公司已能制造和生产硅太阳能电池和组件的制造设备，特别是一些国产的单晶炉和太阳能电池封装设备已有较高的技术水平。
1.1.2 太阳能的发展前景
现阶段人类面临的最大问题就是能源短缺问题，而环境保护又是现阶段人们所努力倡导的重要任务。解决这两个问题的最有效便捷的途径就是大力发展太阳能的利用，地球每天收到的太阳能约4×1015 千瓦时，假如能把这些能源充分利用那将相当于节省了2.5×108 万桶石油，这不仅对解决了能源短缺的问题，而且在一定程度上保护了环境。
太阳能清洁无污染、取之不尽、用之不竭，这是其发展迅速的最直接原因而我国每年接收到335～873千焦每立方厘米，这将是我国不可多得的无污染能源。所以大力发展太阳能才是解决二十一世纪我国乃至全球的最重要任务。
太阳能虽然取之不尽但是它有一定的分散性、方向性和不稳定性，怎么样将其发挥到最好，怎么样更充分的利用这用之不竭的能源才是现阶段太阳能事业发展的最客观的问题。
1.2 目前使用的跟踪系统
现阶段市场上使用的跟踪系统有单轴太阳能自动跟踪器、步进式太阳能自动跟踪、可自动跟踪的太阳灶、五像限法太阳自动跟踪仪、单轴液压式自动跟踪、极轴式跟踪。
不足：结构复杂，跟踪精度不高，不能全自动跟踪。
1.3 本设计意义
本设计可使太阳光永远垂直照射在接收面上（能量积分），提高了太阳能的吸收率和转化率，设计结构简单成本低廉，单片机控制稳定，能自动跟踪阳光，最大面积地吸收太阳光能，合理利用了资源。
2 设计方案简述
本设计以AT89S51单片机为控制中心，运用光敏电阻采集光线，用运放LM358对采集的光线做进一步处理并将最终数据传输给单片机，单片机进行进一步处理并将处理数据传输给电机驱动系统，控制两路电机进行调节电池板的水平方位调整及垂直高度的调整。
本设计寻光系统采用单片机作为主控芯片，光敏和运放LM358组成光信号采集模块，继电器控制电机的正反转进行电池板的微调。具体控制框图如图2.1所示：
图2.1 系统控制框图
AT89S51
光
线
检
测
LM358电压比较 M1 M2 继电器控制组
3 详细设计
3.1 单片机概述
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU(Central processing unit)。随机存储器RAM（Random access memory）。只读存储器ROM（Read only memory）。中断系统、定时器/计数器以及I\O （Input/output）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。为此，称它为单片微型计算机SCMC（Single chip micro computer），简称单片机。单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU（Micro controller unit）。在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其＂嵌入＂的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU （Embedded micro controller unit）。在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。
3.1.1 单片机基础
根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。然而在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和 IC 卡读写器上的单片机等。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化。
3.1.2单片机与单片机系统
单片机通常是指芯片本身，它是芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些做
为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即：单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。
3.1.3 MCS-51系列单片机介绍
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU(Central processing unit)。随机存储器RAM（Random access memory）。只读存储器ROM（Read only memory）。中断系统、定时器／计数器以及I\O （Input/output）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。为此，称它为单片微型计算机SCMC（Single chip micro computer），简称单片机。单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU（Micro controller unit）。在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其＂嵌入＂的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU （Embedded micro controller unit）。在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。
3.1.4 单片机基础
根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。然而在单片机的控制应用中，
有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和 IC 卡读写器上的单片机等。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化，
3.1.5单片机与单片机系统
单片机通常是指芯片本身，它是芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些做为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即：单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。
3.1.6 单片机应用领域
现在单片机的应用已经很广泛，下面就一些典型方面进行介绍。
（1）工业自动化方面。自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要要有单片机的参与。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中，单片机将发挥越来越大的作用。
（2）仪器仪表方面。现在仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和柔性化方向发展。此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量而易于携带和使用，并具有降低成本，增强
抗干扰的能力，便于增加显示、报警和自诊断等功能。
（3）家用电器方面.当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与，所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次，例如洗衣机，电冰箱，空调机，微波炉，电视机和音像视频设备等，这里说的电脑实际上就是单片机。智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更加丰富多彩。
（4）信息和通信产品方面.信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与，例如计算机的外部设备和自动化办公设备中，都有单片机在其中发挥着作用。
（5）军事装备方面。科技强军、国防现代化离不开计算机，在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上，都有单片机深入其中。
3.2 单片机最小系统
最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。AT89S51的最小系统如图3.1所示。
图3.1 单片机最小系统电路图
3.2.1 定时与中断的概念
中断是一项重要的计算机技术，采用中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。向CPU发出中断请求的来源称之为中断源。MCS-51是一个多中断源的单片机，以80C51为例，有三类共五个中断源，分别是外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个。
外中断：外中断是由外部信号引起的，共有两个中断源，即外部中断“0”和外部中断“1”。它们的中断请求信号分别由引脚INT0（P3.2）和INT1（P3.3）引入。外部中断请求有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式，可通过有关控制位进行定义。
定时中断：定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。
串行中断：串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。
中断控制：这里所说的中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段，实际上就是一些专用寄存器。在MCS-51单片机中，用于此目的的控制寄存器共有四个，即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。
定时器控制寄存器（TCON）：该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计数溢出。寄存器地址88H，位地址8FH～88H。
表3.1 寄存器位地址表1
位地址8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88
位符号TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
这个寄存器既有定时器/计数器的控制功能又有中断控制功能，其中与中断有关的控制位共六位：IE0和IE1 、IT0和IT1 以及TF0和TF1 。
中断允许控制寄存器（IE）：寄存器地址A8H，位地址AFH～A8H。
表3.2 寄存器位地址表2
位地址AF AE AD AC AB AA A9 A8
位符号EA - - ES ET1 EX1 ET0 EX0 其中与中断有关的控制位共六位：EA、EX0和EX1 、ET0和ET1 、ES。
中断优先级控制寄存器（IP）：MCS-51的中断优先级控制只定义了高、低两个优先级。各中断源的优先级由优先寄存器（IP）进行设定。IP寄存器地址B8H，位地
址为BFH～B8H。寄存器的内容及位地址表示如下：
表3.3 寄存器位地址表3
位地址BF BE BD BC BB BA B9 B8
位符号- - - PS PT1 PX1 PT0 PX0 其中PX0外部中断0优先级设定位；PT0 定
时中断0优先级设定位；PX1 外部中断1
优先级设定位；PT1 定时中断1优先级设
定位；PS 串行中断优先级设定位；为0的
位优先级为低，为1的位优先级为高。
定时器/计数器的控制寄存器：与定时器/
计数器应用有关的控制寄存器有：
（1）定时器控制寄存器（TCON）TCON
寄存器既参与中断控制又参与定时控制。
其中有关定时的控制位共有四位：TF0和
TF1 、TR0和TR1 。图3.2 单片机管脚图
（2）工作方式控制寄存器（TMOD）TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器/计数器的工作方式。但TMOD寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。
3.2.2 AT89S51的芯片概述
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，4个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，内部集成看门狗计时器片内时钟振荡器。其工作电压在4.5－5V,一般我们选用＋5V电压。图3.3为89s51的核心电路框图：
图3.3 AT89s51结构框图
3.3光电检测原理
硬件设计中光电检测是本装置的主要部分，也是太阳能电池板寻光的主要控制元件，设计中为了使太阳能电池板始终对着太阳则需要四个光敏对阳光强弱进行检测，如图3.4所示光敏均采用垂直于太阳能电池板板面安装，而其检测的精度依靠调节光电检测电路中的滑动变阻器来实现。其中光电检测A 对左远离光线进行检测，
当光线远离电池板时A 检测会给单片机信号，单 图3.4 光电检测示意图 片机驱动继电器控制电机M1正转使电池板跟随光线左转。光电检测B 对右远离光线进行检测，当光线远离电池板时B 检测到并实时传输给单片机信号，单片机驱动继电器控制电机M1反转使电池板跟随光线右转。光电检测C 与D 对太阳垂直角度的变化进行检测，并将检测到的光线变化信号传输给单片机，单片机进行进一步处理后控制继电器驱动电机M2的正反转，从而实现电池板垂直角度的调整。 考虑到太阳四季垂直角度变化的速率很小，所以电池板垂直角度的调整电机M2加了个减速箱使其变化速率也非常小，不至于因变化太快使得光电检测误检，否则会导致电池板在垂直方向不停的摆动。
3.3.1电压比较器的电路介绍
电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电
C
A
D
B
压的大小关系)：当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平。
当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。可用作电压比较器的芯片有：LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。
而本设计中光电检测中运用的电压比较器采用LM358芯片，其管脚图如图3.5所示。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
LM358特性：
（1）内部频率补偿
（2）直流电压增益高(约100dB)
（3）单位增益频带宽(约1MHz)
（4）电源电压范围宽：单电源(3～30V); 双电源(±1.5～±15V)
（5）低功耗电流，适合于电池供电
（6）低输入偏流
（7）低输入失调电压和失调电流
（8）共模输入电压范围宽，包括接地
（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
（10）输出电压摆幅大(0 ～1.5V)
图3.5 LM358管脚图
本设计中具体的寻光电路如图3.6所示，电路中采用光敏电阻作为寻光的传感元件。
图3.6 光电检测电路
3.3.2 寻光元件
光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射
光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图3.7所示。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、
硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
3.3.3 寻光执行机构
本设计采用5V 直流电机用来调整太阳能电池板的支架,直流电机具有以下特点:
（1）调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需
要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。
（2）起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动
或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。
为了得到理想的转速,本设计没有直接用直流电机输出的动力来控制电池板支架,而是通过一个简易的变速箱来调整传输比.进而达到速度理想、扭距大的效果。
图3.7 光敏电阻器结构
3.4 电机驱动
设计中电机驱动电路采用继电器驱动的方式，每一个电机的正反转均由一个单路和一个双路继电器完成，其中单路继电器控制相应电机的驱动电源的通断，双路继电器则用控制电机的正反转。其原理图如图3.8所示。图中IN4007二极管的作用是续流，防止继电器线圈产生的回流将三极管击穿。图中三极管的作用是隔离放大作用。
图3.8 电机驱动电路
继电器主要产品技术参数：
（1）额定工作电压：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
（2）直流电阻：是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。
（3）吸合电流：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
（4）释放电流：是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于
吸合电流。
（5）触点切换电压和电流：是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
3.5 寻光程序流程图
开始
情况1
情况2
情况3
情况5
情况4
情况6
情况8
情况7
动作1
动作2
动作3
动作4
动作5
动作6
动作7
动作8
是
否
是
否
否
否
否
否
否
是
是
是
是
是
是
否
图3.9 寻光程序流程图
3.6 供电系统设计
为了不影响单片机的正常工作设计中采用两组电源对控制系统和电机工作进行分别供电。其原理图如图3.10和图3.11所示。
图3.10 控制系统总电源
图3.11 电机总电源
其工作原理是利用9V变压器将220V交流电降压至9V，然后9V交流经过整流全桥整流成9V直流电源，其中C1和C2为初级滤波电容，9V直流经过LM7805稳压芯片后变成5V电源，再经过C3和C4滤波电容后为系统的稳定工作进行恒定供电。
3.6.1 LM7805简介
LM78XX系列是三端1.5A电源稳压电路，其封装形式为TO-220。它有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区得保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。LM7805引脚功能图如图3.12
所示。
LM7805特点：
（1）最大输出电流为1.5A。
（2）输出电压为5V。
（3）热过载保护。
（4）短路保护。
（5）输出晶体管安全工作区保护。
图3.12 LM7805管脚功能图
4 设计系统调试
系统调试及性能分析是开发过程的重要环节。当完成了系统的软、硬件设计和硬件组装后，便可进系统调试阶段。系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调问题，以便修改设计，使系统能正常工作。应该在方案设计阶段就要考虑调试问题，如采取什么调试环境方法、使用何种测试仪器等，以便在方案设计时将必要的调试方法综合到软、硬件设计中，提早做好调试准备工作。
系统调试包括软件调试、硬件调试及系统调试。根据不同调试环境，系统调试可分为模拟调试与现场调试。各种调试所起的作用不同，所处的时段也不一样，但目标是一致的，都是为了查出系统中的潜在错误，提高可靠性，完善系统功能。
4.1 硬件部分调试
每个单片机应用系统都要经过硬件的调试，不同的系统只是调试过程的繁简而已。硬件调试一般要先行，硬件调试成功后，才有条件进行接口程序的调试。就目前的硬件集成技术而言，硬件调试过程相对比较简单。就本设计而言，对硬件电路的调试首先可以用万用表测试电路中是否存在短路、断路、虚焊等问题，再检查电源线与地线之间是否有短路现象，通过观看设计的电
源指示灯或测量电源电压就可以判定系统的电源 图4.1 光电检测 是否正常。如果存在就应该及时处理，否则系统中的其它器件就有可能被烧毁，后果十分严重。当以上测试通过之后就可以对系统进行上电测试，检测接地端电压是否接近零电压，接固定电平的引脚端电平是否正确。首先调试好单片机最小系统，上电后，如果CPU 的ALE 引脚有脉冲信号输出，则说明单片机的时钟电路是正常工作的。上电过程中或点动复位键，如果RESET 引脚的电平从高变化到低，则说明复位电路是正常的；接下来调试温度控制电路，我们可以给一个脉冲信号，看加热电路能否正常工作，如果能够正常工作就表明温度控制电路调试成功；再就是调试温度采集电路；当以上硬件电路都调试好了就可以进入软件的调试。
调试电机时为了方便调试，设计中采用一个发光二极管代替太阳光照，用发
C
A
D
B
光二极管照射阳光接收板时使光线从左向右运动。当光照在光敏电阻A上时，触发LM358的一路驱动，单片机开始给控制电机水平运动的继电器信号，继电器驱动电机带动木板向逆时针方向转动一定角度，光从光敏电阻A离开时电机停止转动，这时就可以看光线是否在太阳能电池板的中心，并调节LM358上的电位器使其在电池板的中心位置，然后用同样的方法调节光敏B、C、D，最终使光照在阳光接收板的中心位置。设计的硬件总电路图如图4.2所示。
图4.2 硬件电路总图
4.2 软件调试
软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除的过程。软件调试一般采用先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续的调试方法。在软件调试中，首先调试子程序或函数，其次调试中断服务程序或函数，最后调试主程序或函数。许多子程序，如控制算法、数字滤波算法、标度换算、线性化处理等程序和目标硬件无关，对这部分程序完全可以和硬件进行同步调试或先于硬件进行调试。
5 总结
从资料的查找到电路的设计，从程序的编写到功能的基本实现，一路坎坷。在设计过程中不断的发现问题，同时也不断的解决问题，越来越发觉制作实物相比整体设计要难一些，实际制作过程中会遇到多种多样的问题，要通过不断的测试和实验来解决。不能粗心大意，一开始就因单片机一脚没连接导致单片机不起作用，浪费时间又浪费精力，因此，做任何事都要细心，要考虑的周全，不能因为一时的失败而丧失信心，从哪里跌倒了要从哪里爬起来，只有有了这样的精神，才会从问题中学到更多的知识，为我们以后更好的发展奠定了基础。
太阳能自动跟踪系统方案
摘要 人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。 第一，机械部分设计： 机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪；同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动，通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。 第二，控制部分设计： 主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。 关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机
Abstract Human being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing everywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on.These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plumb up the solar beam,it must track the movement of solar.In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed. First,the mechanical part is designed. Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on. When the sun's rayshas a deviation, small gear arerotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction.At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together. Second, control system part is designed. Control system mainly includesthe sensors part, stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection systemisused to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances receiveddifferent light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors. Keywords Solar energyTrackingPhotosensitive resistance SCMSteppingmotor
太阳能跟踪器工作原理
太阳能跟踪器的工作原理 一工作原理 “太阳光寻迹传感器”安装在太阳能装置上，根据太阳光的位置，驱动电机，带动机械转动机构，始终跟随太阳位置运动。当太阳偏转一定角度时（一般5--10分钟左右），控制器发出指令，转动机构旋转几秒钟，到达正对太阳位置时时停止，等待下一个太阳偏转角度，一直这样间歇性运动；当阴天或晚上没有太阳出现时停止动作；只要出现太阳它就自动寻找并跟踪到位，全自动运行，无需人工干预，东西向、南北向二维控制，也可单方向控制，使用电源直流12伏，技术指标 1. 跟踪起控角度:1°--10°（不同应用类型） 2. 水平（太阳方位角）运行角度：Ⅰ型0°--360°，Ⅱ型-20°-- +200° 3. 垂直（太阳高度角）调整角度：10°--120°（太阳光与地面夹角） 4. 传动方式：丝杠、涡轮蜗杆、齿轮 5. 承载重量:10Kg-- 500Kg 6. 系统重量：2 Kg--500Kg 7. 电机功率：0.4W--15W 8. 电源电压 DC6V--24V 9. 运行环境温度： -40--85℃ 10.运行时间≥10万小时 11.室外全天候条件运行现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种：一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；二是使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里所介绍的控制电路也包括两个电压比较器，但设在其输人端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比
太阳能自动跟踪系统的设计
太阳能自动跟踪系统的设计 1引言 开发新能源和可再生资源是全世界面临的共同课题，在新能源中，太阳能发电已成为全球发展最快的技术。太阳能作为一种清洁无污染的能源，开发前景十分广阔。然而由于太阳存在着间隙性，光照强度随着时间不断变化等问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求(见图1)。目前很多太阳能电池板阵列基本都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。据测试，在太阳能电池板阵列中，相同条件下采用自动跟踪系统发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右。 所谓太阳能跟踪系统是能让太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。目前市场上所使用的跟踪系统按照驱动装置分为单轴太阳能自动跟踪系统和双轴太阳能自动跟踪系统。所谓单轴是指仅可以水平方向跟踪太阳，在高度上根据地理和季节的变化人为的进行调节固定，这样不仅增加了工作量，而且跟踪精度也不够高。双轴跟踪可以在水平方位和高度两个方向跟踪太阳轨迹，显然双轴跟踪优于单轴跟踪。 图1 太阳能的收集装置现场 从控制手段上系统可分为传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪(程序跟踪)。传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光线是否偏离电池板法线，当太阳光线偏离电池板法线时，传感器发出偏差信号，经放大运算后控制执行机构，使跟踪装置从新对准太阳。这种跟踪装置，灵敏度高，但是遇到长时间乌云遮日则会影响运行。视日运动轨迹跟踪，是根据太阳的实际运行轨迹，按照预定的程序调整跟踪装置。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，其精度不是很高，但是符合运行情况，应用较广泛。 从主控单元类型上可以分为PLC控制和单片机控制。单片机控制程序在出厂时由专业人员编写开发，一般设备厂家不易再次进行开发和参数设定。而学习使用PLC比较容易，通过PLC厂家技术人员的培训，设备使用厂家的技术人员可以很方便的学会简单的调试和编写，并且PLC能够提供多种通讯接口，通讯组网也比较方便简单。
太阳能自动跟踪装置设计报告
吉林铁道职业技术学院 电子制作职业技能大赛（论文） 题目太阳能自动跟踪装置设计
参赛人姓名王志会张卫国朱峰所在系电气工程系 指导教师陈冬鹤 完成时间2013年5月26日
吉林铁道电子制作职业技能大赛设计报告 题目：太阳能自动跟踪装置设计 主要内容、基本要求等： ◆主要内容：加强大学生动手操作能力，促进集体荣誉感。 ◆基本要求：1，利用单片机控制实现太阳能电池板随着太阳（光源）的位置变 化而调整自身相应的姿态，以达到太阳光能的最佳利用。 2，实现一定的姿态控制精度。 3，以低成本、低功耗完成设计并实现目标电路的组装。 ◆主要参考资料：电路基础、电工技术、电子手工焊接、单片机原理及应用、传感器原理与应用。 完成日期：2013年5月26日 指导教师：陈冬鹤 实验组组长：王志会 2013年 6 月 5 日
太阳能自动跟踪装置 研制目的 人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，太阳能光伏发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一，但由于传统太阳能板方向固定，受光时间有限。因此研制可随光移动的太阳能跟随系统。
一自动跟踪系统整体设计 1.1 系统总体结构 本系统包括光电转换器、步进电机、89C5系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板可以360度自由旋转。控制机构将分别对水平方向进行调整。单片机加电复位后，首先由TRCT5000构成的定位系统对整个系统进行预置定位，然后单片机将对两光敏电阻采样进来的两个电平进行比较，电平有高电平和低电平两种，若两电平相等则电池板停止转动，若不等单片机将对两电平进行比较判定，驱动步进电机让太阳能板与之相对应转动，实现电池板对太阳的跟踪。图1-1所示： 1.2 光电转换器
太阳能自动跟踪系统的设计
太阳能自动跟踪系统的设计 解决方案： 跟踪系统驱动器接口电路 步进电机驱动电路 限位信号采集电路 太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题，太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。 跟踪太阳的方法可概括为两种方式：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪是由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调整采光板的角度实现对太阳的跟踪。光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便；缺点是受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，会导致跟踪装置无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。 而视日运动轨迹跟踪的优点是能够全天候实时跟踪，所以本设计采用视日运动轨迹跟踪方法和双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳的全天候跟踪。该系统适用于各种需要跟踪太阳的装置。该文主要从硬件和软件方面分析太阳自动跟踪系统的设计与实现。 系统总体设计 本文介绍的是一种基于单片机控制的双轴太阳自动跟踪系统，系统主要由平面镜反光装置、调整执行机构、控制电路、方位限位电路等部分组成。跟踪系统电路控制结构框图如图1所示，系统机械结构示意图如图2所示。
任意时刻太阳的位置可以用太阳视位置精确表示。太阳视位置用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。系统采用水平方位步进电机和俯仰方向步进电机来追踪太阳的方位角和高度角，从而可以实时精确追踪太阳的位置。上位机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算，并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电动机运行的步数，将数据送给跟踪系统驱动器，单片机接收上位机送来的数据，驱动步进电机的运行。系统具有实现复位、水平方位的调整，俯仰方向的调整，太阳的跟踪及手动校准等功能。 硬件电路设计 1跟踪系统驱动器接口电路
太阳能自动跟踪系统
1.绪论 1.1课题背景 由于现今高科技环境下，能源是促进经济发达和社会进步的原动力。从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源，然而其蕴藏量有限，大量使用造成全球环境生态和气候产生莫大的变化，同时大气中的温室气体浓度大幅提高，造成气温逐渐升高、海平面上升等温室效应的现象，威胁了我们生存的环境。因此在环保意识抬头的今日，积极开发低污染及低危险性能源乃为迫切的需要。 虽然在可预见的将来，煤炭，石油，天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但是人们对核能及太阳能，风能，地热能，水力能，生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著的提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1%，而太阳能发电每年增长达20%，风力发电的年增长率更是高达26%。预计在未来，可持续能源将与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。 相对日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。1.1.1我国太阳能资源 我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×10 km2，占世界总面积的7%，居世界第三位。据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×10kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2A，中值为586KJ/cm2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为“日光城”的拉萨市,1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816KJ/cm2A，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最,那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成
基于52单片机 太阳能自动跟踪系统设计.
摘要 太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及。太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。本设计采用光电跟踪的方法，利用步进电机双轴驱动，由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理器。微机处理器运行程序，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。采用单片机来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。 关键词：太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机；步进电机
Abstract Solar energy is known as the most primitive energy, and it is clean, renewable, rich, and wide distribution and has wide prospects of use. But the solar energy utilization efficiency is low; the problem has been influencing and hindering the popularity of solar energy technology. Solar energy to be automatic tracking system designed to solve the problem provide the new way，which greatly improve the efficiency in the use of solar energy. This design uses the photoelectric tracking method, and use the stepping motor driver, by photoelectric sensor incident, then the strength of the light’s changes produce feedback signals to the computer processor, and computer processor will run the program, through the horizontal tracking mechanism and pitch two degrees of freedom control to adjust the angle of solar panels to achieve the tracking of the sun. Solar tracking system by single chip microcomputer to achieve can improve the efficiency of conversion of photoelectric solar panels, and has a broad prospect of application. Key words: Solar energy；Tracking；Photosensitive diode ；SCM；Stepping motor
自动跟踪太阳智能型太阳能系统设计
图书分类号： 密级： 摘要 人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。 第一，机械部分设计： 机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪；同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动，通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。 第二，控制部分设计： 主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。 关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机
Abstract Human being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing everywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on.These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plumb up the solar beam,it must track the movement of solar.In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed. First, the mechanical part is designed. Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on. When the sun's rays has a deviation, small gear are rotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction.At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together. Second, control system part is designed. Control system mainly includes the sensors part, stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection system is used to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances received different light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors. Keywords Solar energy Tracking Photosensitive resistance SCM Stepping motor
太阳能自动跟踪机械装置
太阳能自动跟踪机械装置 11 310 9A—A4 15 8 2147 16AA 513 171612 1118 太阳能自动跟踪装置原理图 1-支座;2-支柱;3-电池板支架;4-销轴;5-减速箱体;6、15-主轴;7-丝杆;8-横支架;9、18-电机;10-减速器;11-铰链;12、13-齿轮;14-连接轴;16-蜗轮;17-蜗杆1(东西方向跟踪 在减速箱体5内安装由电机18、齿轮12、13、蜗轮16、蜗杆17构成的传动机构。齿轮13固定在连接轴14中部，连接轴通过轴承安装在减速箱体上，蜗轮16固定在主轴6的上端，主轴通过轴承安装在减速箱体上，主轴的下端固定在支座1上，支柱2的下端固定在减速箱体上，支柱2的上端通过销轴4与电池板支架连接。电机18通过齿轮12、13带动蜗杆17转动，并带动减速箱体、电池板支架转动，完成东西方向的跟踪。 2(南北方向跟踪
支柱2上设置一个横支架8，横支架8端部铰接一个减速器10，减速器中设有蜗杆(图中未画出)与电机9相连，蜗杆与设在减速器中的蜗轮啮合，蜗轮中心设有螺孔与丝杆7连接配合，丝杆7的一端通过铰链11与电池板支架连接。电机9通过蜗轮蜗杆、丝杆螺孔机构，带动电池板支架转动，完成南北方向的跟踪。 俯仰跟踪控制。动力源电机1通过联轴器7带动蜗杆8与蜗轮9啮合运动,蜗轮9与齿轮10同轴,经过齿轮10与11的啮合运动,带动与齿轮11同轴的支架12转动,从而实现与支架12固接的硅光电池板13达到仰俯运动跟踪的目的。周转跟踪控制。动力源电机6通过联轴器5带动蜗杆4与蜗轮3啮合运转,从而带动与蜗轮3同轴固联的上箱2实现周转运动,因仰俯控制的传动机构都装在上箱2内,从而达到硅光电池板周转运动跟踪的目的。 两轴分别由两个电机控制，图a表示电机1输出轴连接固定在转台上的减速器1输入轴，减速器1输出轴连接小齿轮，大齿轮固定，当电机转动时驱动小齿轮绕
基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计-图文(精)
第24卷第3期 V ol 124 N o 13师学院学报(自然科学版Journal of Chang Chun T eachers C ollege (Natural Science 2005年8月Aug 2005 基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计 薛建国 (学院电子信息工程系,351100 [摘要]本系统以单片机为核心,构建了由光电二极管检测和比较,方位角和高度角双轴机械跟踪 定位系统组成的自动控制装置,设计出一套自动使太阳能电池板保持与太垂直的自动跟踪系统。 在晴天检测时能自动跟踪太阳并实时回存正确数据,消除因季节变化而产生的积累误差,在阴天时能 自动引用晴天时的位置,控制精度高,具有广泛的应用潜力。实现了追踪太阳的效果,达到提高发电 效率的目的。 [关键词]太阳跟踪;光电检测;自动定位;单片机;设计 [中图分类号]T N710 [文献标识码]A [文章编号]1008-178X (200 [收稿日期]2005-06-05 [作者简介]薛建国(1965-,男,人,省学院电子信息工程系高级讲师,从事多媒体、电子技术、单片机 研究。
太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。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。据实验,在太阳能光发电中,相同条件下,采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%,因此在太阳能利用中,进行跟踪是十分必要的[1]。 本文提出一种新型的基于单片机的太自动跟踪系统设计方案,该系统不仅能自动根据太方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低,而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值。 11自动跟踪系统的组成和结构 111 组成。自动跟踪系统由光电检测电路,双轴机械跟踪定位系统,时钟电路,单片机控制系统等几部分组成。 11111 光电检测电路 太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同,因此,欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。 图1是太电定位装置中光电检测电路的俯视简图,共由9个光电三极管组成。正中央1个,旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住,圆柱体的直径略大于图中的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞,以让光线通过(如图2所示。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上,光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(确保会受到光线的照射也安装一个光电二极管(其朝向与圆柱体的光电二极管朝向相同,用于检测环境亮度,并与圆柱体的每个光电二级管及运放(可用LM324集成电路中的一个构成一个比较电路(如图3。适当调整图中电阻的阻值,这样当圆柱体的光电二极管没有受光线照射时,运放将输出低电平。此电平可对接到的输入端进
太阳能自动跟踪装置控制系统设计
本科生毕业论文 题目太阳能自动跟踪装置控制系统设计 系别机械交通学院 班级机制 122 姓名李鹏万 学号 123731214 答辩时间 2016年5月 新疆农业大学机械交通学院
目录 摘要：太阳能作为一种新型清洁能源，受到了世界各国的广泛重视。现阶段影响太阳能普及的主要原因是太阳能电池的成木较高而光电转化效率却较低。因此，如何提高太阳能利用效率是太阳能行业发展的关键问题。在国内，大多数太阳能电池阵列都是固定安装的，无法保证太阳光实时垂直照射，导致太阳能资源不能得到充分利用。自动太阳跟踪控制系统在跟踪太阳旋转的情况下可接收到更多的太阳辐射能量，从而提高太阳能电池板的输出功率，该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用。 0 1 设计研究背景及意义 (2) 2 主要研究内容 (2) 2.1 系统的设计目标 (2) 2.2 设计的主要内容 (2) 3 系统的总体设计 (3) 3.1 太阳自动跟踪方式的确定 (3) 3.2 本设计的设计思想 (3) 4 太阳能充电控制器的设计 (4) 4.1 太阳能电池的选型 (4) 4.2 蓄电池的选型 (6) 4.2.1 铅酸蓄电池基本概念 (6) 4.2.2 本系统蓄电池的选型 (7) 4.3 太阳能充电控制器的设计 (8) 4.3.1 UC3906芯片的介绍 (8) 4.3.2 BUCK电路的设计 (8) 4.4 充电控制器外围电路设计 (10) 5 跟踪系统传感器检测装置的设计 (12) 5.1 阴天检测装置的设计 (12) 5.2 白天黑夜检测装置 (14) 5.3 太阳位置传感器的介绍 (14) 5.3.1 传感器检测部分的设计 (14) 5.3.2 光敏二极管的介绍 (16) 5.3.3 LM324芯片的介绍 (16) 6 视日运动轨迹模块设计 (17) 6.1 太阳赤纬角的计算 (17) 6.2 太阳高度角的计算 (17) 6.3 太阳方位角的计算 (18) 6.4 日出日落时间计算 (18) 7 执行器件的选型 (18) 7.1 步进电机的选型 (18) 7.2 步进电机驱动器的选型 (19) 7.3 执行器件的连接方式 (20) 8 控制系统的设计 (21) 8.1 单片机电源模块的设计 (22) 8.2 驱动器电源模块的设计 (22)
太阳自动跟踪系统剖析
绪论 21世纪是太阳能时代。在未来的40年中，人类可以实现100%的可再生能源供电。不再需要中东的石油、西伯利亚的天然气以及澳大利亚的铀。实际上，目前在我们家门口就已经获得了未来能源的载体:太阳、风力、水力、地热能，以及来自农田和林地的生物能。根据欧盟报告，2050年全球能源供给分配应当为:40%太阳能，30%生物能，巧%风能，10%水能，5%原油。报告论述了如何达到这种经济、环保、和平并且可持续的能源供给状态。跨国石油公司，比如壳牌、惠普等，已经在向着这种能源供给状态发展。 地球上的万物生长都依赖于太阳的存在，太阳给我们提供了巨大的能量源，地球上大部分的能源归根结蒂也来自于太阳。比如石油、煤炭等化石能源都是过去的动植物通过吸收太阳能不断的生长，后来这些动植物被掩埋在土壤下形成的能源，这其实是太阳能一种形式的转换，并被存储了下来，直到今天被人类开采使用。太阳能开发利用的潜力是相当巨大，据统计，全世界人们一年所使用的能量总和仅仅相当于太阳辐射到地球能量的数万分之一。在化石能源即将枯竭的未来，在未来能源方面，太阳能给人类带来新的生机。 太阳在一天中不断改变位置，这造成太阳能存在着密度低、间歇性的特点，且光照方向和度随时间不断变化。传统太阳能电池板固定在一个角度，不能时刻工作在最大效率处，而采用双轴太阳能跟踪系统的太阳能电池板在功率保持一定的情况下可以提升36% 的发电量，提高太阳能的利用率。
第一章跟踪系统的控制方案 目前光跟踪技术主要是两种方法:1.视日运行轨道跟踪方法。2.光电自动跟 踪方法。 1.1视日运行轨道跟踪 视日运行轨道跟踪技术是一种根据理论计算的太阳运行的轨迹而采取的一 种跟踪技术，根据跟踪的方位它主要分为两种:单轴跟踪和双轴跟踪。 1.1.1单轴跟踪 单轴跟踪分为三种方式:1.倾斜布置东西追踪;2.焦线南北水平布置，东西跟踪;3.焦线东西水平布置，南北跟踪。它们跟踪原理是相同，即电池阵列绕单一轴转动，其转动方向为自东向西或者南北方向，自东向西单轴跟踪方式是跟踪太阳方位角变化，驱动电池阵列转动，使电池阵列方位角与太阳方位角相同。这类跟踪方式结构简单，控制容易，在光照强度大和光照相当稳定的地方实施这类跟踪方式比较适宜。但这类跟踪方式存在一个最大缺点是除了正午这个时刻外在其他时侯不能保持电池阵列接收光辐射面与太阳光线垂直，这样大大降低了光的吸收效率，造成了能量的流失大，影响了整个光伏发电的效率。 1.1.2双轴跟踪 双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术，它弥补了单轴跟踪的不足之处，目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式:极轴跟踪方式，高度一方位角太阳轨迹跟踪方式。 极轴跟踪方式:是聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴;另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。 高度一方位角太阳轨迹跟踪是一种地平坐标系统跟踪方式，它是当今比较先进的一种跟踪方式，跟踪精度较高。高度一方位角跟踪方式通过计算具体地点和具体时刻的太阳运动轨迹(高度角和方位角表示运行轨迹)，根据光伏电池阵列的具体位置，先沿着垂直轴转动弥补方位角偏差，然后沿水平轴转动弥补高度角偏差，以保证电池阵列与太阳运行轨迹一致。这种方式受天气季节性影响较小属于一种理论计算轨迹程序控制跟踪方式。由于理论计算轨迹与实际运行轨道误差小，因此该跟踪方式跟踪精度较高，这种方式缺点是受跟踪系统机械影响比较大，在系统长期运行或者外力影响造成机械误差后，会造成跟踪偏差变大，影响了跟踪精度。
太阳光自动跟踪设计_图文(精)
摘要 通过分析全国日照时数表得出 : 开环系统在太阳能光伏工程中效率不高而并不适合采用。为合理地利用太阳能 , 提高其跟踪效率而采用混合控制系统。文中着重分析了双轴跟踪的原理提出了手动式方位角跟踪和自动式八方位高度角跟踪 , 引出了分级接收跟踪原 理 , 设计了软件流程并和一套任意方位跟踪系统。运行结果表明 , 该系统能实现太阳光任意方位检测并迅速跟踪有效降低系统运行功耗 ,减少机械结构损耗 ,跟踪精度可调 , 可望在太阳能光伏工程中获得应用。并促进太阳光的接收效率。 【关键词】太阳能跟踪系统；时空控制；光强控制；跟踪传感器 Abstract The open system is not suitable for adoption in solar photovoltaic engineering because of its inefficiency through analyzing the national sunshine duration https://www.360docs.net/doc/fd5773273.html,ing the mixture control system can enhance its track efficiency and make full use of solar energy reasonably.The paper analyzed the two axle track principle emphatically,then proposed the manual azimuth tracking and the automatic altitude angle tracking of 8 positions,educed hierarchical receive track principle,designed the software flow and a suit of arbitrariness azimuth track system.Running results indicated that the system can accomplish solar arbitrariness azimuth detection and tracking rapidly,fall running power consume efficiently,reduce consume of mechanical structure,and have adjustable tracking precision.It may obtain applications in solar photovoltaic engineering. 【Key words】solar Automatic tracking system；time and space contro；l light intensity control；solar tracking sensor 目录
太阳能自动跟踪控制器电路
太阳能自动跟踪控制器电路图 现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种：一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；二是使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里所介绍的控制电路也包括两个电压比较器，但设在其输入端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻；一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳，而且调试十分简单，成本也比较低。
双运放LM358与R1、R2构成两个电压比较器，参考电压为VDD（＋12V）的 1/2。光敏电阻 RT1、RT2与电位器 RP1和光敏电阻RT3、RT4与电位器RP2分别构成光敏传感电路，该电路的特殊之处在于能根据环境光线的强弱进行自动补偿。如图1所示，将RT1和RT3安装在垂直遮阳板的一侧，RT4和RT2安装在另一侧。当RT1、RT2、RT3和RT4同时受环境自然光线作用时，RP1和RP2的中心点电压不变。如果只有RT1、RT3受太阳光照射，RT1的内阻减小，LM358的③脚电位升高，①脚输出高电平，三极管VT1饱和导通，继电器K1导通，其转换触点3与触点1闭合。同时RT3内阻减小，LM358的⑤脚电位下降，K2不动作，其转换触点3与静触点2闭合，电机M正转；同理，如果只有RT2、RT4受太阳光照射，继电器K2导通，K1断开，电机M反转。当转到垂直遮阳板两侧的光照度相同时，继由器K1、
太阳能电池板双轴自动跟踪伺服控制系统的设计
题目：光伏发电太阳能电池板双轴伺服控制系统研究 一、题目说明 1、双轴跟踪的基本原理 双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度----方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图1.1所示，太阳能设备的能量转换部分的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。 图1.1 极轴式跟踪 高度角---方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，其原理如图1.2所示。太 图1.2 高度---方位角式全跟踪
阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。 2、光伏发电系统光电板自动跟踪系统的原理 太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，如果改变入射角，发电量将明显下降。其基本原理与结构为：由2台电动机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构，光电传感器与太阳能电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变，传感器失衡，引起系统输出信号产生偏差，达到一定幅度时，方向开关电路启动，执行机构开始进行纠正，使光电传感器重新达到平衡，即太阳能电池板方阵平面与光线构成90度角而停止转动，并完成一次调整周期。如此不断地调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路负反馈系统，实现了跟踪功能。该系统不需设定基准位置，跟踪器永远不会迷失方向。系统还设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试。光电板跟踪系统框图如图1.3所示。 图1.3 光电板自动跟踪系统框图 3、太阳高度角和方位角 1) Coper方程 太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以 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Coper方程， 计算得：