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1、太阳能光跟踪装置是一种通过低功耗单片机控制的光伏组件光跟踪装置，该装置通过检测光源位置，驱动步进电机，能够自动跟踪太阳光的运动，保证太阳能装置的能量转换局部所在的平面始终与太阳光保持垂直，使太阳能装置能够最大限度的利用太阳能。系统主要包括传感器局部、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，将五个完全相同的光敏电阻分别放置于检测面板的上下左右和中心位置，当太阳光线发生偏离，光敏电阻接收到的光照强度不相同时，通过信号转换电路将信号送给单片机，由单片机分析，控制驱动步进电机正反转。步进电机分为横向步进电机和纵向步进电机两个，横向步进电机
2、带动电池板使其能够在水平方向转动，实现电池板对太阳光的跟踪，纵向步进电机带动电池板在垂直方向能够进行仰角的调整，并通过通信接口将局部数据反响给单片机进行程序上的修正，使其无论在什么时候都能够使电池板与太阳光保持垂直。太阳能追踪系统的开发与研究，减少了太阳能资源的浪费，大幅度提高了对太阳能的利用率。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。关键词：步进电机；太阳能跟踪；光敏传感器AbstractThesolarenergylighttrackingdeviceisapvmoduleslighttrackingdevicethroughthelowp
3、owerconsumptionMCUcontrol,thedevicethroughthedetectionlightsourceposition,drivesteppingmotor,themovementofthesuncanautomatictracking,ensurethatsolarenergyconversiondevicesintheplaneofthesunalwaysandkeepthevertical,makesolarpowermaximumuseofsolarenergy.Thesystemincludessensorsignalintothecircuit,part
4、,MCUsystemandmotordrivecircuitandsoon.Thesystemadoptsphotoelectricdetectiontrackingmodeltoachievethetrackingofthesun.Sensoradoptsphotoconductiveresistance,makethefiveidenticalPhotoconductiveresistancerespectivelyinplaceofthepanelup,down,leftandrightandtestingcenterposition,whenthesunlighthappendevia
5、tion,photoconductiveresistancereceivesthelightintensitythatatthesametime,throughthesignalcircuitwillsignaltoasingle-chipmicrocomputer,bytheone-chipcomputeranalysis,thecontroldrivesteppingmotorandreversing.Steppingmotorisdividedintohorizontalandverticalstepmotorsteppingmotortwo,horizontalsteppingmoto
6、rdrivepanelswhichcaninhorizontaldirection,torealizethesunpanelstrackingthelight,thelongitudinalsteppingmotordrivepanelsinverticaldirectioncanbeadjustedtotheelevationof,andthroughthecommunicationinterfacewillbepartofdatabacktothefixedontheprogramMCU,makeitnomatterwhattimecanmakepanelsandthelightfromt
7、hesuntokeepthevertical.Theresearchanddevelopmentofthesolarenergytrackingsystem,reducethesolarenergywasteofresources,Improvedtheutilizationrateofthesolarenergy.Atthesametimethesolarenergyisakindofpollutionfree,tostrengthenthedevelopmentofsolarenergy,tosavetheenergy,protecttheenvironmentalsohassignifi
8、cantmeaning.Keywords：steppermotor；solarpowertrack；photosensor目录第1章绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 太阳能光跟踪装置的现有科技水平3太阳能利用的开展现状3太阳能光跟踪装置的开展现状51.3 指标参数6第2章太阳能光跟踪装置的方案论证72.1 跟踪方式的选择72.2 单片机的选择92.3 步进电机的选择102.4 步进电机驱动芯片的选择10第3章整体电路设计123.1 系统总体框图123.2 系统总体设计方案分析12光源检测局部设计方案分析12单片机设计方案分析123.2.3DC/DC转换电路设计方案分析13光源跟踪局部设
9、计方案分析13通信模块设计方案分析133.3 整体电路原理说明14第4章各单元电路的设计与分析164.1 信号转换电路的设计164.1.1 LM324功能介绍16信号转换电路164.2 单片机及外围电路的设计174.2.1 ATmega16单片机功能简介17422ATmega16单片机引脚说明18单片机最小系统204.3 步进电机及驱动电路的设计20步进电机特性介绍204.3.1 THB6016H功能简介214.3.2 THB6016H引脚说明21步进电机驱动电路224. 4DC/DC转换电路的设计224.1.1 LM2575功能简介224.1.2 LM2575引脚说明234.1.3 DCZD
10、C转换电路244.5通信接口的设计244.5.1 RS485通信方式的介绍244.5.2 MAX485功能简介254.5.3 MAX485引脚说明254.5.4 RS485接口定义介绍264.5.5 DB9引脚说明26通信接口电路27第5章系统软件说明285.1 主程序流程图285.2 步进电机控制子程序295.3 3通信局部控制子程序30第6章测试方案与测试结果316.1 对DC/DC电路的测试31测试连线框图31测试条件与仪器31测试结果316.2 对步进电机的测试32测试条件与仪器32测试方案32测试结果32第7章结论33参考文献34致谢36附录I英文资料37附录Il电路原理图43附录I
11、ll元器件清单44附录IV局部程序代码46第1章绪论1.1 课题研究背景与意义随着时代的前进，人类社会和经济的开展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会开展的根底，社会经济开展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源，然而长期以来，世界能源主要依靠的石油和煤炭等矿物燃料，都是一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极
12、开展新能源和可再生能源的研究和开发工作。虽然如今煤炭、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，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水能、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地提高。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5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。基于当今世界能源问题和环境保护问题己成为全球的一个“人类面临的最大威胁的严重问题，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%,且其使用在世界范围内以每1
13、0年20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续开展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有四大优点：储量的“无限性，太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75x102kW,极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73xI0UkW,穿过大气层到达地球外表的太阳辐射能大约为8.
14、1xl0W.在到达地球外表的太阳辐射能中，到达地球陆地外表的辐射能大约为1.7xlO3kw,相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供应地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。存在的普遍性，虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
15、利用的清洁性，太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。利用的经济性，可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税，可以随地取用；二是在目前的技术开展水平下，有些太阳能利用己具经济性。随着科技的开展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。太阳能的利用也有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，本钱增加。第二，大气影响较大,给使用带
16、来不少困难。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能枯燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术那么可解决。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直,并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置
17、假设想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。太阳能的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差很大，固定安装方式全天平均日照有效时间约为3.5小时，而太阳能跟踪能使发电量增加45%,精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。1.2 太阳能光跟踪装置的现有科技水平1.2.1 太阳能利用的开展现状太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利
18、用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从1999年的201MW增加到2005年的IloOMW。目前以32.1%的年平均增长率高速开展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(Mrn)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用方案，2023年光伏发电装机容量到达5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动是驱动欧洲光伏开展的里程碑，总目标是2023年光伏发电装机容量到达3GWo美国能源部制定了从2000年1月1日开始的5年国
19、家光伏方案和20232030年的长期规划，以实现美国能源、环境、社会开展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的开展速度，2023年美国光伏销售到达4.7GW。开展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右。预测未来10年仍将保持10%或稍高的开展水平，到达1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年开展迅速,居开展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约IOMW,累计安装量4050MWo因此，到2023年世界光伏系统累计安装容量已经到达1415GW0日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990
20、年进入普及顶峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，本钱也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%,并方案到2023年到达482万千瓦，增加约6倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，创造了一系列高效的太阳能系统。1990年德国政府推出了“一千屋顶方案，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量15千瓦，累计安装量已达
21、3.3万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比拟完备的生产体系。2005年
22、，美国光伏发电总容量到达100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产本钱，美国政府最近制定了阳光方案，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发,提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到2023年，美国光伏发电本钱将从现在的2140美分/千瓦时降到6美分/千瓦时，届时，太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源开展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果说明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强
23、了重视。意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶方案，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神2006的太阳能利用方案，按照该方案，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广阔。我国的国土跨度从南至北，自西至东，距离都在500Okm以上，总面积达960万平方公里，占世界陆地总面积的7%,居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为3340840
24、0MJ(m2.a),中值为5852MJ。我国太阳能资源丰富和比拟丰富的I、II、In类地区，年日照时数大于2200h,太阳辐射总量高于50165852MJ/(m2a),面积约占全国总面积的2/3以上。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式，随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施，太阳能光伏发电技术取得了较快开展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足,地理位置偏僻，电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高
25、速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。2005年我国系统累计装机容量为70MW,中华人民共和国可再生能源法，承诺2023年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看，2006-2023年每年的平均装机容量约60MW。我国由建设部制定的建筑节能”九五方案和2023年规那么中已将太阳能热水系统列入成果推广工程。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达100O余家，年产值20亿元。根据我国19962023年太阳能光电PV（光伏发电）开展方案，在2000年和2023年的太阳能光电
26、总容量将分别到达6.6万千瓦和30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，方案2023年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量I（M）千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力开展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。1.2.2 太阳能光跟踪装置的开展现状现阶段国内外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴跟踪一般采用：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。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理根本相似。双轴跟踪
27、又可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。太阳能设备的能量转换局部的一轴指向天球北极，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局部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。这种跟踪方式并不复杂，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拟困难。目前，国外对于太阳光线自动跟踪装置（或称为太阳跟踪器）的研究有，美国Blackace,在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北
28、方向那么通过手动调节，接收器对太阳能的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。1998年美国加州成功的研究了八JM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多能量，使热收率进一步提JOeLH.Godman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量
29、的获取率。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置1321。捷克科学院物理研究所那么以形状记忆合金调节器为根底，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。我国幅员广阔，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地外表每年接收的太阳辐射能约为501018KJ,全国各地太阳年辐射总量达335837KJcm2A,中值为586KJcm2A0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
30、、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阔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400Om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816KJcm2A,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“雾都之称的成都市，年平
31、均日照时数仅为H52.2h,相对日照为26%,年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4天，其它地区的太阳年辐射总量居中。在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向那么通过手动调节，接收器的接收效率提高了。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。1.3 指标参数本装置通过单片机的控制，可以跟随太阳的转动方向来调整采光局部的方向，使太阳光与采光局部始终保持垂直，到达最大限度利用太阳能的目的。装置能够到达以下指标：光伏
32、组件端电压36V,蓄电池电压24V,光源位置检测精度0.25。/分钟，步进角度0.1。，采用RS485标准通信方式。第2章太阳能光跟踪装置的方案论证2.1跟踪方式的选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但主要采用的方式有以下几种：程序控制式跟踪；时钟式跟踪；视日轨迹跟踪；光电式跟踪。下面就这两种跟踪方案做一个简要的介绍和比拟。方案一：程序控制式跟踪程序控制式太阳跟踪方式是与计算机相结合的。首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，最后通过电机传动装置到达要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。在美国加州建成的IOMW太阳1号塔式电站，就是使用这
33、种控制系统，在总计28万平方米的范围内分散着1818块反射镜。首先计算出太阳的位置，然后求出每个反射镜要求的位置，再通过固定在两个旋转轴（高度角和方位角跟踪轴）上的13位增量式编码器得到反射镜的实际位置，最后把反射镜要求所处的位置同实际上所处的位置进行比拟，偏差信号用来驱动122.5W的支流电机，使反射装置对太阳运动进行跟踪。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。方案二：时钟式跟踪时钟式太阳跟踪方式是一种被动式的跟踪方式，有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法。根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，
34、使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。双轴跟踪器的主要结构是通过电机带动反射器以每小时15度的恒速绕日轴转动，以跟踪太阳的赤经运动，另一个电机带动反射器以每天以巧分的恒速绕季轴旋转，以跟踪太阳的赤纬运动。这样反射器就能全年和入射阳光相垂直，到达跟踪太阳的目的。为了完成这两个方向上的跟踪，机构应该采用子午坐标跟踪系统。这种跟踪装置的主要优点是：结构简单，便于制造，并且该装置的控制系统也十分简单。其主要缺点是跟踪精度不够。太阳的高度角随季节的变化不是均匀的，对这种属于被动式的跟踪装置，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比拟大，需要定期进行校正。方案三：视日
35、轨迹跟踪不管是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统那么根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳
36、位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。由此可以看出，该种跟踪方案不管采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的本钱。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反响值做比拟，因而为了到达高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安
37、装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平,使仪器的高度角零点处于地面水平面内。方案四：光电式跟踪光电式太阳跟踪首先设置一个圆筒形外壳，在圆筒内部，东、南、西、北和中心五个位置上也分别布置5只光电阻，其中一对光电阻东西对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度，另一对光电阻南北对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度，中心位置的光电阻用来检测入射光线是否与跟踪装置主光轴平行。如此来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个值时，执行机构调整跟踪装置的位置，直到使太阳光线与跟踪装置光轴重新
38、平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。与前三种跟踪装置相比，光电式跟踪器可通过反响消除误差，控制较精确，电路也比拟容易实现，受到普遍关注，原那么上光电式跟踪由三大部件组成：光源检测部件、控制部件、跟踪部件。光源检测部件主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制部件主要接受从光源检测部件传输的微弱信号，经放大后送到单片机进行分析处理，控制部件是整个装置的核心。跟踪部件实为跟踪装置的执行元件，执行单片机发出的命令，主要由电机组成。由上述介绍可知，程序控制式跟踪存在累计误差，并且自身不能消除。时钟式跟踪属于被动式的跟踪，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双
39、轴跟踪系统累积误差比拟大，需要定期进行校正。视日轨迹跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用此跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。而光电跟踪那么不同，当跟踪装置开始运行时，光敏传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反响，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使太阳能装置得到稳定、可靠并且最大限度的利用太阳能。方案四跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多太阳能发电装置。所以选择方案四。2 .2单片机的选择目前市面上的单片机多种多样，其中AT89C51与ATmegal6是其中应用比拟广泛的两种，它们都具有很
40、高的性能价格比。方案一：AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMoS8位单片.机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。方案二：ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16内核具有丰富的指令集和32个通用存放器，16K字节的系统内可
41、编程FIaSh（具有同时读写的能力，即RWW）,512字节EEPROM,IK字节SRAM,32个通用I/O口线，32个通用工作存放器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比拟模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPl串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。由于系统采用太阳能供电，应当把系统的功耗降到最低，ATmega16是基于增强的AVRRlSC结构的低功耗8位CMoS微控制器。所以选择方案B
42、O3 .3步进电机的选择装置的跟踪局部采用步进电机来实现，步进电机是将电脉冲信号转化成角位移的执行机构。因此非常适合单片机控制，步进电动机推动了电动机的开展，为电动机的应用开辟了广阔的前景。按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类：反响式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它结构简单，本钱低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。永磁式步进电功机永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的。转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供应正负脉冲信号。又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。移或直
43、线位移，即给一个冲信。混合式步进电动机混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反响式和永磁式两者的优点，它的输出转矩，动态性能好，步距角小，是一种很有开展前途的步进电动机。综上所述装置选用混合式步进电机作为装置的跟踪局部。4 .4步进电机驱动芯片的选择考虑到系统的供电采用太阳能供电，太阳能电池板转化的电能不能全部用于供电，所以驱动芯片应该选取低功耗、外围电路器件较少的芯片。方案一：选用ULN2003,目前ULN2003是比拟常用的步进电机驱动芯片，ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑
44、缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压二50V,电流二500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。它的输出端允许通过电流为200mA,饱和压降VCE约IV左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的
45、电阻较为适宜，同时，Ce)M引脚应该悬空或接电源。方案二：选用THB6016H,THB6016H是低功耗、高集成的两相混合式步进电机驱动芯片，该芯片内置双全桥MOSFET驱动、温度保护及过流保护，每相额定电流2.5A、最大峰值3.5A,最大工作电压40V,最小4.5V,外围电路简单、工作可靠、使用方便。通过上述介绍可知ULN2003工作电压高，工作电流大，不适合用于本装置，相比之下THB6016H对于本装置更加适用，所以选择方案二。第3章整体电路设计5 .1系统总体框图本设计包括传感器、步进电机、单片机、通信接口以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个转动角度，分别为水平方向和垂直仰角，由两个
46、步进电机带动。光源的位置检测由五个光敏传感器来完成，传感器分别放置在检测面板的上下左右和中心位置，左右两个传感器负责检测太阳转动的位置，上下两个传感器负责检测太阳高度的变化，中心位置的传感器负责校准太阳光是否与采光局部的垂直。装置通过检测局部采集到的信号经过信号转换电路将检测信号传输给单片机。单片机加电复位后，并将对采样进来的电压进行判断，进而驱动步进电机分别对水平方向和垂直仰角做出相应的调整，即电压有增大和减小两种可能，如果电压增大，那么电池板继续转动，反之减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，实现对太阳光的跟踪，并通过通信接口将数据传输出来。总体框图如图3.1所示。6 .2.2单片机设计
47、方案分析主控单片机采用ATmega16单片机，ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmegal6内核具有丰富的指令集和32个通用存放器，支持片内调试，三个具有比拟模式的灵活的定时器/计数器。具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPl串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。能够在降低功耗的情况下快速准确的对数据做出处理和分析。7 .2.3DC/DC转换电路设计方案分析单片机需要5V电压供电，所以要通过DC/DC电路将电压转换成5V直流电压，使单片机能够正常工作。电路通过LM2575芯片实现电压转换功能，LM2575系列开关稳压集成电路是美国
48、国家半导体公司生产的IA集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，且内部有完善的保护电路。8 .2.4光源跟踪局部设计方案分析光源的跟踪局部通过步进电机来实现，步进电机是将电脉冲信号转化成角位移的执行机构。能够分步进行转动，可以准确转动到指定位置，从而对太阳位置的跟踪更加准确。步进电机驱动芯片采用THB6016H,THB6016H是低功耗，高集成混合式两相步进电机驱动芯片。具有双全桥MOSFET驱动，有多种细分运行方式可供选择，内置温度保护及过流保护，外围电路简单能将功耗降低，且使用方便。9 .2.5通信模块设计方案分析装置采用RS485标准通信方式，RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。最大的通信距离约为1219m,最大传输速率为10MbS,传输速率与传输距离成反比，在I(X)Kb/S的传输速率下，才可以到达最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以到达128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。接口信号电平比RS232降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
