毕业设计（论文）-双轴分段式太阳跟踪系统的设计.doc

摘 要 本科生毕业论文（设计）中文题目 双轴分段式太阳跟踪系统的设计 英文题目 Design of a Two Axis Segmented Solar Tracking System 学生姓名 班级 学号 学 院 专 业 指导教师 职称 学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 学士学位论文（设计）作者签名： 年 月 日摘 要近年来，随着不可再生资源的趋于枯竭，和石油煤炭等资源带来的严重空气污染，具有清洁无污染特性的太阳能越来越受到人们的重视。目前最为普遍的方法是通过太阳能电池板把太阳能转化为电能，然而由于地球自转的因素，太阳相对于电池板的角度，在一天中不断发生着变化，从而导致的固定式的太阳能电池板无法对太阳能进行充分的吸收，因此在提高太阳能的利用效率方面，太阳跟踪装置与系统，越来越受到人们的重视。根据天文学知识，我们可以知道，太阳每时每刻在天空中的位置，是可以通过计算得出来的。通过计算出来的方位角和高度角来跟踪太阳的跟踪系统，被称为主动跟踪系统。本文介绍了一种双轴分段式太阳跟踪系统的设计方法。该系统的控制方式是分段控制，即每隔一定的时间段，调整一次太阳能电池板的姿态。由于控制的是太阳能电池板正对方向的方位角和高度角两个变量，所以机械结构上有两个转轴。所以该系统被称为双轴分段式太阳跟踪系统。本系统的单片机采用了STC公司出品的STC89C52单片机进行控制。该系统是通过单片机控制两个步进电动机，按照太阳方位随时间变化的规律，来分段跟踪太阳的方位角和高度角两个变量的。同时该系统还具有一定对于极端天气的应急响应能力，能够在大风和大雪的天气下，放平或竖起电池板，以防止大风和大雪对于太阳能电池板造成的破坏。关键词： 太阳跟踪系统 分段控制 单片机 极端天气应急响应 第1章 绪论ABSTRACTIn recent years, with the depletion of non renewable resources, and the serious air pollution caused by oil and coal, the solar energy has been paid more and more attention. At present, the most common method is to solar energy is transformed into electric energy through the solar cell board, however due to the rotation of the earth, the sun relative to the angle of the panels, in a day in constantly changing, which leads to the fixed solar panels cannot of solar energy is fully absorbed, so improve the solar energy utilization efficiency, solar tracking devices and systems, more and more people have attention.According to the knowledge of astronomy, we can know that the position of the sun in the sky all the time, can be calculated through the. By calculating the azimuth and elevation angle to track the sun tracking system, known as the active tracking system. This paper introduces a design method of a two axis segmented solar tracking system. The control method of the system is the subsection control, that is, the attitude of the solar cell panel is adjusted once every certain period of time. Due to the control of the solar panel is the direction of the azimuth and elevation angle of two variables, so there are two mechanical structure on the shaft. So the system is called the double axis segmented solar tracking system. This system uses the monolithic computer STC company produces the STC89C52 microcontroller to carry on the control.The system is to control two stepper motors through the microcontroller, according to the law of the suns azimuth with time, to track the suns azimuth and elevation angle of the two variables. Also the system also has certain for emergency response capability of extreme weather, high winds and heavy snow weather, flat or raised panels, in order to prevent the damage caused by high winds and heavy snow for solar panels.Keywords: Solar Tracking System subsection control microcontroller Extreme weather emergency response目 录第1章 绪论11.1 课题的背景和意义11.2 太阳跟踪系统及相关行业的的发展21.3 设计要求及本文的主要内容61.4 本章小结7第2章 太阳跟踪方案的确立82.1 单片机STC89C5282.2 单片机开发工具软件Keil82.3 步进电机驱动器A498892.4 时钟芯片112.5 控制方案的确立132.5 本章小结20第3章 太阳跟踪系统的硬件部分213.1 机械结构的设计213.2 硬件电路的设计233.3 本章小结27第4章 太阳跟踪系统的软件部分284.1 水平方位跟踪控制程序（单片机1）284.2高度角跟踪和应急天气相应程序（单片机2）324.3 本章小结39第5章 设计成果和工作总结405.1 设计成果405.2 全文工作总结405.3 未来值得优化的部分42参 考 文 献43致 谢44第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题的背景和意义自2012年以来，覆盖全国的持续性雾霾以及pm2.5污染，引起了全国人民的广泛关注。以石油、煤炭为主的传统能源，受到了人们的广泛质疑和诟病。因此，改变我国以高耗能、高污染为特色的传统能源结构，成为了各行各业所讨论的焦点。在气候变化和化石能源日益短缺的大背景下，可再生能源和清洁能源越来越受到人们的关注。在众多新能源类型中，太阳能具有以下特点：并存在枯竭的问题，可谓是取之不尽，用之不竭；绝对清洁，太阳能的获取和利用不会产生任何的污染；不受地域和资源分布的限制，凡是太阳照得到的地方，该能源就可以被利用；使用方便，可在用电处就近发电，特别适用于人迹稀少、交通不便的偏僻地区；获取能源花费的时间短，太阳能的电能的转化是瞬时产生的。其不足之处是：照射的能量分布密度小，要获得足够的功率，就要占用巨大的面积；获得的能源质量同四季、昼夜及阴晴等气象条件以及发电场所所处的地形地貌和纬度高低有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新兴能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的高度重视，各国纷纷在太阳能的开发利用方面做了大量的研究工作。时至今日，论中国光伏产业的规模，随着近年来国家经济实力的起飞，早已经雄踞全球首位。然而在对于太阳能的精细利用和发电效率上，与发达国家还有着一定差距。同时，光伏发电在能源结构上的比例，还是比较微弱，但这也预示着光伏发电在我国极其巨大的发展潜力。在十三五规划中，中国政府对于光伏产业给予了很高的期待。在此期间，中国政府将会投入巨大的精力用于促进光伏产业的发展，我国政府所关注的重点不仅仅是扩大光伏发电场所的分布规模门口，更把提高科技产业附加值，提高转换效率，大幅度降低生产成本，以及提高整个光伏制造业产业链的竞争力，作为政策扶持的重点。2015年10月12日，在北京举办的中国光伏领袖峰会上，国家能源局新能源和可再生能源司副司长梁志鹏通过媒体向外界传递了这样的信息：他认为中国的光伏行业目前处于一个关键的转型期，在此期间，中国的光伏产业将实现规模扩张型发展模式转变到质量效益型发展模式的根本性转变。政府期待在这个转型期内，光伏产业能够逐渐提高产业的竞争力，逐步摆脱对政府补贴政策的依赖，实现独立发展。中国政府相关部门已经制定了在2020前实现年非化石能源占能源消费比例达到15%的目标，光伏产业业内人士已经在讨论上调1亿千瓦的光伏产业发展预设目标，估计甚至有可能调高一倍，达到2亿千瓦。国务院提出了“中国制造2025”的宏伟目标，期待我国的高端制造业能够在能世界上打出响亮的民族品牌。要提高制造业产品附加值，就必须在全产业链的各个环节提升竞争力，发扬“工匠精神”，实现精细化发展。特别是要掌握各种核心技术，加强研发力量，使产业不断迭代升级。基于这种战略思路，对于光伏产业而言，提升太阳能电池板的转化效率，成为了本产业的一项关键技术。受限于当前材料科学的发展水平，目前太阳能电池板的转化效率仅为10%20%，我们很有必要采取其他能够有效提升效率的的思路。理论分析表明，固定式和具有跟踪功能的太阳电池板相比，能量的接收率相差37.7%。所以说，为太阳能电池板安装跟踪装置，对于增加光伏发电产能，提高对太阳能的利用率，具有极为重要的意义。1.2 太阳跟踪系统及相关行业的的发展1.2.1 太阳跟踪系统根据跟踪装置的工作原理，太阳跟踪系统可分为主动式和被动式。主动式跟踪系统，它的工作原理是根据安装地点的经纬度和当地时间等信息，计算出一年中每一天太阳在不同时刻所处的位置，并将这些控制信息存储在电控单元中，例如PLC或者单片机中。根据时间信号，向动作机构发出指令，不断调整太阳能电池板的方位指向，从而实现对太阳位置的跟踪。主动控制系统可以具有非常高的精确性和实时性，而且具有很强的抗干扰能力，不会因天气原因引起的光照变化而而失去跟踪目标，并且也非常便于集中控制和远程控制，非常适合大规模的发电场所。与此同时，因发电场所位置不同需要在算法中设置相关参数，需要校正初始方位等特点，导致主动式跟踪系统也存在安装调试难度较大，系统设计复杂等缺点。被动式跟踪系统又被称为光电跟踪跟踪系统，具体又可分为重力式、电磁式和电动式三类。光电式跟踪系统的工作原理简而言之就是根据光照强度的大小，寻找太阳在天空中的位置。这三种光电跟踪系统共同点是它们都使用如硅光电管、光敏三极管等光敏传感器。要检测太阳的方位，就必须同时使用一对互相垂直的遮光板和多个光电传感器，当机构指向正对太阳的时候，遮光板平面和太阳光线平行，所有的光电传感器检测到同样的光照强度，这时就确定了机构是正对太阳的，执行机构不需要作出动作。随着地球自转，太阳方位逐渐西移，高度角也在随之发生着变化。此时，每一片遮光板的一侧就会产生阴影，当阴影覆盖了光电传感器时，电控单元检测到了遮光板两侧光照输入信号的差异，此时，电控单元就会像，控制机构发出动作信号，由伺服机构调整角度，使得跟踪装置再次对准太阳，这时就完成了一个跟踪的工作流程。这种跟踪装置，灵敏度高，设计简单，使用方便，调试容易，非常适合临时搭建的发电装置，能够迅速完成发电机构的部署，特别适合救灾抢险，野外应急供电等使用场合。但是这种控制方式存在以下缺陷：（1）光电跟踪系统受天气影响特别大，在多云天气或暂时的阴天天气条件下，会导致太阳能电池板无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作；（2）如果灰尘或杂物不慎遮盖了整个光电感应装置或部分光电传感器，亦或遮光板受外力因素缺失或被撞歪，也将导致跟踪过程的失灵，所以光电跟踪装置对维护的要求也较高。有些比较高端的跟踪装置，集合了主动跟踪和被动跟踪两者的优势，先通过被动跟踪得出太阳的运行数据，然后通过智能算法计算出太阳的运行轨道，进行主动跟踪，期间不断通过检测太阳方位，提高跟踪的精确程度。这种复合式的太阳跟踪系统搭建迅速，调试简单，跟踪精确。但由于原理和设备复杂，售价昂贵，目前还未得到广泛的普及，但由于这种系统具备较高的智能程度，所以它代表着太阳跟踪系统在未来的发展方向。按跟踪装置的机械构造来划分，太阳跟踪系统又可分为单轴式和双轴式。双轴式就是本设计的设计目标，由于它有两个自由度，所以能够实现精确跟踪，但是机械结构相对复杂，不便维护且容易受恶劣天气因素造成损坏。而单轴式只能控制方位角和高度角中的一个变量，精确度不如双轴式高。但由于机械结构比较简单，坚固耐用，容易维护，控制方便，设计容易且造价低廉等特点，也得到了相当广泛的应用。1.2.2 单片机的发展现状及趋势在这个科技日新月异的时代，随着电子工业技术的飞速进步，单片机家族也越来越发展壮大。特别是近年来，随着智能家居的普及，和物联网技术的普遍应用，单片机从当初单纯的工业场合，走到了当今生活中的方方面面。单片机在提高社会生产效率，提高人民生活品质，满足人们对家电、汽车等消费品智能化、人性化越来越高的需求方面，发挥着越来越不可替代的功能。随着社会的发展，单片机在以下几个主要方面，得到了越来越多的运用：（1） 汽车电子方面。今天，电子设备在汽车整车售价中所占的比重逐年上升。电子设备的多少，越来越成为人们衡量汽车档次的重要因素。单片机在汽车的GPS导航定位、制动防抱死功能、发动机节油控制、胎压监测、防侧翻侧滑系统等方面，得到了越来越广泛地应用；（2） 智能仪器。由于单片机功耗小、成本低、体积小、扩展能力强、具有一定通信功能等等特点，在检测系统中发挥着得天独厚的优势，成为智能测控设备组成元件中必不可少的一部分；（3） 医疗电子设备。随着人们对医疗服务需求的提高，近年来单片机在智能监护、生命体征检测、医院病房呼叫设备也发挥着越来越广泛的应用；（4） 智能家居及物联网装置。随着人民生活水平的提高，我们对家电设备的人性化要求也越来越高。我们希望家里的能够互相连接，通过局域组网进行信息共享，自动识别人类的生活需求，并且了解并符合我们的生活习惯，更要具有兼容手机等便携设备的远程控制的功能。要提高家电设备的智能化水平，具有嵌入式功能的单片机必不可少。随着单片机应用领域日益扩大，单片机生产工艺及其产品体系都在不断完善，功能日益强大，性价比越来越高，它的发展趋势，也呈现以下特点：（1）CPU运算能力不断强化。随着单片机的应用越来越广泛，人们对单片机CPU的数据计算和信息处理能力的要求也越来越高。这些年来，具有更宽的总线宽度的6位单片机和32位单片机层出不穷。都，在一些比较高端的单片机上，已经采取了双CPU的结构。（2）外围电路内装化发展随着电子工艺技术的进步，原本的单片机外围电路，越来越多的被集成在单片机的内部。越来越多的单片机集成了A/D、D/A、温度传感器、电压比较器、定时器等传统的外部设备。（3）CMOS化和低功耗化CMOS芯片的单片机具有功耗很低的特点。随着无线设备、移动设备、嵌入式设备、微型传感器件的广泛应用，为了满足长时间的持续工作要求，具备低功耗特点的单片机越来越受到人们的欢迎。低功耗单片机普遍具有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作模式。这些在低电压条件下工作的单片机，工作电流仅为微安、纳安级别，特别适合用于电池供电的微型电子设备。（4）I/O功能的普遍强化传统的单片机I/O口的驱动能力非常弱，往往离不开驱动芯片、上拉电阻或者功放电路。现在有越来越多的单片机I/O口支持大电流大电压的输出，具有很强的驱动能力，可以直接驱动发光二极管或者液晶显示屏。这类单片机由于使用方便，得到了越来越广泛的运用。1.2.3 步进电机的发展现状及趋势步进电机当今广泛应用在涉及到机电控制的各个领域当中。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。现在，步进电动机的发展（结构的发展）已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：一，是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比(性价比)将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高3040。三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器（相对编码器），减速齿轮（减速机）等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。1.3 设计要求及本文的主要内容1.3.1 系统设计要求（1） 机械结构采用采用双轴跟踪方式，使用两个步进电机，其中一个步进电机控制方位角，另一个电机控制高度角；（2） 根据时间及时令计算出太阳位置，使太阳能电池板的垂线基本正对太阳，尽可能减小误差；（3） 在大风（八级）天气时，控制太阳能电池板于水平状态，防止大风造成损坏；（4） 大雪天气时，控制太阳能电池板于垂直状态，防止积雪覆盖；（5） 采取分段跟踪方式。1.3.2 本文的主要内容本文对对一种双轴分段式太阳跟踪控制系统的设计进行了详细研究，采用了单片机对步进电机的运动进行控制，从而达到了控制太阳能电池板姿态，对太阳进行跟踪的效果，并且通过硬件和软件的设计，使其具备了一定对极端天气的应对功能。文章的五个章节分别介绍了以下内容：第1章作为本文的总体铺垫，总结了本课题的选题背景、社会意义以及相关的研究成果，并提出了设计的就具体要求；第2章首先介绍了本次设计所采用的单片机型号，然后介绍了单片机的开发软件Keil C51，又介绍了本次设计所采用的步进电机驱动器A4988和未来对本系统进行功能拓展所使用的时钟芯片，最后结合对太阳在天空中运行轨迹的分析，得到了本次设计的控制方案；第3章的主要内容太阳跟踪系统的硬件部分的设计，分别为机械结构的设计和硬件电路的设计；本文的第4章讲的是设计该系统的软件部分，首先是总体的算法设计思路，其次是各个单片机部分的程序设计，并且对程序做了详细的注释和解读。第三，第四这两个章节为本文的重点章节，是该系统设计的技术核心；最后一个章节对系统的设计成果进行了检验，总结了本次课程设计的工作成果，根据所作出的成果以及不足，提出了该系统值得优化的部分，为系统性能的进一步提高规划出接下来的工作任务。1.4 本章小结第一章是本系统设计的总体阐述，在开头部分首先介绍了该设计的社会现实背景意义，并且还介绍了该设计需要涉及到的相关技术的背景、发展现状以及发展趋势的预测，对该系统所涉及的相关行业有了一个总体上的了解。在章节的后半部分提出了系统的设计要求，并简明地阐述本文各章所包含的内容，使读者对该设计有了一个总体上的认识。7第2章 太阳跟踪方案的确立第2章 太阳跟踪方案的确立2.1 单片机STC89C52该设计同时借助国内外的使用较多的基于51内核扩展出来的单片机，来实现一定的辅助控制功能。基于51内核扩展出来的单片机，即我们常说的51单片机，其型号为国产宏晶STC89C52，这是一款使用极为广泛的单片机型号。其标志含义如下：STC前缀，代表生产厂商，表示是STC公司的产品。8表示该单片机类型为基于8051内核芯片，属于51单片机。9表示内部集成的存储器类型，标号9代表该单片机的存储器为Flash EEPROM存储器。C该单片机为CMOS电路产品。551系列单片机固有标号。2表示该芯片内部程序存储空间的大小为8KB，该位数字乘以4KB就是该芯片内部的程序存储空间大小，例如1为4KB，2为8KB，3为12KB。和AT89S52单片机相比，STC98C52和AT89S52的引脚完全兼容，硬件连接基本一样。但STC的是增强型，多了一些AT89S52没有的功能，比如储存容量RAM大小，还有多了Timer3和P4口等，STC89C52自带ADC的可以直接接模拟的温度探头，AT89S52还要外置ADC，所以说，STC比AT89S52功能更加强大。2.2 单片机开发工具软件KeilKeil C51是美国Keil Software公司出品的的一款功能强大的51系列单片机开发系统。运行Keil软件需要Windows操作系统环境。其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具能够极大地提高开发效率，所以，Keil在51单片机开发者群体中得到的极为广泛的普及。它为我们提供了一整套便捷易用的单片机开发方案，过一个集成开发环境（Vision），把包括C/C+编译器、宏汇编功能、链接器、库函数管理以及一个功能强大的仿真调试器这些部分在内部完整通将组合在一起。特别是通过仿真功能，可以准确地模拟A/D转换器、ISP、串行口、中断、A/D转换器等外部设备，编译器能够发现并准确定位程序中的错误，这些功能为开发者节约了大量时间。图2-1 单片机开发编程软件Keil主界面 2.3 步进电机驱动器A4988步进电机驱动器A4988是一款应用极为广泛的步进电机驱动器。该产品的控制对象是两相四线制步进电机。该型号驱动器具有操作简便，工作稳定，控制精确等特点，在这个3D打印技术逐步普及的时代，该型号步进电机驱动器，在3D打印机上得到了广泛的应用。由于本人曾经有过接触3D打印机的经历，对这款驱动器印象深刻，故在此把A4988从3D打印机“借”到本太阳跟踪系统上来。A4988步进电机驱动器的使用和操作非常简单，在使用时。只需通过电控元件向“步进”端发送步进脉冲，并用高电平或低电平控制“方向”端，即可控制一个步进电机的精确运行。该产品还可以有5种步进模式提供给操作者选择。分别是全、半、1/4、1/8 及 1/16 这5种步进模式。该驱动芯片逻辑电源VCC端需要提供5V电压，输出驱动电压可达35V，最大输出电流可达2A。A4988 步进电机驱动器采用表面安装 QFN 封装(ES),尺寸为 5mm5mm,标称整体封装高度为0.90mm ，并带有外露散热板以增强散热功能。该封装为无铅封装（后缀 T），采用100%雾锡电镀引脚框。图2-2 A4988引脚及接线图值得注意的是，A4988电源是两套：信号电源（VDD GND）和电机电源（VMOT GND）。两者电气上是绝缘的，电压不一样。A4988的接法如下：1. 单片机的5v电源（3.3v也可以）接VDD和GND2. 12v接VMOT 和GND（8v到24v均可）3. 单片机或plc 的5v（3.3v也可以）输出控制STEP和DIR就可以控制A4988。4、1A,1B接一组线圈，2A,2B接另一组线圈，如果不对的话，就正负换一下。5、其余引脚：RESET和SLEEP短接；ENABLE 接信号电源的0V为有效；MS1 MS2 MS3见下表：表2-1 模式选择端MS1、MS2、MS3的使用MS1MS2MS3细分000110020104110811116调节旋钮的使用：驱动芯片中下方有一个调节旋钮，可以调节电流。顺时针为增大，逆时针为减小。注意只能调整一圈。如一直顺时针旋转，则电流由 最小-大-最大-最小-大-最大-最小循环。电流越大，电机转矩越大，电机发热也越严重。发热的温度和转矩大小是同时增减的。根据使用者的需要找平衡点。2.4 时钟芯片受限于当前的知识水平和毕业设计时间期限，本人目前暂时还无法实现具备实时跟踪功能的太阳跟踪系统，但是作为该系统未来的实时化跟踪改进方向，很有必要介绍时钟芯片的使用。在众多电子设备当中，少不了关于时间控制的功能，如果所有的时间相关控制都采用编制的延时函数或利用单片机的定时器功能，将会浪费大量的系统资源。更严重的是，如果发生了系统的偶然掉电，或者系统复位，则很有可能造成系统的时间控制功能混乱。如果采取具有掉电不丢的时钟芯片，就能够很好的解决这个问题。常见的时钟芯片按封装形式分为两种类型，贴片式和直插式。贴片式他使用时需要外接电源和外部晶振，而直插式通常含有内部集成电池和集成晶振。典型的贴片式时钟芯片最常用的是串行口DS1302，此外还有DS1337，DS1338还有并行口的DS1558。而典型的直插式时钟芯片有DS12887、DS12C887A、DS12B887、DS12C887等。由于DS12C887综合性能比较高，且非常具有代表性，所以本文全用该型号芯片在此作以重点介绍。DS12C887含有内部集成电池和集成晶振，在外部掉电情况下，其内部电源可以使得时间信息保持长达10年。它可以精确地计量世纪、年、月、日、分、秒等时间信息，还具有闰年补偿功能，避免了在闰年发生日期丢失的现象。对于同一天内的时间记录，可以选择12小时制和24小时制两种模式。芯片内部用两种方式储存时间信息，一种是BCD码储存模式，另一种是二进制储存模式。该芯片带有128B的RAM，分为3个寄存器。时间不寄存器用来存储时间信息，大小为11B；控制寄存器大小为4B，存储控制信息；113B为通用寄存器，供用户自己定义使用，用户可以使用软件编程来输出多种方波。该芯片具有很好的工作稳定性，该芯片含有一个精密的温度补偿电路，可以监测VCC输入电压的稳定性，在主电源发生故障的情况下，能够自动切换到备用电源供电。访问该芯片需要通过一个多路复用单字节接口，这个接口支持两种总线工作模式，分别是Intel模式和Motorola模式，由MOT引脚进行控制，MOT接VCC时，为Motorola，悬空或接地时，为Intel，工作模式。时钟芯片DS12C887的引脚排列如图所示：图2-3 DS12C887的引脚排列图时钟芯片DS12C887各引脚的功能说明GND、VCC：直流电源，其中VCC接+5V输入，GND接地。当VCC输入为+5V时，用户可以访问DS12C887内RAM中的数据，并可对其进行读、写操作；当VCC输入小于+4.25V时，禁止用户对内部RAM进行读、写操作，此时用户不能正确获取芯片内的时间信息；当VCC输入小于+3V时，DS12C887会自动将电源切换到内部自带的锂电池上，以保证内部的电路能够正常工作。MOT：模式选择引脚DS12C887有两种工作模式，即Motorola模式和Intel模式。当MOT接VCC时，选用的工作模式是Motorola模式；当MOT接GND或不接时，选用的是Intel模式。本文主要讨论Intel模式。SQW：方波输出引脚当供电电压VCC大于4.25V时，SQW引脚可进行方波输出，此时用户可以通过对控制寄存器编程来得到13种方波信号的输出。AD0AD7：复用地址/数据总线该总线采用时分复用技术，在总线周期的前半部分，出现在AD0AD7上的是地址信息，可用以选通DS12C887内的RAM；总线周期的后半部分出现在AD0AD7上的是数据信息。AS：地址选通输入引脚在进行读写操作时，AS的下降沿将AD0AD7上出现的地址信息锁存到DS12C887上，而下一个上升沿清除AD0AD7上的地址信息，不论是否有效，DS12C887都将执行该操作。DS/RD：数据选择或读输入引脚该引脚有两种工作模式：Motorola工作模式中，每个总线周期的后一部分的DS为高电平，被称为数据选通。在读操作中，DS的上升沿使DS12C887将内部数据送往总线AD0AD7上，以供外部读取。在写操作中，DS的下降沿将使总线 AD0AD7上的数据锁存在DS12C887中；Intel工作模式中，DS被称作RD。该引脚是读允许输入脚，即Read Enable。是读(RD)信号输入端。当他有效时表示DS12C887正往总线输出数据。RD信号线在存储器芯片上被称作OE信号线。R/W：读/写输入端该引脚也有2种工作模式：Motorola工作模式中，该引脚的作用是区分进行的是读操作还是写操作，当R/W为高电平时为读操作，R/W为低电平时为写操作；Intel工作模式中，此时该作为写允许输入，即Write Enable。是写(WR)信号输入端。CS：片选输入，低电平有效。IRQ：中断请求输入，低电平有效，该引脚有效对DS12C887内的时钟、日历和RAM中的内容没有任何影响，仅对内部的控制寄存器有影响，在典型的应用中，RESET可以直接接VCC，这样可以保证DS12C887在掉电时，其内部控制寄存器不受影响。RESET：复位端在典型的应用中，RESET直接接VCC。2.5 控制方案的确立控制方案的确立是本次设计的“灵魂”。我们首先需要明确的是太阳在天空中的运行规律，从中得到了太阳跟踪系统的跟踪方案。跟踪方案的选取，必须要能够具有一定的跟踪精确度，从硬件结构方面的考虑，应当选取硬件设计结构比较简单的，算法设计相对简洁高效的控制方案。要具体地实现太阳跟踪功能，并且满足系统对于极端天气的应对能力，必须确定硬件系统的实现方法。1.2.1 跟踪方案的确立如图2-3所示，地球绕着太阳公转，由于地球的轨道面和黄道面不完全重合，所以地球自转轴和黄道面的法线，存在一定的夹角，这个夹角被称作黄赤交角。太阳和地球的连线，同地球自转轴的夹角，被称作赤纬角。这一年中，随着太阳和地球相对位置的变化，赤纬角也在不断地发生变化，赤纬角以年为周期，在+23 26与-23 26的范围内移动，成为季节的标志。从而导致在地球上固定的地点，太阳的正午高度角也随之变化。图2-4 太阳赤纬角的变化原理由于在同一天中，地球围绕太阳只旋转一个很小的角度，赤纬角也随之发成了十分微小的改变。因此我们可以假设，在同一天里，我们可以认为太阳的赤纬角是一个定值，所以在同一天里，太阳的跟踪方案可以仅仅考虑地球自转对于太阳位置的影响。从图2-4中我们可以看出，在同一天里，太阳的运行轨道，是以中午的太阳位置为对称中心而对称的。因此，太阳的高度角和方位角的变化量，在时间上，也是随着地方时的中午时刻对称的。根据以上分析可知，某一时刻太阳在天空中的位置，受以下三个变量的影响：地方时，日期和月份，观测点的经度，和观测点的纬度。查阅文献，我们得知：太阳能电池板上直接日射入射角 由太阳赤纬角、太阳时角 、电池板倾角 、电池板方位角和试验地的纬度 计算公式如下:cos=(sinsin cos)-(sincos sincos)+(coscos coscos )+(cossin sincoscos)+(cossinsinsin) （2.1）而一年内第 n 天的太阳赤纬角计算为 :=23 .45sin360(284 +n)/365 （2.2）从式(2.1)、式(2.2)可以看出 ,当、确定以后, 电池板倾角和方位角的值决定了直接日射入射角,因此只要控制电池板的角度使其具有合适的倾角和方位角, 就可以保证太阳光线入射角为0 ,从而最大限度地收集太阳光能。由于精确的计算方法比较复杂，还要考虑大气层折射的影响，要得到精确的数据。该系统设计当中所需要的数据，使用现成的天文观测软件来进行计算仿真。图2-5 太阳在天空中的运行轨迹示意图由于本系统采取分段控制，需要控制的是高度角、方位角、动作时间间隔三个变量。所以我们可以采取以下两种控制方案：方案一：每采取固定的时间间隔，控制机构发出一次信号，改变一次我高度角和方位角，达到跟踪功能；方案二：当太阳的方位角每改变一定相同的角度，改变一次太阳能电池板的动作，从而实现了对太阳的跟踪。为了达到相对比较精确的跟踪精度，同时也为了能够在一定程度上简化太阳跟踪系统的复杂程度，需要对以上两种方案进行对比。使用了Stellarium天文软件对于太阳运行轨迹的仿真。Stellarium是一款开源的桌面天文仿真软件，它可以根据观测者所处的地理位置观测日期和观测时刻，准确地计算出天空中太阳、月球、行星以及各种星体在天空中的实时位置，并能够精确地地模拟出各种天文现象，同时还可以采集出各个星体的观测数据。这是一款极为优秀的天文软件，在天文爱好者群体中得到了广泛的普及和应用。该软件的运行界面，如图2-5所示。图2-6 单片机开发编程软件Keil主界面通过使用Stellarium天文软件对于太阳运行轨迹的仿真，得到了基于以上两种控制方案的跟踪数据。基于长春市地理位置，日期选择2016年3月22日，即春分日当天，因为我们计划将太阳的轨道分为10段进行跟踪控制，所以我们对于两种跟踪方案分别采取了11组数值。我们先按照时间等分，每隔1小时12分钟，即12小时的1/10。采样了太阳的高度角和方位角，并计算出了与上一刻的相比的变化量。如表2-1所示。表2-2 控制方案一的分段数据时刻水平方位角变化量高度角变化量6:0092无3无7:12105+1315+128:24120+1527+129:36137+1737+1010:48159+1944+712:00185+2646+213:12209+2442-2414:24230+2134-815:36246+1623-1116:48260+1411-1218:00272+12-2-13从上组数据可以发现，太阳的方位角和高度角随时间的关系是非线性的。根据方案一，在中午时刻附近，每过1小时12分钟，太阳的水平方位角可以发生很大的改变，最大可达26，所以，如果采用等分时间间隔的控制方案，正午时刻的太阳水平方位跟踪将会产生很大的误差，而正午时刻恰恰是太阳辐射功率最强的时刻，从而导致太阳光照的有效利用效率下降。再选取太阳的水平方位角以18为间隔，太阳的时刻和高度角等相关数据，并计算出了变化量。如表2-2所示。表2-3 控制方案二的分段数据水平方位角时刻与上一时刻间隔高度角变化量近似为1.8n倍905:46无020无无1087:261:401745+1725101.81268:511:253123+133871.81449:591:084003+84051.816210:550:564440+43731.818011:460:514607+12711.819812:370:514442-125-11.821613:330:564006-434-31.823414:411:083130-836-51.825216:051:241757-1333-71.827017:461:41035-1722-101.8根据表上的数据，我们发现：以正午时刻为对称中心，对称时间段的太阳的水平方位角每隔18度的变化量，其对应时间间隔是基本相等的；高度角的变化量绝对值，也是基本相等的。由于我们所设定的水平方位角的变化量是固定的，所以其水平方位角的跟踪误差，和方案一相比，有了大大的缩小。同时，根据方案二的设计原理，要在指定的一天当中对太阳进行跟踪，我们只需要控制好时间间隔和高度角的两个变化量。从而大大的减小了跟踪方案的复杂度。根据以上规律，设计该跟踪系统的主体控制方案为：当系统开始跟踪工作以后，步进电机控制太阳能板达到初始位置，同时计时开始；接下来每隔不同的时间间隔，控制机构发送信号，使得水平方位角改变固定的角度，同时根据存储的高度角变化量，控制高度角增加或者减小一定的角度，达到分时分段跟踪的目的。但是，仅仅依靠以上的分析和数据来实现该系统还是不够的，完全按照表中的数据实现跟踪仍旧会存在很大的缺陷。显然，在机构动作完成的一刻，太阳能电池板的姿态对应的是太阳的实时位置，然而，在这一刻直到下一次动作前的整个跟踪分段，太阳能电池板的姿态都是滞后于太阳的运行位置的。所以，为了提高跟踪的精度，提高太阳能的转化效率，我们还可以对太阳跟踪方案做进一步优化。这个基于跟踪方案二优化的思路是：在整个跟踪分段区间内，当太阳能电池板调整一次姿态以后，在区间的前半部分，电池板的姿态是超前于太阳运行位置的，而在后半个跟踪分段区间内，电池板的姿态是滞后于太阳运行位置的，这样的话，在整个跟踪区间内，方位角的最大误差将会减小到原先的50%，大大提高跟踪精度。这样就要求每次调整姿态的时刻要提前，同时为了演示的方便，还需将时间的流逝速度按一定比例加快（演示程序中，每1s代替实际控制情境下的2min）。对方案二优化后的控制数据如表2-3所示。表2-4 控制方案二的优化分段控制数据水平方位角时刻与上一时刻间隔动作时刻(取每段中间时刻)动作间隔高度角变化量近似为1.8n倍905:46无5:46(开始)无020无无1087:261:406:360:501745+1725101.81268:511:258:091:333123+133871.81449:591:089:251:164003+84051.816210:550:5610:271:024440+43731.818011:460:5111:210:544607+12711.819812:370:5112:110:504442-125-11.821613:330:5613:050:544006-434-31.823414:411:0814:071:023130-836-51.825216:051:2415:221:151757-1333-71.827017:461:4116:551:33035-1722-101.817:46（结束）0:49根据以上全部分析，我们便确定了该系统的控制方案。1.2.2 硬件设计方案的确定我们采取的控制方案要求每次水平方位角的转动度数是相同的，而每一次动作之间的时间间隔却是不等的。因此，可以使用单片机一来直接控制方位角的动作和每一次动作之间的时间间隔。单片机二只需要控制每次垂直方向动作时的继电器接通时间和动作方向，每收到时间触发信号一次，按预定设置动作一次。根据这种思路，这两个单片机的控制功能便有了明确的分工，由于单片机二只负