光伏组件的最佳倾角跟踪系统毕业设计.doc

iii辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）光伏组件的最佳倾角跟踪系统设计摘 要能源，也就是能量资源。为人类生产生活提供能量，来给人们的生产生活带来帮助。随着人们生活水平的提高，人们对各种能源的需要也越来越高。能源对社会的发展和进步也起着重要的作用。石油、煤炭、天然气是当今社会发展的三大主流能源。随着人口的增加和社会的发展，能源正在被不断消耗，能源问题已经成为人类需要解决的重要问题之一。因此开发新能源已经刻不容缓。越来越多研究正在把目光投向能量巨大的太阳能，并在对太阳能的利用率上不断进行研究，以求扩大太阳能的应用范围。虽然我国研究人员正在不断研究开发但相对于国外来说仍然有一定的差距，并且在太阳能的开发以及应用的范围等方面还相对不够广阔。本篇文章主要是对太阳能进行研究发现，介绍了太阳能在人类生活中有着良好的应用前景。为了能够增强对太阳能的使用率，本文通过制造了一个跟踪系统来实现目的，其中光伏组件可以自动跟踪太阳的方向就是主要的原理。本设计过程分为四步，分别为设计的原理、编程、pcb图和试验分析。本论文也重点介绍了整个系统的设计原理和思路。本设计使用了四个光敏电阻对太阳光线的照射强度进行感应，在不同光照强度下，比较器的正输入的电压不同，根据比较后电压的正负值的不同，传输给单片机的信号也不同。单片机根据输入信号控制步进电机的旋转，一直达到所要求的范围为止。关键词：新能源；光伏组件；步进电机；自动跟踪the optimum tilt angle of pv modules tracking systemabstractenergy, also known as energy resources or energy resources, material resources for a variety of capacity and power for the production of human life. in a sense, the development of human society can not be separated from energy supply and use of advanced energy technologies. in todays world, the main energy supply is still mainly oil, coal and natural gas. with the continuous increase in the earths population, this type of energy being constant drain on the energy issue has become one of the human need to address an important focus. the new energy will be the main future human use. more and more people are looking to the huge solar energy, and ongoing research on the utilization of solar energy in order to expand the scope of application of solar energy.over the past few years, chinas domestic development and utilization of this one in the solar in the constantly accelerating, chinas utilization of solar energy technology is still relatively backward compared to the foreign, and the scope of application of solar energy is also relatively narrow.this design covers the basic process principles, programming, pcb map, and the final test analysis. in this paper the working principle of the detailed overall analysis, describes the overall system design ideas. this design uses four photosensitive resistance induction under different light intensities, the comparator positive input voltage irradiation intensity of the suns rays, according to the comparison of positive and negative values of the different voltage, the transmitted signal to the microcontroller, . scm thus be calculated according to the input signal. then control the rotation of the stepper motor. know to achieve the set range.key words：new energy; pv modules; stepper motor; automatic trackingiv 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）目 录1 绪论11.1 课题研究实现的目标11.2 国内外针对光伏组件及太阳跟踪的系统研究状况21.3 论文主要内容42 光伏发电工作原理62.1 光伏发电工作原理62.2 设计依据62.3 光伏组件最佳倾角设计循迹控制器的设计方案8 2.3.1 时钟式阳光循迹9 2.3.2 光敏元件比较式循迹92.4系统方案确定93 系统的硬件设计113.1 系统总体结构113.2 感光元件的选取113.3 光电池123.4 光敏电阻的放置133.5比较放大模块的选取143.6 单片机153.7 单片机芯片的选择163.8 振荡电路元件选择173.9复位电路的构建183.10 显示模块的选取193.11 步进电机213.12 电动机的选取213.13 电机驱动模块的选取224 软件设计244.1 步进电机水平方向流程图244.2 启动a/d转换244.3 1602显示25结论28致 谢29参考文献30第 30 页 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）1 绪论人们的生活离不开能源，但是地球上的能源是有限的，为了能够更好的生活，我们必须要寻找新的能源。新型环保的一类资源及能源会慢慢的变成以后人们在地球上使用的主要的能量资源。现在正在有更多的科学技术人员在寻找自然能源被代替的办法。如风能、潮汐能、太阳能等。而太阳能之所以被人们更多的去注意并且研究，是因为其本身蕴含着巨大的能量资源。可是太阳能又有一些不足的地方，比如它的光能的密度并不高，同时还有不持续性，空间布局也千变万化。因此而导致目前针对太阳能的使用的功效方面的百分比并不是很高【1】。到现在为止，世界范围内主要出现的增大太阳能的使用功效的方法有三种：第一种是聚焦光线的技术，第二种是光强跟踪的技术，第三种是通过跟踪最大功率的技术（mppt）。本设计为光伏组件的最佳倾角跟踪系统的设计，对于普通的固定式的太阳能光伏发电系统，其吸收能源的量值受太阳光照射角度影响。而一年四季每个时间段太阳光的照射角度一直在发生着改变。一些固定式的太阳能所设计的机械的缺陷就显现了出来。本文针对这一问题，设计了对太阳光的自动感应系统，对控制转动方向及角度的步进电机进行控制，从而实现光伏组件对太阳光线的自动跟踪,以提高太阳能利用率。1.1 课题研究实现的目标近十几年来，太阳能光伏发电的研究和应用技术有了突飞猛进的增长，成为研究新能源的热点之一。从世界能源的角度和中国能源的角度来看，这一类一般的不可再生的能源都并不是无限量的，尤其对于中国来说，我国所拥有的基础能源，或者说是不可再生的能源要远远的低于其他国家的平均的水准。随着不可再生资源的不断消，以煤炭，天然气及石油等资源为主的化石燃料正在逐渐的被消耗殆尽，能源危机成为世界将要共同面临的问题之一，同时，化石资源所造成的环境问题也在不断地出现，环境污染问题日益严重，因此，必须寻找研究一种有很高的能量，而且不会对环境造成影响的新的能源作为代替【2】。这个时候太阳能发的一系列的优点就被显示出来了。现在大部分应用太阳能发电的光伏组件，均是太阳能电池板被固定在相应的方位上的低效发电方式。太阳能板的相对固定，在一定的范围内，接收到的太阳能的能量并不是十分的充足。太阳一直处在运动当中的，因此而不能达到对太阳能的最大利用率。当太阳能电池板始终和太阳照射成垂直时，其接收的能量才是最好的，太阳能自动跟踪系统正是利用这一原理，提高了太阳能的利用率。本设计应用的太阳能自动跟踪系统可以大幅度的提高发电量，从而有效的节省投资成本，达到了提高效率的目的。1.2 国内外针对光伏组件及太阳跟踪的系统研究状况太阳时刻都在散发着大量的能量，其中地球能够接从中获得巨大的能源。人类每年在地球上消耗的能量是非常巨大的，地球本身的资源在未来会慢慢地被消耗掉，而太阳每分钟所产生的能量就可以供人类使用10天之久。由此看来，太阳能将会是一种取之不竭的能源为人类所使用。它的开发潜力是非常巨大的。目前世界上发展最为快速的可再生能源技术有很多种，其中发展最为快速的，并且被人们投以广泛关注的能源技术就是太阳能光伏技术。近年来，世界太阳电池的年产量迅速增加，对于这一类可再生资源，全世界有越来越多的国家对其投入了更多的注意力，也在逐渐加大力度去对这一块进行研发。作为今后的商业原因和各自国家对于电力方面的使用情况，世界各国都把注意力放在了这些可以重复利用的能源中来，这一类资源有很多种，但相对发展比较成熟和速度也比较快的技术主要是光伏发电技术和风力能源发电的技术。一直到二零一零年为止，光伏发电在全世界的累计装机容量已经达到了40gw，欧洲有个部门是专门研究及测试这一块的，根据他们的预测，太阳能在今后的电力的能量供给方面的比重在不断的增加。起到越来越重要的作用。预计达到二零三零年的时候，这个比值会比百分之十还要多，同时太阳能的能源供应在这么多的可再生的新能源的总体比值中将会占到百分之三十左右。再过四十年左右，一次性能源，即不可再生资源的储量会更加缩小，作为供给人类生活及工作生产的能源消耗，其中总消耗的百分之二十将会是太阳能来给人类提供，同时，它在这一类新的可以重复使用的能源中占到的比值会超过百分之四十。直到21世纪的末期，即90年后，在能源的供给这一方面，在人类生产生活所使用的能量方面，太阳能将会成为当之无愧的第一大的能源提供的原材料。 直到现在为止，对于光伏组件这一类研究自动系统的在国外已经有很多的国家，首先要说到的就是美国的这家研究机构，名字叫做blackface，这家机构的研究设计很大程度上的提高了设备对于太阳能的吸收效率，使其将近提高了百分之十五左单轴太阳能跟踪装置就是这家机构于九七年成功并研制的一种跟踪装置，它可以实现在东西方向上使其对系统自动的对系统进行跟踪。有一种装置被研究人员称作为atm，这种装置在一九九八年被成功的研制了出来。研制成功的地方是美国的加利福尼亚州。这种装置的特别之处在于为了使其能够更大程度的增高热能的接受率，将菲涅尔透镜安装在了用于接受能量的太阳能面板上，透镜的作用是用来集中更多的阳光。joel.h.godman通过了自己不断了努力，以及多方面的实验，最终终于成功的研究出来了一种移动式的，可以追踪太阳光的装置。这个装置更大程度的增加了对于太阳光的吸收情况。它的特别之处是可以使装置运动式的从相对的两个方向东西向追踪太阳光。所额外加入的其间是一个可以转动的回转台面。这个回转台面拥有很大的直径。可以更大范围的完成运动。它有着一个窗体，这个窗体的结构采用了特别的形状，拱形的一个圆，这就使得收集太阳光的仪器可以排成整排来一起跟寻太阳的运动。有一种全新形式的太阳能跟踪装置被成功的开发研制出来，研制它的部门是亚利桑那大学，他们于二零零二年完成了此次研制工作。这个装置在硬件方面额外的加入了电机。通过控制电动机的转动来完成整套装置的转动，从而完成能够进行跟踪的目的。这套部件采用了铝合金的框架式的外部结构。整个设计使得部件的结构更为的简练精密，而且质量小，易于进行移动。在这一方面很大程度的加大了跟踪器可以被应用的范围。太阳能在国外被正式应用于生活化的国家有很多。比较早的要追溯到一九九四年，在德国相对靠北的地方就被民众使用。这些民用化的太阳能厨房所用到的技术就是单轴追踪的技术。与国外相比，我国对于这一方面的研究开展的时间较晚，在最近这十几年才开始慢慢有一些研究专家开始研究。在太阳能跟踪方面，关于太阳灶这些民用的设备的自动跟踪系统的开发我国是从一九九二年推出的。这种液压形的追踪设备，在太阳能杂志上被介绍给公众。相对有一种自动追踪太阳移动方向的设备，其型号为fst型【3】。它能做到全自动的去运动。这种设备是于一九九零年在我国的国家气象局所研制而成的。这种设备被科研人员投入针对太阳所散发能量的观测当中。到现在为止，全世界的科研人员已经开发研制了很多种能够追踪太阳的运动方位的系统设备。其中最核心或者说是最主要的方式为下面所介绍的两种方法，两者属于不同的两种系统。根据太阳的运动路线进行循迹：两种方式分别根据太阳的运动路线进行循迹的系统有两种方式，这是单轴和双轴追踪的方式。单轴追踪：这种追踪技术大致的分为三个不同的方法，第一种为在南北方向上进行布置，在东西方向上完成对太阳的追踪。第二种是在东西相对的方向进行布置，而在南北相对的方向完成对太阳运动的追踪。还有一种方法是将设备倾斜放置，然后在东西相对的方向完成追踪。这些方式有一个共同点是他们的转动形式都是单轴的转动，然后对一个平面内的方向进行运动。这一类仪器进行单轴的转动然后完成跟踪的可取之处在于他们的结构都不是十分复杂，总体较为简单，易于实现。可是对于太阳光的收集的功效并不是非常的完美，因为设备运动只是冲着相对的两个方位，而不能保证任何时候都能正对着运动中的太阳【4】。双轴追踪：获取更多的太阳能源是这项技术的立足点。双轴追踪技术不仅在太阳运动纬度上做到了追踪，同时还对太阳在经度方面完成了追踪。达到了对太阳方位的追寻。这种追踪的技术同时又被分为两种方式：极轴式全追踪和防卫地点高度角全追踪形式。光电追踪：一直到现在为止，世界上存在着多种多样的光电方面的追踪方式。其中电磁式的追踪方式，重力式光电追踪方式和电动式的光电追踪方式这三种方式是人们经常使用的。这几类光电方面的追踪方式都有一点共同之处，就是他们的设计中都使用到了光敏传感器这个部件。这一类技术人员所设计的追踪装置，有一块遮光板，贴近遮光板的地方安放着光电管。遮光板进行移动，到达的角度正好与太阳相对，这个时候硅光管依然被安放在阳光照射不到的地方。当太阳开始朝向西面运动时，这是光线形成的度数会慢慢改变【5】。当光线照射到光电管的时候，光电管会因为光线的照射而输出一个微小的电流。这个电流被当做一个偏差的信号。被设计好的放大电路的进行放大。然后经过角度的调整完成装置的运动。光电追踪方式的可取之处或者优点是这种方式具有很高的敏捷性，而且整个装置的结构也并不是十分的复杂。但它也存在着不足之处，比如它的稳定性并不高。因为天气影响而造成的一些误差较大。当光电追踪装置置于室外，而很长的时间内没有太阳的照射，比如太阳被云层所遮挡住。这个时候的太阳所散发出的光线就没有办法直接的照射到硅光管上而造成误差。1.3 论文主要内容本次设计的出发点在于太阳能拥有易于使用及没有污染的特点。采用28skdip/sop封装的盛群mcu ht46ur232作为主控制cpu，设计控制电路，应用运放器lm224n组成比较模块,通过光敏电阻对光线的感应强度和设定的基准电压比较结果的检测，并对检测结果进行分析与比较后，控制负责其水平方向和竖直方向运动的步进电机运动，设计出自动进行调节的光伏组件，使其达到最佳倾角的作用。因为太阳能是一种不会被耗尽且又干净而又可以重复使用的新能源。对于现在全世界都在寻找并且进行研究的新一类能源，都具备着两个特点：一个是储量或者说能量十分的巨大，不会被消耗殆尽。第二个是这些能源要干净，最好是完全的没有污染，对人类生活的环境不会造成不好的影响。这么多年的研究，直到现在为止，科研人员发现了很多种新能源，但最主要的有三种：一是太阳能，二是燃料电池【6】。三是风力能源。其中，最理想的新能源仍是太阳能。把太阳能板相对固定在一个方向上，进行能量吸收是现在常见的使用方式。但固定朝向的太阳能板的供电装置受到光照方向的转变较大，即太阳照射角度的影响较大，随着太阳光线角度的不断变化，转化效率和转化功率都受到很大的限制。太阳能光伏板利用太阳能的效率比较高的时候是在光线偏离垂直方向正负十五度以内。所以说能够自动跟随太阳转动的太阳能板供电装置的效果更好，比固定式太阳能供电装置的光能利用率更高。针对自动调节太阳光照射的最佳倾角设计，首先要实现对太阳方位的确定，本文探讨了两种方案来实现对太阳方位的检测，将他们的优缺点进行比较之后，最终确定了方案，并且做出了相应的优化。之后说明了控制原理，并对每一个模块的设计及软硬件部分做出详细说明。2 光伏发电工作原理2.1 光伏发电工作原理光伏发电技术运用到了光生伏特。在半导体的界面上可以做到把接收到的太阳光线转变成能量电能。太阳能电池是核心部件。此外，控制设备功率的器件还要额外的加入其中。光伏发电装置的优点是受地域的限制较少，因为阳光照射大地的范围广阔，同时，光伏系统还有很多优点也值得更多的去开发利用【7】。基本不会造成污染，没有噪声的干扰，使用或者安装起来也快速便捷，不需要再次消耗燃料，不需要架设输电线路，就可以就地发电并供电的优点。光伏发电设备的可取之处在于设备的构成十分的简单,没有太复杂的机械结构。而且设备运行起来十分稳定，使用年限很长。 2.2 设计依据根据欧几里得平面几何知识的推理获悉，在三维空间中，假设有一条确定的直线和一个确定的平面，如果对平面进行一定的旋转，使得直线和平面垂直，那么平面的旋转可以分解为水平方向的旋转和垂直方向的旋转的叠加，证明方法是作平面的垂线，旋转垂线使得该垂线和原先确定的直线平行。假设有确定的直线，其方程为，平面的方程为，设平面为水平面，则与平面垂直的平面都是竖直面，如图2.1所示。图2.1 三维坐标中的线面图直线的方向向量为： (1.1)该直线与水平面的夹角： (1.2)平面法向量： (1.3)该向量与水平面的夹角： (1.4)过已知直线做竖直面： (1.5)过做竖直面： (1.6)将平面在平面上沿逆时针方向旋转度，然后在竖直平面上沿逆时针方向旋转度，就可以使和直线平行，即平面和直线垂直，其中是竖直面和竖直面的夹角，是和的夹角，即： (1.7) (1.8)根据以上推理，要想使太阳能光伏板与太阳光线照射方向相互垂直需满足两个条件1确定太阳光线所照射的方向2调整太阳能光伏板的水平方向，另外转动的轮子和滑轮分别由太阳能自动跟踪小车的两个电机在水平方向和竖直方向分别进行驱动控制【8】。水平方向转动的示意图如图2.2所示：图2.2 太阳能蓄电自动跟踪器水平旋转示意图太阳能自动跟踪器小车由一个固定的支撑点（点p）和一个轮子支撑起来。滚轮转动（电机m2驱动）时，以点p为圆心，带动整个装置绕p点转动。从图二可知，此时滚轮在水平面xy上经过的轨迹是一个以支撑点p为圆心的圆。竖直方向转动示意图如图2.3所示：图2.3 太阳能蓄电自动跟踪器竖直方向旋转示意图太阳能光伏板放在a板上并将其固定，电机m1围绕涡杆转动，涡杆被固定在该位置，只允许绕z轴转动，在xy平面内不允许发生移动。涡杆上安装一个升降平台（升降平台连接并固定在太阳能光伏板a板的一端），由于与a板一端相连，所以升降平台不能进行水平方向上的旋转。因此，电机驱动涡杆转动时，升降平台只能进行上下移动，即升降平台上任意一点只有z的坐标值会变化。a板一端由于升降平台的带动在竖直方向上下移动，而a板另一端被架在平行板高度没有发生变化b平面上，在b平面上可以进行滑动，使a板和b板的夹角q发生一定的变化（图2.3所示），从而实现在竖直方向上太阳能光伏板平面（a板）发生角度的变化。为使太阳能利用效率始终保持最高，在太阳能板同一平面上安装光电池，利用光电池来检测该平面的法线与太阳垂直入射角偏离的情况。本作品包含太阳能设备，太阳能光伏板支撑架被设置在太阳能光伏板的背面中心，与竖直转轴相连接在一起；通过两个电动机实现上述装置的上下运动和水平周转运动；太阳能光伏板上安装感光装置，通过控制电路进而控制电动机的工作以达到实现对太阳跟踪的目的。使得所设计的设备在吸收太阳光后转化成电能的功率达到进一步的提高。2.3 光伏组件最佳倾角设计循迹控制器的设计方案到目前为止国内外关于针对光伏组件阳光循迹控制方面有很多设计方案，但光敏元件比较式阳光循迹和时钟式阳光循迹的设计方案占主导地位。2.3.1 时钟式阳光循迹时钟式阳光循迹方案，主要是先通过手动输入当时光伏组件安放的经度和纬度，之后通过依照时钟芯片用来提供一些信息如时间信号和经纬度等等，电机所需要的转速也会通过计算机的测试来得出。进而由电动机控制光伏板的转动，对应太阳的运动方位做出调整。这种循迹方式的特点是构成其的电子路线并不是十分复杂【9】。这种跟踪装置的制作及使用成本较为昂贵，对投入民用的范围不大。计算机的处理系统的要求也较高，需要有很大的计算能力，这就不得不加入大规模的集成电路作为支持。此类跟踪装置主要的使用范围仍是集中于大发电量的电力部门，或者是对太阳轨迹进行观测的气象台等。因为其中应用到了计算机控制技术，可以使得在设备的控制方面具有很大的精确度。2.3.2 光敏元件比较式循迹光敏元件比较式阳光循迹，最核心的部件是光敏元件，光敏元件的特别之处，或者说特点是其参数性能会随着太阳光线的照射而发生变化。一般的设计方式是在采光板的边沿处，分四个方向上都安装上了相同的光敏元件。当太阳运动至所发出的光线与采光板的平面呈90角时，这个时候相对的两个方向上的光敏元件在接收太阳光能量多少的数值是相等的。因为差值并没有产生所以电机并不会转动。而当太阳继续运动，偏离了于采光板垂直的角度，没有到达或者是已经超过了这个垂直的角度时，光线会与采光板的法线形成一定的夹角。这一次，太阳能将是两个光敏接收元素之间的区别。直到马达驱动的照明板打开再垂直于太阳光线，两个感光元件相当于收到等量的能量。电机停止转动。这种循迹方式的优点在于拥有较高的精确度，控制起来也相对容易。内部电路及外部构件较为简单，但是追踪效果并不是十分出色【10】。2.4系统方案确定选择时钟式阳光循迹控制方案，则需要专门的时钟芯片来确定时间，并且对经纬度的确定存在一系列的问题，若是手动进行输入，则还需要查询本地经纬度，操作起来很不方便，不利于光伏发电技术的推广。如果是选用gps来精确定位其地理位置，又会很大程度上的增加了系统的成本。考虑到系统精确度、电路的复杂程度以及设备成本方面等因素，本文选择了控制较为精确，精度也相对较高，电路设计也比较容易实现的光敏元件比较式阳光循迹方案，来进行阳光的快速跟踪与精确定位。3 系统的硬件设计3.1 系统总体结构本设计包括步进电机、步进电机驱动器，光电转换器、盛群mcu ht46ur232系列单片机以及相应的机械方面的设计等。太阳能电池板水平和竖直方向的转动分别由位于两个方向的电机调整【11】。单片机加电复位后，单片机将对通过光敏电阻采样并进行a/d转换后的电压模拟信号进行比较，此时的电位差会有几种情况，当电压大于所设定的范围，则控制令电动机继续转动，若电压小于设定的范围，电机反转。如图3.1所示:图3.1 系统总体结构3.2 感光元件的选取光敏，这个元件又被称作光感电阻，这种电阻的特别之处在于其阻值会在光线的照射下发生改变。光线越强阻值越小，光线越弱阻值越大。其原理图如图3.2所示图3.2 光敏电阻工作原理图从图3.2可以看出，在黑暗的环境中，光敏电阻的内部不会产生光电子，阳极与阴极不导通，相当于有很高的阻值。一旦有光线照射到光敏电阻的身上时，此时就存在着一种情况，就是光敏电阻中的光子本身的能量如果超过了半导体材料本身的一种特性值禁带宽度。这是光子就有能力跳跃移动到导带当中。除此之外还会有一个本身带有正电的空穴生成在价带当中，随着数量的增多阻值降低。3.3 光电池随着当今社会能源结构的进一步改变与升级，太阳能电力系统作为其中的一种新型环保，高能量的能源。在电力供应上它的地位越来越高。光电池所应用到的原理是靠其中被掺杂的氧化硅的特性来改变空穴和电子的运行轨迹。渐渐的随着一些新型材料的不断出现，制作光电池的材料也慢慢的增多。像cis和cdte等【12】。光电池作为无污染的环保能源收集器它的优点已经不言而喻了并且运行起来也十分的简洁方便。当被安装完成后只要有阳光的照射就能够进行工作。另外的一个优点是：太阳能是无限量的，系统安装后便可马上使用运行。而且不需要额外的进行花费，能够在很长的时间内稳定的运行，提供能量。在设备的维护方面也相对容易。不需要太多的花费。太阳能电池的工作原理如图3.3所示：图3.3 太阳能电池工作原理图 3.4 光敏电阻的放置外部光敏电阻放置位置如图3-5所示：图3.5 外部光敏电阻放置位置电机驱动光伏板有两种方式：水平面的防卫控制、竖直面的防卫控制。在太阳能板的上方平面放置四片小型光敏电阻是根据光线方向实现自动转移的思路实行的，因为光敏电阻接收到的光能会随着太阳光照射角度的改变而发生一定的变化，所以当太阳光照射角度随着时间发生变化的同时，电压信号也会发生相应的变化。电路通过采样这四片小型光敏电阻输出电压，太阳的移动方向可以大致确定，在太阳的移动角度大于一定值的情况下，控制电机m1的转动可以实现光伏板竖直方向上角度的变化，控制电机m2转动可以实现光伏板水平方向上角度的变化，光敏元件内部接线图如图3.6所示：图3.6 内部光敏元件接线图图3.6中，p4到p7是四个一样的光敏电阻，r4到r7为四个相同阻值且阻值固定的普通电阻。，电压u4到u7会随着照射到光敏电阻上的光强的变化而随之发生变化，u4与光强在一定范围内满足的关系为 (3.1)式中：u表示为给定的电压，在此u的数值为5v；k指的是光敏电阻的光敏系数，光敏上所照射的光强为e。从式(3.1)可看出电压u4随光电增大而增大。最终，u4到u7的电压信号将送入信号调整差动转换模块。3.5比较放大模块的选取 本设计中的比较放大模块的芯片选择为lm224。信号调整差动转换的目的是实现对光敏传感器输入信号的比较放大，并调整成为单片机可识别的高、低电压信号。信号调整差动转换电路芯片说明:在信号调整差动转换电路中主要具有运算放大功能的芯片。两个运算放大器在其内部，它们之间是相互独立，不影响的。特点是有很大的增益，而且可以进行内部对于频率损失的补偿。lm224的工作模式有多种，它可以用到双电源当中，也可以用到单电源中区，单电源的电压范围可以很宽，并不受到影响。表3.1 lm224特性额定工作电压+5v工作温度-25至85c-3db的带宽增益乘积1.2mhz变化斜率0.5v/slm224管脚图如图3.7所示。图3.7 lm224n管脚图 由图3.7可看出，lm224n有四个用于运算的放大器，第一个运算放大器的输入端是引脚2、3，引脚1为输出端，同样5.、6、7,9、10、8，12、13、14为另外三个运算放大器的输入、输出端口。引脚4接5v直流电，引脚11接地。3.6 单片机在阳光循迹控制器中，单片机所要完成的功能为：首先，读取光传感器或开关量的输入信号。然后，运算和控制存储器里面存储的程序，再将把输出端输出的信号作为结果。单片机根据写入存储器的程序产生不同的动作，而程序则是根据微控制器内部的“0”和“1”所组合成的二进制数进行操作。示单片机结构：图3.8 单片机结构图 由图3.8可看出，单片机有输入、输出、存储、运算及控制功能，输入、输出仅由端口出入。3.7 单片机芯片的选择ht46ru232是有28个管脚的插件芯片。复位功能是低电复位。ht46ru232与别的单片机芯片不同之处在于它带有a/d转换功能，它是一种性能很高的，且计算机指令相对简单的8位单片机。为一些需要用到数模转换模块的产品提供了便利之处。同时它的功率消耗控制在了一个极低的范围内，输入输出端口的使用也十分的方便。ht46ru232这款单片机被很大范围的使用到很多工业控制的技术当中，比如传感器中需要的数模转换功能，在电机的控制，和其他工业的控制领域也起到了便利的作用。28管脚的分布如图3.9所示：图3.9 ht46ur232引脚图3.8 振荡电路元件选择振荡电路ht46ru232芯片，其内部的振荡的法子有两种，第一种是外部电阻电容的振荡方式。另外一种是芯片外面的晶体的振荡。当选取了外部电容电阻的振荡时，应该有额外的一个电阻在外部接于 osc1,vss 的中间。这个数值是30k750k。这时osc2被用于和外部的逻辑进行协同。这种方式所需要提供的资源或者是金钱并不是很多。缺点是其频率会因为外在的一些材料上，硬件上的影响而产生偏移。所以，并不适合被使用在对精确度有太高要求的场合下。如果所选择的方式为晶体震荡，则还需要一个晶体被连接接入osc1和osc2两者的中间。这个晶体为设备提供了信号返回时的信息。并不需要在外部接入其他的器件【13】。晶体振荡被选择为本次设计的震荡方式，在此需要一个晶体连接接入osc1和osc2两者的中间。而且还需要额外接入两个电容。这两个电容作为交联电容加入电路中间。如果不加入这两个电容会使得电路无法正常的工作。停止振动。在本系统中选用的是8mhz。负载电容cl的计算公式如下 （3.2）其中，cl为负载电容；c1和c2为额外接入的电容；cic为集成电路内部电容，在本设计中选用的外接电容c1=c2=0.1uf, cic一般等于3pf此电路中cl的计算数值为： （3.3）根据以上介绍和计算，设计出本系统的振荡电路如下图3.10所示:图3.10 振荡电路图3.9复位电路的构建为了保证系统振荡器起振并稳定运行，系统复位或暂停状态唤醒时，系统启动定时器提供了一个额外的延迟时间。由于按键都是电动式，故在按键两端并上一个电容和电阻，缓解按键松开时，对单片机管脚的冲击。因为单片机的承受的工作电流最大为2ma,故在按键的下端要接上一个20k的电阻，使此时电路的电流为0.25ma,起到一个限流的作用。复位电路如图3.11所示：图3.11 复位电路3.10 显示模块的选取1602连接图如下图3.12所示：图3.12 1602连接图1602模块的功能是被人们用于显示平常所用到的数字，包括文字和字母等。表3.3 1602管脚介表引脚符号功能说明1vss一般接地2vdd接电源（+5v）3v0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度）。4rsrs为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5r/wr/w为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6ee(或en)端为使能(enable)端，下降沿使能。7db0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8db1底4位三态、 双向数据总线 1位9db2底4位三态、 双向数据总线 2位10db3底4位三态、 双向数据总线 3位11db4高4位三态、 双向数据总线 4位12db5高4位三态、 双向数据总线 5位13db6高4位三态、 双向数据总线 6位14db7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15bla背光电源正极16blk背光电源负极3.11 步进电机步进电动机是感应式电机。它的原理是当脉冲信号给入后电机按照要求向某一方向转动相应的角度。其特点是控制起来简单，准确，因为其转动的度数可以根据给定的脉冲个数来控制。电机速度随着脉冲频率改变而改变。设备整体构成也并不复杂，易于调整。而且过载能力很强。转速并不受到所加负载的影响【14】。步进电机连接如图3.13所示：图3.13 步进电机连接示意图步进电动机又三种励磁方式第一种：反应式步进电动机此种电动机的特别之处在于其转子的制作用到了一种特殊的材料。这种材料就是软磁。而且在转子的内部也没有加入电阻【15】。步距角能被控制在一个很小的度数下而且成本并不高，结构又不复杂是它的特点。 第二种：永磁式步进电功机所谓永磁式就是由于电动机转子的材料是由永磁材料制作的。这样一来其转子自身就相当于一个磁源,而且不仅输出转矩大，动态性也很好,步距角也相对较大。第三种：混合式步进电动机作为感应式步进电动机。它最大的特点是将前两种电机的优点进行整合，加入到自身的设计当中。拥有很大的输出转矩，在运动的性能上也有着很大的优势，而且步距角也可以控制的很精细，运行起来十分的平稳。但价格相对较为昂贵。3.12 电动机的选取表3-4 森创57byg250c两相混合式步进电机参数规格编号相数步距角静态相电流（a）相电阻（）相电感(mh)保持转矩（nm）定位转矩（nm）空载启动频率(khz)57byg250c20.9/1.81.51.58.710.042.5图3.14 森创 57byg250c两相混合式步进电机3.13 电机驱动模块的选取本设计的驱动器为：森创两相混合式步进电机细分驱动器sh-20403表3.5 性能指标供电电源10v-40vdc,容量0.03kva输出电流峰值3a/相（max）驱动方式衡相流pwm控制励磁方式整步，半步，4细分，8细分，16细分，32细分，64细分绝缘电阻在常温常压下100m绝缘方式在常温常压下0.5kv，1分钟步进电机接线图如下图3.15所示：图3.15 步进电机接线图4 软件设计4.1 步进电机水平方向流程图图4.1 太阳能蓄电系统水平跟踪模块流程图系统水平方向：该系统由左右光敏电阻、比较放大器和驱动执行机构三部分组成，左右光敏电阻安装在太阳能光伏板同一平面上，与其同步运行，四片光电池做在一个开口的小盒内，小盒的四个盒壁是由遮光片做成【16】。光源方向一旦发生改变，则左右光电池输出电压产生差(v1-v2)，经过lm224芯片内电路比较放大以后输出相应信号：当右边光强大于左边时，由于右边遮光片挡住了右边的光电池，导致左光电池接受的光大于右光电池，即(v1v2)时，驱动电路1导通，电动机开始正向转动，带动太阳能板向右转动；当左边光强大于右边时，右光电池接收到更强的光，(v14;/a/d转换后低4位数据dis0+=_adrh 41)cur1=cur1+1;/四舍五入4.3 1602显示1602的显示只有当其使能信号只有在下降沿时液晶模块执行命令。rs将作为寄存器的选择，若为1时，则选择数据寄存器，若为0时，则选择指令寄存器。r/w为读写操作选择，1时为读，0为写。在其打开1602时，应该对其使能信号进行一定时间的延时。在液晶1602写数据或写指令之前是要判断其是否已经启动好1602模块【18】。在1602模块中，对于显示屏的控制有以下几条重要的指令：0x38/设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口0x0c/设置显示开，光标不显示0x06/每次输入一个字符后地址指针就加10x01/显示清零，数据指针也显示清零1602的程序流程图如下所示：图4.3 1602流程图注意：在此程序中的核心语句有：void write_cmd(int com) /写指令rs=0;rw=0;e=0;data=com;/data为数据端口e=1;_delay(100);e=0;void write_dat (int dat)/写数据rs=1;rw=0;e=0;data=dat;/data为数据端口e=1;_delay(100);e=0;结论小型太阳能并网发电系统对于我们这个能源消耗大国来说，有着很强的现实意义，而在美国、德国等国家都已经实现大规模并网发电，如果将本设计的系统应用到并网发电系统中其