太阳能跟踪系统设计与安装-职业学院毕业论文

常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院 毕毕业业设设计计 毕业设计题目：毕业设计题目：太阳能跟踪系统设计与安装太阳能跟踪系统设计与安装 学学 生生学学 号：号：100033429 学学 生生姓姓 名：名：王文明王文明 所在系所在系 （部（部） ：电子与电气工程学院电子与电气工程学院 专专 业业 及班级：及班级：微电微电 104104 班班 指指 导导 教教师：师：陈国英陈国英 完完 成成日日 期：期：2012/12/22012/12/2 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业专业微电子技术（光伏技术与应用）班级班级 104 班姓名姓名王文明 实践单位名称：伟创晶光电设备有限公司实践岗位名称：技术员 岗位职责: 岗位能力要求: 一、课题名称: 二、主要技术指标（或基本要求） 三、主要工作内容： 四、主要参考文献： (1)、李建庚，吕文华，晓雷等一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计J太阳能学 报，2003，24(03)：330-333 (2)、余海太阳能利用综述及提高其利用率的途径J能源研究与利用，2004，(03)：2-7 (3)、张顺心，宋开峰，范顺成等。基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究J河北工业大 学学报，2003，32(6)：44-47 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）开题报告毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目设计（论文）题目太阳能跟踪系统设计与安装 一、课题研究的目的与意义 目的：实现跟踪系统设计安装，提高太阳能的利用率。 意义：太阳能是已知的最原始能源，干净、可再生、丰富，而且分布广泛，具有非常广阔的前景， 提高太阳能的利用率，能使太用能技术得到普及。 二、课题研究的主要内容 (1)、从硬件和软件方面分析和设计太阳能跟踪系统的设计。 (2)、太阳能跟踪系统的安装。 三、主要研究（方法）论述： （1） 、收集资料学习并了解自动控制器的工作原理、各模块要实现的功能和要求 （2） 、按照功能模块进行具体电路设计，确定元器件型号和参数，完成整个跟踪系统设计安装。 四、设计（论文）进度安排： 时间（迄止日期）工作内容 三、指导教师意见： 指导老师签名：年月日 四、系部意见： 系主任签名：年月日 常州信息职业技术学院第 1 页 作者：王文明 摘要摘要 人类正面临者石油和煤炭等矿物质燃料枯竭的严重威胁， 太阳能作为一种新型能源具有 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。本论文主要对太阳能跟踪系统进行了机械 化设计和太阳光自动跟踪系统控制部分设计。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。而太阳能是一种免费、无污染且又取之不尽、用之不竭， 是一种可以利用来发电的一种相当好的能源。而目前的太阳能发电效率普遍都不高，所以 如何提高太阳能发电系统的发电效率是值得研究的。 【关键字】太阳能光电池跟踪传感器 AbstractAbstract Humanity is facing a serious threart by oil and coal and other minerals fuel depletion , as a new type of solar energy has unlimited , widespread use of clean , economic and other advertages . But solar energy density , intermittent , and the spatial distribution of the shortcomings of the ever-changing , which makes the current series of solar energy equipment for solar energy utilization is not high . The suns rays , automatic tracking device to solve the problem of solar energy utilization is not high . In this thesis , the solar tracking system mechanized design and sun tracking system control part of the design . Actively develop low-pullution and low=risk energy is an urgent in todays environmental consciousness . Solar energy is free , non-polluting and because inexhaustible . inexhaustible . one can take advantage of a very good energy to generate electricity . The solar power generation efficiency is generally not high , so how to improve the power generation efficiency of the solar power system is worth studying . 【Keyword】solar battery tracking sensor 常州信息职业技术学院第 2 页 作者：王文明 目录目录 摘要.1 目录.2 第一章 太阳能跟踪系统综述.4 1.1 太阳能跟踪系统的工作状态.5 1.2 太阳能跟踪系统的主要应用领域.6 1.3 太阳能跟踪系统分类. 6 1.4 太阳能跟踪系统的研究意义.7 1.6 提高太阳能的利用率.8 第二章 系统总体设计方案. 8 2.1 太阳运行的规律. 8 2.2 太阳能跟踪控制方法的比较.9 2.2.1 视日运动轨迹跟踪.9 2.2.2 光电跟踪. 9 2.2.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合.9 2.3 本设计的跟踪方案.10 2.4本设计的研究内容. 11 第三章太阳能自动跟踪系统软件部分的设计.12 3.1 主程序设计模块. 13 3.1.1 主程序模块实现的功能.13 3.1.2 程序设计思想或说明.13 常州信息职业技术学院第 3 页 作者：王文明 3.1.3 主程序模块关键程序代码.14 3.2. 光强检测模块. 15 3.2.1 光敏电阻光强比较法.15 3.2.2 程序设计思想及说明.16 3.2.3 光强检测模块关键程序代码.17 3.3 太阳能板二维角度调整模块.18 3.3.1电机水平转动控制部分.18 3.3.2程序设计思想或说明.18 3.3.3 部分程序说明及电机水平转动控制部分流程图.18 3.4 电机驱动模块. 19 3.4.1 电机类型选择.19 3.4.2 步进电机的正反转动控制时序.20 3.4.3部分驱动程序说明.20 P1OUT=F_Rotationw;.20 3.4.4电机驱动部分实现的功能.21 3.4.5程序设计思想及说明.21 3.4.6 垂直电机控制部分关键代码.22 3.5 时钟模块.23 3.5.1DS1302 时钟模块的功能.23 3.5.2 程序设计思想.23 3.5.1部分程序说明及流程图.23 unsigned char Read_Ds1302 ( unsigned char address ).23 常州信息职业技术学院第 4 页 作者：王文明 3.6.系统显示模块. 25 3.6.1LCD1602 液晶显示器各种图形的显示原理.25 3.6.2该模块程序设计思想或说明.26 3.6.3 部分程序的分析说明及模块流程图.26 void LcdWriteCommand(uchar cmd,uchar chk).26 3.7 报警系统模块. 28 3.7.1 该模块程序实现的功能.28 3.7.2 程序设计思想及说明.29 3.7.3 部分程序说明及流程图.29 结论.30 致谢.31 参 考 文 献.32 附录 A 系统原理图.33 附录 B 部分程序清单.34 第一章第一章 太阳能跟踪系统综述太阳能跟踪系统综述 太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中， 最优化太阳光使用， 达到提高光电转换效率 的机械及电控单元系统，包括：电机（直流、步进、伺服、行星减速电机、推杆电机等） 、 涡轮蜗杆、传感器系统等等。 在太阳能光伏应用方面： 保持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，采用太阳能跟踪系统能显著提高太阳能光伏组件的发电 效率。 由于地球的自转， 相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统， 一年春夏秋冬四 常州信息职业技术学院第 5 页 作者：王文明 季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时 刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳能跟踪系统都需要根据 安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时 刻的太阳位置存储到 PLC、单片机或电脑软件中，都要靠计算该固定地点每一时刻的太阳 位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安 装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新计算参数、设定数据和调整各个参数；原 理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。河北某太阳能光伏发电企 业独家研发出了具有世界领先水平、不用计算各地太阳位置数据、无软件、不怕阴天、雷 雨、多云等各种恶劣天气、已经预设系统设备保护程序、防尘效果好、抗风能力强、简单 易用、成本低廉、可在移动设备上随时随地准确跟踪太阳的智能太阳能跟踪系统。该太阳 能跟踪系统在该公司第一代跟踪仪的技术基础上，综合各地各种环境下的使用情况，对太 阳能跟踪系统进行了全面的升级和改进，使该太阳能跟踪系统成为全天候、全功能、超节 能、智能型太阳能跟踪系统。该太阳能跟踪系统具有常态（好天气情况）下的对日跟踪状 态和恶劣气候条件下的系统自我保护装态以及从自我保护状态自动快速转为常态对日跟踪 三种情形。 增加了 GPS 定位系统，该太阳能跟踪系统是国内首家完全不用电脑软件的太阳空间定 位跟踪仪，具有国际领先水平，能够不受地域、天气状况和外部条件的限制，可以在-50 至 70环境温度范围内正常使用；跟踪精度可以达到0.001，最大限度的提高太阳跟踪精 度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率。该太阳能跟踪系统可以广泛的使 用于各类设备的需要使用太阳跟踪的地方，该太阳能跟踪系统价格实惠、性能稳定、结构 合理、跟踪准确、方便易用。把加装了太阳能跟踪系统的太阳能发电系统安装在高速行驶 的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、 如何调头、拐弯，该太阳能跟踪系统都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳！ 1.1 太阳能跟踪系统的工作状态太阳能跟踪系统的工作状态 该太阳能跟踪系统的工作状态有四种： 1. 常态（好天气情况）下的对日跟踪状态； 2. 间歇式跟踪。如一天当中有一段时间为多云或阴天或恶劣天气时，该系统将甄 别为不适宜跟踪，整个系统便处于暂停状态。待光线和跟踪条件适宜时，系统会有一个快 常州信息职业技术学院第 6 页 作者：王文明 速跟踪指令，使跟踪仪大致对准太阳。之后，程序会进行另一组信号采集处理，完成精细 跟踪； 3. 自动回位。日落后，系统会自动进入休眠状态，并自动回归到太阳升起的方位。 第二天再自动进入新一轮的运转。 4. 恶劣天气状态的保护：当环境风速或降水等因素不适宜系统工作时，跟踪仪会 自动停止工作，并使整个大系统的受光面与地平面成平行状态或垂直状态，以避免系统遭 到破坏。 1.21.2 太阳能跟踪系统的主要应用领域太阳能跟踪系统的主要应用领域 该太阳能跟踪系统的主要应用领域： （1）光伏领域的平板光伏发电和 500 倍以下的 CPV 系统； （2）光热领域的抛物面跟踪（如太阳灶、高温太阳能采暖、太阳能热化工等） ； （3）太阳能槽式集热； （4）太阳能塔式热电等。 1.31.3 太阳能跟踪系统分类太阳能跟踪系统分类 光伏系统跟踪方式的分类： 光伏系统跟踪方式分为固定式、 单轴跟踪和双轴跟踪。 固定式聚光器通常采用线聚光方 式，纵轴沿南北向放置。单轴跟踪主要用在槽式反射镜面系统中，也可用在低倍聚光时的 透镜系统。在二级聚光器的辅助作用下，单轴聚光器也可以达到较高的聚光率。对于使用 透镜或盘式反射镜，并且聚光率超过 60 倍的系统，需要使用双轴跟踪。目前所建的聚光光 伏系统多数为双轴跟踪。 主要单轴跟踪的分类： 水平轴跟踪-改变倾角 垂直轴跟踪-改变方向角 极轴跟踪-同时改变倾角和方向角 常州信息职业技术学院第 7 页 作者：王文明 1.4 太阳能跟踪系统的研究意义太阳能跟踪系统的研究意义 长期以来， 世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料， 而这些矿物作为一次性不可再生 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。 据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机，迫 使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。 能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署资料，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 10 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，按照可持续发展的目标模式，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。日本经济企划 厅和三泽公司合作研究认为，到 2030 年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。 基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的 严重问题，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。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对 环境无任何污染。作为能源消耗大国，如何提高对太阳能利用率是解决能源危机的可行方 法之一。设计一个对太阳实现全天候跟踪系统，是提高太阳能利用率根本方法。 科技以人为本， 是为人类服务的， 本人设计的太阳能全天候跟踪系统充分的体现了该特 点，体现出人类与环境的和平相处，解决能源危机，造福于人类和社会，所以太阳能全天 候跟踪系统是值得研究和实际运用的。 本课题的研究成功，对创建能源节约型，环境友好型社会具有较大的意义，也有较好的 市场发展前景。 1.51.5 太阳追踪系统的国内外研究现状太阳追踪系统的国内外研究现状 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，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。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。2002 年 2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳 常州信息职业技术学院第 8 页 作者：王文明 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。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。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下 两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系 统，后者是开环的程控系统。 1.61.6 提高太阳能的利用率提高太阳能的利用率 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。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、 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则可解决。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，集热装置若想收集更多方向上的太 阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率 的关系，理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差 37.7%，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。 第二章第二章 系统总体设计方案系统总体设计方案 2.1 太阳运行的规律太阳运行的规律 由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。 这 种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个 27 度的夹角，引起了 太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为 23 度 27 分，然后逐渐增大，到春分时变为 0 并继续增大，夏至时赤纬角最大为 23 度 27 分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为 0， 常州信息职业技术学院第 9 页 作者：王文明 并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。 2.2 太阳能跟踪控制方法的比较太阳能跟踪控制方法的比较 目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式： (1) 视日运动轨迹跟踪； (2) 光电跟踪； (3) 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。 下面就这三种跟踪方案做 一个简要的介绍和比较。 2.2.1 视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹跟踪 不论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已知，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。 2.2.2 光电跟踪光电跟踪 传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式， 这种跟踪系统， 原则上由三大部件 组成: 位置检测器、控制组件、跟踪头。位置检测器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。控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送 到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。 2.2.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述讨论可知，开环的程序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。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装 置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等 缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和 常州信息职业技术学院第 10 页 作者：王文明 部件的额外磨损。如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动 轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度 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馈，对程序进 行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟 踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但计算过程十 分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲， 该种跟踪方式并不十分适用。 2.3 本设计的跟踪方案本设计的跟踪方案 光敏电阻光强比较法。 该比较法中用的是光电转换电路。 光电转换器接收太阳光, 将光信号转换成电信号, 接着此模拟电信号经过放大器的放大 再进入单片机进行A/D转换成数字信号,单片机根据采集来的信号进行分析比较, 得出结果最 终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线, 从而达到最高 效率的利用太阳能。本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化 的原理, 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的下方。如果太 阳光垂直照射太阳能电池板时, 两个光敏电阻接收到的光强度相同, 所以它们的阻值相同, 此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时, 接收光强多的光敏电阻阻值 减少, 驱动电动机转动, 直至两个光敏电阻上的光照强度相同, 称为光敏电阻光强比较法。 如图2.1所示, 其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。 常州信息职业技术学院第 11 页 作者：王文明 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:30-May-2011Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator桌面liuhui0527.DdbDrawn By: R6 1 2 J12 CON2 VCC 3 2 1 411 U1A LM324 R1 10K R5 4.7K VCC R7 R4 R3 R2 10K 5 6 7 U1B LM324 +C1 220uF IN1 图2.1光电转换电路 2.4本设计的研究内容本设计的研究内容 本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光敏电阻光强比较法，可实现大范围、高精度跟踪。 论文的主要工作为以下几个部分： （1） 系统的总体设计（如图 2.2 所示） ； 图 2.2系统组成示意图 （2）系统的硬件设计（由*完成） ； （3）系统的软件设计； 常州信息职业技术学院第 12 页 作者：王文明 （4）系统的制作和调试。 第三章第三章太阳能自动跟踪系统太阳能自动跟踪系统软件部分软件部分的设计的设计 本文介绍的控制系统的软件设计采用了结构化、模块化的程序设计方法。主程序初始 化完毕之后，即进入等待状态，单片机控制运行交由中断服务程序控制。所需完成的功能 主要由子模块实现。各部分独立完成一定的功能，又有机的结合为一个整体，完成所要求 的控制任务。根据老师和我们对论文课题的分析，我们采用单片机进行控制。 目前，单片机程序设计语言主要有高级语言（主流是 C51）和汇编语言两种。与汇编 语言相比，C51 语言可读性好、维护方便、可移植性强，开发时间短；汇编语言最突出的 优点是编程效率高，执行速度快。本设计中，编程语言采用高级与汇编语言混合编程的形 式，程序主体采用 C51 语言编写，但在对速度要求苛刻的部分（如单片机对 FLASH 存储器 的读写）采用汇编语言编写。开发环境选用目前流行的 Keil uVision3。 经过对于题目的分析，与做硬件部分同学的讨论和老师的指导，我们选用 STC12C5A60S2 单片机。 STC12C5A60S2 是传统的 8051 单片机划时代升级换代产品，是高速、低功耗、超强抗干 扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，直接取代传统的 89C51/89S51 单片 机，它高速，速度比普通 8051 快 812 倍。内部集成有 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。片上集成 1280 字节 RAM，共有 4 个 16 位的定时器，两个与传统的 8051 兼容的定时器/计数器，16 位定时器 T0 和 T1，没有定 时器 2 ，但是有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上 2 路 PCA 模块可再 实现 2 个 16 位定时器。 ，片内有 flash 程序存储器，可以通过编程器十分方便的写代码或 擦除代码，擦除次数达 10 万次以上，而且内有 10 位高速 ADC，速度可达 25 万次/秒。而且 它具有超低功耗，这种芯片有超强抗干扰性，无法解密。保证了工作的可靠性、开发的方 便性和程序的保密性，而且其价格也便宜。 整个太阳能自动跟踪系统软件部分共包含 5 个模块：主程序、AD 转换部分及其转换结 果处理和分析、电机调整部分部分、光强检测模块，LCD 显示部分及报警系统部分。下面 对各模块的设计进行阐述。 常州信息职业技术学院第 13 页 作者：王文明 3.1 主程序设计模块主程序设计模块 3.1.1 主程序模块实现的功能主程序模块实现的功能 （1）单片机系统初始化； （2）检测硅光片的上下和左右硅光二极管的电压值是否相等，如果不相等的话，检测 应该进行电机水平控制还是电机垂直控制，执行完毕后，再进行检测，并依次循环比较执 行。 3.1.2 程序设计思想或说明程序设计思想或说明 如上所述，太阳能自动跟踪系统的软件部分包含多个模块，各模块的启动和停止由单 片机控制。在程序设计时，将这些模块的入口都安排在主程序中，主程序循环检测通过串 口接收的命令，通过对命令解释，然后根据命令转入相应的模块。程序流程图如图 3.1。 系统软件的设计主要是通过C语言编程实现单片机对步进电机控制以及系统状态的显示。 系统通电后，首先对LCD，IO端口初始化，然后开中断，此时系统开始工作，检测当前太 阳位置，直到接收板对准太阳，实现对太阳能全方位跟踪。系统默认时间是00:00，用户可以 根据当地时间调整系统时间。当阴天时，太阳跟踪系统检测不到太阳，为了实现太阳一出来 就能自动跟踪太阳，系统时间每到12:00或18:00（也是太阳落山），系统自动控制接收板与 大地垂直，这样不管太阳在那个位置，接收板都能检测到太阳。 图中，启动后首先进行的初始化包括：对单片机本身的中断和 LCD 液晶显示器等的初 始化。 常州信息职业技术学院第 14 页 作者：王文明 图3.1系统主程序流程图 3.1.3 主程序模块关键程序代码主程序模块关键程序代码 while(1) if(flag_vertical_stop = 1) /电机水平转动 Else if(flag_horizontal_stop = 1) /电机垂直转动 Else/电机不转动 ; 其 中 程 序 中 参 数 flag_vertical_stop 是 电 机 垂 直 转 动 停 止 标 志 ， 当 参 数 flag_vertical_stop = 1 的时候，电机垂直转动停止，同样，flag_horizontal_stop 是电 机水平转动停止标志，当参数 flag_horizontal_stop = 1 的时候，电机水平转动停止。 系统运行后，先进行初始化，初始化完成后，电机根据程序进行检测，若电机需要进 行水平方向的转动，则电机开始水平转动，若电机需要进行垂直方向的转动，则电机进行 垂直转动，否则，电机不转动。一直检查，依次循环，直至系统运行停止。 3.2.3.2. 光强检测模块光强检测模块 3.2.1 光敏电阻光强比较法光敏电阻光强比较法 利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，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的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻 接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与 电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个 光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。其控制主 要由以下三部分来完成: （1）信号采集部分 用光敏电阻实现信号采集的电路原理为桥式电路，电路的输出信号只与照射在两个光 敏电阻上光强的相对值有关，不受外界环境的影响，增加了装置的抗干扰能力。 （2）数据处理部分 采用非倒向放大接法，由运算放大器及其外围电阻组成线性放大单元。零电位调整单 元以抵消零点漂移的直流信号。因调零后包含一定量的负脉冲信号，用反相单元为下一级 电路提供正电压信号。对输入信号进行判断，当输出信号的强度大于一定值时，给下一级 一个高电平信号；反之，提供低电平信号，这样能屏蔽一些微小信号的扰动，使系统的工 常州信息职业技术学院第 16 页 作者：王文明 作更稳定。 （3）控制单元 根据前一级送出的触发信号，控制电动机的工作状态。由于继电器在实现逻辑过程中 需要的吸合电流较大，会造成整体电路的耗电增大；另外，继电器的反应速度很慢，灵敏 度不高，会造成设备整体灵敏度及精确度下降。 3.2.2 程序设计思想及说明程序设计思想及说明 系统采用光敏电阻光强比较法，设计出一种全新的光电转换装置，很好的实现了光电 转换。它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位跟踪，晚上便自动 复位。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，D1、D2 或 D3、D4(另一组控制电路)四个光电 管中必有一个受阳光照射，这样就可确认太阳运动的方向了。控制电路有两组，电路图中 是其中的一组，另一组电路与此相同。光电管是直接与控制电路连接的，当太阳能板正对 太阳时，D1、D2 都是高电阻，A、B 两点电压相等。运放输出的电压相同，单片机收到的信 号差为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使 Dl 被阳光射中呈低电阻， 则 A 点电位比 B 点高，信号经过放大和转换，则单片机使得电机得电转动并拖动太阳能板 转动，使太阳能板重新对准太阳。当 D1、D2 重新转为高电阻时，电机停转。若阳光偏转时 使 D2 被阳光射中则电机反转。不论哪种情况，电机运动的方向和太阳运动的方向总是一致 的从而达到了跟踪的目的。当光敏电阻对准阳光时，采用微凋即可使得 A、B 两点的电位 相等，以提高系统的准确度。 图3.2光敏电阻排列图 常州信息职业技术学院第 17 页 作者：王文明 图3.3 光强检测模块流程图 3.2.3 光强检测模块关键程序代码光强检测模块关键程序代码 if(vol_value_2vol_value_4) AD_Start(); else if (vol_value_2 = jingdu_vertical) right_zhuan_y(3000); AD_Start(); 该程序中参数 vol_value_2 是硅光片上面的光敏电阻经过 A/D 转换所得的电压值，参 常州信息职业技术学院第 18 页 作者：王文明 数 vol_value_4 是硅光片下面的光敏电阻经过 A/D 转换所得的电压值，上段程序是将上下 两个光敏电阻吸收的阳光通过 A/D 转换变为电压后进行比较，从而控制电机的正反转。 3.3 太阳能板二维角度调整模块太阳能板二维角度调整模块 3.3.1电机水平转动控制部分电机水平转动控制部分 当通过 AD 转换后， 单片机得到左右两边的输出电压， 若左右两边的输出电压不相等时， 水平电机控制部分别开始工作，若左边电压值比右边电压值高且左边电压与右边电压差的 绝对值超过一定的范围时，电机开始向右转，反之，若右面电压比左面电压大，且左右两 面电压差的绝对值超过一定范围后，电机向左转，否则，电机不转动。当水平控制结束后， 水平转动停止，垂直转动开始。 在这个模块中，超过一定是绝对值是为了避免因为很小的误差或者一些没有必要转动 的情况下电机发生转动，提高了电机的利用效率。 3.3.2程序设计思想或说明程序设计思想或说明 通过 AD 转换得到光敏电阻的电压值，将左右或上下的电压值进行比较，根据电压值的 不同进行电机的调整。以电机的水平调整为例，若左面电压值大于右面电压值，则表示左 面接收的太阳光必右面的多，则电机通过步进电机向右转，在转动的同时，左右两面的电 压也一直还在比较，直到左右两边电压相等或两面电压的绝对值在一定的范围内，电机水 平转动停止。 3.3.33.3.3 部分程序说明部分程序说明及电机水平转动控制部分流程图及电机水平转动控制部分流程图 if(vol_value_1vol_value_3) AD_Start(); 常州信息职业技术学院第 19 页 作者：王文明 这几句程序是比较左右两面的电压值大小，如果左面的电压值大于右面的电压值，且 它们差的绝对值大于设定的精度时，电机进行正转。 图 3.4电机水平转动控制流程图 3.4 电机驱动模块电机驱动模块 3.4.1 电机类型选择电机类型选择 电机是我们的生活中不可或缺的动力源，常用的有交流电机，步进电机和直流电机。 直流电机是日常生活中广泛使用的一个电气产品，太阳能全天候跟踪系统跟踪太阳这 样的动作，需要能进行转动控制和立刻停止控制的电路，实际中通常采用微控制器和专用 IC 芯片。单独使用直流电机尚不能达到精确的定位控制，只有将它与旋转编码器组合起来， 常州信