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太阳能跟踪系统设计摘要太阳能作为一种可以永续使用的绿色可再生能源，有着巨大的开发应用潜力。但由于光伏电池的输出特性与外界环境因素的变化有很大关系，目前大规模量产的光伏电池光电转换效率仍然不高且价格昂贵。光伏发电自动跟踪装置是提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。研究精确的太阳跟踪装置，可使光伏电池板接收到更多的太阳辐射能量，增加发电量。本文实现了用廉价的光敏元件和单片机电路进行太阳跟踪的功能。分析了太阳运行规律，在对比目前常用跟踪方法的基础上，改进了以往的跟踪方式。提出将光电跟踪作为主要跟踪方式，视日运动轨迹跟踪方式作为特殊天气情况下补充跟踪方式的方案。通过两种跟踪方式互补，一方面可以充分发挥光电跟踪准确性高的优势，另一方面在阴天等天气条件下仍能实现跟踪。此外，为了确保跟踪的结果准确，在方位角和高度角调整之后，增加了一组传感器电路进行跟踪结果的验证。通过对控制系统所实现的功能分析，论文完成了跟踪系统的硬件和软件设计。主要内容包括：单片机接口电路设计、光强检测电路设计、控制执行部件设计以及光电跟踪和视日运动轨迹跟踪模块的软件设计。完成了跟踪系统试验装置的制作。本文所设计的光伏发电自动跟踪系统结构简单，成本低廉，运行稳定，可广泛应用于并网和离网光伏发电系统。关键词 光伏发电，单片机，光强检测，自动跟踪AbstractThe solar energy has ail enormous developing application capacity as one kind of green renewable energy source which Call be continuously used foreverBut there is tremendous relationship between photovoltalc cells output characteristies and the change of external environmental factors，currently the efficiency of PV cells is not only low but also expensive on a large scale of productionThe photovoltaic automatically tracking device can raise the solar energy utilization rate and bring down the cost of the solar electrical energy generationPrecise solar tracking mechanism can make solar panel receive more radiant energy and increase generating capacityThis paper makes to realize the function of sun trackingUse of cheap photo sensors and MCU circuit.Analyzed the law of the sun, compared the current tracking methods，and improved the previous tracking modeProposed electro opticaltracking as the major tracking mode while the sun trajectory tracking mode as additional tracking mode on unusual weather conditionsThrough two complementary tracking modes，on the one hand，electro-optical tracking can give play to the advantages of high accuracy；on the other hand，the system can still achieve tracking on cloudy weather conditionsIn addition，In order to guarantee that the track result is accurateafter azimuth and elevation angle adjustment，increased a group of sensor electric circuit to CatTy on the track result confirmationThrough the implementation of functional analysis of control system，the thesis completed hardware and software design of the tracking deviceInclude：MCUinterface cuit design，optical detector circuit design，control and implementation component design and the software design of electrooptical tracking and sall trajectory tracking moduleThe tracking system test equipment manufacture is completedThe experimental results showed that，the system could fully realize the tracking of the sunFinally,proposed improvement program and new method to treat fast cloud according to the tracking effect of the trialIn this paper,the designs of photovoltaic automatic tracking device have simple structure，low cost and stable operationThe device cail be widely applied to grid and off-grid PV power systemKeywords photovoltaic，MCU, light intensity detect, automatic tracking目录摘要IAbstractII1 引言11.1 光伏发电的特点11.1.1 光伏发电的优点11.1.2 光伏发电存在的问题11.2 光伏发电自动跟踪技术21.3 本文主要完成的工作22 太阳跟踪方法及策略32.1 太阳运动轨迹对太阳能发电的影响32.1.1 太阳赤纬角32.1.2 计算太阳高度和太阳方位42.2 太阳运动轨迹的跟踪方式52.2.1 单轴跟踪52.2.2 双轴跟踪62.2.3 视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合62.3 控制系统总体设计72.3.1 控制系统所要实现的功能分析72.3.2 控制系统的工作过程82.3.3 机械执行装置83 自动跟踪系统的硬件设计103.1 控制系统硬件总体设计103.2 控制系统核心部件的选择113.3 光强检测电路设计133.4 单片机接口电路设计153.4.1 电源电路153.4.2 串口通信电路163.4.3 模拟量转换电路173.4.4 看门狗和晶振183.4.5 实时时钟电路193.5 控制执行部件设计203.5.1 步进电机驱动控制系统203.5.2 本系统所采用的步进电机及驱动模块213.6 整体电路图的设计224 系统软件流程及调试244.1 主控制模块的软件设计244.2 光电跟踪模块程序设计254.3 视日运动轨迹跟踪模块程序设计265 结论276 致谢287 参考文献298 附录30- 35 -1 引言1.1 光伏发电的特点1.1.1 光伏发电的优点 光伏发电技术(Photovoltaic)是将太阳能转化为电能的技术，其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是在地壳中储量丰富的硅。太阳能光伏电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极。阳光照射在半导体上时，两极交界处产生电流。阳光强度越大，电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作，在阴天也能发电。由于反射阳光，少云的天气甚至比晴天发电效果更好。与传统的化石能源相比，光伏发电具有以下优点：储量丰富。燃料免费。无污染。低维护费用。原料储量丰富。安装方便。适合高海拔地区。1.1.2 光伏发电存在的问题虽然光伏发电有很多突出的优点，但同时也存在着一些有待考虑的问题：1光电转换效率不高由于光伏电池的特点，在选取光伏电池原材料时必须考虑到材料的光导效应和光导效果，目前光电转换效率较高的单晶硅电池的转换效率在20左右，同时由于对光电效率转换控制不当，真正的光电转换效率还会降低。2受气候影响大如果在阳光不充足的多云或阴雨天气，随着光照强度的降低，光伏电池的转换效率会大幅度降低，因此，光伏系统不适合应用于阴雨天气较多的地区。另外，由于空气中的尘埃会落到电池板上，长时间沉积会阻碍光线的照射，也会对转换效率造成影响。3.光伏发电成本较高晶体硅太阳电池主要原料是高纯硅，其纯度高达999999，虽然硅是地壳中含量仅次于氧的元素，但是要从石英砂中提炼出高纯度的硅需要消耗大量的能量，成本较高，这就使得硅原料的价格一直居高不下，制约了光伏市场的快速发展。另外，由于硅提纯技术被德国、日本、美国等国家垄断，目前我国生产晶体硅电池需要的原料大多依赖进口，导致生产成本进一步升高。12 光伏发电自动跟踪技术技术进步是降低光伏发电成本，促进光伏产业和市场发展的重要因素。几十年来围绕着降低成本的各种研究开发工作取得了辉煌成就，电池效率不断提高，单晶硅电池的试验室转换效率已经从20世纪50年代的6提高到目前的247，多晶硅电池的转换效率也达到了203。硅片厚度持续降低，产业化技术不断改进，30多年来，光伏电池硅片厚度从20世纪70年代的450-500微安降低到目前的180-280微安，降低了一半以上，大大的节省了硅材料。除了采用新的工艺和材料对光伏电池本身进行改进之外，采用适当的控制方式对光伏系统进行控制，使其能够更高效的利用太阳能也是未来发展的一个重要趋势。光伏发电自动跟踪技术就是利用控制方法对光伏发电系统进行控制，使光伏电池板始终对准太阳，以提升发电系统的效率。未来的太阳跟踪装置应采用全自动跟踪。全自动太阳跟踪装置采用地平坐标系和双轴跟踪原理，机构设计朝着高灵活性、多维、大范围跟踪角度方向发展，用有限的光伏电池板接收更多的太阳辐射能量，降低光伏发电的成本113,141。控制采用光、机、电一体化技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳的全自动跟踪，可广泛应用于农业、电信、气象等领域。跟踪装置由光敏探头检测太阳光强，通过跟踪控制器，采用模拟压差原理进行比较，发出命令，驱动机械部分转动。位置开关使跟踪装置的跟踪准确度高，范围宽，有自动返回功能。1.3 本文主要完成的工作因光伏电池的输出特性受外界因素影响较大，如何对光伏系统进行有效控制使其能够工作在最佳的状态，有效的利用太阳能，从而能够产生更多的电能，是一个非常重要的课题。本文在掌握光伏电池特性的基础上，重点研究了光伏发电自动跟踪系统，采用了新的跟踪策略，可实现高准确性跟踪。本文的研究内容主要有如下几点：1分析太阳运行规律。对不同的跟踪策略进行比较和分析，提出了适合本系统的跟踪策略，并进行了机械结构的设计。2对光伏自动跟踪控制系统的硬件进行了总体设计，并对各个功能模块电路进行设计。3设计软件控制方案，结合系统硬件完成试验平台的搭建。2 太阳跟踪方法及策略2.1 太阳运动轨迹对太阳能发电的影响为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。用视日运动跟踪弥补光电跟踪的缺点，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。2.1.1 太阳赤纬角 地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面，而地球的自转轴称极轴。极轴与黄道面不是垂直相交，而是呈66.5角，并且这个角度在公转中始终维持不变。正是由于这一原因形成了每日中午时刻太阳高度的不同，以及随之而来的四季的变迁。太阳高度的变化可以从图1中形象地看到。图中日地中心的连线与赤道面间的夹角每天（实际上是每一瞬间）均处在变化之中，这个角度称为太阳赤纬角。它在春分和秋分时刻等于零，而在夏至和冬至时刻有极值，分别为正负23.442。 图2-1 时角坐标系 由于太阳赤纬角在周年运动中任何时刻的具体值都是严格已知的，即：ED=0.372323.2567sin0.1149sin20.1712sin30.758cos0.3656cos20.0201cos3 2.1.2 计算太阳高度和太阳方位太阳高度（h）的计算公式为sinh=sinsincoscoscos 式中，就是太阳赤纬角，即式（5）中的Ed，为当地的地理纬度，为当时的太阳时角。值不难获得，且一旦确定，不会改变。值的计算可以从前述程序中得到。唯一需要说明的是太阳时角的计算。这里时S和分F的符号均加上了下标，表示是真太阳时，为了从北京时求出真太阳时，需要两个步骤：首先，将北京时换成地方时Sd： SdS+（地理经度-120）*4/60式中，120是北京时的标准经度，乘4是将角度转化成时间，即每度相当于4分钟，除60是将分钟化成小时。 其次，进行时差订正，即S=SdEt60 这里应该指出的是，时角是以太阳正午时刻为0点的，顺时针方向（下午）为正，反之为负。太阳方位角的计算式为cosA=（sinhsinsin）coshcos 由此可求出二个A值，第一个A值是午后的太阳方位， 当cosA0时90A180当cosA0时0A90第2个A值为午前的太阳方位，取360A。 图2-2 太阳角的定义2.2 太阳运动轨迹的跟踪方式太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点太阳的位置，从而完成对日跟踪。视日运动轨迹跟踪依靠计算太阳的准确位置然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪，根据跟踪装置的轴数，视日运动轨迹跟踪装置分为单轴和双轴两种。2.2.1 单轴跟踪单轴跟踪装置一般釆用三种方式：（1）倾斜布置东西跟踪；（2）旋转轴南北水平布置，东西跟踪；（3）旋转轴东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是南北方向或东西方向的单轴跟踪，工作原理基本相似。以第三种为例，阐述单轴跟踪原理，如图所示。图2-3 单轴跟踪系统图2-3中单轴跟踪装置的转轴东西方向布置。控制计算太阳角度的变化，控制转轴转动，使太阳能电池板作俯仰运动，以跟踪太阳。釆用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与电池板相垂直，而在早上或下午太阳光线都是斜射。采用单轴跟踪的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集光线的效果并不理想。2.2.2 双轴跟踪如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪通常可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。（1）极轴式全跟踪极轴式全跟踪是指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。反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤讳轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。（2）高度角-方位角全跟踪高度角-方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。2.2.3 视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合光电跟踪是国内外常用的跟踪方法，使用光敏管，将两个光敏管分别置于光伏电池阵列平面的两个点上，当太阳光线直射光伏阵列时，若光敏管将光信号转换成电信号后的数值偏差在规定范围内，即两个测试点光强信号的偏差很小，电机不转动。但随着太阳的位置发生变化，光敏管检测到的电信号偏差逐渐增大而超出了规定范围，经放大电路将偏差信号放大，控制跟踪装置产生动作而重新使光伏阵列与太阳光线保持垂直，对准太阳，完成跟踪。光电跟踪的优点是结构设计方便，跟踪准确度高。但有一个缺点就是受天气的影响较大，如果在稍长一段时间内出现乌云遮住太阳的情况，由于没有光照，光敏管上没有电信号产生，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误操作。视日运动跟踪和光电跟踪都存在一定的局限性。对于视日运动跟踪，主要是在开始运行之前需要精确定位，太阳角度计算时容易产生误差，且产生误差后不能自动进行调整等，因此需要定期人为调整跟踪装置。而光电跟踪经常由于天气问题，出现不跟踪或错误跟踪的情况，特别在多云的天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运动，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。如果将视日运动跟踪和光电跟踪相结合，互补其短，就可以得到比较满意的效果。在光电跟踪的基础上，同时设置视日运动轨迹跟踪程序，当遇到乌云遮挡或阴天等天气状况时，由于光强太小，光敏管上产生的电信号会低于设定的阈值，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪程序进行执行天气好转后自动跳出，继续进行光电跟踪。为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。用视日运动跟踪弥补光电跟踪的缺点，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。因此，本文采用两种跟踪方式相结合的方法，同时将光电跟踪方式作为主要跟踪方式，视日运动轨迹跟踪方式作为补充，这样一方面可以发挥光电跟踪的优势，使跟踪更加准确；另一方面可以在阴天等特殊天气 环境下继续跟踪太阳。2.3 控制系统总体设计2.3.1 控制系统所要实现的功能分析太阳自动跟踪装置控制系统需要实现的功能就是通过发出控制信号对跟踪系统机械执行机构的角度进行精确控制，实现对太阳运行轨迹的跟踪。并要求整个系统能够自动处理各种因天气状况引起的误判断，能够全天候的自动运行，结构简单可靠，由于系统对控制对象移动速度要求不高，只要求位置角度的精确控制，因此用步进电机作为控制部件。若单独釆用视日运动跟踪方法，根据前面介绍的太阳跟踪方法和太阳 运行轨迹的算法，可根据当地的纬度、时间、日期就计算出某一时刻的太阳高度角和方位角。通过控制系统可完成对太阳高度角和方位角的跟踪。但是利用太阳运行轨迹算法计算时，会有计算误差，并且机械执行机构在运行、安装时也会产生系统误差，因此如果单独采用视日运动轨迹跟踪方法并不能实现系统对太阳运行轨迹的精确跟踪。若在系统运行中发生断电等异常情况后，再次工作时会产生跟踪混乱。若单独采用光电跟踪，由于系统易受外界干扰也不能保证系统对太阳运行轨迹的精确跟踪。我们提出的视日运动跟踪和光电跟踪相结合的工作方式，有效的弥补了单独釆用一种方法进行跟踪的缺陷。本文采用光电跟踪方式作为主要跟踪方式，视日跟踪方式作为辅助方式的方法进行跟踪。在光线较强时，采用光强检测电路检测光线偏差进行光电跟踪，若遇到乌云长时间遮挡等天气情况时，系统自动转为视日运动跟踪方式。这样既提高了系统的跟踪准确度又提高了系统的可靠性，能够保证系统全自动准确的跟踪太阳运行轨迹。 系统具有自动复位的功能，在日落后能够自动控制机械执行机构回复到基准位置，并且停止转动，在第二天日出时刻自动从跟踪初始位置，进行新一天的跟踪。2.3.2 控制系统的工作过程 在一天中阳光充沛的时段里，系统采用光电跟踪方式，当太阳光照射到传感器上时，把光伏电池阵列和太阳位置偏差给出的传感信号，经过前置放大器、电压跟随器后保存到控制器中，由控制器按照预先设定的程序进行一定的处理后控制步进电机转动，使聚光器随着太阳移动而转动，从而达到跟踪的目的。若遇到天气突变，程序自动转为视日跟踪。这两种跟踪方式都进行方位角和高度角两个角度的精确调节。2.3.3 机械执行装置赤道坐标系相对地平坐标系更为简单直接，可以精确地描述太阳的运行轨迹。但赤道坐标系是以赤道平面、地球的极轴为基准，在实际应用中跟踪装置机械结构的设计和安装都很困难，因此在满足跟踪准确度的前提下采用地平坐标系，由当地的纬度、日期、时间计算太阳的方位角和高度角，从而控制步进电机实现跟踪装置对太阳的跟踪。本文采用高度角-方位角全跟踪方式，根据其原理设计了一种简单、实用的光伏自动跟踪装置的机械机构。机械机构主要由支架、步进电机、 传动齿轮、位置开关和基座组成。为了能够产生较大的输出转矩来带动光伏阵列的转动，使用大齿轮与电机进行连接，这样一方面可以避免使用减速器降低成本，另一方面可以产生较大的力矩。方位轴垂直于地面，俯仰轴平行于地面。大齿轮R1固定在方位轴上，且齿轮中心与方位轴的轴心重合，方位轴安装在基座上，其相对于基座可以转动，电机Ml转动可以带动大齿轮R1动作产生大的转矩。大齿轮R2固定在俯仰轴上，电机M2与大齿轮R2 啮合，俯仰轴连接在光伏阵列的旋转轴上。位置开关的作用是当光伏阵列转动的范围超过预设范围时，停止跟踪，自动复位。图2-3 机械执行装置跟踪机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线偏移量超过限定的阈值，首先控制器发出控制信号驱动电机Ml转动，电机输出轴带动固定轴上的大齿轮R1转动，因此带动方位轴以及固定在方位轴上的转动架及光伏阵列同步转动，实现了水平方向的跟踪。然后控制信号驱动电机M2带动光伏阵列相对于支架俯仰转动，跟踪太阳高度角，直到光伏阵列正对太阳，在电机 Ml、电机M2的共同作用下实现对太阳方位角和高度角的跟踪。该机构特点是结构简单，便于控制，跟踪准确度高。对方位角、高度角的跟踪，利用大齿轮产生的力矩，能在使用功率较小的电机的同时传递足够大的动力，使用功率较小的电机降低了其能源成本和系统造价。整个跟踪机构的结构紧凑，大齿轮的应用还提高了跟踪的准确度，且提高了传动装置的寿命。3 自动跟踪系统的硬件设计3.1 控制系统硬件总体设计自动跟踪装置的控制系统主要由控制器、光敏管、光强检测电路、步进电机、电机驱动等组成。根据控制系统的设计要求构建一个以控制器为核心的应用系统，硬件电路的设计主要包括两部分的内容：一是系统配置，即按 照系统功能要求配置外围设备。二是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM，RAM, I/O等容量不能满足系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。在系统的配置和扩展设计中，应遵循以下三个原则： 1.片外扩展时尽可能选择典型电路，使硬件系统标准化。系统的配置除了满足基本功能之外，应留有一定余地，便于二次开发。 2.系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。 3.要充分考虑可靠性及抗干扰能力，避免器件之间相互影响。单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。按照以上原则并结合本控制系统的特点和功能，设计了系统硬件框图如图所示。图3-1 系统硬件框图按模块分别对各单元电路进行电路设计，然后进行硬件合成，将各单元电路按硬件框图中各部分所实现的功能组合到一起，构成一个完整的硬件电路图。在整个控制系统中，通过单片机的外围电路采集模拟量和开关量并输入到单片机的控制口，经过处理后输出到执行部件进行相应的动作，完成整个系统的控制。关于提高系统准确性和稳定性从实际试验的结果和理论分析来看，提高光伏发电自动跟踪系统的跟踪准确度和稳定性有以下几种方案：1.适当增加用于遮挡光敏传感器的挡板高度。试验证明，挡板的高度 越高，跟踪的准确度越高。当光线发生偏移，挡板可以挡住一部分光线，使光线主要落在一个光敏传感器上，另外一个光敏传感器由于光线被遮挡，光线会迅速减弱，使电压偏差迅速改变，即提高了跟踪的准确度。2.在跟踪过程中改变电机运行方式。太阳方位角和高度角跟踪时，单 片机控制步进电机驱动H/D端口为高电平，电机采用半步运行方式。在进行跟踪结果检验后，若没有达到跟踪要求，继续跟踪时采用半步运行方式，很可能造成跟踪幅度过大，超出范围，使系统处于失调状态。因此，跟踪结果检验后应将H/D置为低电平，使步进电机运行在1/8步运行方式，既提高了跟踪准确度，又避免失调。3.提高试验装置的加工准确度。试验装置加工准确度提高后，可以改 善机械性能，减少步进电机在运行过程中的震动、停转、过冲等情况的发 生，减小跟踪装置运转时部件之间的摩擦。4.采用角度传感器检测光电跟踪时已转过的角度。本文所选择的步进 电机，在试验过程中发现在电机运转时会出现丢步现象，这虽然对光电跟踪影响不大，但由于视日运动跟踪是依据理论计算值与实际运转的差值进行跟踪，电机丢步会导致理论推算的电机转动角度与实际转动角度存在偏差，因此，会直接影响视日运动跟踪的准确度。采用角度传感器可精确检测角度变化，确保跟踪准确。5.当外界的风速大于光伏发电机械支架所承受压力时，压力传感器会将这一情况传给单片机控制系统 。从而，单片机控制光伏板逐渐地平行于风速的方向，使整个装置处于保护状态。3.2 控制系统核心部件的选择目前控制系统所采用的控制器种类很多，主要有工控机、可编程逻辑控制器(PLC)、单片机等。工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。但釆用光伏发电自动跟踪系统的目的就是为了节省光伏发电的成本，如果用工控机或者PLC等控制器来对系统进行控制，原则上系统所要实现的功能是能够达到的，但由于成本问题，反而达不到降低发电成本的目的。而单片机具有高可靠性、低成本的特点，且其控制能力完全能达到本系统要求，故采用单片机作为控制系统的主控芯片既能实现准确跟踪，又可以很大程度的节省成本。通过分析和对比多种单片机，本文选择了 STC89C51单片机作为主控制芯片。STC89C51单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，掉电模式下典型功耗低于O.l微安，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序，空闲模式下的典型功耗低于2mA,正常工作模式下功耗范围为4mA7mA。综合以上特点，STC89C51单片机非常适合本控制系统。图3-2 单片机最小系统51单片机引脚的简介：1）电源引脚：连接电源Vcc(40脚）：电源正极Vss(20脚）：电源负极2）时钟引脚：连接时钟电路XTAL1(19脚）：输入引脚XTAL2(18脚）：输出引脚3）复位引脚：连接复位电路RST/VPD(9脚）：复位引脚4）控制引脚：辅助控制作用PSEN(29脚）ALE/PROG(30脚）EA / VPP(31脚）:接高电平5）I/O端口引脚：用来连接单片机和外部设备，实现数据的输入/输出。 P0.0P0.7(39脚32脚）：P0端口P1.0P1.7( 1脚 8脚 ）：P1端口P2.0P2.7(21脚28脚）：P2端口P3.0P3.7(10脚17脚）：P3端口3.3 光强检测电路设计光强检测电路的设计首先要将光敏传感器布置在合理的位置，其分布如图所示。图3-3 传感器的分布光强检测电路主要是将光敏传感器输出的电信号进行放大比较，然后将偏差信号送到单片机进行处理，从而控制执行部件对太阳的高度角和方位角进行跟踪。电路中用到了5个光敏三极管，将其全部固定在一个正方形的平板上，正方形的中心放置光敏三极管DO、Dl、D2水平方向放置，D3、D4竖直放置，各传感器之间用挡板隔开，5个光敏管与平板边缘留有间隔。将平板用一不透光的下方开口的正方形方框体盖住，其下方边缘正好与正方形平板的边缘重合。方框体的顶部用透明的玻璃盖住，以便光线能够通过，并将中心点用不透明的材料遮挡，其直径与光敏传感器D0的直径相同，D0位于遮挡圈的正下方。将整个光检测装置固定在与光伏电池方阵平行的平面上，使正方形的边缘与水平和竖直方向平行。当阳光射入时，首先通过D1和D2进行水平方向的光强检测，完成太阳方位角跟踪。然后通过D3和D4进行竖直方向的光强检测，完成太阳高度角的跟踪。D0的作用是对水平和竖直跟踪后的结果是否符合进行判断，假设经过跟踪调整后没有正对太阳，则D0的一部分会暴露在光线下，这样就会有电信号产生，若此电信号大于预设值，则认为跟踪没有完成，需继续进行跟踪。下面根据器件的特点进行光强检测电路设计。光敏传感器3DU33反向击穿电压为15V，最高工作电压10V,暗电流0.3uA,光电流0.5-lmA，功耗30mW。其通常有两种工作状态：(1) 加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。 (2) 不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。由于进行光电跟踪需要有较大的信号电源来提高跟踪准确度，因此要加入反向电压。LM358双运算放大器电路主要用来进行信号的放大，其内部包括有两个独立、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。其封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。水平方位光强检测电路主要由光敏传感器、集成运算放大器、三极管、电阻、电容等元件组成。下面讲述跟踪过程。当光照射到光检测装置上，光敏三极管D1和D2由于受光照导通，其两端的电压将有所变化，但变化的幅度不同，使用三极管将产生的电信号进行放大。由集成运放LM358及电容组成的电压跟随器两端的电压保持相等，可以有效避免前后电路间的相互影响。差分放大器将两路电压的差值放大。将比较器输出端的电压与参照电压比较，若同向输入端电压高于反向输入端，则输出为高，否则为低，参照电压Vref可以根据需要的精度进行调节。加入三极管可以增强电路驱动能力。最后将比较的结果V1送入单片机，若V1 为低电平，则认为系统需要调节，单片机发出控制信号控制电机转动，直到在水平方向对准太阳为止。若比较结果V1为高电平，电机无需转动。图3-4 水平方位自动跟踪电路图竖直方位的跟踪原理与水平方位基本相同，但在电路中多加了一个提供负端参照值的电路。这是因为在竖直方向太阳的运动轨迹是先高再低，这就要求电机要在上午正转，而在下午反转。当差分放大器的输出电压Vd3d4的范围在正转参照值（Vref2）和反转参照值(Vref3)之间时，电机不转动。在上午的时段，当Vd3d4大于Vref2时，电机正转。在下午的时段，当Vd3d4小于Vref3时，电机反转。由光敏三极管DO所组成的跟踪验证电路，其直接将传感器产生的电信号和参照电压Vref0。相比较，若电压高于参照电压，则电路输出端V0为低电平，此时认为水平和竖直方向的跟踪没有达到要求，需重新进行水平和竖直方向的跟踪。3.4 单片机接口电路设计3.4.1 电源电路由于STC89C51的工作电压范围为5.5V-3.4V,而蓄电池的输出电压要远髙于5V,因此需要设计一个能够满足单片机工作要求的电源电路为单片机提供稳定的电源。电源电路除了有传统的稳压、滤波、隔离防干扰功能外，还应具有抗电源瞬态欠压、防止瞬间脉冲干扰和掉电等功能，才能保证单片机在恶劣的环境中不出现故障。因此，采用性能稳定的三端稳压集成电路H7805来实现电压转换，电源电路如图所示。图3-5 +5V电源电路如图所示，三端稳压集成电路H7805有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用H7805来组成稳压电源所需的外围元件很少， 只需要4个电容，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。在实际应用中，在三端稳压集成电路上安装足够大的散热器，当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。电路的输入为蓄电池的输出电压，输出为5V，作为单片机电源。要实现自动跟踪控制系统的功能，还需要-5V电源，采用如图所示的ICL7660芯片及外围电路进行正负5V电压之间的变换。图3-6 -5V电源电路3.4.2 串口通信电路STC89C51单片机具有在系统可编程(ISP)特性，单片机在用户系统上即可下载和烧录用户程序，而无须将单片机从己生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部，这样既方便又省去了购买通用 编程器的费用。另外，由于可以将程序直接下载进单片机看程序运行结果故也可以不用仿真器。STC89C51单片机内部固化有ISP系统引导程序， 配合PC端的控制程序可将用户的程序代码，即hex文件，下载进单片机， STC提供了 ISP专用下载工具STC-ISP，将其安装于PC机上实现文件的导入，但要实现PC机与单片机的连接和通讯必须设计串行通讯电路。串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的，它只需一对传输线进行传送信息，因此其成本低，适用于远距离通信。串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式，同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂，而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232C标准是目前最常用的一种串行通讯标准，是在1970年由美国 电子工业协会(EIA)正式公布的，该标准适用于数据通讯设备(DCE)和数据终端设备(DTE)间的串行二进制通信，最高数据传送速率可达19.2kbps，最 长传送电缆可达15米，RS-232C标准定义了 25根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD,串行输出TXD和地线GND，RS-232C标 准的电平采用负逻辑，规定+3V+15V之间的任意电平为逻辑“0”电 平，-3V-15V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平是不同的，在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与RS-232C标准的电平匹配，MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。根据MAX232芯片的特点，设计串口通讯接口电路如图所示：图3-7 串口通讯接口电路图中，MAX232芯片外围需要4个电解电容分别是Cl、C2、C3、 C4,是内部转换所需要的电容，均选用lO微法的电容，并尽量靠近芯片。C5 为 O.l微法的去耦电容。MAX232 的引脚 T1IN、T2IN、R10UT、R20UT 为 接TTL/CMOS电平的引脚，引脚T10UT、T20UT、R1IN、R2IN为接 RS-232C电平的引脚，选择MAX232的第二路进行发送和接受，因此 TTL/CMOS电平的T2IN引脚接STC89C51单片机的串行发送引脚 TXD; R20UT接单片机串行接收引脚RXD,与之对应的RS232C电平的 T20UT接PC机的接收端RD; R2IN接PC机的发送端TD。因为MAX232 芯片具有驱动能力，因此不需要外加驱动电路。3.4.3 模拟量转换电路STC89C51单片机自带A/D转换模块，通常可完成按键扫描、电池电压检测、掉电检测、音量检测和频谱检测等功能，本控制系统的A/D转换模块，主要功能是采集主回路模块的输入电压和光强输入信号，进行A/D 转换后，送入单片机进行运算和监控，采样周期由主控芯片确定。由于光检 测所要求的精度较高，故采用STC89C51单片机自带的A/D转换功能很难达到控制系统的要求，因此，需要重新设计适合本控制系统的A/D转换电路。本章采用ICL7135作为A/D转换芯片，与常用的A/D转换芯片如ADC0809、TLC2543、ICL7109等相比，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分A/D转换器，具有精度高(精度相当于14位二进制数)、价格低廉、抗干扰能力强等优点。ICL7135具有20000个数的分辨率，而且有BCD码和STB选通信号输出，本章利用ICL7135的BUSY输出信号与单片机进行连接。在进行电路设计时，应该用最少的元件完成尽可能多的任务，如果利用ICL7135的BCD码和STB选通信号就要占5个I/O 口，而利用ICL7135的BUSY端，只要一个I/O和单片机内部的一个定时器就可以把ICL7135的数据送入单片机。ICL7135外围电路如图所示，ICL7135通过分频电路获得工作所需的频率输入。将ICL7135的BUSY信号接到单片机的P3.3引脚上，使定时器T1的选通控制信号GATE=1,此时定时器T1是否工作将受到BUSY信号的控制，当ICL7135开始工作时，即积分波形的Signal- Integrate相开始时，ICL7135的BUSY信号跳高，定时器T1才开始工作，且定时器T1的THO、TL0所记录的数据与ICL7135的测试脉冲(从积分波形的Signal-Integrate相开始到Deintegrate相结束这一区域内的脉冲)存在一定的比例关系。图3-8 ICL7135外围电路 3.4.4 看门狗和晶振标点符号由于跟踪装置的工作地点通常在野外，环境往往比恶劣和复杂，单片机不可避免的要受到来自外部的干扰及各种电气干扰的影响。这时单片机可能会出现输入、输出错误，甚至会干扰到程序指针PC,使其发生错误，那就有可能误将非操作码当作操作码来执行，会造成程序执行混乱甚至进入死循环，使系统无法正常运行。因此如何发现系统运行受到干扰，如何拦截失去控制的程序的流向，使程序纳入正常轨道是单片机应用系统中必须解决的问题。因此利用STC89C51单片机的看门狗功能，防止程序在执行时陷入死循环。看门狗实质上是一个程序监视定时器，它的定时时间是固定不变的，一旦定时时间到，产生中断或输出一个脉冲，强制单片机复位，程序指针PC 恢复初始值，从而使程序恢复正常运行。因此在单片机正常工作时，程序不断地在定时时间到来之前对定时器复位，定时器就不会产生中断或溢出脉冲。如果因干扰而出现死循环，定时器不能及时复位，定时时间到，会产生中断或输出一个脉冲，强制单片机复位。在单片机中使用看门狗技术能有效解决因干扰导致死循环的问题。STC89C51单片机在其内部己经集成了硬件看门狗，可通过看门狗特殊功能寄存器对看门狗定时器进行控制。 STC89C51看门狗定时器特殊功能寄存器中EN_WDT为看门狗允许 位，当设置为“1”时，看门狗启动。CLR_WDT为看门狗清零位，设置为 “1”时，看门狗将重新计数，硬件将自动零此位。根据PS2、PSK PS0设定值可确定预分频值，可以计算出看门狗的溢出时间。计算看门狗溢出时 间的公式为：看门狗溢出时间=(预分频值*N*32768)/晶振频率 当W=12,选为12时钟模式;当W=6时，选为6时钟模式。本系统的晶振频率选用11.0592MHz,两个电容均选用33pF的电容。若选用12时钟模式，根据看门狗溢出时间的计算公式，可得出不同预分频值下的看门狗溢出时间。3.4.5 实时时钟电路根据前面的讨论，自动跟踪系统在进行视日运动跟踪时，需要有准 确的时间才能确定出某个时刻太阳的高度角和方位角，因此需要设计实时时钟电路才能将准确的时间输入到单片机进行处理。时钟芯片选用美国达拉斯半导体公司(Dallas)推出的实时时钟芯片DS12887,该芯片采用CMOS技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，釆用DS12887芯片设计的时钟电路不需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。DS12887芯片具有微功耗、外围接口简单、准确度高、工作稳定可靠等优点。DS12887时钟芯片的主要功能有：可作为PC机的时钟和日历；在没有 外部电源的情况下可工作10年以上，不丢失数据；自带晶体振荡器及锂电池；可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日、月、年7种日历信息，并有闰年补偿功能；二进制数码或BCD码表示时间、日历和闹钟；12 和24小时两种制式，12小时时钟模式带有PM和AM指示；Motorola和 Intel总线时序选择；128字节RAM单元与软件接口，其中14字节为时钟单元和控制/状态寄存器，114字节为通用RAM,可由用户使用，所有RAM单元数据都具有掉电保护功能：可编程方波输出；中断信号输出IRQ和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行置位测试。DS12887时钟芯片与STC89C52RC单片机的接口电路如图所示。图3-9 DS12887和