小型客车制动力分配比分析与优化

摘要以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断的消耗，将越来越不适应可持续能源的发展的需要。加速开发以太阳能为主体的可再生能源以成为人们的共识。太阳能作为一种作为一种清洁能源，倍受人们重视。精确跟踪太阳，对太阳能利用率的提高是显著的，市场上急需一种高精度，高稳定性的跟踪控制器。跟踪太阳的方式主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。光电跟踪主要控制过程是由光敏传感器采集太阳与光伏电池板之间水平与垂直方向的位置偏差信号与光强信号，并反馈给数据处理器与控制器，经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。视日运动轨迹跟踪将太阳位置受时间、季节、所在地区经维度等因素综合考虑。本设计采用光时互补的跟踪方法，即是以视日运动轨迹跟踪为粗调，从时钟模块读出当前时间计算出太阳的空间位置，并根据经纬度进一步计算出太阳的方位角和高度角。由单片机发出驱动信号控制步进电机转动，到达指定位置。先大致定位太阳的位置。当转到既定位置之后再采用光电跟踪方式，精确定位。这样可以互相弥补不足。为完成本设计，本文对跟踪方式进行了深入的研究，并在此基础上主要采用CDS光敏电阻，STC12C5A单片机与步进电机完成跟踪器的设计。首先根据设计要求和指标，提出系统的设计方案并确定方案性原理上的可行性。根据要求和各个模块的功能，完成主要器件的选型。在硬件系统设计的基础上，使用汇编语言完成软件程序的程序编写。最后，论文还对整个课题设计进行总结，并对课题中存在的问题提出了改善措施和进一步完善本系统的建议。主要工作包括以下内容（1）设计太阳能电池板自动跟踪的电路原理图（2）设计单片机的外围电路，光电转换电路，步进电机驱动控制电路（3）设计整个系统的电路原理图（4）软件的设计使用C51语言实现了单片机的控制程序设计关键词光电跟踪视日运动轨迹跟踪光敏电阻单片机ABSTRACTASTHECONSUMPTIONOFNATURALRESOURCESBASEDONCONVENTIONALENERGYSOURCESINENERGYSTRUCTURE,ITWILLNOTBECOMEMOREANDMOREABLETOMEETTHEREQUIREMENTSFORSUSTAINABLEENERGYDEVELOPMENTITBECOMESOURCOMMONVIEWSTOACCELERATETHEEXPLOITATIONOFTHESOLARENERGYWHICHISTHETHEMAINBODYOFTHERENEWABLEENERGYASAKINDOFCLEANENERGY,THESOLARENERGYISBECOMINGMUCHAPPRECIATEDTHEREFORE,TRACKINGTHESUNPRECISELYISSIGNIFICANTTOIMPROVETHEUTILIZATIONRATEOFSOLARENERGYANDTHEMARKETNEEDAHIGHPRECISION,HIGHSTABILITYTRACKINGCONTROLLERTHEREAREMAINLYTWOWAYSTOTRACKTHESUN,INCLUDINGTRACKINGTHESUNBYPHOTOSENSITIVESENSORANDTRACKINGTHESUNSTRAJECTORYTHEPROCESSOFTRACKINGBYSENSORISMAINLYTHESENSORRECEIVETHESIGNALSWHICHARETHEPOSITIONDISCREPANCYBETWEENTHESUNLIGHTANDTHESOLARPANEL，INOTHERWORD,THATISTHEPOSITIONOFTHEHORIZONTALANDVERTICALDIRECTIONDEVIATIONANDFEEDBACKTOTHEDATAPROCESSORANDCONTROLLER,THENPROCESSTHEDATAANDAMPLIFY,OUTPUTDRIVINGSIGNALATLAST,THROUGHTHEROTATIONOFTHESTEPPERMOTORCONTROLLEDBYDRIVINGCIRCUITANDREDUCTIONBOX,ITJUSTADJUSTTHEANGLEUNTILTHESUNRAYISCOMPLETELYPERPENDICULARTOTHESOLARPANELTHESUNTRAJECTORYTRACKINGMODEISMADE,GIVENSOMEOTHERCOMPREHENSIVEFACTORSSUCHASTIME,SEASON,LATITUDEANDLONGITUDETHISDESIGNUSEBOTHTRACKINGMETHODSWHICHARECOMPLEMENTARYINOTHERWORDS,ITDEPENDSONTHETRAJECTORYTRACKINGFORCOARSEADJUSTMENT,WHICHLOCATETHESUNWHENITROTATEONTHESETTINGPOSITION,ITWILLACTIVATETHEPHOTOSENSITIVESENSORTOADJUSTTHEPANELSPOSITIONACCURATELYANDITCANOFFSETTHEBOTHIMPERFECTIONSTOCOMPLETETHISDESIGN,THISPAPERMAKESADEEPRESEARCHANDONTHISBASIS,WEMAINLYUSETHEPHOTOSENSITIVERESISTANCECDS,STC12C5AANDSTEPPINGMOTORTOCOMPLETETHEDESIGNOFTHETRACKERFIRSTOFALL,ACCORDINGTOTHEDESIGNREQUIREMENTS,WEPUTFORWARDSYSTEMDESIGNPLANANDDETERMINETHEFEASIBILITYOFTHEPROJECTINPRINCIPLEACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSANDFUNCTIONOFEACHMODULE,WECOMPLETETHESELECTIONOFMAINDEVICEONTHEBASISOFTHEHARDWARESYSTEM,USETHEASSEMBLYLANGUAGETOCOMPLETETHISPROGRAMMINGFINALLY,THEPAPERSUMMARIZESTHEWHOLEPROJECTDESIGN,ANDPUTSFORWARDIMPROVEMENTMEASURESONTHEPROBLEMSEXISTINGINTHESUBJECTANDSUGGESTIONSTOIMPROVEMAINWORKINCLUDESTHEFOLLOWINGCONTENTS1DESIGNAUTOMATICTRACKINGSOLARPANELOFTHECIRCUITDIAGRAM2DESIGNTHEMCUPERIPHERALCIRCUIT,PHOTOELECTRICCONVERSIONCIRCUIT,STEPPERMOTORDRIVECONTROLCIRCUIT3DESIGNCIRCUITDIAGRAMOFTHEENTIRESYSTEM4THEDESIGNOFTHESOFTWAREUSEC51LANGUAGETOREALIZETHECONTROLPROGRAMDESIGNBYSINGLECHIPMICROCOMPUTERKEYWORDSSUNTRACKINGOFUSINGPHOTOSENSITIVESENSORSUNSTRAJECTORYTRACKINGPHOTOSENSITIVERESISTANCESINGLECHIPMICROCOMPUTER目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111太阳能电池板自动跟踪系统设计的背景及意义112太阳光自动跟踪系统的国内外研究现状213项目研究的主要内容及预期目标5第2章太阳能电池板跟踪相关理论研究621太阳的运行规律6211太阳高度角，方位角及时角介绍6212太阳高度角及方位角计算公式6213太阳能电池板跟踪参考坐标系822光伏电池的特性分析9221光伏电池的光伏效应9222温度对光伏电池输出特性的影响9223太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响10224光伏电池的IV和PV特性曲线11第3章太阳能跟踪系统的控制目标与控制方案1231控制方案选择1232控制方案设计13321光敏电阻设计的传感器13322跟踪控制系统整体原理框图14323太阳能自动跟踪装置设计15第4章电池板跟踪系统硬件设计1641关键器件介绍16411STC12C5A60S2简介16412步进电机介绍18413光敏传感器及元件2042CPU模块设计21421CPU硬件模块结构框图21422CPU模块电路原理图22423复位电路23424晶振电路23425发光二极管2443光电传感模块2444实时时钟模块2745RS232通讯模块2846EEPROM存储模块2947系统电源设计3048步进电机驱动电路30第5章太阳能电池板跟踪系统软件设计3151KEILC51软件介绍3152软件总体设计及流程图32521软件总体设计32522软件流程图设计3353软件关键模块设计34531串口通信程序设计34532EEPROM的读写程序核心代码3454程序设计要点及注意事项36第6章实验及结论40第7章总结及展望4171总结4172展望41第8章附录4281控制板原理图4282部分数据结构4283部分软件代码46参考文献53致谢54第1章绪论11太阳能电池板自动跟踪系统设计的背景及意义英国的工业革命推动生产力的极大发展，而工业化需要能源作为保障的。据统计人类前5000年都没有近300年对能源需求的迫切。随着现代文明的发展需要更多的能源满足人们的需求尤其是正处于发展高速期的我国更是对能源的需求更加旺盛；预计全球对各种能源的需求年均增长约17，到2030年日需求量将从目前的约22亿桶油当量增加到约335亿桶油当量。这样巨大的能源增量远远超出今天所消耗的能源数量，以油当量计算，大约是目前沙特阿拉伯石油产量的10倍中国能源消费目前已经占世界总量的136使得世界越来越将能源的话题聚焦在中国和亚太地区；能源危机已经开始显现。能源的危机对我国经济增长是致命的。发达国家美国对石油极其的敏感。各国多石油的争夺日趋激烈化，众所周知的伊拉克战争，现在的北极之争等都是以能源争夺作为背景的因此对资源的争夺，仍将是未来几十年世界动荡的主要原因之一。太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式电能，从而具有热利用不可比拟的优势，同时光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点1太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能6000倍。光伏发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。2太阳能随处可得，就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失。3太阳能不用燃料，运行成本很小。4发电部件不易损坏，维护简单。5光伏发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。安装1KW光伏发电系统，每年可少排放二氧化碳6002300KG，一氧化氮16KG，二氧化硫9KG及其他微粒06KG。一个4KW的屋顶家用光伏系统，可以满足普通美国家庭用电需要，每年少排放的二氧化碳数量，相当于一辆家庭轿车每年的排放量。6光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。由于太阳能发电的成本比较高是照成光伏发电没有高速发展的主要原因之一，所以为了降低成本提高太阳能利用率显得极其重要。又由于新技术的发展即聚光技术的发展极大的提高了太阳能利用率，目前最新技术最高达到34倍。但是聚光对于但是聚光组件对太阳入射角度要求很高，要求光线要几近垂直的照射到电池板上，所以太阳跟踪技术显得愈加重要了。有了跟踪器加上聚光技术使得太阳能利用率有很大的提高。所以对太阳能电池板的跟踪技术的研究就显得十分必要了。而目前市场上的太阳电池板跟踪器的跟踪精度普遍不高，而且价格比较昂贵尤其是光电传感器。本设计为一种高精度的跟踪系统，而且尽可能的降低成本。因此，从能源利用及经济性等方面综合考虑，低成本的太阳光线跟踪技术具有重要意义。12太阳光自动跟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（也叫程序跟踪）；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。从上世纪80年代美国的SOLARONE到2005年西班牙的PSIO均采用程序控制方式。该跟踪方式优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定的跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具有很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，该跟踪系统还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，成本较高。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。（因为大都采用双轴跟踪，故下面主要讲后者）1单轴跟踪单轴跟踪装置一般采用三种方式1倾斜布置东西跟踪2焦线南北水平布置，东西跟踪3焦线东西水平布置，南北跟踪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纬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。程序跟踪是根据当地地理位置和时间等利用程序计算出当前太阳位置，并根据计算结果驱动聚光器向目标点运动，程序跟踪的优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定地跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，程序跟踪还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，程序跟踪系统成本较高。程序跟踪方法的控制系统构成是采用开环控制方法，由于跟踪装置结构不稳定性导致跟踪存在累积误差，需要定期校正；在跟踪过程中，系统自身无法对机构的传动误差、地基及天体运行轨道的变化产生的误差进行修正，跟踪精度会随着时间的推移而降低，因此也需要定期校正。传感器跟踪是利用传感器实时检测太阳光线的入射角，当入射光线与传感器主光轴的偏差超过设定值时，通过电机驱动跟踪机构运动，减小偏差，传感器跟踪的优点是能够实时检测太阳光线的入射方向，无累积误差。但高精度的传感器跟踪系统受光学系统的限制，在太阳光线偏离传感器基准轴线一定角度后就无法跟踪。程序跟踪和传感器跟踪相结合的方式是指跟踪系统应用程序、传感器混合控制的方法，采用简化的太阳位置算法对太阳光线粗略跟踪，当粗跟踪结果满足精确跟踪要求，即精确跟踪传感器能够捕捉到太阳光线时，再利用光线跟踪传感器精确定位。由于粗跟踪采用了简化的数学算法，因此可以用成本较低的控制器代替昂贵的控制器。程序跟踪可以克服单一的传感器跟踪存在的跟踪范围窄，粗跟踪不稳定的问题，而传感器精确跟踪避免了程序跟踪需要定时修正的问题。目前比较先进的程序跟踪方法是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，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，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。从目前来看国内外开发跟踪系统以双轴跟踪系统为主，比较前沿的技术大都采用程序跟踪与传感器跟踪相结合的跟法。考虑到成本问题单轴跟踪系统也有研究。13项目研究的主要内容及预期目标基于单片机的太阳能跟踪器开发出来并且投入市场。它们也都具有双轴跟踪，自动调整，适应能力强等特点。但是同时存在一些不足，比如精度不高，价格昂贵。不具备程控接口，不利于扩展。本设计提出一种有通信功能的跟踪器，具有程序变更容易，精度可调，使用方便，结构简单。该系统采用光时互补的方法，单片机从外接时钟模块读入当地时间，计算出太阳的空间位置。然后从电脑中即上位机输入当地地理信息即经纬度，结合以上计算的太阳空间位置，计算出太阳高度角与方位角，经过单片机处理之后输出驱动信号调整角度到指定位置，再启动光电跟踪程序，对角度进行微调。当变更地理位置时只要用电脑，改变特定地理位置对应的输出数表，将数据传入到存储器中即可。总之该跟踪器具有跟踪精度高，使用灵活方便，抗干扰能力强。有着较广阔的市场前景。本次设计是采用STC12C5A60S2作为CPU，要实现光电传感模块的设计以GL5516光敏电阻作为基本元件设计出光电传感器，其可以不仅可以将东西，南北方向的光强差传化为电压信号，还要将光照强度信号传入单片机，供单片机识别是否有云雾遮挡，以此来决定是否停止光电跟踪程序；还要设计稳定可靠的CPU模块，包括外围的晶振电路，供电电源，复位电路等；步进电机的选型，以及它的驱动电路设计，而且由于本设计中跟踪精度要求很高，所以要求选择精度较高的步进电机。另一个很重要的就是控制程序的编写，要实现视日轨迹跟踪粗定位，光电跟踪作为补充。预期实现电路相对简单，结构紧凑，硬件成本较低，的硬件电路。采用上位机通信，地理信息调整方便可靠，灵活。太阳高度角采用30分钟调整一次，方位角采用30分钟调整一次。这样可以避免电机盲目转动，大大的节省电机转到带来的能耗。从而使跟踪系统更加高效率。可以自动调整误差，当乌云遮挡时可以自动停止跟踪，夏天早晨6点启动系统，当光照强度足够时，追踪系统程序启动，晚上光照低于一定程度时。将太阳电池板自西向东调整到原位停止系统。第2章太阳能电池板跟踪相关理论研究21太阳的运行规律211太阳高度角，方位角及时角介绍太阳视位置指从地面上看到的太阳的位置，用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在0到90之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为90。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为90，在正东北方时，方位为135，在正西方时方位角为90，在正北方时为180。太阳高度角与地面的太阳光强弱密切相关。早晚与中午的光强有很大的差异，原因就在于太阳高度角的不同。在晴天条件下，太阳光的强弱与太阳高度角的正弦成正比。因此了解太阳高度角对分析地面的太阳光强有重要的意义。日面中心的时角，即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离。以地球为例，在地球上，同一时刻，对同一经度，不同纬度的人来说，太阳对应的时角是相同的。单位时间地球自转的角度定义为时角W，规定正午时角为0，上午时角为负值，下午时角为正值。地球自转一周360，对应的时间为24小时，即每小时相应的时角为15。212太阳高度角及方位角计算公式根据下图所示，设天球半径为R，则太阳在坐标系二中的坐标为XRCOS，YRCOSSIN，ZRSIN1坐标系二绕Y轴的旋转矩阵为2根据X,Y,ZX,Y,ZA，可得太阳在坐标系一中的坐标XRCOSCOSSINSINCOSYRCOSSINZRSINSINCOSCOSCOS因此，可求得太阳高度角H，方位角A计算公式分别为SINHZ/RSINSINCOSCOSCOS3COSA180X/RCOSHCOSCOSSINSINCOS/COSHSINHSINSIN/COSHCOS4SINACOSSIN/COSH5图21太阳位置示意图对某一地点来说当地地理纬度是确定的，0000COS9SIN91INCOA图4太阳位置示意图FIG4SUNPOSITONILUSTRATION90HA地平圈天赤道太阳天球南北XXYZZ太阳太阳赤纬角、太阳时角是太阳在赤道坐标系中的位置，只要算出、两个参数值便可得出太阳在地平坐标中的位置。上图中即时角。实际应用中，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，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。这是比较先进的跟踪系统。考虑到成本本设计没有采用定位系统。而是采用通讯的方法。213太阳能电池板跟踪参考坐标系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2327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2327，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大；夏至时赤纬角达到最大的2327。并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。赤纬角可由COOPER1969的近似计算公式求得2345SIN360284N/365（6）式中，赤纬角，N年中的第几天。在一天当中，太阳赤纬变化很小，位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由太阳时角表示，太阳在正午时为0，每小时变化15，上午为正，下午为负。因此有12T150（7）式中，T当地时问。图22地平坐标跟踪系统图图21为地平坐标跟踪系统，水平面为基本面，坐标为高度角用圆弧GG表示和方位角用圆弧SG表示，在跟踪过程中，铅垂轴JJ相对于地平坐标系为静止状态，水平轴DD则在水平面内绕铅垂轴转动。图22为极轴坐标跟踪系统，天文赤道面为基本面，坐标为时角用圆弧SG表示和赤纬用圆弧GG表示，跟踪过程中极轴JJ相对于极轴坐标系为静止状态，赤纬轴DD则在赤道面或其平行面内绕极轴转动。因为在天球上的所有圆圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾画出的圆。同时由于铅垂线所具体代表的垂线，以及由水准仪所定出的水平线是在几何坐标系中惟一能容易直接观测的参考方向，所以地平参考系一直是实用中必不可少的媒介系统。在实际观测中，最重要的几何坐标系就是以地方天文地平作为基本参考圈的地平坐标系。因此目前多种太阳能发电装置均采用地平坐标。22光伏电池的特性分析221光伏电池的光伏效应当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的PN结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子电子和空穴。由于PN结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，PN结两端形成生电动势，这就是PN结的光伏效应。如将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，PN结起了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。222温度对光伏电池输出特性的影响图23不同温度下的光伏特性（A）光伏电池的伏安曲线；（B）光伏电池的功率电压曲线温度上升将使光伏电池开路电压VOC下降，短路电流则略微增大，日照强度不变时，不同温度下的光伏电池的效率变化很大。由公式可MPSP知其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。223太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图24A中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。图24B是温度不变时，不同日照强度下的光伏电池的特性曲线。图24不同日照强度下的光伏特性（A）光伏电池的伏安曲线（B）光伏电池的功率电压曲线从上图曲线中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从2001000W/M开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和中2午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大，而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为0。而短路电流是随光强的增加而成正比的增加。所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本，但是聚光器对光照条件要求比较高，最主要是要求光线要近乎垂直地照射到太阳能电池板上。所以太阳能跟踪系统就显得十分有必要，而且该跟踪系统的精确度直接影响到发电效率。224光伏电池的IV和PV特性曲线光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的PN结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即PVI。如图25所示。图25光伏电池的IV和PV特性曲线可以看出，此IV曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在第四章中将对此问题进行研究。在PV特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟IV曲线说明了同一个问题，这为光伏发电控制方法的改进提供了途径。第3章太阳能跟踪系统的控制目标与控制方案31控制方案选择目前比较先进的程序跟踪方法是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，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。但是上述方法是有一些缺点的，主要是程序的计算量太大，从而影响到响应的速度，而且对CPU要求很高。另一方面就是成本问题，GPS提供数据，成本会大大的提高，所以综合考虑整体运用通讯的方法将数据提前存储到存储器中，单片机只需从存储器中读取数据即可。跟踪系统具体参数如下图所示跟踪精度01光敏电阻型号GL5516单片机STC12C5A最大跟踪角度方位角180光敏电阻工作环境温度3070夏天启动时间6点最大跟踪角度高度角75亮电阻510K冬天启动时间8点步进电机功率120W暗电阻051M存储器93LC66A步进电机电压DC24V光敏电阻尺寸5MM减速器PG120L3图31跟踪系统具体参数该控制系统采用光时互补的控制方案，即以程序跟踪做为粗调，光电跟踪作为细调。其中程序跟踪的控制方案为根据天亮时间，比如夏天的时候6点天亮，这样就要使程序定在6点的时候启动跟踪系统。而冬天的时候要等到8点才启动。天黑时方案同理，将系统关闭，夏天和冬天关闭的时间是不一样的。同时关闭系统之前将电池板从最西方调整到最东方等待下一天太阳的升起。当启动后采用30分钟调整一次，可以防止电机盲目转动又可以节省电机耗能。将程序的参数通过通讯存储到EEPROM中。程序的数据可以修改，使用灵活方便。可以自动调整误差，可以避免灰尘等其他因素照成的误差，即不受外界干扰。光电跟踪作为程序跟踪的补充，对电池板位置进行精确的调整。设计光电跟踪时首先涉及到硬件，光电传感器用光敏电阻来设计，选用GL5516型号电阻。当乌云遮挡时根据光电传感器的光强信号可以自动停止光电跟踪。还有步进电机，采用DC24V，120W的步进电机适合驱动44M的电池板。PG120L3减速器减速比301可以将步进电机的每一步角度降得很低。可以满足01的精度要求。32控制方案设计321光敏电阻设计的传感器图32光电传感器镜筒图为太阳入射光线与主光轴的夹角，D为光电传感器上的太阳像直径。根据几何光学原理可得光电传感器直径为25MM，可计算出光电池的检测范围为148，太阳像直径约为38MM,即当粗跟踪将传感器主光轴与太阳入射光线间的夹角调节至148以内时，太阳像便能全部呈现在光传感器筒内电阻上。由光敏传感器采集太阳与光伏电池板之间水平与垂直方向的位置偏差信号与光强信号，并反馈给数据处理器与控制器单片机，经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。直到太阳光线完全垂直照射电池板。其中电源的电取自太阳能电池板；光电传感器利用光敏电阻特性设计而成。如上图所示当A与D被遮挡这是A与B之间电阻值相差很大这样传感器就会产生电压差送入单片机处理经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机ACBDE构缓慢调整角度。直到A与B没有电压差未止。C与D同理。当A,B与C,D都没有电压差时即阳光正对电池板和传感器镜桶时，光敏电阻E对不同的光强会有不同的电阻值，产生不同的电压信号给单片机处理，当乌云遮挡时，光强很弱，单片机就可以停止光电跟踪，避免了盲目跟踪。322跟踪控制系统整体原理框图图33跟踪控制系统整体原理框图系统整体框图如上图所示其控制过程是视日运动轨迹跟踪与光电跟踪的结合方式。先从电脑中将确定地理位置信息的太阳高度角方位角的数表传入到存储器中该数表是高度角（方位角）随天数与小时数变化的二维变量。单片机从实时时钟中读出时间信息，从存储器中查数表，得出高度角与方位角发出驱动信号。这样程序法的初步定位完成了。光电传感器通过电池板的位置信号，得出信号差传入到单片机中发出驱动的信号，调整电机直到精确位置。323太阳能自动跟踪装置设计主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主AA1234567891011图34太阳能自动跟踪装置图1支座；2支柱；3电池板支架；4销轴；5减速箱体（含电动机）；6、15主轴；7丝杆；8横支架；9、5电机；10减速器；11铰链为方位轴和俯仰轴。1东西方向跟踪在减速箱体5内安装由电机等构成的传动机构。主轴通过轴承安装在减速箱体上，主轴的下端固定在支座1上，支柱2的下端固定在减速箱体上，支柱2的上端通过销轴4与电池板支架连接。电机通过带动齿轮转动，并带动减速箱体、电池板支架转动，完成东西方向的跟踪。2南北方向跟踪支柱2上设置一个横支架8，横支架8端部铰接一个减速器10，减速器中设有蜗杆（图中未画出）与电机9相连，蜗杆与设在减速器中的蜗轮啮合，蜗轮中心设有螺孔与丝杆7连接配合，丝杆7的一端通过铰链11与电池板支架连接。电机9通过蜗轮蜗杆、丝杆螺孔机构带动电池板支架转动，完成南北方向的跟踪。第4章电池板跟踪系统硬件设计41关键器件介绍411STC12C5A60S2简介STC12C5A60S2系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）单片机。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，但速速快812倍。内部集成2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。图41STC12C5A60S2单片机它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P10”。主要特性与8051兼容增强型8051内核，速度是传统8051的812倍有外部掉电检测功能数据保留时间10年工作频率0HZ35HZ内部RAM1280字节32可编程I/O线4个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道EEPROM功能，擦写次数10万次管脚说明P00P07P0P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0A7，数据线D0D7P10/ADC0/CLKOUT2标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出P11/ADC1。P12/ADC2/ECI/RXD2标准IO口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端P13/ADC3/CCP0/TXD2外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端P14/ADC4/CCP1/SS非SPI同步串行接口的从机选择信号P15/ADC5/MOSISPI同步串行接口的主出从入主器件的输入和从器件的输出P16/ADC7/SCLKSPI同步串行接口的主入从出P20P27P2口内部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作为高8位地址总线使用。P30/RXD标准IO口、串口1数据接收端P31/INT0非外部中断0，下降沿中断或低电平中断P33/INT1P34/T0/INT非/CLKOUT0定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。412步进电机介绍步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。其具有如下的特点1）励磁绕组上施加的不是一个恒定的直流或交流电压，而是采用电子开关断续加以直流电压，即采用脉冲供电方式，用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2）电机的转速与脉冲频率保持严格的同步关系。位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。3）步进电机具有加速转矩大等特点，其性能的提高与控制方式、驱动电路的参数等有密切的关系。4）停止时，具有自锁能力，定位精度高。5）无刷，电机本体部件少，可靠性高；易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好。6）步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）、单相步进电机、平面步进电机等多种类型。图42步进电机原理图1、结构电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图2、旋转如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（1/3）2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用AABBBCCCAA这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。413光敏传感器及元件光敏传感器是基于光电效应、将光信号转换为电信号的传感器，其敏感元件是光电器件。光敏传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。主要有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池。、光敏电阻原理光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。2、光敏电阻的应用光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。本次设计采用的是CDS光敏电阻。光敏二极管CDS是一种电阻值随光照强度变化而变化的感光电阻，本系统采用3个光敏电阻作为传感器来检测天空光线的变化，跟踪太阳的位置。光敏电阻的特性与人眼最为接近，所以适合可见光的测量。选用的型号是GL5516，它的暗电阻为100K欧，亮电阻为5L0K欧。CDS的阻值变化与光照的变化之间的关系是线性的，它的阻值的变化是在一个范围内沿着一条直线上升或下降。图43GL5516光敏电阻42CPU模块设计CPU模块负责传感器信号处理，电机控制与电脑通讯，同时协调控制各功能电路工作。本设计采用宏晶公司的高性能8位单片机STC12C5A60S2。CPU模块可以说成一个单片机最小系统，由CPU、供电电源、复位电路和时钟电路。CPU在电源、时钟和复位电路的作用下正常工作，通过EEPROM电路存取运行参数。CPU电路设计中引脚功能定义是很重要但是也最基本的工作。在本系统中P0口作为I/O接口，负责指示灯控制信号；P1口作为I/O接口，光电信号输入；P2口作为数据接口，负责从EEPROM中读出数据与存入数据；P3口作为串行通信接口。421CPU硬件模块结构框图图44CPU硬件模块结构框图STC12C5A复位电路光敏传感器EEPROM电机及驱动电路电脑通讯电路422CPU模块电路原理图图45CPU模块原理图P151P162P173P47/RST4P30/RXD5P43/SCLK6P31/TXD7P32/INT08P33/INT19P3410P3511P36/WR12P37/RD13XTAL214XTAL115GND16P40/SS17P2018P2119P2220P2321P2422P2523P2624P2725P4426P4527P41/MOSI28P4629P0730P0631P0532P0433P0334P0235P0136P0037VCC38P42/MISO39P1040P1141P1242P1343P1444U1STC12C5A60S2QFP44Y1110592MC230PFC330PFGNDR110K5VRXDTXDE210UF/16VC1100N5VE110UF/16VAD2AD3P04ALEAD4P26RESETP10P115VP04Q3DTB113EKR6330PNPD1主主主主主P27RESET5VGNDRXDTXD1234567891011121314Z1SIMP46ALEP46WESTEASTP10P11MIDCSSKDIDORXDTXDGND162738495CN1主主NORTHSOUTHP25AD0AD1423复位电路为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机电路正常工作需要供电电源为5V5，即475525V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过475V低于525V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机电路开始正常工作。复位电路的主要功能是使整个电路处于一个确定的状态，以免引起错误的操作。一般单片机复位需要5MS的时间。复位电路的实现可以用很多种方法，但是在功能上一般分为两