太阳能板指向控制

1、本 科 毕 业（设计）论 文（二一二 届）题 目：太阳能板指向控制分院系部：计算机与信息学院专 业：电子信息工程姓 名：导师姓名：导师职称：太阳能板指向控制 摘要： 面对目前的能源困境，太阳能成为了大势所趋，如何解决太阳能利用率成 了一个重要的研究课题。当太阳能电池板与太阳的照射方向垂直时，太阳能电池板 单位时间内接收到的能量最多，光电转换效率最高，而因为固有的地球绕日运动规 律和自转规律，严格说来，在一年中的每一个白昼的每一时刻，地球上任一个地点 到太阳的方位角和高度角都是不同的，所以，要确保太阳能电池板的效率最高，就 要频繁地调整太阳能电池板的姿态，因此，有必要研制一种自动控制装置，使太阳

2、 能电池板的姿态在指定时段能自动地跟踪太阳位置，始终垂直于太阳的直射方向。本文提出两中解决问题提高太阳能利用率：一种是根据公知的地球自转和地球 绕日公转规律，来确定地球的某一点在白昼的某一时刻太阳的方位角和高度角，换 言之，可以确定地球上的某一点太阳的方位角和高度角与当地的经、纬度和当地时 间的存在的固定的函数关系。然后通过 AT89C51利用这种函数关系定时定点的控制 高度和方位两个步进电机来控制太阳能板得转向；另外一种是直接通过传感器来感 应在太阳能板上四个方位的受热程度，然后通过 AT89C51对四个方位的受热程度进 行采集，再通过 AD转换进行比较来控制高度和方位两个步进电机来控制太阳

3、板的指 向。关键字： AT89C51单片机， ADC0808，四相步进电机， LXD4526光敏电阻Solar panels point to ControlXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXAbstract: Faced with the current energy difficulties, solar energy has become the trend of the times and how to solve the solar energy utilization has become an important research topic. Energy

4、perpendicular to the direction of solar panels and sun exposure, solar cell panels per unit time received up to the highest photoelectric conversion efficiency, because inherent in the earth around the law of motion and rotation of the law, strictly speaking, in the year every moment of every day, t

5、he earth took office one place to the suns azimuth and elevation are different, to ensure the highest efficiency of solar panels, it is necessary to frequently adjust the attitude of the solar panels, so necessary to develop an automatic control device, the attitude of the solar panels to automatica

6、lly track the position of the sun during the specified time, always perpendicular to the direct direction of the sun.This paper presents two problem-solving to improve solar energy utilization: one is based on public knowledge of the Earths rotation and the Earth revolution around the Sun laws, to d

7、etermine a point of the earth at a certain hour in the day the suns azimuth and elevation angle, in other words, you can determine a point on Earth the suns azimuth and elevation angle local latitude and local time, the existence of a fixed function relationship. By AT89C51 timing point of such a fu

8、nction of control the height and orientation of two stepper motors to control the solar panels have to turn to; another directly through the sensor to sense in the four cardinal solar panel heat, and then by the AT89C51 the heat of the four cardinal acquisition, compared to control height and orient

9、ation of two stepper motors to control the solar panels point to the AD converter.Keywords: AT89C51 microcontroller, ADC0808, four-phase stepper motor, LXD4526 photosensitive resistor目录1 前 言 11.1 研究背景和意义 11.2 开发工具 11.2.1 Keil uVision2 11.2.2 Microsoft Visual C+ 6.0 21.2.3 Proteus 7 Professional 22 系

10、统设计及其实现（一） 42.1 自动跟踪系统实现的原理 42. 2 系统结构及其组成 42.3 系统重要元器件简介 42.3.1AT89C51 42.3.2步进电机 72. 4 函数关系的研究 82.4.1赤纬角和时角 82.4.2 Spss数据统计软件 92.4.3高度角的计算 92.5 实时时钟的设计 122.5.1 实时时钟实现原理 122.5.2 实时时钟实现流程图 132.6 系统设计原理 152.6.1 电路原理图 152.6.2 系统流程图 152.7 总结 173 系统设计及其实现（二） 183.1 自动跟踪系统实现实现结构和组成 183.2 自动跟踪系统实现原理及其电路图 1

11、83.2.1 自动跟踪系统实现原理 183.2.2 自动跟踪系统实现基本框图 193.2.3 自动跟踪系统实现电路图 203.3 总结 224 结 论 23参考文献 24指导教师简介 25致 谢 26附 录 27自动跟踪实现（一）相关程序 27自动跟踪实现（二）相关程序 341前1.1 研究背景和意义随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一 种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视，发展前景非常广阔 , 太阳能产业已成为全 球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化 的问题 , 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能板阵列基

12、 本上都是固定的 , 没有充分利用太阳能资源 , 利用率较低。 据实验 , 在太阳能光发电 中, 相同条件下 , 采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高 35 % , 因 此在太阳能利用中 , 进行跟踪是十分必要的，在相同条件下，光照强度越大，太阳 能的利用率就越高。 因而增大太阳能受光面的光照强度， 就可增大太阳能的利用率。1.2 开发工具此次设计主要采用 Keil uVision2 进行程序的编写然后通过 Microsoft Visual C+ 6.0进行调试，在通过 Proteus 7 Professiona进l 行仿真，下面对 Keil uVision2 、Microsoft

13、 Visual C+ 6.0 和 Proteus 7 Professional进行简要介绍。1.2.1 Keil uVision2Keil uVision2 是美国 Keil Software公司出品的 51系列兼容单片机 C 语言软件 开发系统，使用接近于传统 c 语言的语法来开发，与汇编相比， C 语言在功能上、 结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用 ,而且大大的提高了工作 效率和项目开发周期 ,他还能嵌入汇编， 您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近 于汇编的工作效率。 KEILC51 标准 C 编译器为 8051 微控制器的软件开发提供了 C 语言环境,同时保留了汇编代

14、码高效 ,快速的特点。 C51 编译器的功能不断增强， 使 你可以更加贴近 CPU本身，及其它的衍生产品。 C51已被完全集成到 uVision2 的集 成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管 理器，调试器。 uVision2 IDE 可为它们提供单一而灵活的开发环境。系统功能 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具， 全 Windows 界面，使您能在很短的时间内就能学会使用 keil c51 来开发您的单片机应 用程序 。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生 成的目标代码效率非常之高，

15、多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发 大型软件时更能体现高级语言的优势。1.2.2 Microsoft Visual C+ 6.0Visual C+ 6.0，简称 VC 或者 VC6.0，是微软推出的一款 C+编译器，将 “高级 语言”翻译为“机器语言(低级语言) ”的程序。 Visual C+是一个功能强大的可视化 软件开发工具。自1993年Microsoft 公司推出 Visual C+1.0后，随着其新版本的不 断问世， Visual C+已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软公司推 出了 Visual C+.NET(Visual C+7.0) ，但它的应用有很大的局

16、限性，只适用于 Windows 2000、Windows XP 和 Windows NT4.0。所以实际中，更多的是以 Visual C+6.0 为平台。Visual C+6.0 由 Microsoft 开发 , 它不仅是一个 C+ 编译器，而且是一个基于 Windows 操作系统的可视化集成开发环境( integrated development environment， IDE )。Visual C+6.0 由许多组件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导 AppWizard、 类向导 Class Wizard等开发工具。 这些组件通过一个名为 Developer Studio的组件 集成为

17、和谐的开发环境。 Microsoft 的主力软件产品。 Visual C+是一个功能强大的 可视化软件开发工具。 自1993年Microsoft公司推出 Visual C+1.0后，随着其新版 本的不断问世， Visual C+已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软 公司推出了 Visual C+.NET(Visual C+7.0)，但它的应用的很大的局限性，只适用 于 Windows 2000,Windows XP 和 Windows NT4.0 。所以实际中，更多的是以 Visual C+6.0 为平台。1.2.3 Proteus 7 ProfessionalProteus软件是

18、英国 Labcenter electronics公司出版的 EDA 工具软件(该软件 中 国总代理为广州风标电子技术有限公司) 。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功 能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力 于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus是世界上著名的 EDA 工具 （仿真软 件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。 是目前世界上唯一将电路仿真软件、 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一

19、的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和 MSP430等，2010年又增加 了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它 也支持 IAR 、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。功能特点 Proteus软件具有其它 EDA 工具软件（例： multisim ）的功能。这些 功能是：1原理布图2PCB 自动或人工布线3SPICE 电路仿真革命性的特点1互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如 RAM ，ROM ，键盘，马达， LED，LCD ，AD/DA ， 部分

20、 SPI 器件，部分 IIC 器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM 、等常用主流单片机。还可以直接在基于 原理图的虚拟原型 上编程，再配合显示及输出， 能看到运行后输入输出的效果。 配 合系统配置的虚拟逻辑分析仪、 示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。2 系统设计及其实现(一)2.1 自动跟踪系统实现的原理首先，根据公知的地球自转和地球绕日公转规律，可以确定地球的某一点在白 昼的某一时刻太阳的方位角和高度角，换言之，可以确定地球上的某一点太阳的方 位角和高度角与当地的经、纬度和当地时间的存在固定的函数关系。然后通过 AT89C51 利用这

21、种函数关系定时定点的控制高度角和方位角两个步进电机来控制 太阳能板得转向从而达到自动跟踪的目的。2. 2 系统结构及其组成控制系统结构如下图 所示,单片机小系统由 AT89C51 、电源、复位电路、 数字 显示屏、高度角步进电机和方位角两个步进电机，实时时钟等组成 . 采用基于单片 机小系统加外围设备构成的系统 . 按键输入主要采用中断方式，用于定时时间长短 的控制。图 2-1 系统结构基本框图方位角和 高度角与 当地的 经、纬度 和当地时 间的存在 的固定的 函数关系实现太阳能板指向控2.3 系统重要元器件简介2.3.1AT89C51AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存

22、储器( FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memor)y的低电压，高性能 CMOS8 位微处理 器，俗称单片机。 AT89C2051是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密 度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的AT89C51是一 种高效微控制器， AT89C2051是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控 制系统

23、提供了一种灵活性高且价廉的方案。图 2-2 AT89C51 芯片1主要特性： 与 MCS-51 兼容4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写/擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16位定时器 /计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2管脚说明：VCC：供电电压GND：接地。P0口：P0口为一个 8位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存

24、储器， 它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P1口缓冲器能接收 输出 4TTL 门电流。 P1口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外 部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校 验时， P1口作为第八位地址接收。P2口： P2口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口，P2口缓冲器可接收，输 出4个 TTL 门电流，当P2口被写“1时”，其管脚被内部

25、上拉电阻拉高， 且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。P2口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输 出地址的高八位。 在给出地址 “1时”，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据 存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在 FLASH 编程和校 验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口： P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4个 TTL 门电流。当 P3口写入 “1后”，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平， P3

26、口将输出电流（ ILL ）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平 时间。ALE/PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的

27、输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳 过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX ，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如 果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两次 /PSEN有效。但在访

28、问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将 不出现。/EA/VPP ：当 /EA 保持低电平时， 则在此期间外部程序存储器 ( 0000H-FFFFH)， 不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源( VPP)。XTAL1 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 ：来自反向振荡器的输出。3振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

29、如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号 的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.3.2 步进电机在工业控制系统里步进电动机是主要的控制元件之一。步进电机具有快速启动 停止，精确定位和能够使用数字信号进行控制，能够实现脉冲 -角度转换的特点，因 此得到广泛的应用。在使用步进电机的控制系统里，脉冲分配器产生周期的控制脉 冲序列，步进电机驱动器每接收一个脉冲就控制步进电机沿给定方向步进一步。本文采用四相八拍控制方式工作 ,每步进一次度数为 9。步进电机的转角和转 动方向取决于各相中通电脉冲的个数和顺序。 计算

30、机将表 11 所示的各种通电方式 转换成相应的状态控制字，通过计算机将各种状态字依次送到接口电路，并根据速 度的要求作相应的延时处理。由接口电路输出所需的控制脉冲通过驱动电路路使步 进电机按要求动作。表 2-1 步进电机四相八拍相序表步序P03相P02序P01P00对应 P0 口的输出值通电相（状态字）10001A01H20011AB03H30010B02H40110BC06H50100C04H61100CD0CH71000D08H81001DA09H2. 4函数关系的研究2.4.1 赤纬角和时角要研究方位角和高度角与当地的经、纬度和当地时间的存在固定的函数关系。 我们就必须算出该地方不同时段

31、的太阳高度角。要计算出任意时段某地区的太阳高 度角，我们必须来认识一下赤纬角和时角：赤纬角又称太阳赤纬，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。 赤纬角是由于地球绕太阳运行造成的现象，它随时间而变，因为地轴方向不变，所 以赤纬角随地球在运行轨道上的不同点具有不同的数值。赤纬角以年为周期，在 +23 27与-23 27的范围内移动，成为季节的标志。每年 6月21日或 22日赤纬达 到最大值+23 27称为夏至，该日中午太阳位于地球北回归线正上空， 是北半球日照 时间最长、南半球日照时间最短的一天。在南极圈中整天见不到太阳，而在北极圈 内整体太阳不落，这样北半球就出现相对较热的天气，而南半

32、球出现较冷的气候。 随后赤纬角逐渐减少至 9月 21日或 22日等于零时全球的昼夜时间均相等为秋分。 至 12 月 21 日或 22 日赤纬减至最小值 -23 27为冬至，此时阳光斜射北半球，昼短 夜长而南半球则相反。当赤纬角又回到零度时为春分即 3月 21日或 22日，如此周 而复始形成四季。 因赤纬值日变化很小， 一年内任何一天的赤纬角 可用下式计算： sin =0.39795cos0.98563-（1N73）或 =23.45sin360 （284+n）/365。式中 N 为日数， 自 1月 1日开始计算。时角是指 OP 线在地球赤道平面上的投影与当地时间 12点时、地中心连线在赤 道平面

33、上的投影之间的夹角。 当地时间 12 点时的时角为零，前后每隔一小时，增 加 360/24=15，如 10 点和 14 点均为 152=30。2.4.2 Spss数据统计软件SPSS是世界上最早的统计分析软件，由美国斯坦福大学的三位研究生于20 世纪 60 年代末研制，同时成立了 SPSS公司，并于 1975 年在芝加哥组建了 SPSS总部。 1984 年 SPSS 总部首先推出了世界上第一个统计分析软件微机版本 SPSS/PC+，开 创了 SPSS 微机系列产品的开发方向，极大地扩充了它的应用范围，并使其能很快 地应用于自然科学、技术科学、社会科学的各个领域，世界上许多有影响的报刊杂 志纷纷

34、就 SPSS 的自动统计绘图、数据的深入分析、使用方便、功能齐全等方面给 予了高度的评价与称赞。迄今 SPSS软件已有 40 余年的成长历史。全球约有 25 万 家产品用户，它们分布于通讯、医疗、财会、银行、证券、保险、制造、商业、市 场研究、科研教育等多个领域和行业，是世界上应用最广泛的专业统计软件。接下 来我们将利用它对计算出来不同时段的太阳高度角，进行数据分析。2.4.3 高度角的计算太阳高度角简称太阳高度， 太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的最重 要的因素。我们用 h 来表示这个角度，它在数值上等于太阳在天球地平坐标系中的地平高 度。太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。

35、太阳赤纬（与太阳直射点 纬度相等）以 表示，观测地理纬度用 表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负），地方时 （时角）以 t 表示，有太阳高度角的计算公式：sin h=sin sin +cos cos cos t 通过计算我们得出不同时段的高度角为：表 2-2 不同月份不同时段的高度角表时段10 时11 时月份6时7时8时9时1月19.223.327.431.535.639.72月3月24.931.237.543.850.156.44月2432.440.849.257.6665月50.461.572.66月11.2

36、2436.849.662.475.27月13.525.737.950.162.374.58月2130.740.450.159.869.59月2532.239.446.653.86110 月23.729.234.740.245.751.211月18.723.352832.6537.341.951216.20.937.5月8515512131415161718时时时时时时时43.83832.226.420.614.8952.245.538.832.125.418.71262.754.646.538.430.314.774.464.554.544.634

37、.68383.771.859.9488823.210.2756186.77461.448.73623.4110.779.268.357.446.535.624.713.823.915.068.259.350.541.632.71656.749.542.23527.720.413.246.640.534.428.322.216.11041.736.130.524.919.313.78.1为了获得地球上的某一点太阳的方位角和高度角与当地的经、 纬度和当地时间的 存在的固定的函数关系，我们就必须通过不同时段的高度角去研究相邻时段太阳高 度角的变化，通过

38、研究我们得到不同时段相邻太阳高度差值为：表 2-3 不同时间太阳高度差值表差值表月份6时7时8时9时10 时11 时12 时13 时14 时15 时16 时17 时18 时1月5.82月555556.73月8.14月8.41010101010105月11.111.911.911.911.911.911.96月12.812.812.8

39、12.812.812.812.81313131313137月12.212.612.612.612.612.612.68月9.710.910.910.910.910.910.99月8.910 月7.211 月4.654.654.654.654.654.654.612 月54.155.65.

40、5.6然后通过 spss 对不同时间太阳高度差值表差值表中数据进行快速聚类分析( K Means Cluster Analysis)得到如下聚类结果表表 2-4 聚类结果表Cluster MembershipCase Number月份ClusterDistance11月14.11422月1.87433月14.02444月27.44855月2.86366月25.93777月24.12688月23.47299月17.0651010 月1.9411111月12.6381212 月14.431表中的 Cluster 栏显示各个观测量在聚类后的归属， Distance 栏表示该观测量

41、 与最终得到的聚心的聚类。根据 spss 我们把数据分类两类，一类是 1 月、2 月、3 月、9 月、 10月、11 月、 12月，另外一类为 4月、5 月、6月、7 月、8月； 通过 对数据分类研究分析我们可以得出某一点太阳的方位角和高度角与当地的经、纬度 和当地时间的存在固定的函数关系为：F(x) 4.5 (x=1 月、2月、3 月、9月、 10 月、 11月、12 月) ;F(x) 9(x=4 月、5月、6 月、 7月、 8月);F(x) 表示不同时段相邻太阳高度差， X 表示月份；由于我们采用四相八拍控制方式工作 , 每步进一次度数为 9，所以可以计算出 定时控制的时间为：由于四相八拍

42、步进电机最小精度为 9，所以 F(x) 4.5 时，为了方便研究和 实现，我们只能折合成按两个小时在去驱动步进电机即 T(x)=2h(x=1 月、2 月、3 月、9月、10月、11月、12 月) ，所以在 x=1月、2月、 3月、 9月、10月、 11月、 12月控制定时时间为 2 小时，即 2h通过单片机去控制步进电机步进一步 .T(x)=1h(x=4 月、5 月、6 月、7 月、8 月) ，所以在 x=4月、 5 月、6 月、7 月、 8 月，控制定时时间为一小时，即 1h 通过单片机去控制步进电机步进一步。通过这个函数关系，我们就确定了可以利用这个规律通过单片机去控制高度角 步进电机和方

43、位角步进电机了，从而实现太阳能板的自动转向控制。2.5 实时时钟的设计2.5.1 实时时钟实现原理获得了关系函数后，我们就按照这个关系函数，通过不同方式的定时来实现此 关系函数所体现的信息，从而实现太阳能板指向控制，所以我们就必须要设计出一 个定时用的实时时钟，做电子钟的一般思路是直接用单片机的定时计数器，原理是 利用单片机芯片的定时器来产生固定时间，模拟时钟的秒、时、分。只用单片机做 的好处是可以省去一些外围的芯片，此方法很适用于一些要求不是十分精确，所以 适合本系统对时钟要求不是十分精确的场合。其中，选用 AT89C51芯片，定时器用工作方式 1，每 50ms产生一个中断，循环 20次，即

44、 1s为一个周期。每一个周期加 1，那么 1min为 60个周期，1h就是60*60=3600 个周期，一天就是 3600*24=86400个周期。选用 12MHZ晶振，产生 50ms中断的计算如下。计算初值：机器周期 =12/晶振频率=12 (12 10 6) 1 s，设: 需要装入的初值为 x，则 (216 x) 1 10 6 50 10 3假设 x=15536，计数器从 15536 开始计数，一直到 65535.假设选用 T1计时器， TH1和TL1分别用来存储定时初始值的高 8位和低 8位，将 x 转换为十六进制并存储到 TH1和 TL1 中，即： TH1=0x3c；TL1=0xb0；

45、2.5.2 实时时钟实现流程图一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、 “时”，“分”，“秒”计数器、振荡器 组成。主电路系统由秒信号发生器、 “时、分、秒”计数器、译码器及显示器组成。 秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶 体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器” ，“秒计数器”采用 60 进制计数器，每累计 60 秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的 时钟脉冲。“分计数器”也采用 60 进制计数器，每累计 60分钟，发出一个“时脉冲” 信号，该信号将被送到“时计数器” 。“时计数器”采用 24 进制计时器，可实现对一 天 24

46、小时的累计。译码显示电路将“时” 、“分”、“秒”计数器的输出状态用七段显 示译码器译码，通过七段显示器显示出来。下面就用实时时钟流程图对基于单片机 采用软件设计实现实时时钟进行介绍。程序开始调用后，首先进行初始化，定义全局变量、局部变量及初值设定。然 后定义一个定时中断，定时结束后执行中断程序。判断定时次数是否达到设定值， 达到设定值则执行秒加 1；否则跳出中断程序，执行下一个定时。图 2-2 实时时钟流图2.6 系统设计原理2.6.1 电路原理图2.6.2 系统流程图图 2-3 电路原理图图 2-4 系统流程图2.7 总结利用公知的地球自转和地球绕日公转规律实现的太阳能自动跟踪方法，对太阳

47、 能利用率的提高取到积极作用，而且实现简单，要求也比较低，利用较低的成本实 现了高的效益，在未来市场有一点的优势，不过也存在一定的弊端，那就是运动比 较刻板，对复杂的天气应对有所欠缺，希望在以后不久的将来，能研究出更精确的 函数关系式，从而改善当前存在的问题。总体来说此种方法实现了用规律、有步骤的对太阳跟踪运动，相对于当前太阳 能板阵列基本上都是固定的现状，本文提出的此种方法从真正意义上克服了当前太 阳能板现状，对解决目前的能源困境，提高太阳能利用率取到一定的积极效果。3 系统设计及其实现(二)3.1 自动跟踪系统实现实现结构和组成一种太阳能电池板自动定向的装置，包括太阳能电池板，主要由控制单

48、元、驱 动电机、姿态调整机构以及光电传感器组成。 控制单元以微控制器 (AT89C51)为核心， 驱动电机包括两个步进电机，其中一个步进电机为方位角电机用于驱动太阳能电池 板方位角的调整，另一个步进电机为高度角电机用于驱动太阳能电池板高度角的调 整。姿态调整机构包括至少一根针对太阳方位角的调整而垂直于水平面安装的方位 轴，至少一根针对太阳高度角的调整而平行于水平面安装的高度轴，所述高度轴上 的高度轴支撑轴承通过 U形连接件与所述的方位轴固定连接，所述的方位轴的方位 轴支撑轴承与水平面固定连接，所述太阳能电池板设于高度轴的上方。其中，所述 的方位角电机与方位轴连接并控制方位轴的转动，所述的高度角

49、电机与高度轴连接 并控制高度轴的转动。其中，对于一个装置中的驱动电机需要驱动多个姿态调整机 构时，在方位轴以及高度轴上安装皮带轮或者棘轮，在方位角电机或高度角电机通 过皮带或链条，令方位角电机或高度角电机同时驱动多个方位轴或多个高度轴。图 3-1 系统结构示意图3.2 自动跟踪系统实现原理及其电路图3.2.1 自动跟踪系统实现原理首先要对安装在四个不同方位的传感器对此时太阳能板受热情况进行第一次数 据采集， 然后进过 AD转换，然后进行上下、 左右等相对传感器进行比较，如果上下两个相对传感器所采集数据值不一致，说明受热的情况不相同，那么高度角步进电 机将步进一次，如果一致则保持原来的姿势不变，

50、同理在方位角上接着判断左右两 个相对传感器所采集数据值是否一致， 如果如果一致则保持原来的姿势不变， 否则， 方位角步进电机将步进一次，第一次数据采集完成比较以后，接着进行第二数据采 集然后又进行如上比较，接着进行第三、第四次等等数据采集，直到上和下、 左和右所采集的数据值一致，当太阳高度变化是，四个不同方位的传感器也发生相 应的变化，所以又不断的进行数据采集进行比较并且通过步进电机进行调整等周而 复始的进行着重复性的运动，从而实现了太阳能板指向的控制。3.2.2 自动跟踪系统实现基本框图获取四个不同方位的数据A/DAT89C51比较上方向和下方向数据比较左方向和右方向数据实现太阳能板指向控制

51、右方大于左方图 3-2 自动跟踪系统实现基本框图3.2.3 自动跟踪系统实现电路图图 3-3 自动跟踪系统实现电路图3.2.4 自动跟踪系统实现程序流程图图 3-4 流程图3.3 总结利用传感器来感应太阳能板上不同方位的受热程度来实现的太阳能自动跟踪的 方法，对太阳能利用率的提高取到积极作用，而且实现相对简单，对天气的变化有 比较好的感应，跟踪灵活，相对于前一种方法，在灵活性、感应能力等方面有所提 高具有广泛的应用潜力，人工干预较少 , 比较适合天气变化比较复杂和无人值守的 情况 , 有效地提高了太阳能的利用率 , 有较好的推广应用价值。但相对于前一种方 法有存在了成本高，操作复杂，抗干扰能力

52、不足等弊端。不过我们相信在不久的将 来将会出现具有较强抗干扰能力和较强感应能力的太阳光感应传感器出现，那么当 前系统存在的顾虑将不攻自破。纵观全局此种方法实现了复杂天气下有规律、有步 骤的对太阳进行灵活跟踪运动，提高太阳能利用率推动能源领域新认识取到一定的 积极作用。图 3-5 实物图本文提出的两种解决当前能源困局，太阳能利用率较低方法，对解决能源问题 有一定的意义，在一定程度上实现了太阳能板指向的自动控制 , 保持太阳能电池板 在一定程度上正对太阳，让太阳光的光线一定程度上垂直照射太阳能电池板，实现 了有规律、有步骤的对太阳跟踪运动，实现了一定意义上的自动跟踪，并应用了相 应的传感器和相应的

53、关系函数 , 来实现太阳能板对太阳的跟踪和定位， 克服了太阳能 板不会动的、利用率较低的局面。 即使是在天气变化比较复杂的情况下 , 系统也能正 常工作 , 提高太阳能的利用效率。同时本系统不但可以利用在太阳能装置也可以扩展到其它的有关跟踪和定位领 域，自动跟踪系统可提供运动目标的空间定位、姿态、结构行为和性能，是运动目 标的多功能和高精度的跟踪和测量手段。可以通过进一步优化和研究可以用于未来 的卫星太阳能接受装置的控制连续跟踪也可以用于以一定速度和加速度运动的车 辆、舰船、飞机、导弹的自动跟踪。因此，自动跟踪系统有较高的研究价值和军事 意义。参考文献1】应用气象学报2】 51单片机 c 语言应用程序设计、实例精讲3】谢维成 ,杨加国 , 董秀成 .单片机原理与应用及 C51程序设计 .北京 :清华大学出版社 ,20064】沙占友 , 王晓君 , 安国臣 .MCS-51及兼容单片机原理与选型 .北京 :电子工业出版社 ,20035】张毅刚 , 彭喜元 , 董继成 , 单片机原理及应用 ,北京 :高等教育出版社 ,2004,393-4246】刘南平 ,孙慧芹 , 童一凡 ,等.单片机实