太阳能跟踪最终剖析

1、YUNNANNORMALUNIVERSITY郭建飞作品名称：太阳能跟踪系统题号：xxxxxxxxxx密号：xxxxxxxxxx1/21目录一、总系统设计5.1. 设计任务与要求5.(1) 基本要求5.(2) 发挥部分5.二、系统方案设计与论证5.1.1功能描述5.1.1.2 STC12C5A16AD的功能特性61.1.3 STC12C5A16AD的弓I脚说明.71.3 电机选择8.1.5 跟踪器方案选择12方案1:采用两个光敏电阻搭成45度的跟踪结构，光敏电阻将光强大小转换为电阻大小，再通过惠斯通电桥将电阻的变化转化为电压的变化，通过比例运放电路转化成适合的A/D模拟输入量。122.4步进电机

2、驱动系统选择1.5三、单元模块设计1.5二、太阳能跟踪控制器调试1.65、 软件设计216、 参考文献212/21太阳能跟踪系统摘要：人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，太阳能光伏发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一，研究太阳能发电技术意义重大。太阳跟踪器须在露天下工作，因此必须考虑到结构的稳定性，运动结构必须可以自锁，因此选择滑动螺旋副和蜗轮蜗杆传动。在本设计中，采用了的是高精度传感器。控制器首先读取传感器的信号，根据光线照射的情况驱动两个电机，调整方位角和俯仰角，之后控制器再次接收传感器信号，

3、同样根据光线照射情况驱动电机，再次调整方位角和俯仰角，使高精度传感器跟踪到位，这样控制器又接收大角度传感器信号，如此反复，达到随时跟踪太阳的目的。并且为了节约能源，在夜间跟踪器应静止不动。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。关键词：太阳能，光敏电阻，步进电机，单片机3/21引言赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占

4、有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1%,而太阳能发电每年增长达20%,风力发电的年增长率更是高达26%。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。4/21一、总系统设计1.设计任务与要求(1) 基本要求 控制器能自由控制受光面，使之水平方向的旋转和俯仰角的调节； 能够自动追踪并对准光照方向，使受光面获得最大限度的光照；尽可

5、能小的最佳光照搜索时间；(2) 发挥部分能快速定位太阳的方位，以便在阳光被遮挡后能再次定位；能够测量并显示光照强度。二、系统方案设计与论证为了实现设计的任务与要求我们小组做了两个方案，并对两个方案都做了一定的实践。(一).方案一：1.1 功能描述本设计以12单片机作为核心控制元件，跟踪器由两个光敏电阻组成的电路板搭成45度结构，并由步进电机控制底座转动。通过将两个光敏电阻采集到的信号经过比较电路和A/D,将比较结果输出至单片机，由单片机分析处理数据并输出至TDA282纵而控制五线四相步进电机来实现对太阳位置的跟踪。该系统具有低成本的优点，且具有较好的抗干扰能力，提高了对太阳光能的利用率。1.2

6、 主控系统选择方案1:采用高性能嵌入式系统，比如ARM如果采用此方案，可以很好的解决数据处理和控制功能，但是ARMfr格昂贵且本科阶段很少接触，在短时间内完成困难比较大。方案2:采用单片机来实现。考虑到方案的可实行性和性价比，我们采用STC12C5A16S常片机作为控制芯片，十分适用于太阳能跟踪。表现在：主要控制参数通过设置寄存器变量来实现，修改方便；成本低廉，性能与相对简单的太阳能跟踪装置系统匹配；数字化的控制系统，可以达到较高的精度，并有可能通5/21过串行通信实现远程监控和模块化处理；可处理多个中断，系统运行后可能出现以前没有考虑到的特殊情况，相应的扩充政策十分简单。结合本次设计的任务要

7、求，以及上诉两种方案的参照对比，我决定采用方案2,具体采用STC12C5A16驱制芯片。1.2.1 STC12C5A16S2的了解STC12C5A16AD宏晶科技生产的新一代8051单片机，包含有中央处理器(CPU、程序存储器(FLASH、数据存储器(SRAM、定时/计数器、UART口、用口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA看门狗及片内R/C振荡器和外部晶振振荡等模块，几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块。STC12C5A16S2片机相比传统C51功能更加强大，有些特殊功能寄存器被扩展为专用的特殊寄存器。具引脚图和内部结构如图1所示：CLKOLFT2ADCOT1.0=A

8、DCLPll匚二RXE2/ECJrALX;2F1.2二TxD2,-CPPO/ADC3-Pl.iSS/CPPl/ADC4bP1.4二MOSTADC5/P1.5UMISOADC6T1.6匚二SCLK；JADC7rF1.7二:P4.7-R5T二UXTRxEJFJ.O匚:TsD,P-lIINTOPJ.2TKTT3*二CLKOUTOT0T3.4SCLKDUT1TXTT1T3.51WR-P3.6=RDHJ.y二XTAL2二XTAL1二GodI140239J4375弘635734S339321031113012291号281427PDIP4041823192221IP03TTIPC.4.ZZIP0.51P0

9、.6ZZIP0.7：1HX_TJVEX,P4,GjRST2TTINA/P4.4ZZ1P27/A15二IP2.6/A34stCt2C5ai6adZZIP2./A1OZZ1P21/A9二IPif),AR图1STC12C5A16AD单片机管脚图1.2.2 STC12C5A16AD的功能特性(1)高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快812倍。(2) 宽电压：3.35.5V。(3) 增加外部掉电检测电路，可在掉电时及时将数据保存进EEPROME常工作时无需操作EEP(4) 增加第二复位功能脚，(高可靠复位，可调复位门槛电压，频率小于12Hz,无需此功能)6/21(5) 低功

10、耗设计：空闲模式(可由任意一个中断唤醒)；掉电模式(可由外部中断唤醒)，可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。(6) 工作频率：035MHz相当于普通8051:04205MHz(7) 时钟：外部晶体或内部RC8荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置。(8) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内FLAS册序存储器，擦写次数10万次以上。(9) 1280字节片内RA瞰据存储器。(10) 芯片内EEPROM能，擦写次数10万次以上。(11) ISP/IAP,在系统可编程/在在应用可编程，无需编程器/仿真器。(12) 8通道，10位高速ADC高速可达25万次/秒，2位PWM可

11、当2路D/A使用。(13) 2通道捕获/比较单元(PWM/PCA/CCP也可用来再实现2个定时器或2个外部中断(支持上升沿/下降沿中断)。(14) 4个16位定时器，兼容8051的定时器T1/T0,2路PCAK现2个定时器。(15) 可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟，BRT在P1.0输出时钟。1.2.3STC12C5A16AD的弓|脚说明单片机采用40引脚的双列直插封装方式。图3-7为引脚排列图，40条引脚说明如下：1)主电源引脚Vss和Vcc2)外接晶振引脚XTAL1BXTAL23)控制或与其它电源复用引脚RSTALEKNA4)输入/输出引脚P0.0P0.7

12、,P1.0P1.7,P2.0P2.7,P3.0P3.7(1) P0口(P0.0P0.7)是一个漏极开路型准双向I/O口。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址(低8位)和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。(2) P1口(P1.0P1.7)是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM程和程序验证时，它接收低8位地址。(3) P2口(P2.0P2.7)是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对EFROM程和程序验证期间，它接收高8位地址。7/21(4) P3口(P3.0P3.7)是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送

13、出高8位地址。在对EFROM程和程序验证期间，它接收高8位地址。1.3 电机选择方案1:选择普通直流电机，通过减速齿轮增大扭力，提高带负载能力。直流电机的优点是价格便宜，控制容易，但难以精确控制是其一大弱点。方案2:选择步进电机。步进电机的特点是可以精确控制电机选择步数和角度，缺点就是力矩比较小，容易失步，而且价格比较昂贵。步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置。它具有快速启，停能力在电机的负荷不超过它提供的动态转矩时，可以通过输入脉冲来控制它在一瞬间的起动和停止。步进电机的步距角和转速只和脉冲频率有关，和温度，气压，振动无关，也不受电网电压的波动和负载变化的影响。因此，

14、步进电机多应用在需要精确定位的场合。本设计中执行需要进行角度控制，不需要连续旋转，综上所述选择方案1。步进电机技术指标步进电机是一个典型开环控制系统，其原理可由图2.2表示:方向脉冲图2步进电机控制系统框图步进电机的静态指标：相数：电机内部的线圈组数。目前常用的有二相，三相，四相，五相步进电机。电机相数不同，其步进角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8度，三相为0.75/1.5度，五相为0.36/0.72度。在使用细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。步距角：表示控制

15、系统每发出一个步进脉冲控制信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可称为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。8/21拍数：完成一个磁场周期性变化所需要的脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB四相八拍运行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A步进电机的动态指标：步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值和理论值的误差，用百分比表示：误差/步距角100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%：内，八拍运行时应在15犯内。失步：电

16、机运行时的步数不等于理论上的步数，称为失步。失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度。电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电压下，在不加载负载的情况下能够直接起动的最大频率。1.4 显示光强的选择：方案1:选用1602LCD1602LC吩为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：图31602LCD尺寸图1602LCD主要技术参数：显示容量：16X2个字符芯片工作电压：4.55.5V9/21工作电流:2.0mA(5.0V)

17、模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95X4.35(WXH)mm引脚功能说明1602LC取用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口，各引脚接口说明如表1所示：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源止极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表1:引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDDg5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼

18、影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0-D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。10/21第16脚：背光源负极方案2选用12864LCD带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，

19、内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；具显示分辨率为128X64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8X4行16X16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。通过比较，我们小组选用方案2。1 .4.112864LCD基本特性：(1)、低电源电压(VDD:+3.0-+5.5V)(2)、显示分

20、辨率：128X64点(3)、内置汉字字库，提供8192个16X16点阵汉字(简繁体可选)(4)、内置128个16X8点阵字符5 5)、2MHZ寸钟频率(6)、显示方式：STN半透、正显(7)、驱动方式：1/32DUTY1/5BIAS(8)、视角方向：6点(9)、背光方式：侧部高亮白色LED功耗仅为普通LED的1/51/10(10)、通讯方式：用行、并口可选(11)、内置DC-DC专换电路，无需外加负压(12)、无需片选信号，简化软件设计(13)、工彳温度：0C-+55C,存储温度:-20C-+60C11/2112864能显示8*4个汉字，因型号不同，有的带汉字库，有的不带，能显示图像效果，功能

21、比1602强大，1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，但寄存器不止32个，具体也忘了，有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单，价格低，大约6块钱，而12864最少40块钱一块，在编程使用方面，两者难度差不多，原理差不多，都是写指令、写地址、写数据等等1.5 跟踪器方案选择方案1:采用两个光敏电阻搭成45度的跟踪结构，光敏电阻将光强大小转换为电阻大小，再通过惠斯通电桥将电阻的变化转化为电压的变化，通过比例运放电路转化成适合的A/D模拟输入量。光敏电阻简介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，

22、电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子一空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或钿等金属形成的。一般光敏电阻器结构如下图所示。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母R”或“RL”、“RG”表示。基于本次设计的要求，我选用CDS光敏电阻GL3537,其暗阻是10K。方案2:通过将两个光电传感器采集到的信号经过比较电路和A/D,将比较结果输出至单片机，由单片机分析处理数据并输出

23、至ALN2003AA而控制五线四相步进电机来实现对太阳位置的跟踪。该系统具有低成本的优点，且具有较好的抗干扰能力，提高了对太阳光能的利用率。方案（二）：2.1 主控系统的选择主控系统方案同方案一中的一样，在选择单片机的时候，我们总和考虑各方面的因素，我们选择的是方案2。2.2 电机的选择选择方案也如方案一中的一样，而此处我们选择方案二，选用步进电机。2.3 液晶显示的选择方案1：1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数12/21字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也

24、有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM显示效果也不好)。1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。方案2:带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；具显示分辨率为128X64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8X4行16X16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其

25、又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。通过比较我们选择了方案2;下面介绍12864的一些介绍。(1)低电源电压(VDD:+3.0-+5.5V)(2)显示分辨率:128X64点(3)内置汉字字库，提供8192个16X16点阵汉字(简繁体可选)(4)内置128个16X8点阵字符(5) 2MHZ时钟频率(6)显示方式：STN半透、正显(7)当区动方式：1/32DUTY1/5BIAS(8)视角方向：6点(9)背光方式：侧部高亮白色LED功耗仅为普通LED的1/51/10(10)通

26、讯方式：用行、并口可选(11)内置DC-DC转换电路，无需外加负压(12)无需片选信号，简化软件设计(13)工作温度：0C-+55C,存储温度：-20C-+60C最大工作范围1、逻辑工作电压(Vcc):4.55.5V2、电源地(GND):0V3、LCD驱动电压(Vee):0-10V4、输入电压：VeeVdd5、工作温度(Ta):055c(常温)/-2070c(宽温)6、保存温度(Tstg):-1065c电气特性(测试条件Ta=25,Vdd=5.0/-0.25V)1、输入高电平(Vih):3.5Vmin2、输入低电平(Vil):0.55Vmax3、输出高电平(Voh):3.75Vmin13/21

27、4、输出低电平(Vol):1.0Vmax5、工作电流：2.0mAmax接口说明12864-1,12864-2接口说明表1 VSS0V逻辑电源地。2 VDD5.0V逻辑电源正。3 V0LCD驱动电压，应用时在VEE与V0之间加一2K可调电阻。4 D/IH/L数据指令选择：高电平：数据D0-D7将送入显示RAM低电平：数据D0-D7将送入指令寄存器执行。5 R/WH/L读写选择：高电平：读数据；低电平：写数据。6 EH.H/L读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据。7 DB0H/L数据输入输出引脚。8 DB1H/L数据输入输出引脚。9 DB2H/L数据输入输出引脚。10 DB3H/L数据输入输出引脚。11 DB4H/L数据输入输出引脚。12 DB5H/L数据输入输出引脚。13 DB6H/L数据输入输出引脚。14 DB7H/L数据输入输出引脚。15 CS1H/L片选择信号，低电平时选择前64列。16 CS2H片选择信号，低电平时选择后64列。17 RETL复位信号，低电平有效。18 VEE-