太阳能自动跟踪装置控制系统设计

太阳能自动跟踪装置控制系统设计本科生毕业论文 题目太阳能自动跟踪装置控制系统设计系别机械交通学院班级机制122姓名李鹏万学号123731214答辩时间2016年5月新疆农业大学机械交通学院目录TOC\o"1-3"\h\u8499摘要 图4-5充电控制器的结构框图4.3.1UC3906芯片的介绍UC3906是密封免维护铅酸蓄电池的充电专用芯片，具有控制和检测免维护铅酸蓄电池充电的功能。该芯片的工作功耗低，只需要1.7mA的输入电流即可工作。同时UC3906还其有温度补偿功能，即充电器输出的充电电压随蓄电池的电压温度系数的变化而改变，这样就能使免维护铅酸蓄电池在不同的温度范围内进行最佳充电状态的充电。可以保证蓄电池充足电又不会被严重过充电[9]。UC3906具有简单易用，工作可靠稳定，性能优越等优点。它只需要很少的外部电路元件就可以在很宽的温度范围内实现对蓄电池的精确快速充电[10]，所以采用UC3906智能芯片将简化蓄电池充电过程。4.3.2BUCK电路的设计太阳能电池给蓄电池充电需要一个DC/DC变换电路。本系统的太阳能电池正常工作条件下的输出电压为+20V左右，系统选用+12V的免维护铅酸蓄电池。所以使用基本的Buck型降压斩波变换电路完全符合系统对于蓄电池充电的技术要求。Buck电路主要由功率开关管、续流二极管以及稳压电容和电感构成。通过控制电子开关元件的通/断电时间比，将输入的直流电能变换为脉冲状态的交流电能，然后通过储能元件对变换后的脉冲交流电能的幅度按照需求进行变换，再经平滑滤波器变为先要的直流电能。通常电感中的电流是否连续，取决于开关管的开关频率f,滤波电感L和稳压电容C的数值[11]。木系统中为了防止当太阳能电池输入电压降低后导致回流电流流入太阳能电池而导致太阳能电池寿命降低甚至损坏，本设计中还要加入一个防回流二极管。Buck电路的基本拓扑如图4-6所示:图4-6Buck电路拓补图Buck电路的驱动信号由PWM波的形式周期性控制开关管的导通与截止，当开关管导通时，电源输入端开始为负载电阻R进行供电，负载两端的电压等于输入端电压E，流经负载的电流将以指数型曲线上升。当开关管断开后，二极管起到续流的功能，负载电压降低，电流同样以指数型曲线下降。本系统中为了保持电路输出电流的连续，需要设计一个较大的电感L。Buck电路若忽略开关管的饱和压降，那么电路的输出电压U0等于输入电压E；当开关管处于截止状态时，若忽略开关管的漏电流影响，那么Buck电路的输出电压为0。Buck电路的等效模型如图4-7所示:图4-7Buck电路的等效模型Buck电路工作再稳定的状态下，假设电路中器件均为理想型器件，开关管的导通时间ton，开关管的截止时间为toff,则占空比D为开关管的导通时间ton与周期ton+toff的比值。即公式4.8所示。（4.8）输入电压与输出电压的关系如公式4.9所示：(4.9)4.4充电控制器外围电路设计本设计为采用基于UC3906的铅酸电池开关型快速充电器，UC3906是为一对铅酸蓄电池而设计的专用充电控制芯片。可以提供四个不同的充电状态:涓流充电、大电流充电、可控过充充电、浮充充电[12]。对于UC3906的设计主要是对其外围电路器件参数的选择进行合理配置。本系统设计选用12V2OAh的免维护铅酸蓄电池，C代表免维护铅酸蓄电池容量的安时数，本系统选择的免维护铅酸蓄电池容量C=20。芯片控制过程中的重要参数分别取值为:护栏电流ID=505A。浮充电压VF=13.8V，过充电压VOC=15V,最大充电电流Ibulk=0.2C=4A。浮充电流IT=0.05C=1A。充电器门槛电压VT=10.5V。为了达到理想充电效果,对UC3906的外围电路器件参数根据确定公式进行计算。具体公式如下:(4.10)(4.11)(4.12)(4.13)(4.14)（4.15）（4.16）根据上述外围电路设计的公式关系，可得本设计中各电路元件的基本参数为：总结各个部分元器件的参数为,,,,,,,,,,。结合Buck电路设计所确定的开关管和防回流二极管参数，木设计中应用UC3906和Buck电路结合设计的充电控制器原理如图4-8所示[9]。图4-8充电控制器电路原理图本系统中太阳能电池输出电压的最大值Vmax=23V，选择的开关管耐压值必须要大于23V才能够保证控制器正常工作而不会烧毁，同时考虑到要尽可能的提高太阳能电池的充电效率，减少开关管导通电阻阻值过大而产生较大的损耗。本系统选择IRF840型N沟道MOSFET管作为开关管，该型号功率开关管工作频率高，功率损耗小，额定电压值达500V,电流为8A，导通阻值小于。完全符合本系统充电控制器的设计，并且有一定的预留值，可以在将来配备多块太阳能电池而不需要重新更换开关管。由于太阳能电池的输出电压受到光照强度和温度等因素的影响其输出电压可能会低于免维护铅酸蓄电池的输出电压，为了防止当太阳能电池的输出电压低于蓄电池的电压而产生回流电流损坏太阳能电池，在Buck电路的输出端加入防回流二极管。同时当充电器进入浮充状态时，UC3906的第10引脚会输出高电平信号，表示此时蓄电池以处于饱和状态，这样将第10引脚输出接比较器LM339比较后接LED指示灯，当指示灯亮起时就表示蓄电池充满电。5跟踪系统传感器检测装置的设计5.1阴天检测装置的设计整个系统由两种追踪模式组成，那就是光电追踪模式和视日追踪模式。当太阳光比较弱的时候光电追踪模式会表现的不灵敏，甚至使系统紊乱。而太阳视日追踪模式是通过计算太阳高度角和太阳方位角来进行追踪的，视日追踪模式会根据单片机的时钟控制计算方位。因此，系统将采用光电追踪模式和视日追踪模式相合作的追踪方式，系统通过天气情况自动选择跟踪方式。这也是软硬件结合来控制的，电路中用了一个光电二极管来检测太阳光的强弱，用了一组运放来做比较电路，运放的输出端接到了单片机引脚P0.4上，电路需要实现这样的功能:当太阳光的强度不足以使电路中的光电二极管导通时，经过比较电路之后，运放输出低电平，这时单片机的引脚P0.4检测到低电平，系统进入视日追踪模式。如图5-1所示，是阴晴检测电路的图示。图5-1阴晴检测电路电路连接如图5-1所示，将光电二极管的正极接到了运放ALO的同相输入端,而运放AL0的反相输入端与一个固定电压相连，通过多次试验确定了RO,R1,R2,R3的值，使的电路达到这样的效果:晴天时，光电二极管受到光照的强度足以使其导通，这时运放的同相输入端的电位高于其反相输入端的电位，组成了一个比较电路，运放输出高电位，因此引脚P0.4检测到高电位，程序继续运行。通过光电追踪模式进行追踪；而出现阴天时，光电二极管所受到的光照不能使其导通，光电二极管截止，这时运放的反相输入端的电位要高于其同相输入端的电位，同样经过比较之后，放大器的输出低电位，然后引脚P0.4检测到低电位，然后利用软件控制系统使太阳角度跟踪模式。这样就解决了阴天时光电追踪模式不能正常追踪的问题，而阴天过后，出现晴天时，光电二极管导通。光敏电路输出高电平，软件查询到引脚P0.4出现高电平，系统就由太阳角度追踪模式下跳出，回到主程序，继续在光电追踪模式下追踪。5.2白天黑夜检测装置白天黑夜检测装置原理和阴天检测装置是一样的，都是利用运放电路实现的，不同的是电路中电阻的大小不同，还有检测白天还是黑夜的电路要接到中断0上。此电路的功能是:白天时,运放输出高电位，中断0检测到高电位，系统没有中断请求，程序继续运行，开始检测是阴天还是晴天:黑夜时，运放输出低电位，检测到低电位，外部中断0是低电平有效的引脚，因此当检测到低电平时，即，向单片机发出中断请求，单片机接到中断请求后外部中断0被激活，进入外部中断0处理程序，从而进入等待状态。如5-2是白天黑夜的检测电路：图5-2白天黑夜检测电路5.3太阳位置传感器的介绍太阳位置传感器是跟踪装置很重要的部件之一，它的主要作用是通过实时监测太阳光线来判断太阳的具体方位，同时将太阳方位信息传送给控制器件进行信息处理。5.3.1传感器检测部分的设计为了确保太阳位置传感器的精确性，避免传感器受到其他外界条件的干扰。同时为了降低制造成本，本系统设计的太阳位置传感器采用光筒式结构，在圆筒内部，上、下、左、右、中五个方向上分别布置5个光电二极管。只留下上方一个光斑孔来接收太阳光线。传感器固定到太阳能电池上，并保证传感器与太阳能电池相对位置水平且传感器上方不受其他物体的遮挡。如图5-3是检测部分的结构图俯视图主视图图5-3传感器结构图下面简单的叙述一下电路的工作，电路中包含的元件如下:光敏二极管(DO-D4)、电阻ROR4、LM324芯片(包含四组运算放大器AL1AL4)。电路中光敏二极管的负端连在一起接在电源上，正端分别连接到放大器LM324的4个输入端，其中D0分布在中央的位置，其正极与LM324的4个同相输入端相连，D1D4的正极分别接LM324的4个反相输入端，这样D1D4就与DO分别组成了比较电路，而LM324的4个输出端分别接到单片机AT89C51的四个端口P2.OP2.3。这样就可以通过P2.OP2.3的高低电位来判断太阳光线的方向了。检测电路如图5-4所示：图5-4光电检测电路5.3.2光敏二极管的介绍光敏二极管的结构与一般二极管相似，其敏感元件是一个具有光敏特性的PN结，符号如图5-5所示，PN结一般处于反向工作状态，光敏二极管在没有光照射时，反向电阻大，反向电流(又称暗电流)很小，处于截止状态。当光照在PN结上，使PN结附近产生光电子—空穴对时，使少数载流子(电子)的浓度增加，因此通过PN结的光电流也增加。通过外电路的光电流强度随入射光照度变化，光敏二极管将光信号转换为电信号输出[13]。图5-5光敏二极管符号图5-6光敏二极管接法光敏二极管的接法如图5-6所示，光敏二极管的负极接到电源的正极，光敏二极管的正极接到电源的负极，这样当光敏二极管受到光照时导通，当光敏二极管没有受到光照而截止。光电检测电路中正是利用了光敏二极管的这个特性来对电路进行控制的。5.3.3LM324芯片的介绍LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。除电源共用外，四组运放之间相互独立。每一组运算放大器可用图5-7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”，“-”为两个信号输入端，“V+”，“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。两个信号入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的位相；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相同。在光电检测电路中，用LM324的四组运算放大器来比较每组运算放大器的同向输入端和其反向输入端的电信号的强弱[14]。LM324的引脚排列见图5-8所示。图5-7运算放大器符号图5-8LM324引脚图6视日运动轨迹模块设计6.1太阳赤纬角的计算太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以δ表示，在一年当中，太阳赤纬角每天都在变化。但不超过的范围。夏天最大变化到夏至日的；冬天最小变化到冬至日的。太阳赤纬随季节变化，按照库伯方程[15]，由下式计算:n-一年中日期的序号6.2太阳高度角的计算太阳高度角是指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，以h表示，其值在之间变化，日出日落为，太阳在正天顶时为，计算太阳高度角公式是：sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδcost其中Φ:当地纬度；δ：太阳赤纬；t：时角地球自转一周为360度，所用的时间是24小时，所以每小时对应的t为15度，从中午开始算，中午为零，上午为负，下午为正，t的值是距离中午时间乘以15。日出日落时角度最大。6.3太阳方位角的计算太阳方位角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，用γ表示[16]。方位角以正南方向为，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，在正东北方时，方位为，在正西方时方位角为，在正北方时为。太阳方位角按下式计算：由于太阳相对地球的位置是相对于地面而言的，一般用高度角和方位角两个坐标表示。6.4日出日落时间计算日出、日落时间晨线上的各地同时日出，昏线上的各地同时日落。根据某地昼夜长短计算日出日落时刻，可遵循以下公式[17]：日出时间，日落时间；为昼长时间。7执行器件的选型7.1步进电机的选型要达到使太阳能电池自动跟踪太阳方位转动的目的，执行器件是必不可少的关键部分。系统的控制部分所发出的控制指令都要传达到执行器件来执行。为了达到精确跟踪的目标，本系统选择步进电机作为执行器件，利用步进电机来控制太阳能电池的方位角度。步进电机不像普通的直流电机那样在常规下使用。所以系统必须同时配备了步进电机驱动器来配合步进电机共同完成自动跟踪的工作[18]。由于自动跟踪控制系统对于执行器件的工作精度要求较高，并且双轴跟踪需要两个执行器件来配合工作才能完成预期的目标。所以本系统选择两个型号相同的步进电机来做执行器件。基于对整个系统框架的设计和对太阳能电池重量的考虑，最终选择由KYSAN公司生产的四相六线制85BYG11450A型步进电机。这款步进电机的电气技术参数如表7-1所示:表7-1步进电机电气技术参数规格步矩角绝缘等级相数电压（V）电流/相(A)电感/相(mH)电阻/相(Ω)最大静扭矩(N.m)85BYGH450AB级44.485BYGH450A型步进电机的特点是运行稳定、噪声低、静扭矩大、步距角误差小。且连接安装起来较为方便可靠。这款步进电机广泛应用在各种自动化控制系统中，其外型尺寸如图7-2所示:图7-2步进电机外形图7.2步进电机驱动器的选型步进电机驱动器是控制电机的核心部件之一，其性能的好坏直接影响系统的可靠性和持续性。本系统选择与步进电机同厂家的匹配型号CW-250AC这款驱动器的工作输入电压为20V-40V交流输入或24V-60V直流输入，相电流为可调节的1.5-5A。工作温度范围-15-40℃，工作湿度小于90%。转动模式可以通过拨码开关进行选择。同时具有过热，过压和过流保护装置，可以有效保护系统运行的稳定。驱动器的I/O口功能如表7-3所示:表7-3步进电机驱动器接口功能驱动器接口AC+,AC-A+,A-B+,B-CP+,CP-CW+,CW-EN+,EN-接口功能电源输入端步进电机其中一端接口步进电机另一端接口步进电机脉冲输入端步进电机方向控制端输入使能端（不使用时悬空）7.3执行器件的连接方式步进电机与步进电机驱动器需要配合在一起才能正常使用。驱动器的端口B+,B-，A+,A-连接到步进电机的连线上，需要注意的是本系统选择的步进电机为四相六线制步进电机，在连接之前需要用万用表测量出步进电机的两条中线，在连线时直接把两条中线悬空即可。驱动器的工作电源选择+24V直流供电。CP+和CW+直接连接到单片机的+5V供电模块的输出端。CP-为步进电机脉冲信号输入端，直接连接到单片机的脉冲控制信号引脚上。CW-为步进电机方向控制信号输入端，连接到单片机的方向控制信号引脚上。EN+和EN-为输入使能端，在本系统中并不需要使用，直接悬空即可。步进电机与驱动器的具体连接方式如图7-4所示:图7-4驱动器连线图8控制系统的设计系统的控制部分以AT89C51型单片机为控制核心进行设计。AT89C51型单片机首先接收来自太阳位置传感发出的信号，然后通过一定的编程算法来判断太阳具体方位，同时将计算出的位置通过控制信号输出给步进电机驱动器，最后步进电机驱动器在根据接收到的指令控制步进电机来带动太阳能电池转动，从而达到跟踪太阳的目的。整个系统的自动跟踪控制部分主要由单片机最小系统、升压变换电路、降压变换电路组成[19]。系统框图如图8-1所示:图8-1控制系统框图由于整体系统设计目标为独立式系统，即系统的运行过程不需要外部电源供电，而是通过系统自身太阳能电池发电和蓄电池存储电能来维持运转。这样要使系统各个部件正常工作就需要加入电源变换电路，具体就是需要将免维护铅酸蓄电池升压到+24V为步进电机驱动器做工作电源，同时还要将免维护铅酸蓄电池的电压降到+5V来为单片机做供电电源。8.1单片机电源模块的设计单片机的电源模块需要设计一个降压电路，前文提到系统免维护铅酸蓄电池为+12V输出，就需要将+12V的免维护铅酸蓄电池输出电压降至+5V来为单片机供电。AT89C51型单片机为低功耗、高性能的微处理器，正常模式功耗为10-30mW，工作消耗功率低。本系统选择电路较为简单的降压电路，该电路以LM7805集成稳压电路为核心加上相应的滤波电容即可完成+12V降压到+5V的电压变换。LM7805是三端稳压集成电路。具有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。LM7805稳压集成电路的极限输入最高电压为+36V，它的样子像是普通的三极管，TO-220型的标准封装。用LM7805来组成稳压电源所需的外围元件极少，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。LM7805是一个三端稳压源，本电路中它把蓄电池的输出电压降压并稳定在+5V由于系统需要长时间在室外较高温度下运行，为了防止LM7805芯片过热而损坏，在电路设计中LM7805芯片要加上散热片。免维护铅酸蓄电池的输出电压并不会固定在+12V不变，而是受到蓄电池剩余电量和充电状态等因素影响。其输出电压在一个区间内变化。为了保证控制系统能够始终正常工作，就必须保证蓄电池的输出电压在它的变化范围内单片机电源模块的输出电压都控制在+5V左右保持不变。8.2驱动器电源模块的设计整个系统的执行器件由步进电机和步进电机驱动器来完成。步进电机的工作电压为+24V至+60V直流供电。而铅酸蓄电池的输出电压为+12V左右。所以同样需要一个+12V升压到+24V的电路来为驱动器提供工作电源。由于系统采用双轴四象限跟踪，由两个电机来同时工作，驱动器的工作电流相对较大。所以本系统以大电流的GS3660芯片来设计升压电路。以确保满足两个步进电机同时工作的需要。8.2.1GS3660芯片介绍GS3660是一种应用于铅酸蓄电池领域的Boost型升压拓扑开关稳压型控制芯片，采用工业标准的TSSOP-8的小体积封装，因此该芯片可以应用于数码摄像机，PDA以及各种便携式设备上。GS3660芯片具有如下特征:(1)宽范围输入电压:1.8V-15V；(2)参考电压精度:2%；(3)低电流损耗:工作模式5.5mA等待模式1μA；(4)高晶振速率:最大速率达到1MHz；(5)可编程的软启动功能；(6)短路保护功能；(7)可调节开关电流的图腾柱式输出；(8)待机模式具有逻辑电平控制功能；(9)TSSOP8封装形式。GS3660芯片采用PWM(脉冲宽度调制)技术的优越性，配合利用高效开关器件MOSFET组成升压型直流电压变换器。这种升压型直流电压变换器具有外围电路元件设计体积小，可以接受较宽范围的输入电压电源。同时具有极高的输出效率，并且产生的噪声小，输出纹波较低等特点。该芯片可以直接通过输出PWM波来驱动N沟道的MOSFET开关管。GS3660芯片的振荡频率可在50KHz1MHz之间进行选择，同时该芯片还具有欠压保护、软启动以及短路保护功能。能够确保升压电路的输出电压稳定。该芯片的具体引脚功能如表8-4所示[20]。表8-4GS3660引脚功能表引脚名称引脚序号I/O口功能描述FB1I误差放大器反向输入端SCP2I连接电容软启动3P电源引脚BR/CTL4I输出电流的设置与控制引脚OUT5O图腾柱式输出引脚GND6P接地引脚OSC7I连接震荡频率相同的电容和电阻COMP8O误差放大器输出补偿端GS3660的四号引脚为输出电流的设置与控制引脚，可以用来作为GS3660芯片的使能端。当控制端输入为低电平时三极管截止，GS3660芯片停止工作进入待机状态，当控制端输入为高电平时三极管导通，GS3660芯片进入工作状态。具体连接方式如图8-5所示:图8-5输出晶体管控制电路8.2.2Boost电路基本拓扑设计Boost电路是一种基本的直流开关升压电路，它的输出电压总是要高于输入电压。Boost直流开关升压电路主要由开关管、电感、续流二极管、滤波电容构成[21]。其电路拓扑结构如图8-6所示。其中S为开关型器件，由输入的PWM波控制其导通或截止来控制输出端的电压值。图8-6Boost电路拓补图当开关管处于导通状态时，输入电源开始给电感L进行充电，同时电容C开始给负载电阻R进行供电，如果电容C的值设置的足够大，就可以保证输出电压Uo为一个恒定值。由于在导通状态下电感L己经存储了电能，当图5.5中的开关连接在上方时，电源E和电感L开始同时为电容C进行充电，并且同时像负载R进行供电。由于L储能之后具有提高电压值得作用，加上负载端电容的充放电可以将输出的电压保持在一个范围，因此输出端的电压Uo将高于输入端电压E。Boost升压电路的等效电路模型如图8-7所示:图8-7Boost电路等效模型假设图中所有的器件均为理想器件，电源输入端的电压为I，开关管的导通时间为ton，关闭时间为toff。当开关管导通时电感L上存储的电能为EITon。当开关管断开时，电感L释放的能量为(U0-E)toff。如果Boost电路工作在稳定状态下，在一个开关周期中电感L存储的电能和释放的电能将会相等，即:（8.1）化简（8.1）式得：(8.2)开管导通占空比为：（8.3）由市（8.2）和（8.3）可知Boost电路的输入电压和输出电压的关系为：(8.4)在实际电路中，电容C的值不可能会无穷大。所以输出电压Uo将会有一个范围内的变化值。即输出电压不稳定，会有一定的纹波电压存在。但是如果设计中输出端的滤波电容足够大，纹波电压基本可以忽略不计。8.2.3驱动器电源模块的硬件设计驱动器的电源模块是由GS3660芯片配合Boost型开关直流升压电路来实现的。本模块设计的目的为将铅酸蓄电池的输出电压升高至+24V来为步进电机驱动器进行供电。因此需要设计合理并且能够相互匹配的Boost电路与芯片GS3660进行搭配。考虑到步进电机驱动器的工作特性，选择Boost电路为电流连续型供电方式。（1）电感值L的确定Boost电路的电感值L应当选取为较大的值，这样可以避免在最大电流时出现电感饱和。为保证电流连续,Boost电感应当大于公式8.5的数值。（8.5）其中，。本系统中假设蓄电池的电压为+12V，占空比D=50%,频率f=100KHz。则电感值L应大于：考虑到蓄电池的输出端电压可能会将低+12V以下，并且还要预留出一定的富余量防止输出电压不稳定，本系统选择22uH/3A的电感。综合上述对于Boost电路的设计和GS3660芯片的分析可以搭建一个稳定输出+24V的直流升压电路来为步进电机驱动器进行供电。该电路的输入端和输出端还要分别加入滤波电容。其中按照GS3660芯片给出的数据资料，具体的升压电路图如图8-9所示:图8-9驱动器电源模块电路原理图8.3单片机硬件系统设计8.3.1单片机简介单片机系统是控制电路的核心，它的主要功能是接收由光电检测电路所发出的信号，并由接收到的信号来控制电动机的驱动电路，从而实现对电动机的控制，进而实现对太阳的追踪。8.3.2单片机的特点单片机在控制领域中，有如下几个特点:(1)小巧灵活、成本低、易于产品化，能方便地组装成各种智能式控制设备及各种智能仪器仪表。(2)面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。(3)抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的。(4)可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。8.3.3AT89C51单片机的特性AT89C51的主要性能①4KB可改写程序Flash存储器②全静态工作:0Hz-24MHz③3级程序存储器保密④128*8字节内部RAM⑤32条可编程I/O线⑥2个16位定时器l计数器⑦5个中断源⑧可编程串行通道图8-10AT89C51外形图8.4单片机软件系统的设计8.4.1主程序的设计开始开始系统初始化初始化阴天检测信号处理传感器检测光电跟踪计算高度角方位角视日跟踪电机2延时15分钟分钟电机1单片机是否对准对准是否对准否否是是是否图8-11系统总体流程图系统主要包括光电追踪模块和视日追踪模块。系统的工作方案：开机之后，系统进行初始化复位，首先进行白天黑夜判断，如果是黑夜系统自行中断，如果是白天，系统进行阴晴判断，根据判断的实际情况系统选择跟踪方式，进行对太阳的跟踪。8.4.2光电追踪模块计算太阳角度的问题，它是通过判断指定的单片机引脚电位的高低来确定太阳的朝向，之后单片机控制电动机朝太阳光的方向转动，直到转动到位于圆盘中央的那个二极管受到光照为止，因此这部分的设计也不存在每次调整时电动机转动时间的计算。这部分的程序设计很简单，只需要单片机检测4个光电二极管所对应的单片机的4个引脚的电位的高低，就可以判断此时太阳的朝向，并对电动机发出相应的命令，程序流程图如图8-12所示:图8-12光电模式流程图8.4.3视日跟踪模块本系统中,视日追踪模式是在当单片机判断当时是阴天状态时开始启用的，是通过软件查询来实现的，通过查询单片机引脚P0.4电位的高低来判断是不是阴天状态，当引脚P0.4为低电位时启用太阳角度追踪模式。视日追踪模式的原理很简单，它是以太阳高度角和太阳方位角的计算为基础的，前面在数学模型的建立中已经对太阳高度角和太阳方位角的计算作了详细的介绍。进入视日追踪模式之后，首先读取单片机时间，并利用这个时间值计算出当时当地的太阳高度角和太阳方位角的值，通过太阳板的长度以及计算出的太阳角度值来计算太阳板当时在太阳高度角和太阳方位角方向分别偏移水平方向的高度，延时15分钟之后，利用同样的方法计算偏移高度，计算两次调整之间的高度差，然后就算电动机转动的时间。太阳角度追踪模块程序流程如图8-13所示:图8-13视日跟踪流程图9结论当今社会，资源匮乏，环境问题日益严重，所以急需一种清洁能源得以利用。而太阳能具备了这个条件，既清洁又广泛。太阳能虽然分布广泛，拥有可持续性但是目前太阳能的开发利用率并不高，开发投资成本也比较高。因此本文在分析了目前太阳能发电技术的情况，结合当前一些发电技术的应用实例，本设计提出一单片机为控制核心的设计方案。设计中采用双轴跟踪，采用步进电机对跟踪装置进行水平和竖直方向的跟踪。控制系统主要得主要构成部分就是视日跟踪的控制和光电检测跟踪的控制，在工作的时候，系统首先进行白天黑夜的判断，选择是否开启控制系统，之后系统进行阴天检测，对跟踪方式进行选择，如此循环，实现系统对太阳的跟踪，已达到对太阳能的最高吸收效率。系统不适用外部电源，所用能源都来自电池板的发电。系统工作的时候，两种方式交替使用，避免了一种跟踪方式的缺陷。本系统结构简单，制作成本低，可用范围广。但是本装置设计的功率低，不适合大负载的电器供电，也不适合大规模的发电使用。参考文献：[1]EPIA.GlobalMarketOutlookforPhotovoltaicUntil2015.[2]王长江.基于1IATLAB的光伏电池通用数学模型[J].电力科学与工程，2009(4):11-14.[3]V.Salas,E.Olias,A.Barrado.Reviewofthemaximumpowerpointtrackingalgorithms,forstand-alonephotovoltaicsystems[J].SolarEnergyMaterials&SolarCells2006,90:1555-1578.[4]李刚.蓄电池故障的排除及使用维护[J].今日财富(下旬刊)，201.2010.[5]金晓霞.免维护蓄电池的维护和保养[J].甘肃科技，2005.[6]任黎明等.蓄电池的结构及维护[J].农机使用与维修，2007.[7]项若轩.智能光伏充电控制系统的研究[D].安徽:合肥工业大学电力电子与电力传动系，2009.[8]彭伟.单片机C语言程序设计实训-基于8051十Proteus仿真[M].北京:电子工业出版社.2010[9]TexasInstruments.UC3906SwitchmodeLead-AcidBatteryCharger.[10]王新生，游青山，冉霞.阀控式铅酸蓄电池与UC3909智能充电[J].通信电源技术，2008,23(3):59-65.[11]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2000.[12]吴杰，姚明亮.基于UC3906的直流不间断电源设计[J].科技广场。2007,3:222-224.[13]史延龄，李汉军.光导效应与光敏器件.现代物理知识，9(4)31-32[14]/down/upfiIe/soft1200653/lm324.pdf[15]刘贤群，蒋逢灵.基于PLC的碟式太阳能跟踪控制系统设计印.微型机与应用，2012,31(5):84-86.[16]杨金焕，于化丛.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社.2009.[17]张文涛.基于PLC的太阳自动自动跟踪系统的设计与实现口.制造业自动化，2010,32(3):127-129.[18]张兴磊，杨丽丽，张东凤一种太阳自动跟踪系统的设计[J].青岛农业大学学报(自然科学版)，2009,26(4)，135-138.[19]白延敏.太阳光线自动跟踪系统的设计[J].正德学院学报，2010(6):23-25.[20]GS3660BoostConvertControlIC./b2b/yxbO86.html[21]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2000.谢辞本设计的完成，得益于大学老师传授的知识，使本人有了完成设计所要求的知识积累，更得益于导师从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，在此对导师张静老师和杨宛章教授表示感谢!在这里，还要特别感谢大学四年学习期间给我诸多教诲和帮助的机械交通学院的各位老师，你们给予我的指导和教诲我将永远记在心里!感谢和我一起生活四年的室友，是你们让我们的寝室充满快乐与温馨，“君子和而不同”，我们正是如此!愿我们以后的人生都可以充实、多彩与快乐!感谢我的同学们，谢谢你们给予我的帮助!回首本人的求学生涯，父母的支持是本人最大的动力。父母不仅在经济上承受了巨大的负担，在心里上更有思子之情的煎熬与望子成龙的期待。目前除了学习成绩尚可外无以为报，希望以后的学习、工作和生活能使父母宽慰。非常感谢张静老师，在我大学的最后学习阶段—毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业设计，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下!附录太阳能自动跟踪装置单片机程序设计主程序:#include<reg52.h>#defineuiunsignedint#defineucunsignedcharsbitDQ=P1^6;sbitk=P1^0;sbitled=P1^4;uccodebmb[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};ucwd,fuhao,ds,a,b,g,b1,f,kg;uixshu;voidxy(uiz){ uix; for(x=z;x>0;x--);}voidchu_shi(){ DQ=1; xy(16); DQ=0; xy(140); DQ=1; xy(100);}voidfa_song(ucf){ uci;for(i=8;i>0;i--){ DQ=0;DQ=0;DQ=0;DQ=0;DQ