太阳能自动追光系统的设计样本

目录摘要 1核心词 1Abstract 1Keywords 1引言 21太阳能自动追光系统总体设计方案 31.1太阳运营规律 31.2跟踪器机械执行某些比较选取 31.3本课题机械设计方案 51.4跟踪方案比较选取 61.5本设计跟踪方案 82.1太阳能自动追光系统机械设计方案 82.2齿轮选取 82.3底座设计 102.4中心轴选取 112.5轴承选取 112.6抗风性分析 123控制系统设计 133.1系统总体构造 133.2光电转换器 143.3步进电动机 143.4单片机及其外围电路 163.5系统流程图 194系统软件流程及调试 204.1主控制模块软件设计 204.2光电跟踪模块程序设计 214.3视日运动轨迹跟踪模块程序设计 224.4实验观测数据分析 235结论 24参照文献 26道谢 27太阳能自动追光系统设计机械电子工程专业学生韦忠爽指引教师侯建华摘要：当前，太阳能运用装置放置位置大多是固定不变，而一天当中太阳与太阳能运用装置相对位置是时刻变化，这也就无法保证太阳能运用装置时刻受到阳光直射，从而使太阳光能运用率大大减少。为了提高太阳能运用率，设计一种循日追光系统，使太阳能运用装置最大限度运用太阳光能。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某些设计，机械某些分设计重要是通过步进电机1、步进电机2共同工作实现对太阳跟踪；控制某些设计是基于单片机自动控制系统，采用光电检测追踪模式，配合机械装置使系统更加稳定，提高了系统追踪精度。核心词：太阳能；循日追光；步进电动机；单片机TheDesignofAutomaticTrackingSystemStudentmajoringinMechanicalandelectricalengineeringLiYanTutorHouJianhuaAbstract：Atpresent，thesolarenergyutilizationdeviceplacedmostofthepositionisfixed,butthesunandsolarenergyutilizationoftherelativepositionofthedeviceisever-changingintheday，thisistoguaranteethesolarenergyutilizationdevicemomentisdirectsunshine，sothatthesunlightenergyutilizationgreatlyreduced.Inordertoimprovetheutilizationrateofsolarenergy，designasystemofsolartracking，tomakesolarenergyutilizationdevicemaximumuseofthesunlightenergy.Thesolartrackingsystemofthemechanicalpartandcontrolsystempartaredesigned.Themechanicalpartdesignistorealizethesuntrackingthroughthejointworkofsteppermotor1andsteppermotor2；thecontrolpartdesignistheautomaticcontrolsystembasedonsinglechip，usingphotoelectricdetectiontrackingmode，withthemechanicaldevicetomakethesystemmorestable，improvethesystemtrackingaccuracy.Keywords：SolarEnergy；SolarTracking；StepperMotor；SCM引言随着经济发展和社会进步，自然资源被人为任意开发和运用，面临枯竭境地，人类生活环境在大量自然资源使用过程中面临巨大威胁，由于人类对自然资源需求越来越高，因而，寻找可代替新能源成为当务之急。太阳能是一种干净环保并且取之不尽用之不竭可再生新能源，随着社会经济可持续发展这种趋势，太阳能在人类生活中起到越来越重要作用。于是，合理开发并提高太阳能运用率具备非常重要意义。众所周知，太阳在一天中位置由东向西发生着变化，而当前太阳能运用装置摆放位置大多是固定不变，这也就无法使太阳能运用装置时刻正对着太阳，太阳光也就无法时刻直射到其上面。因而，本文设计了一种自动循日智能型太阳能追光系统，使太阳能运用装置最大限度提高太阳能运用率。自动追光系统以AT89C51单片机为基本，工作可靠稳定，可以精准追踪太阳，使太阳光在一天当中始终直射到太阳运用装置上，最大限度提高太阳能运用率。此装置运用广泛，可在太阳能发电站、太阳能电池、太阳能路灯、太阳能热水器等方面使用。1太阳能自动追光系统总体设计方案1.1太阳运营规律太阳在一天中位置变化是周期性，是可以被预测。由于地球自转和地球绕太阳公转，使太阳相对于地面物体是运动。由于地球极轴与黄道天球极轴存在27度夹角，使得太阳赤尾角在一年当中发生变化。夏至时赤纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小；冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，直到夏至，另一种变化周期开始。1.2跟踪器机械执行某些比较选取分析考虑成本、跟踪器机械执行某些等各方面问题，有如下几种跟踪器。(一)陀螺典礼跟踪器12a12aBCⅡⅠ北南东北BCⅡⅠ北南东北1-马达2-马达Ⅰ-传动箱Ⅱ-传动箱a-接受器B-环形支架C-支架图1-1陀螺典礼跟踪器跟踪器所具备构造:传动箱Ⅰ安装在支架上,并将其固定；马达1安装在传动箱Ⅰ上，传动箱Ⅰ内部是由蜗杆、蜗轮构成运动副，马达1输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱Ⅰ输出轴连接环形支架，传动箱Ⅱ固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱Ⅱ上，传动箱Ⅱ内也是由蜗杆、蜗轮构成运动副。马达2输出轴连接蜗杆，接受器安装在环形支架上面(接受器相对于环形支架可以转动)，传动箱Ⅱ输出轴连接接受器[1]。跟踪器朝向安装有诸各种选取，依照图中所示安装，跟踪器执行原则如下：当太阳光线偏离发生时，所述控制某些会发出信号，此信号会驱动马达2带动传动箱Ⅱ中蜗轮蜗杆旋转，驱动接受器输出相对于支撑环旋转，跟踪太阳从东到西运动，在同一时间，控制某些发出信号驱动马达1带动传动箱Ⅰ中蜗杆和蜗轮旋转，第二次输出带动环支撑架和接受器旋转，跟踪太阳北部和南部方向运动，从而最后实现两个方向太阳跟踪。系统优势：跟踪机构构造简朴。追踪在两个方向上，使用蜗杆和蜗轮副传动，传动比大，构造紧凑，可以使用小功率电动机，且同一时间，使用小功率电动机，不但减少能源成本和制导致本，并且提供足够电力;蜗杆蜗轮对自锁性能好，可防风防雨。构造紧凑，运动空间是很大。传动装置安装在传动箱，受到了良好保护，提高了设备使用寿命。(二)齿圈转动式跟踪器aaⅡ21ⅠDB2B1AⅡ21ⅠDB2B1A1-马达2-马达Ⅰ-小齿轮Ⅱ-小齿轮a-接受器A-主轴B1-齿圈B2-齿圈D-转动架图1-2齿圈转动跟踪器该机构构造：马达1输出轴与小齿轮Ⅰ连接并将马达1固定在支架上，小齿轮Ⅰ与齿圈B1相啮合且齿圈B1连接到安装在支架上主轴，而马达2安装在主轴前部一块板上，马达2输出轴连接小齿轮Ⅱ，小齿轮Ⅱ与连接着转动架齿圈B2啮合，且转动架安装在主轴上[2]。机构实现自动跟踪原理：当太阳光线偏离发生时，控制某些所发出控制信号驱动马达1，进而带动小齿轮Ⅰ转动，小齿轮会带动齿圈B1和主轴A转动；在同一时间，控制信号会驱动马达2带动小齿轮Ⅱ转动，进而小齿轮Ⅱ带动齿圈B2和转动架D转动，通过马达1、马达2共同努力实现对太阳方位角和高度角跟踪。系统优势：该跟踪机构构造简朴，成本低。在两个方向跟踪，都运用齿轮副传递动力，在同一时间，使用功率较小马达，不但传递足够大动力，并且减少了其能源成本和制导致本；尽管使用了半个齿圈，然而能在紧凑构造下获得了较大传动比。本系统构造紧凑，运动空间是很大。(三)立柱转动式跟踪器该跟踪器所具备构造：将在底座上固定好大齿轮与小齿轮啮合，且小齿轮与马达1输出轴连接，主轴与它支撑轴承分别安装在底座上面。在转动架上将马达1固定好，在主轴上将转动架与支架都固定好，将接受器、马达2相继安装在支架上面，马达2输出轴与接受器互相连接[3]。跟踪器所实现自动追循原理：当太阳光线发生偏离时，控制某些将控制信号发出，来驱动马达1带动小齿轮转动，由于大齿轮是固定，那么小齿轮不但自转，并且绕大齿轮旋转，带动转动架转动，同步将固定在转动架上主轴、支架与接受器也发生相应转动；在同一时间，通过控制信号来驱动马达2，并且带动接受器转动，通过马达1和马达2共同努力来实现对太阳方位角和高度角跟踪。aaAE12CF1E2DAE12CF1E2D1-马达2-马达a-接受器A-主轴C-支架D-转动架E1-大齿轮E2-小齿轮F-底座图1-3立柱转动式跟踪器系统优势：该跟踪机构构造简朴，成本低。对于方位角跟踪，运用齿轮副传递动力，在同一时间，使用功率较小马达，不但传递足够大动力，并且减少了其能源成本和制导致本。它构造紧凑，刚度较高,传动装置安装在转动架下，受到了良好保护，有助于提高它寿命。1.3本课题机械设计方案图1-4为机械设计方案，该机构构造：在支架上马达1固定好，马达1输出轴与小齿轮1连接，小齿轮1与大齿轮啮合。把齿轮连接到主轴上，将主轴固定安装在支架上，在主轴前端板上将马达2安装，马达2输出轴与小齿轮2相啮合，小齿轮2与齿圈是啮合，齿圈连接着太阳能板，在主轴上将旋转框架安装。图1-4本课题机械设计方案机构所要实现自动跟踪原理为：若太阳光线位置发生偏离时,控制信号将会驱动马达1并且带动小齿轮1进行工作，进而小齿轮带动大齿轮和主轴工作；在同一时间,控制信号驱动马达2带动小齿轮2工作。小齿轮2带动齿圈和太阳能板工作，通过马达1和马达2共同努力完毕对太阳方位角和高度角跟踪。1.4跟踪方案比较选取当前采用跟踪太阳办法有诸多：(1)视日运动轨迹跟踪；(2)光电跟踪[4]。简朴简介一下这两种跟踪方案。(一)光电跟踪采用一级传感器跟踪方式是老式光电跟踪，这种跟踪系统由控制组件、跟踪头、和位置检测器构成[5]。1-5中所示跟踪系统框图。位置检测器重要由通过选定光敏传感器构成。控制某些重要是接受来自位置检测到薄弱信号，然后通过放大后送到跟踪头，其实跟踪头为跟踪装置执行元件。控制组件跟踪头功能+——放大器1镜子减速器电机放大器2功能+——放大器1镜子减速器电机放大器2位置检测器位置检测器测速机云遮切换装置测速机云遮切换装置图1-5跟踪系统框图象限光电转换原理如下图所示，接下来对五象限法太阳跟踪仪做一简朴简介。在半径为R/2小圆外面包围一种半径为R大圆，将两圆之间圆环分为四个象限。每个象限边界线和X轴均成为45度，小圆为第V像限[6]。IIIIIIIV图1-6五象限光电转换器原理在上述5个象限中为跟踪定位测向象限，V象限为主测象限。将5枚性能、面积、参数相似光电池安装在所设计5个象限内时，一旦阳光照射到5枚光电池上时会产生光电流，这时光电流强度与光强度成正比例关系。为了精准测量，在光电池前面放置可调节光学镜筒，把凸透镜放在镜筒前，透镜安装在镜筒外侧边沿，如图1-7中示出。当光线穿过透镜照到镜筒底部5枚光电池时，调节筒长度，使光斑完全覆盖5枚光电池。当太阳光与光轴形成某一角度时，光线通过透镜照射到5枚光电池时,所形成光斑将会发生偏移，在这样条件下,光斑不能完全覆盖在光电池上，因此生成光电流不全相似。将通过一系列解决光电流差输送给跟踪头，此时驱动电机开始动作,来调节所述跟踪装置,直到光电池输出光电流相似，这个时候太阳光线平行于透镜光轴，而驱动电机没有发生动作。安全、可靠是测量跟踪装置必要问题，该设备采用V象限主测光电池办法进行光强度测量和判断，使设备在晚间停止工作。将电压V1和外来控制电压V2进行对比，可选取恰当V1控制测量所需跟踪设备工作现状，在夜间,当V2<V1，该设备停止工作；当太阳光浮现时V1>V2，设备开始正常工作。图1-7镜筒构造光电池透镜光轴图1-7镜筒构造光电池透镜光轴从理论上讲，筒越长，光电池敏捷度系数就越高，但是筒长度与透镜之间参数也有存在关系，不也许没有限制增长。普通，它是取10-30厘米最佳。传感器精度高低决定了系统位置精度，因此很容易实现高精度跟踪装置。但是,当云覆盖很长一段时间,或当太阳刚升起清晨,太阳光线与透镜光轴之间角度超过一定夹角范畴，由于镜筒构造限制，透镜聚焦光点不能被光电池捕获到,这时跟踪装置便无法跟踪太阳，甚至引起执行机构错误动作。因此该跟踪装置只能在一定角度范畴内实现高精度跟踪，其跟踪范畴与镜筒构造关于。(二)视日运动轨迹跟踪太阳跟踪装置采用地平坐标系统是相对直观,以便可行，并且操作性强，但对一种轨迹坐标计算是没有详细计算公式问题。并且在一天中任何时刻,赤道坐标系中赤纬角和时角在相对运动中详细角度却是严格已知，在同一时间,赤道坐标系和水平坐标系统是密切相与地球运动有关，然后通过天文三角形之间关系式可以得到太阳和观测者位置之间关系。依照太阳轨迹算法分析，太阳轨迹位置,是由观测点位置和原则时间来拟定。在全球定位系统（GPS）应用中，可觉得系统提供高精度地理经度和纬度,以及本地时间，控制系统则依照提供地区和时间参数来拟定即时太阳位置，保证准拟定位和跟踪系统高精度及高靠性。在设立跟踪地点和基准零点后，控制系统可以自动操作依照水平坐标公式太阳能高度角和方位角太阳。然后控制系统依照太阳轨迹角每分钟变化驱动信号,实现跟踪装置二维旋转角度和方向变化。日落之后,停止跟踪,跟踪设备依照本来轨道路线回到基准零点。因而，可以看出，跟踪解决方案，无论是什么算法，这种算法过程是非常复杂，随着计算量增大会增长系统成本。跟踪开环系统，无角度反馈值，所觉得了实现高精度跟踪规定，不但对机械构造加工水平有较严格规定，并且与仪器安装与否对的有密切关系。必要规定在工程机械构造加工精度中有足够高生产。初始化安装时，仪器中心南北线与观测点地理南北线规定重叠。并且,用仪器底部水平准直仪将底面与地面保持水平,使仪器高度角处在地面水平面内。1.5本设计跟踪方案光敏电阻光强比较法。光敏电阻被选为本设计光敏器件。光敏电阻特点是它阻值随着光照强大小发生变化，运用这种特点，把两个完全相似光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向底部边沿。如果太阳光线垂直照射太阳能电池板时，那么两个光敏电阻接受到光照是同样，因而它们阻值是相似，此时电机是不转动。但是太阳光方向和电池板垂直方向有一定夹角时，则接受光比较多光敏电阻阻值减少，驱动电动机发生转动，始终到光敏电阻产生相似光照强度，这种形式称为光敏电阻光强比较法。2机械设计某些2.1太阳能自动追光系统机械设计方案本设计方案采用1.3所述办法对机械某些进行分析设计，并对齿轮、底座、轴承、中心轴、轴承等重要部件材料选取，尺寸计算进行分析校核，对机械某些抗风性进行系统分析。2.2齿轮选取(一)材料选取选用直齿圆柱齿轮传动[7]。太阳能自动旋转装置为普通工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB10095—88）。小齿轮材料选用40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料选用45钢（调质），硬度为240HBS。(二)尺寸计算初选模数m=4mm,中心距a=260，转动比i=4。普通齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=8到15度。初选齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=10度，则齿轮齿数Z2=iZ1=4×25=100。分度圆直径：小齿轮直径，取d1=100mm。大齿轮直径，取d2=405mm。（2-1）取齿宽系数=1.2b==1.2×100=120则取大齿轮宽度b2=120,小齿轮宽度b1=125。齿顶高（2-2）齿根高（2-3）齿高（2-4）(三)校核计算查文献[8]表12.9得使用系数KA＝1.35。查文献[8]图12.9得动载系数KV=1.1。查文献[8]表12.10得齿间载荷分派系数KHa。Ft=2T1/d1=2×2×104=400NkAFt/b=1035×400/120=405N/mm(2-5)εδ=[1.88-3.2×(1/Z1+1/Z2)]cosβ=[1.88-3.2×(1/25+1/100)cos10=1.72Zz=√(4-εδ)/3=0.87KHδ=1/Z2ε=1.32式中--圆周力；--端面重叠度；--重叠度系数。载荷系数KK=KAKVKHδKHβ(2-6)=1.35×1.1×1.32×1.45=2.84查文献[8]表12.12得弹性系数189.8。查文献[8]图12.16得节点区域系数2.5。查文献[8]表12.14得接触最小安全系数为1.25。总工作时间Th=10×360×2=7200h。应力循环次数107＜NL＜109（2-7）原预计应力循环次数对的。(2-8)接触寿命系数ZN:查文献[8]图12.18得=1.2，=1.3。许用接触应力 (2-9)验算许用接触应力(2-10)计算成果表白，接触疲劳强度较为适当，齿轮尺寸无需调节。2.3底座设计底座材料选用45钢[9]，底座要有足够支撑强度，同步也要满足尽量节约材料，因此，选取用焊接法组合底座。设计构造如图2-1所示。图2-1底座2.4中心轴选取(一)尺寸设计选取轴直径为30mm，长度为400mm。轴材料选取45钢，并进行调质解决。(二)轴校核可知材料强度极限：σb=598MPa，屈服极限：σs=353MPa[10]。又45钢是塑性材料，因此，要用屈服极限σs来校核。设横截面受力F大概为70KN。材料截面积为：S=πr²=706.5mm²。σ=F/S=99.1MPa<<σs=353MPa。因此，该轴符合规定。2.5轴承选取(一)轴承1选取该支承依照工作条件决定选用深沟球轴承，轴承径向载荷Fr=1500N，轴向载荷Fa=5500N，轴承转速n=300r/min，装轴承处轴颈直径大概为30mm，运转时有轻微冲击，预期计算寿命Lh=5000h。(1)求比值Fa/Fr=5500/1500=3.67>e(2)初步计算当量动载荷P，P=fp×(XFr+YFa)由于轻微冲击，因此载荷系数fp=1.0～1.2，取fp=1.2。同步可得X=0.56，Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才干求出。现暂选一近似中间值，取Y=1.5，则P=1.2×(0.56×1500＋1.5×5500)=10908N(3)求轴承应有基本额定动载荷值C=P׳√60n×Lh/10²=48758.76N(2-11)(二)轴承2选取该支承依照工作条件决定选用深沟球轴承，轴承径向载荷Fr=5500N，轴向载荷Fa=2700N，轴承转速n=300r/min，装轴承处轴颈直径为大概25mm，运转时有轻微冲击，预期计算寿命Lh=5000h。(1)求比值Fa/Fr=2700/5500=0.49>e(2)初步计算当量动载荷P，P=fp×(XFr+YFa)由于轻微冲击，因此载荷系数fp=1.0～1.2，取fp=1.2。同步可得X=0.56，Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才干求出。现暂选一近似中间值，取Y=1.5，则P=1.2×(0.56×5500＋1.5×2700)=8556N(3)求轴承应有基本额定动载荷值C=P׳√60n×Lh/10²·³=38245.32N2.6抗风性分析(一)底座上螺钉校核危险截面面积(2-12)螺钉应力副(2-13)选取螺钉性能级别5.6级则(2-14)螺钉疲劳极限(2-15)极限应力幅(2-16)(二)轴校核判断危险截面主轴端面往下170mm处材料选用45钢调质。对称循环疲劳极限(2-17)脉动循环疲劳极限(2-18)等效系数(2-19)截面上应力有效应力集中系数表面状态系数尺寸系数弯曲安全系数设为无限寿命，k=1(2-20)轴强度满足规定。3控制系统设计3.1系统总体构造传感器传感器光电转换单片机驱动器步进电机电源图3-1系统总体构造此系统由步进电机、光电转换器、89C51系列单片机以及相应外围电路等构成。太阳能电池板有两个自由度。控制机构将分别调节水平方向与垂直方向。单片机上电复位后，将使垂直方向处在旋转状态，单片机会判断采样进来电压信号，即两种也许电压有增大和减小，如电压是增大，则让电池板继续转动，一旦电压是减小，单片机会及时发出信号，让电机反转，实现跟踪太阳板。3.2光电转换器限位开关限位开关VCCLM124R1R2AU2ABU3AVCC图3-2光电转换电路光电转换装置接受太阳光，将光信号转换成电信号，依照所采集到信号，由单片机分析得最后控制步进电动旋转与转向来达到太阳能电池面板,成果始终是垂直于入射光线，从而达到运用太阳能最高效率。选为光敏电阻为本文设计光敏器件。光电转换电路在下面图片中是其中一组，另一组是相似电路。当太阳光线正对太阳能板时候，光敏电阻R1、R2都是高电阻，且A、B两点电压是相等。四运放LM124输出电压也是相似，单片机收到信号差值为零，因此单片机不能控制电动机转动。如果阳光倾斜，使Rl被阳光射中呈低电阻状态，则A点电位比B点点电位高。运算放大器U2A角色是一种电压跟随器，有缓冲、隔离、提高负载能力作用，保持稳定采样信号。U3A是减法器，A与B电压差值为其输出。由于在A和B之间电压差可以是正或负，而单片机输入电压值不能为负值，因此U3A正输入端接了个偏置电压电路，使U3A输出值始终是正值。3.3步进电动机(一)步进电动机简介步进电机是将电脉冲转化为角位移开环控制执行机构。当步进驱动器接受到一种脉冲信号，它就驱动步进电机按设定方向转动一种固定角度。因而非常适合单片机控制，推动了步进电动机发展，步进电动机应用开辟了辽阔前景。(二)步进电机选取（1）步进电机１选取预计步进电机1所需要最大静力矩不不不大于200N，故选用57BYGH1001混合式步进电机。表3-157BYGH1001混合式步进电机型号电压(V)电流(A)电阻

(Ω)最大静力矩

(N.cm)机身长(mm)输出轴直径

(mm)转动惯量(g.cm2)重量(kg)接线图57BYGH1001531.4200100101.56504.6（2）步进电机2选取预计步进电机2所需要最大推力不不不大于N，故选用8700系列螺杆轴混合式步进电机。技术参数如下：1)线圈双极性，2)最大推力2270N，3）位移辨别率0.127mm，4）工作电压5V，5）相电流3.12Amps，6）相电阻1.6，7）相电感8.8mH，9）功耗31.2W,10)最高温度130°C，11）重量2.3Kg，12）绝缘电阻20。步进电机步进电机电源步进电机驱动器步进电机驱动器图3-3步进电示意图（3）MT-2HB03M驱动器特点：双极驱动；驱动器工作电压12-40V；驱动电流0.8-3.5A；顾客可依照需要采用共阳极接法、共阴极接法或差分输入接法。共阳极接法：分别将CP+，U/D+，FREE+连接到控制系统电源上，如果此电源是+5V则可直接接入，如果此电源不不大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8-15mA驱动电流。输入信号通过CP-加入。此时，U/D-，FREE-在低电平时起作用。共阴极接法：分别将CP-，U/D-，FREE-连接到控制系统地端（SGND，与电源地隔离），+5V输入信号通过CP+加入。此时，U/D+，FREE+在高电平时起作用。限流电阻R规定与共阳极接法相似。差分输入接法：分别将CP-，U/D-，FREE-接差分信号负端、CP+，U/D+，FREE+接差分信号正端。其构造如图3-5所示：顾客控制单元12345612顾客控制单元123456123412ON小大MT-2HB03MAA-BB-VHGNDCP+CP-U/D+U/D-FREE+FREE-图3-5MT-2HB03M驱动器3.4单片机及其外围电路(一)AT89C51单片机AT89C5l是一种低功耗、高性能8位单片机，且片内带有4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器，它采用ATMEL高密度非易失性存存储器技术，并且与MCS-51指令集和输出管脚相兼容[11]。ATMELAT89C5l是一种高效微控制器，并且它具备功能强、灵活性高且价格合理特点，被诸多嵌入式控制系统应用。它具备如下重要特性:4K字节可编程序闪烁存贮器(可擦写1000次)；全静态工作频率:24MHz；三级程序存贮器锁定；128字节内部RMA；32可编程I/O线；两个16位定期器/计数器；6个中断源；可编程全双工串行通道；片内时钟震荡器[12]。（1）构造框图AT89C5l构造框图如图3-6所示。VCOP0.0-P0.7P2.0-P2.7GND口2驱动器口0驱动器GND口2驱动器口0驱动器PLASH存贮器口2锁存器口0锁存器RAMRAM地址寄存器PLASH存贮器口2锁存器口0锁存器RAMRAM地址寄存器ACG地栈指针B程序地址寄存器ACG地栈指针B程序地址寄存器TMP1TMP2TMP1TMP2缓冲器缓冲器中断、串口和定期器块ALMPC中断、串口和定期器块ALMPCPSW程序计数器PSW程序计数器定期控制指令寄存器DPTM定期控制指令寄存器DPTM口0锁存器口3锁存器口0锁存器口3锁存器GBC口3驱动器口1驱动器GBC口3驱动器口1驱动器P1.0-P1.7P3.0-P3.7图3-6单片机构造框图（2）AT89C51引脚：AT89C51引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装如图所示，共有40个引脚，下面将对某些引脚进行如下阐明[13]。Vcc:供电电压。GND:接地。XTAL1:反向震荡放大器输入和内部时钟工作电路输入。XTAL2:振荡器反相放大器输出端。RST：复位输入端。当振荡器复位器件时，保持RST脚两个机器周期高电平时间。P0口(PO.0-PO.7):P0口是一种8位漏极开路双向I/0口。每脚可吸取8位TTL门电流，当P0口锁存器写“1”时，被定义为高阻抗输入。它能用于访外部程序数据时存储器，它被定义为地址/数据总线第八位。在对Flash编程时，PO口接受指令字节;而在FLASH验证程序时，则输出指令字节,此时P0外接上拉电阻。P1口(P1.0-P1.7):P1口为一种内部上拉电阻8位双向I/O口。Pl输出可驱动4个TTL输入。作输入口使用时，由于有内部上拉电阻，那些被外部信号拉低引脚会输出一种电流。在Flash编程和验证时，P1口作为第八位地址接受。P2口(P2.0-P2.7):P2口是一种带有内部上拉电阻8位双向I/O口。P2口输出缓冲器可驱动4个TTL输入。当P2口被写“1”时，由于内部上拉电阻，其管脚电位被拉高，且作为输入。作为输入时，那些被外部信号拉低引脚会输出一种电流。P2口在FLASH编程和验证时4，接受高八位地址信号和控制信号。P1.0140VccP1.1239P0.0P1.2338P0.1P1.3437P0.2`P1.4536PO.3P1.5635PO.4P1.6734PO.5P1.7833PO.6AT89C51RST932PO.7AT89C51P3.01031EA/VppP3.11130ALE/PROGP3.21229PEENP3.31328P2.7P3.41427P2.6P3.51526P2.5P3.61625P2.4P3.71724P2.3XTAL21823P2.2XTAL11922P2.1GND2021P2.0图3-7AT89C51引脚(二)外围电路U18712V-12-U18712V-1242T1C31040.33uFC1C3GNDC5T1C31040.33uFJ13BRIDGE1uFJ1U27912V21U27912V21C2uFC4103-12GND-C2uFC4103-12GND-CON2TRAN352.2uFD2C4CON2TRAN352.2uF424BRIDGE1图3-8电源管理某些电路电源是电子设备最核心某些，因此电子设备可靠性重要取决于电源质量，并且电子设备60%故障来自电源，因此电源是电子设备构成中基本元件。在系统电路设计中，单片机系统需要+5V直流电源，步进电机和驱动器需要12V模仿电源。选用PKB05电源变压器可以将220V交流电压变换成正负12V电压。它初级是220V，50HZ/60Hz，。由于此变压器发出电压形式是交流电压，并且它并不稳定，再运用全桥整流，电容滤波会使电压稳定，分别用三端7812、7912稳压电源模块，并输出正负电压12V。电路在7812和7912输入端相继连接上0.33uFCBB电容、uF/25V电解电容。CBB电容过滤掉高频干扰，电解电容组合过滤掉低频干扰。为了得到干净电源，在输出端连接上104瓷片（0.1uF）电容，对输出+5V电源值再次进行滤波。3.5系统流程图打开系统之后，进行上电复位动作，系统进行初始化，初始化之后，系统一方面会判断此刻是白天还是夜晚，如果是夜晚，系统会启用中断解决程序，进入等待状态，反之，系统进入光电追踪模式。开始开始系统初始化系统初始化日出？日出？NY传感器跟踪传感器跟踪N电机要驱动吗？电机要驱动吗？ Y步进电机驱动步进电机驱动图3-9系统主流程图光敏电阻光强比较法流程如下图：开始开始R3与否不大于R4？电机正转电机正转电机反转电机反转R1与否不大于R2？NYNNN返回Y返回图3-10光敏电阻光强比较法流程图此程序设计比较简朴，需要单片机检测4个光敏电阻所相应单片机4个引脚电位高低，就可以判断出当时太阳方位，并对电动机发出相应命令。4系统软件流程及调试4.1主控制模块软件设计系统控制作用重要由主控芯片来完毕,跟踪装置控制系统主控芯片重要完毕两个任务，即光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。当清晨太阳升起时候，跟踪装置处在跟踪起始位置。完毕初始化后来，系统依托检测光伏电池两端电压来判断此时天气状况。通过光伏电池可知：如果光照强度越高，那么电池板两端电压就会越大。如果测出电压Vout超过了阈值Vturn,则太阳辐照光强强度达到了光电跟踪条件。如果通过光照强度达到没有规定，那么系统就会自动变为视日运动轨迹跟踪程序。不论哪种跟踪方式，电机驱动所发出脉冲数都将会被单片机记录下来。为了使系统更加科学化、精准化，本系统采用了间隔性跟踪办法：系统采用间隔式跟踪方式，这样在既节约了发电成本又不会影响跟踪精确度。当傍晚时，光线变弱，为避免系统装置发生错误判断，在方位角跟踪装置上安装两个位置开关。当跟踪接近于尾声，如果位置开关K1被碰触到,步进电机采用反转方式，直到与开关K2碰触,结束这一天跟踪。主流程图如图4-1所示：起始位置起始位置程序初始化天气条件符合（电压不不大于阀值）光电跟踪电动机转动并记录转动角度规定间隔时间（10分钟）到待机等待下次跟踪碰触位置开关K1？结束开始视日跟踪NNYY NN图4-1主程序流程图4.2光电跟踪模块程序设计光电跟踪是本跟踪系统重要跟踪方式。太阳光照到光敏传感器上后将会产生电压信号。不同光照强度在不同传感器上，产生不同电压值。水平方向上，D1和D2会产生不相似电压值，如果将两电压值采用差分放大方式，将其产生差值Vd1d2和预设值Vref1对比，并多次求值。如果Vd1d2比Vref1大,那么水平方向上光强检测电路输出端为低电平，此时单片机传出控制脉冲驱动步进电机Ml发生正转。太阳在水平方向上自东向西运动，因而电机Ml不需要反转就可完毕方位角跟踪。电机Ml产生转动始终到跟踪装置在水平方向与太阳相对。调节完方位角，再对俯角进行调节，调节办法基本相似。其程序流程图如图4-2所示。开始开始P1.1为低电平？方位角调节俯仰角调节P1.0为低电平（验证跟踪成果）天气条件符合？待机等待下次跟踪视日运动轨迹跟踪P1.2/P1.3为低电平？NNYYNYNYYYYY NNNNYY图4-2光电跟踪模块程序流程图通过单片机端口P1.2和P1.3可对电机进行控制，当P1.2为低电平，则电机正转，当P1.3为低电平时，则电机反转。随着太阳方位角与高度角相继跟踪之后，跟踪成果验证阶段随后展开，跟踪成果检查由光敏传感器DO及周边元件构成验证电路完毕，如果跟踪成果符合所需规定，程序随后进入待机状态，等待下次跟踪。如果跟踪成果超过规定范畴，单片机P1.0端口电平将被验证电路拉低，这样程序就自动进入跟踪状态，重新对方位角与高度角进行跟踪，直成果完全符合规定为止。在光电跟踪时侯，程序完毕一次跟踪之后，就会等待进入下次跟踪。当光线条件不够时，程序会自动进入视日运动轨迹跟踪模式。4.3视日运动轨迹跟踪模块程序设计视日运动轨迹跟踪方式和光电跟踪方式都在水平与竖直方向跟踪。系统每隔一定期间，就会对高度角和方位角采用一次跟踪。机每隔一定期间，单片会向步进电机驱动器发送CP脉冲和方向电平信号。咱们可依照对电池板转动角度和机械装置传动比，计算出步进电机在输出轴发生变化角度。太阳自东向西运动，在中午12时此前，方位角a是不大于0；在12时后来，方位角a则是不不大于0。高度角范畴是0〜120°,在正午时达到最大之后开始下降，直至为0。其程序流程图如图4-3所示：开始开始计算方位角γ计算方位角γ依照转过角度，计算所需脉冲N1依照转过角度，计算所需脉冲N1电机M1转动电机M1转动计算高度角h1计算高度角h1依照转过角度，计算所需脉冲数N2依照转过角度，计算所需脉冲数N2电机M2转动电机M2转动Y天气条件达到？Y天气条件达到？光电跟踪光电跟踪NN等待下一次跟踪等待下一次跟踪图4-3视日运动轨迹跟踪模块程序流程图4.4实验观测数据分析表4-1中列出了3月18日中午至下午三时左右理论数据，并用系统手动校准功能，记录下不同步刻步进电机实际运营步数。表4-1太阳自动循日系统登记表时间/(t)太阳方位/(。)太阳高度/(。)镜面方位/(。)镜面高度/(。)步进电机俯仰方向/步步进电机水平方位/步初始数值实际数值初始数值实际数值12:0212:1212:2212:3212:4212:5213:0613:1513:2513:3613:4613:5614:0614:1614:2614:3614:4614:5615:0188.630391.832695.027198.2101.338104.151107.191109.629112.283115.123117.635120.074122.44124.732126.949129.093131.165133.166134.14137.073137.064836.923636.656435.789635.156634.55133.785932.846431.899430.870729.764628.585527.337426.024624.65123.220622.485221.773224.926327.678930.891334.718839.38644.629651.923359.486170.036184.529799.7525115.296129.359141.014150.28