【太阳能自动跟踪器的设计12000字（论文）】

PAGEPAGEIII太阳能自动跟踪器的设计摘要太阳能作为一种清洁无污染的能源，开发前景十分广阔。然而由于太阳存在着间隙性，光照强度随着时间不断变化等问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求(本文首先介绍了太阳能技术，包括太阳能技术简介和太阳能资源接好。然后对太阳能自动跟踪器进行了介绍，包括太阳能自动跟踪器的概念和太阳能自动跟踪器的原理。接着对太阳能自动跟踪器进行设计，分析了控制系统所要实现的功能分析、控制系统的工作过程、系统硬件结构和软件结构设计、核心控制器件的选取、太阳方位检测模块、光强检测模块、数据采集模块、机械执行装置。然后分析了控制系统软件方案设计及优势，包括太阳自动跟踪主程序设计、自动跟踪式与固定安装式采样光强比较。最后进行总结。关键词：太阳能；跟踪器；设计目录TOC\o"1-3"\h\u5019第1章太阳能技术的发展 121651.1太阳能技术简介 1240661.2我国太阳能资源 125215第2章太阳能自动跟踪器概述 285262.1太阳能自动跟踪器概念 2115172.2太阳能自动跟踪器原理 227340第3章太阳能自动跟踪器设计 390233.1控制系统所要实现的功能分析 399713.2控制系统的工作过程 3196153.3系统硬件结构设计 4249463.4核心控制器件的选取 722753.4.1单片机的选取 7149763.4.2单片机的外围接口设计 8247773.4.3单片机对步进电机的驱动控制 9255363.5太阳方位检测模块 10173703.5.1太阳方位检测传感器 10187473.5.2四象限光电探测器的选择 12261073.5.3太阳方位检测电路 14284813.6光强检测模块 17169773.6.1硅光电池的选择 1751633.6.2光强检测电路 19139363.7数据采集模块 20238923.8机械执行装置 23327613.9本章小结 2420684第4章控制系统的软件设计方案及优势 25307224.1太阳自动跟踪主程序设计 25106264.2自动跟踪式与固定安装式采样光强比较 267784.3本章小结 2716903第5章结论 288520参考文献 2929199致谢 30第1章太阳能技术的发展1.1太阳能技术简介开发新能源和可再生资源是全世界面临的共同课题，在新能源中，太阳能发电已成为全球发展最快的技术。[1]目前很多太阳能电池板阵列基本都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。[2]据测试，在太阳能电池板阵列中，相同条件下采用自动跟踪系统发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右。

1.2我国太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／cm2·a，中值为586kJ／cm2·a。[3]从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816KJ／cm2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。[4]例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。第2章太阳能自动跟踪器概述2.1太阳能自动跟踪器概念所谓太阳能跟踪系统是能让太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。目前市场上所使用的跟踪系统按照驱动装置分为单轴太阳能自动跟踪系统和双轴太阳能自动跟踪系统。[5]所谓单轴是指仅可以水平方向跟踪太阳，在高度上根据地理和季节的变化人为的进行调节固定，这样不仅增加了工作量，而且跟踪精度也不够高。双轴跟踪可以在水平方位和高度两个方向跟踪太阳轨迹，显然双轴跟踪优于单轴跟踪。2.2太阳能自动跟踪器原理现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种：一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转;二是使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。[6]由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里所介绍的控制电路也包括两个电压比较器，但设在其输人端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻;一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输人端的比较电平始终为两者光照之差。[7]所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳，而且调试十分简单，成本也比较低。第3章太阳能自动跟踪器设计3.1控制系统所要实现的功能分析太阳自动跟踪装置控制系统需要实现的功能就是通过发出控制信号对跟踪系统机械执行机构的角度进行精确控制，实现对太阳运行轨迹的跟踪。[8]并要求整个系统能够自动处理各种因天气状况引起的误判断，能够全天候的自动运行，结构简单可靠，由于系统对控制对象移动速度要求不高，只要求位置角度的精确控制，因此用步进电机作为控制部件。系统具有自动复位的功能，在日落后能够自动控制机械执行机构回复到基准位置，并且停止转动，在第二天日出时刻自动从跟踪初始位置，进行新一天的跟踪。3.2控制系统的工作过程在一天中阳光充沛的时段里，系统采用光电跟踪方式，当太阳光照射到传感器上时，把太阳能电池板和太阳位置偏差给出的传感信号，经过前置放大器、电压跟随器后保存到控制器中，由控制器按照预先设定的程序进行一定的处理后控制步进电机转动，使聚光器随着太阳移动而转动，从而达到跟踪的目的。若遇到天气突变，程序自动转为视日跟踪。[9]这两种跟踪方式都进行方位角和高度角两个角度的精确调节。下面以青科大自动化学院楼楼顶为例来具体介绍本控制系统的工作原理。首先，可以设置一个定时器，控制视日轨迹跟踪系统工作的时间，比如早晨6：00。此时，视日轨迹粗跟踪开始，由控制器根据外部时钟提供的日期和时间以及当地地理经纬度，计算出太阳的粗略位置，编码器不断检测聚光器的当前位置，根据两者的偏差驱动聚光器向目标位置运动。[10]同时传感器不断检测光强，若光强满足精确跟踪阈值，则退出粗跟踪，进入传感器精确跟踪。跟踪过程中主控制器不断与上位机通信将当前跟踪信息发送给监控装置记录实验数据。系统组成如下图3.1所示。图3.1控制系统结构组成Fig.3.1controlsystemstructure3.3系统硬件结构设计系统的整体结构如图：图3.2太阳光自动跟踪系统结构示意图Fig.3.2sunlighttobeautomatictrackingsystemstructureschematicdrawing整个系统硬件设计分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统的硬件设计两大部分。硬件框图如下：图3.3系统硬件框图Figure3.3diagramofthesystemhardware各硬件所实现的主要功能如下：·太阳方位和光强检测传感器分别用于检测太阳的方位信息和光强信息；·太阳方位和光强检测电路分别用于实现光电检测信号的I/V转换和电压放大；·A/D转换器主要用作光电检测输出信号的模拟量输入通道；·外部时钟用于向计算机提供准确的年、月、日、时、分、秒等时间信息；·计算机用于控制A/D转换器进行光电检测信号的采集，并实现对步进电机的运动控制；·高度角和方位角电机分别用于带动太阳能电池板进行俯仰运动和水平旋转运动；·太阳能电池板主要将太阳能转换为电能并输送给充放电控制器；·充放电控制器主要对蓄电池组进行充放电控制以及直流电能的输出；·逆变器和DC/DC变换器分别将充放电控制器输出的直流电转换为交流电和其他幅值的直流电，供相应的负载使用。3.4核心控制器件的选取本课题研究的太阳自动跟踪系统为计算机控制系统，该系统中计算机主要是用来控制跟踪执行机构带动太阳能电池板转动的。计算机根据太阳方位检测模块和光强检测模块检测到的太阳方位信号和光强信号，并结合太阳运动轨迹跟踪模块计算出的太阳高度角和方位角的理论值，实现对跟踪执行机构中两个步进电机的控制，进而实现对太阳的跟踪。[11]该系统需要的工作速度不是很高，且数据处理量不大，因此结合设计成本及设计要求，本系统决定采用常见的MCS-51系列单片机作为控制核心。3.4.1单片机的选取本系统设计采用ATMEL公司的AT89C51作为微处理器。AT89C51是一种低电压、高性能的8位微处理器，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚完全兼容，其单片集成度高、处理能力强，与以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统相比，在硬件上具有更加简单、方便的优点。AT89C51单片机的主要特点如下：·片内含有4K字节的Flash存储器，地址为0000H~0FFFH；·128字节的内部RAM；·5个中断源，2个16位定时/计数器，4个8位I/O口；·可编程串行通道；·工作频率为0～24MHz；·可电擦写1000次，数据可保留10年；·低功耗的闲置和掉电模式；·片内振荡器和时钟电路。因此，AT89C51是一种功能强、灵活性高、价格合理的单片机，可很方便地应用于本控制系统中，且完全能够满足系统的工作要求。AT89C51芯片是用CHMOS工艺制造，功耗低；I/O口有较大的带负载能力，拉出电流可达25mA，可简化外围电路；执行速度较高；且具有程序加密性好、价位低廉等优点。图3.4是AT89C51的引脚结构图，共有40个引脚。有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。图3.4AT89C51的引脚结构图Fig.3.4AT89C51ofpinsstructure3.4.2单片机的外围接口设计在太阳自动跟踪系统中，AT89C51单片机是整个系统的控制核心，起着协调太阳方位检测、光强检测、数据采集、外部时钟以及驱动控制等各模块工作的作用，使系统稳定运行。[12]系统设计中AT89C51外围端口的分配情况如表3-1所示。表3-1中，P0.0～P0.2为单片机与外部时钟DS1302的通信控制端口，通过DS1302为单片机提供实时时间信息。P2.0～P2.7为A/D转换器数据线D0～D7，用于将A/D转换后的太阳方位和光强检测电路的输出信号输入到表3-1单片机端口分配表Tab.3-1Microcontrollerportdistributionlist端口号功能描述P0.0～P0.2外部时钟，连接DS1302P2.0～P2.7A/D转换器数据线D0～D7（P0.0为最低位）P2.0～P2.2A/D转换器地址信号（P0.2为最高位）P0.7/P3.6/P3.7A/D转换器控制信号P1.0A/D转换器结束标志P1.1～P1.2方位角步进电机控制信号（脉冲、方向）P1.3～P1.4高度角步进电机控制信号（脉冲、方向）ALE6分频脉冲输出单片机中。P0.7和P3.6的与非逻辑输出用于控制ADC0809的START和ALE端，当单片机完成一次向外写数据过程，START和ALE获得一个正脉冲，启动A/D转换，并且通过写数据使得A/D转换器获取P2.2～P2.0上的地址信号。直到A/D转换完毕，A/D转换器的EOC端输出上升沿，单片机通过Pl.0获取此上升沿，启动向外部写数据过程，P0.7和P3.7的与非逻辑输出控制ADC0809的OE端，当单片机启动写操作时，OE获得正脉冲，将数据送到数据线P2.7～P2.0上，供单片机读取并处理。这样就完成一次A/D数据采集过程，并且可通过单片机内部程序控制A/D转换器对各路输入信号依次采样，这样就可完成多路模拟信号的数据采集。Pl.1～Pl.4为两个步进电机的控制信号输出端，包括脉冲信号、方向信号及模式信号。其中，高度角和方位角步进电机分别为带动太阳能电池板做俯仰运动和水平旋转运动的步进电机。3.4.3单片机对步进电机的驱动控制计算机控制模块主要是对步进电机进行运动控制。由于太阳自动跟踪系统要实现跟踪执行机构位置角度的精确控制，并且对跟踪执行机构的移动速度要求不高，因此本系统采用步进电机作为跟踪执行部件。[13]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。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（即步进角）。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。[14]对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方法。本控制系统采用串行控制方法，采用串行控制时单片机与步进电机驱动器之间只有两条控制线，一条用来发送时钟脉冲串，另一条用来发送方向电平信号。相应的驱动控制框图如图3.5所示。图3.5步进电机的驱动控制框图Fig.3.5Steppingmotordrivercontroldiagram单片机输出的脉冲和方向电平信号都被送入步进电机驱动器的环形分配器的输入端，由环形分配器来完成电动机各相励磁的分配及顺序转换。由于单片机和驱动器之间只有两条控制线，系统构成简单。系统从脉冲控制线按电动机旋转速度的要求发出相应周期间隔的脉冲，即可使电动机旋转。当需要电动机恒转速运行时，就发出恒定周期的脉冲串；当需要加减速运行时，就发出周期递减或周期递增的脉冲串；当需要锁定状态时，只要停止发脉冲串就可以了。由此可以方便的对电动机转速进行控制。[15]方向电平控制线可实现对电动机方向的控制，为低电平“0”时，环形分配器按正方向进行脉冲分配，电动机正向旋转；而为高电平“1”时，环形分配器按反方向进行脉冲分配，电动机反向旋转。这样就可以方便地对两个步进电机进行运动控制，进而实现太阳自动跟踪。3.5太阳方位检测模块3.5.1太阳方位检测传感器在光电跟踪中，通常将若干个光电特性相近的某种光敏器件（如光电二极管、光敏电阻、硅光电池等）以一定的位置关系对称放置，并与相应的运放电路相连，构成太阳方位检测传感器。这种传感器利用光敏器件在光照下产生的光电流与光照面积和光照强度成正比，且随着太阳方位变化而改变的原理，间接地确定太阳的偏转方向，进行太阳跟踪。在实际应用中，这种形式的太阳方位检测传感器中的各光敏器件的光电转换效率往往不一致，导致检测误差比较大，很难保证光电跟踪的准确性。为提高光电跟踪的准确性和稳定性，本系统采用一种光电集成器件——四象限光电探测器作为太阳方位检测传感器。四象限光电探测器是一种灵敏度很高的光电探测器件，由四个光电一致性较好的、相互独立的探测器封装而成，每个探测器又由光敏器件构成。四象限光电探测器是基于四象限定位法进行光电探测的，它的每个探测器分别对应直角坐标系的一个象限，相应的四象限定位原理如图3.6所示。太阳直射光线通过图3.7所示的通光筒在四象限探测器的圆形光敏面上形成入射光斑，当太阳垂直入射时，光斑在四个象限A、B、C、D上的分布面积相等，相应地四个象限上探测器输出的光电信号幅值相等；当太阳移动时，光斑在四个象限上的分布发生变化，四个象限上探测器输出的光电信号幅值也相应变化。根据光斑在各象限上能量分布的比例，能够计算出入射光斑的中心位置，从而确定太阳的空间方位，以便跟踪太阳的方位变化。图3.6四象限定位原理图Fig.3.6Fourquadrantpositioningprinciplediagram图3.7通光筒Fig.3.7Theopticaltube用于计算光斑在四象限光电探测器上位置偏移的方法中，比较经典的是四象限加减算法，计算公式如式（3-1）和（3-2）所示(3-1)(3-2)其中，SA、SB、SC、SD分别代表光斑在四象限光电探测器四个象限上的分布面积。Ex和Ey分别代表光斑在x轴和y轴上的偏移分量。为消除光线强度的影响，进行归一化处理：(3-3)(3-4)对于本系统而言，图3.6中的x轴和y轴分别对应太阳的方位角方向和高度角方向。Ex′>0时，代表太阳在方位角方向上向西偏移，反之向东；Ey′>0时，代表太阳在高度角方向上向北偏移，反之向南。因此，计算机可以根据Ex′和Ey′的大小和符号，控制跟踪装置中的步进电机旋转，拖动太阳能电池板自动调整，进行太阳方位跟踪。3.5.2四象限光电探测器的选择本系统采用美国PacificSiliconSensor公司的QP50-6型四象限光电二极管探测器进行太阳方位检测，其实物如图3.8所示。该探测器的直径为14mm，光敏区域是一个直径为7.8mm、面积为50mm2的圆面，该圆面由4个面积为11.78mm2的象限组成，每个象限对应一个光电二极管，4个象限的一致性误差小于1%。如图3.9所示，探测器共有6个管脚，其中1、3、4、6号管脚各连接一个光电二极管的阳极，2号管脚悬空，5号管脚为4个光电二极管的公共阴极。图3.8QP50-6型四象限光电探测器实物图Fig.3.8QP50-6typefourquadrantphotoelectricdetectorrealfigure图3.9QP50-6的管脚图Fig.3.9QP50-6feetofthetubemap表3-2QP50-6型四象限光电探测器的主要参数Fig.3-2QP50-6typefourquadrantphotoelectricdetector'smainparameters封装TO8S窗口材料增透玻璃光敏面直径（mm）7.8光敏面积(mm2)50.00典型暗电流（nA）2.0最大电容值（pF）25.0击穿电压（V）15响应时间（ns）50感光范围（nm）400～1100工作温度（℃）-20～+70储存温度（℃）-25～+100该探测器具有象限间隙小、响应快速、低暗电流、高分流电阻、高精度(50µm)的特点，如表3-2所示。探测器的感光范围比较宽，为可见光波段，适用于对太阳光的探测，典型光谱响应曲线如图3.10所示（横坐标代表入射光线波长，单位为nm；纵坐标代表相对响应度）。图3.10QP50-6型四象限光电探测器典型的光谱响应曲线Fig.3.10QP50-6typefourquadrantphotoelectricdetectorspectralresponsecurveofthetypical3.5.3太阳方位检测电路太阳方位检测电路主要用于检测太阳高度角和方位角的变化，该电路主要由QP50-6型四象限光电探测器和LF444CN型集成运算放大器构成。其中，LF444CN是四运放集成电路，具有低功耗、高输入阻抗、高共模抑制比的特点，适用于对微弱信号进行放大的场合。它采用14脚双列直插塑料封装，内部包含四组结构形式完全相同的运算放大器。除了电源共用外，四组运算放大器相互独立。每一组运算放大器均可用图3.11所示的符号来表示，它有5图3.11运算放大器符号Fig.3.11Operationalamplifiersymbols个引脚，其中“Vi-”、“Vi+”分别为反向、正向信号输入端，“V+”、“V-”分别为正、负电源输入端，“Vo”为信号输出端。LF444CN的引脚排列见图3.12。图3.12LF444CN的引脚排列图Fig.3.12LF444CNarrangmentdiagramofthepins太阳方位检测电路连接如图3.13所示，四象限光电探测器中象限A、B、C、D对应的4个光电二极管的公共阴极与直流电源相连，阳极分别与LF444CN中的4个运算放大器A1、A2、A3、A4的反向输入端相连。探测器中4个光电二极管在光照下产生的光电流IA、IB、IC、ID，分别经前级运放A1、A2、A3、A4进行I/V变换，转换为与太阳光照面积和光照强度正比的电压信号，这些电压信号又分别通过后级运放A5、A6、A7、A8进行同向电压放大，得到正的电压信号UA、UB、UC、UD。另外，探测器4个象限对应的运放电路是完全对称的，即R1=R2=R3=R4=R5、R6=R8=R10=R12、R7=R9=R11=R13。输出电压信号UA、UB、UC、UD将分别通过LF444CN的4个输出端接到A/D转换器的输入端。计算机通过A/D转换器读取这些电压信号，然后利用3.1.1节中提出的四象限加减法计算出太阳在方位角和高度角方向的偏移信号，进而控制跟踪机构进行太阳方位跟踪。

图3.13太阳方位检测电路图Fig.3.13Thesunpositiondetectioncircuitdiagram四象限加减法的计算公式如式（3-3）和（3-4）所示，式中代表太阳入射光斑在探测器四个象限上分布面积的SA、SB、SC、SD分别与太阳方位检测电路的输出电压UA、UB、UC、UD的幅值成正比，故式（3-3）和（3-4）可分别等价为式（3-5）和（3-6）。为消除光线强度的影响，式中已进行了归一化处理，其中Ex′和Ey′分别反映了太阳在方位角方向和高度角方向的偏移情况[17]。(3-5)(3-6)计算机根据Ex′和Ey′的幅值和符号，分别控制跟踪机构带动太阳能电池板在水平方向（即太阳方位角方向）和垂直方向（即太阳高度角方向）旋转，以闭环反馈控制的形式减小太阳运动轨迹跟踪的积累误差，使尽可能多的太阳光线照射到太阳能电池板上。3.6光强检测模块3.6.1硅光电池的选择本系统采用SP0606型硅光电池作为光强检测传感器，其实物如图3.14所示。该硅光电池相当于一个大面积的光电二极管，其基本结构如图3.15所示，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一个内电场。当没有光照射时，硅光电池相当于普通的二极管；当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就会有光生电流流过[18]负载，此时硅光电池相当于电流源，且该光电流的大小与光照强度成正比。图3.14SP0606型硅光电池实物图Fig.3.14SP0606typephotocell.Realfigure图3.15SP0606型硅光电池的结构示意图Fig.3.15SP0606typeofphotocellstructureschematicdrawingSP0606适用于工作在300nm到1000nm光谱范围内的各种光学仪器，对紫蓝光有较高的灵敏度，可用于伪钞鉴别、紫蓝光探测电器、电子仪器、光学仪表、自控设备、光纤通讯等方面。其主要参数如表3-3所示。表3-3SP0606型硅光电池的主要参数Tab.3-3SP0606typethemainparametersofphotocell封装陶瓷封装窗口材料滤光平板玻璃光敏面积(mm2)6×6典型暗电流(nA)0.01开路电流（100Lx）(mV)300短路电流（100Lx）(μA)>5感光范围（nm）300～1000峰值波长（nm）700该硅光电池的输出开路电压和短路电流与入射光强的关系曲线如图3.16所示。从图中可以看出短路电流与入射光强呈线性正比例关系；开路电压，在入射光强达到40mw/cm以上时，基本保持不变，这是由于出现了饱和[19]。此外，该硅光电池的输出开路电压和短路电流还与环境温度有一定关系，如图3.17所示，可看出随着环境温度升高，短路电流呈小幅度增大的趋势，而开路电压却线性减小，且变化的幅度较大。当环境温度从0℃升高到120℃时，开路电压减小的幅度达到40%左右，可见，开路电压受环境温度的影响比较大。因此，考虑到SP0606型硅光电池的输出短路电流与入射光强呈线性正比例关系，且受环境温度的影响比较小，选择短路电流作为光强检测电路的检测对象。图3.16SP0606型硅光电池的开路电压和短路电流与入射光强的关系曲线Figure3.16SP0606typeofphotocellopenvoltageandshortcircuitcurrentincidentlightandstrongrelationshipbetweencurve图3.17SP0606型硅光电池的开路电路和短路电流与环境温度的关系曲线Fig.3.17SP0606typeofphotocellopencircuitandshortcircuitcurrentandenvironmentaltemperaturecurvebetweenpressureandshortcircuitcurrentincidentlightandstrongrelationshipbetweencurve3.6.2光强检测电路光强检测电路将太阳光线的辐射强度信息转化为电压信号的形式输出，主要由SP0606型硅光电池和LF444CN型集成运算放大器组成，电路连接如图3.18所示。图3.18太阳光强检测电路图Fig.3.18Thelightfromthesunisstrongdetectioncircuitdiagram在光强检测电路中，硅光电池的正端与前级运放A9的正向输入端相连后接地，负端与前级运放A9的反向输入端相连，硅光电池处于零偏状态。硅光电池在光照条件下产生的光电流I经反馈电阻R14转换为电压信号，即前级运放A9实现了光电流的I/V变换。后级运放A10主要进行电压的同向放大，输出电压UG与光电流IG存在如下关系：(3-7)由式（3-7）可知，U与I呈正比例关系，且I与光照强度成正比，故光强检测电路的输出信号U也与光照强度成正比。图3.18中，后级运放A10的输出端与A/D转换器的输入端相连，计算机通过对A/D转换器的控制操作获取光强检测电路的输出信号U。计算机每隔一定时间采集一组光强检测电路的输出信号，并计算出采样信号的均值和波动幅值，然后将两个计算值分别与本系统所在地（青岛）阴雨天时典型的光强检测输出信号u0和多云天气时的光强波动阈值e进行比较，以判断当前的天气状况。3.7数据采集模块由3.5节和3.6节可以了解到，太阳方位检测电路输出电压信号UA、UB、UC、UD和光强检测电路的输出电压信号UG均为模拟信号，需通过专门的模拟量输入通道才能输入到计算机中。根据太阳自动跟踪系统的检测数据特点和技术要求，进行数据采集模块的设计，其原理框图如图3.19所示。UAUAUBUCAUDAUGA太阳方位角检测传感器光强检测传感器MUX多路模拟开关采样保持器A/D转换器计算机接口图3.19数据采集模块的原理框图Fig.3.19Dataacquisitionmoduleoftheprinciplediagram本课题研究的太阳自动跟踪系统为定时跟踪系统，不需要对传感器的检测数据进行实时采样和处理。因而，对数据采集模块的采样速率要求不是很高。此外，考虑到太阳方位检测传感器和光强检测传感器检测到的光电流信号均为微弱信号，经转换、放大后输出的电压信号幅值一般为0～5V。由表3.4可知，满度值为5V的8位A/D转换器的ILSB为19.5mV，即最大采样误差为19.5mV，考虑到放大电路的增益比较大，对应于前端传感器的输出电压信号误表3.4A/D转换器的分辨率（满度值为5V）Tab.3.4A/Dconverterresolution(fullmeasurefor5V)位数级数1LSB（满度值的百分数）1LSB（5V满度）82560.195%19.5mV1240960.0122%1.22mV16655360.00075%0.075mV2010485760.0000475%7.75µV24167772160.0000030%0.30µV差约为几毫伏，检测电路的输出信号幅值为为几百毫伏到几伏，完全可以满足系统的需要。因此，在综合考虑分辨率、采样速度和成本后，最终选择ADC0809作为本系统的A/D转换器。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接通过接口相连。（1）ADC0809的内部逻辑结构由图3.20可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.20AD0809逻辑结构图Fig.3.20AD0809logicalstructure（2）ADC0809引脚功能ADC0809采用28引脚双列直插式封装形式，功能如下：·D7～D0：8位数字量输出引脚；·IN0～IN7：8位模拟量输入引脚；·VCC：+5V工作电压，GND：地；·REF（+）、REF（-）：参考电压输入端；·START：A/D转换启动信号输入端；·ALE：地址锁存允许信号输入端，以上两种信号用于启动A/D转换；.·EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平；·OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器；·CLK：时钟信号输入端，一般为500KHz；·A、B、C：8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。（3）ADC0809的工作时序图3.21AD0809工作时序图Fig.3.21AD0809worktimingdiagram图3.21是ADC0809的工作时序图，START为ADC0809的“启动”信号，它的上升沿使SAR复位(置零)，下降沿启动ADC0809工作。ALE为地址锁存使能端，高电平有效，用于锁存A、B、C三条地址线上的数据。地址译码器对锁存器的地址进行译码，产生用于选择模拟输入信号的控制信号，使模拟选择开关开始选择八路信号中的一路作为输入信号。EOC为ADC0809转换结束输出端，高电平表示ADC0809转换器转换完毕，通知控制器电路从ADC0809的存储器中读出被转换好的数字数据。OE为数据输出使能端，当它为高电平时，数据被送到数据输出引脚上，供外部电路读出。（4）ADC0809在系统中的使用太阳自动跟踪系统中共有5路模拟电压信号需要采集，仅需要占用ADC0809的八个输入端中的IN0～IN4即可，为了减少干扰，将IN5～IN7接地。参考电压引脚REF(-)接地，REF(+)接+5V；输出允许控制端OE由单片机的/RD端和P0.7端的与非逻辑输出来控制；启动控制输入端START和地址锁存控制端ALE连接在一起，由单片机/WR端和P0.7端的与非逻辑输出来控制；8位数字量输出端D7～D0直接与单片机的P2.7～P2.0端口连接；三位地址选通输入端A、B、C与数字量输出端D2～D0连接在一起，利用单片机的P2.2～P2.0端口提供地址信号。这样，ADC0809就可以在单片机的控制下进行模拟信号的采集和转换。3.8机械执行装置由2.1节中的介绍可知，赤道坐标系相对地平坐标系更为简单直接，可以精确地描述太阳的运行轨迹。但赤道坐标系是以赤道平面、地球的极轴为基准，在实际应用中跟踪装置机械结构的设计和安装都很困难，因此在满足跟踪准确度的前提下采用地平坐标系，由当地的纬度、日期、时间计算太阳的方位角和高度角，从而控制步进电机实现跟踪装置对太阳的跟踪。大齿轮R1固定在方位轴上，且齿轮中心与方位轴的轴心重合，方位轴安装在基座上，其相对于基座可以转动，电机M1转动可以带动大齿轮Rl动作产生大的转矩。大齿轮R2固定在俯仰轴上，电机M2与大齿轮R2啮合，俯仰轴连接在光伏阵列的旋转轴上。位置开关的作用是当光伏阵列转动的范围超过预设范围时，停止跟踪，自动复位。图3.22机械执行装置Fig.3.22Machineryexecutingdevice跟踪机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线偏移量超过限定的阈值，首先控制器发出控制信号驱动电机M1转动，电机输出轴带动固定轴上的大齿轮R1转动，因此带动方位轴以及固定在方位轴上的转动架及光伏阵列同步转动，实现了水平方向的跟踪。整个跟踪机构的结构紧凑，大齿轮的应用还提高了跟踪的准确度，且提高了传动装置的寿命。3.9本章小结本章主要阐述了系统的硬件设计，主要包括太阳自动跟踪系统设计。先后进行了计算机控制模块核心器件的介绍、光电检测器件的选取、太阳方位检测电路和光强检测电路、数据采集模块的设计和功能介绍。对太阳自动跟踪系统的硬件设计部分进行了详细介绍。第4章控制系统的软件设计方案及优势4.1太阳自动跟踪主程序设计太阳自动跟踪系统主流程如图4-1所示。系统开始工作时，首先判断跟踪机构是否处于正常工作时间，若不是，则直接结束。若是设定的正常工作时间，则系统初始化。初始化指的是太阳方位角为零的方向，即对应太阳高度角为零的方向。然后，获取系统当前的日期、时间信息，以及系统所在地的经度和纬度值，计算出当天的日出和日落时间，并进行视日运动轨迹跟踪。然后由光强检测装置检测是否达到光电跟踪的光强底限值，若是，则执行光电跟踪模式，若不是则继续执行视日运动轨迹跟踪，然后存储位置信息，判断是否在工作时间内，跟踪机构转自起始位置，系统进入跟踪循环过程中。图4-1太阳光自动跟踪系统主程序流程Fig.4-1Thesuntob