【正文】 ................. 32 參考文獻 .................................................................................................................................. 33 附錄 A 英文原文 ................................................................................................................... 34 附錄 B 中文翻譯 ................................................................................................................... 36 太陽能跟蹤系統(tǒng) ...................................................................................................................... 36 附錄 C proteus 仿真圖 .......................................................................................................... 38 附錄 D 程序 .......................................................................................................................... 39 沈陽理工大學學士學位論文 1 1 緒論 太陽能跟蹤的背景及意義 能源短缺問題是目前許多國家面臨的重要問題，太陽能作為一種清潔無污染的能源，有著巨大的開發(fā)前景。我國是一個太陽能資源較為豐富的國家，充分利用太陽能資源，有著深遠的能源戰(zhàn)略意義。利用太陽能的關(guān)鍵是提高太陽能電池板采集太陽能的效率，太陽能電池板接受太陽光的直射，由此得到太陽最大光照強度，從而最大限度的采集太陽能。目前太陽能電池板普遍采用半自動單軸跟蹤方式和電池板 固定朝南安裝的方式。這些方法存在的缺點是：轉(zhuǎn)換效率較低、跟蹤適應(yīng)能力弱、跟蹤精度低。因此太陽能電池板如能配合基于單片機的太陽能跟蹤控制器的設(shè)計，該系統(tǒng)能夠跟蹤太陽的實時位置，精度高，適應(yīng)性強，有望在光伏發(fā)電中使用。 太陽能跟蹤控制器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 目前國內(nèi)外跟蹤太陽能的方法有很多，但不外乎采用這兩種方式：光電跟蹤和根據(jù)日運動軌跡跟蹤：前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。 1． 光電跟蹤 目前，國內(nèi)常用的光電跟蹤有重力式，電磁式和電動式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器如硅光電管。在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準太陽，硅電池處于陰影區(qū)，當太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管受到陽關(guān)直射輸出一定值的微電流。作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由伺服電機調(diào)整角度使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。光電跟蹤靈敏度高，但結(jié)構(gòu)設(shè)計較為方便。 但受天氣的影響較大，如果在稍長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到光電管上，導致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至引起執(zhí)行結(jié)構(gòu)的誤動作。 2. 視日運動軌跡跟蹤 根據(jù)跟蹤系數(shù)的軸數(shù)，視日運動軌跡系統(tǒng)可分為單軸和雙軸兩種。 視日運動跟蹤原理：計算機現(xiàn)根據(jù)天文學中太陽運行規(guī)律的公式計算出一天內(nèi)某時刻太陽高度角和方位角的理論值，然后運行控制程序調(diào)整定日鏡裝置的高度和方位角，完成對太陽能的實時跟蹤。此類跟蹤控制的優(yōu)點是控制簡單，不受天氣影響，可靠性強。缺點是在計算太陽角度的過程中會產(chǎn)生累積誤差，而且其自身無法消除，需要定期校正。 (1)單軸跟蹤 沈陽理工大學學士學位論文 2 單軸跟蹤一般采用： 1 傾斜布置東西跟蹤； 2 焦線南北水平布置，東西跟蹤； 3 焦線東西水平態(tài)置，南北跟蹤。這三種都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向跟蹤，工作原理相似。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與光采集面垂直，此時熱量最大；而在早上或下午太陽光線都是斜射。 單軸跟蹤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想。 (2)雙軸跟蹤 如果能能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽就可以獲得最大的太陽能，全跟蹤即雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求設(shè)計的。 極軸式全跟蹤 是一種雙軸跟蹤方式 。 極軸式全跟蹤原理如圖 所示，聚光鏡的一軸指向天球北極，即與地球 自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時反射鏡面繞極軸運轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向方向相反用以跟蹤太陽的視日運動；反射鏡圍繞赤緯軸作仰俯運動是為了適應(yīng)赤緯角的變化。通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整 。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計比較困難。 圖 極軸式跟蹤 太陽能跟蹤控制器概念及原理 本設(shè)計以 AT89S52 單片機作為核心控制元件，通過將兩個光電傳感器采集到的信號經(jīng)過比較電路和 A/D，將比較結(jié)果輸出至單片機，由單片機分析處理數(shù)據(jù)并輸出至沈陽理工大學學士學位論文 3 ALN2021A 從而控制五線四相步進電機來實現(xiàn)對太陽位置的跟蹤。該系統(tǒng)具有低成本的優(yōu)點，且具有較好的抗干擾能力，提高了對太陽光能的利用率。 太陽能跟蹤控制器的研究內(nèi)容與過程 第一步：分析太陽跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)特點和運動分析及可能的工作狀態(tài)，提出合理的控制策略。 第二步： 根據(jù)所需要完成的任務(wù)選取控制芯片，并分析系統(tǒng)的軟硬件需求。 第三步： 根據(jù)所提出的控制策略設(shè)計控制系統(tǒng)，選擇合適的控制執(zhí)行部件及電機。 第四步： 根據(jù)軟硬件需求和芯片資源進行軟硬件設(shè)計，選擇適當?shù)膫鞲衅?，編制? 制程序，實現(xiàn)精確跟蹤。沈陽理工大學學士學位論文 4 2 太陽能跟蹤控制器 設(shè)計方案 功能描述 本設(shè)計以 AT89S52 單片機作為核心控制元件，跟蹤器由兩個光敏電阻組成的電路板搭成 45 度結(jié)構(gòu)，并由步進電機控制底座轉(zhuǎn)動 。通過將兩個光敏電阻 采集到的信號經(jīng)過比較電路和 A/D，將比較結(jié)果輸出至單片機，由單片機分析處理數(shù)據(jù)并輸出至 ALN2021A從而控制五線四相步進電機來實現(xiàn)對太陽位置的跟蹤。該系統(tǒng)具有低成本的優(yōu)點，且具有較好的抗干擾能力，提高了對太陽光能的利用率。 方案論證 主控系統(tǒng)選擇 方案一：采用高性能嵌入式系統(tǒng)，比如 ARM。如果采用此方案，可以很好的解決數(shù)據(jù)處理和控制功能，但是 ARM 價格昂貴且本科階段很少接觸，在短時間內(nèi)完成困難比較大。 方案二：采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，如 FPGA， CPLD 但本題屬于控制類， FPGA是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、EPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個部分。 方案三：采用 單片機來實現(xiàn)。 考慮到方案的可實行性和性價比，我們采用 STC89C52 51 單片機作為控制芯片，十分適用于太陽能跟蹤 。表現(xiàn)在：主要控制參數(shù)通過設(shè)置寄存器變量來實現(xiàn)，修改方便；成本低廉，性能與相對簡單的太陽能跟蹤裝置系統(tǒng)匹配；數(shù)字化的控制系統(tǒng)，可以達到較高的精度，并有可能通過串行通信實現(xiàn)遠程監(jiān)控和模塊化處理；可處理多個中斷，系統(tǒng)運行后可能出現(xiàn)以前沒有考慮到的特殊情況，相應(yīng)的擴充政策十分簡單。 結(jié)合本次設(shè)計的任務(wù)要求，以及上訴兩種方案的參照對比，我決定采用方案 2。具沈陽理工大學學士學位論文 5 體采用 STC89C52 控制芯片，下面 介紹一下 STC89C52。 其管腳圖如圖 所示 ： 圖 TC89C52 引腳圖 STC89C52 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器俗稱單片機。 STC89C52 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中 ,STC89C52 是一種高效微控制器。 STC89C52 單片機為很多 嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 STC89C52 主要功能模塊： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 沈陽理工大學學士學位論文 6 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 STC89C52 管角說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和 校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 STC89C52 的一些特殊功能口，如下所示： 管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） 沈陽理工大學學士學位論文 7 /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當 /EA 保持