【正文】 形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式 — 電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)： 1. 太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，每天照射到地球上的太陽(yáng)能是人類消耗的能 6000 倍。這樣巨大的能源增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出今天所消耗的能源數(shù)量，以油當(dāng)量計(jì)算，大約是目前沙特阿拉伯石油產(chǎn)量的 10 倍 中國(guó)能源消費(fèi)目前已經(jīng)占世界總量的 %使得世界越來(lái)越將能源的話題聚焦在中國(guó)和亞太地區(qū)； 能源危機(jī)已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。 Photosensitive resistance。 (3) Design circuit diagram of the entire system。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 。 （ 2） 設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍電路， 光電轉(zhuǎn)換電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路 。根據(jù)要求和各個(gè)模塊的功能，完成主要器件的選型。當(dāng)轉(zhuǎn)到既定位置之后再采用光電跟蹤方式，精確定位。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤將太陽(yáng)位置受時(shí)間、季節(jié)、所在地區(qū)經(jīng)維度等因素綜合考慮。太陽(yáng)能作為一種作為一種清潔能源，倍受人們重視。加速開(kāi)發(fā)以太陽(yáng)能為主體的可再生能源以成為人們的共識(shí)。光電跟蹤主要控制過(guò)程是：由光敏傳感器采集太陽(yáng)與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)緩慢調(diào)整角度。先大致定位太陽(yáng)的位置。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)，提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并確定方案性原理上的可行性。 主要工作包括以下內(nèi)容： （ 1） 設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤的 電路原理圖 。 關(guān)鍵詞： 光電跟蹤 。 (2) Design the MCU peripheral circuit , photoelectric conversion circuit, stepper motor drive control circuit。 sun’s trajectory tracking 。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展需要更多的能源滿足人們的需求！尤其是正處于發(fā)展高速期的我國(guó)更是對(duì)能源的需求更加旺盛；預(yù)計(jì)全球?qū)Ω鞣N能源的需求年均增長(zhǎng)約 %， 到 2030 年日需 求量將從目前的約 億桶油當(dāng)量增加到約 億桶油當(dāng)量。各國(guó)多石油的爭(zhēng)奪日趨激烈化，眾所周知的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，現(xiàn)在的北極之爭(zhēng)等都是以能源爭(zhēng)奪作為背景的！因此對(duì)資源的爭(zhēng)奪，仍將是未來(lái)幾十年世界動(dòng)蕩的主要原因之一。 3. 太陽(yáng)能不用燃料，運(yùn)行成本很小。一個(gè) 4KW 的屋頂家用光伏系統(tǒng)，可以滿足普通美國(guó)家庭用電需要，每年少排放的二氧化碳數(shù)量，相當(dāng)于一輛家庭轎車(chē)每年的排放量。又由于新技術(shù)的發(fā)展即聚光技術(shù)的發(fā)展極大的提高了太陽(yáng)能利用率，目前最新技術(shù)最高達(dá)到 3～ 4 倍。而目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)電池板跟蹤器的跟蹤精度普遍不高，而且價(jià)格比較昂貴尤其是光電傳感器。 1998年美國(guó)加州成功的研究了 ATM 兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使效率進(jìn)一步提高。 從上世紀(jì) 80 年代美國(guó)的 Solar One 到 2020 年西班牙的 PSIO 均采用程序控華北科技學(xué)院 第 3 頁(yè) 共 54 頁(yè) 制方式。 (2)焦線南北水平布置，東西跟蹤 。 (1)極軸式全跟蹤 極軸式全跟蹤是指聚光鏡的一 軸指向地球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸。 (2)高度角 方位角全跟蹤 高度角 方位角全跟蹤建立在地平坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，兩軸分別為方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸。 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 54 頁(yè) 程序跟蹤是根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砦恢煤蜁r(shí)間等利用程序計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)位置，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)聚光器向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，程序跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的適應(yīng)性，在任何氣候條件下都能穩(wěn)定地跟蹤，但是算法復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)控制器需要實(shí)時(shí)進(jìn)行大量的計(jì)算，這就要求現(xiàn)場(chǎng)控制器具很高的數(shù)據(jù)處理能力和較大的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)空間，程序跟蹤還需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測(cè)，程序跟蹤系統(tǒng)成本較高。 程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的方式是指跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用程序、傳感器混合控制的方法，采用簡(jiǎn)化的太陽(yáng)位置算法對(duì)太陽(yáng)光線粗略跟蹤，當(dāng)粗跟蹤結(jié)果滿足精確跟蹤要求，即精確跟蹤傳感器能夠捕捉到太陽(yáng)光線時(shí)，再利用光線跟蹤傳感器精確定位。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng) (GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。從目前來(lái)看國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)跟蹤系統(tǒng)以雙軸跟蹤系統(tǒng)為主，比較前沿的技術(shù)大都采用程序跟蹤與傳感器跟蹤相結(jié)合的跟法。但是同時(shí)存在一些不足，比如精度不高，價(jià)格昂貴。然后從電腦中即上位機(jī)輸入當(dāng)?shù)氐乩硇畔⒓唇?jīng)緯度，結(jié)合以上計(jì)算的太陽(yáng)空間位置，計(jì)算出太陽(yáng)高度角與方位角，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理之后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整角度到指定位置，再啟動(dòng)光電跟蹤程序，對(duì)角度進(jìn)行微調(diào)。 本次設(shè)計(jì)是采用 STC12C5A60S2 作為 CPU，要實(shí)現(xiàn)光電傳感模塊的設(shè)計(jì)：以GL5516 光敏電阻作為基本元件設(shè)計(jì)出光電傳感器，其可 以不僅可以將東西，南北方向的光強(qiáng)差傳化為電壓信號(hào)，還要將光照強(qiáng)度信號(hào)傳入單片機(jī)，供單片機(jī)識(shí)別是否有云霧遮擋，以此來(lái)決定是否停止光電跟蹤程序；還要設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的CPU 模塊，包括外圍的晶振電路，供電電源，復(fù)位電路等；步進(jìn)電機(jī)的選型，以及它的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，而且由于本設(shè)計(jì)中跟蹤精度要求很高，所以要求選擇精度較高的步進(jìn)電機(jī)。太陽(yáng)高度角采 用 30 分鐘調(diào)整一次，方位角采用 30 分鐘調(diào)整一次。將太陽(yáng)電池板自西向東調(diào)整到原位停止系統(tǒng)。之間變化，日出日落時(shí)為零，太陽(yáng)在正天頂上為 90176。在正西方時(shí)方位角為 90176。早晚與中午的光強(qiáng)有很大的差異，原因就在于太陽(yáng)高度角的不 同。以地球?yàn)槔?，在地球上，同一時(shí)刻，對(duì)同一經(jīng)度，不同緯度的人來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的時(shí)角是相同的。對(duì)應(yīng)的時(shí)間為 24小時(shí)，即每小時(shí)相應(yīng)的時(shí)角為 15176。=R, y39。) = x/(Rsinω/cosh (5) 圖 太陽(yáng)位置示意圖 對(duì)某一地點(diǎn)來(lái)說(shuō)當(dāng)?shù)氐乩砭暥?Ф 是確定 的，太陽(yáng)赤緯角 δ、太陽(yáng)時(shí)角 ω 是太陽(yáng)在赤道坐標(biāo)系中的位置，只要算出 δ、 ω兩個(gè)參數(shù)值便可得出太陽(yáng)在地平坐標(biāo)中的位置?？紤]到成本本設(shè)計(jì)沒(méi)有采用定位系統(tǒng)。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個(gè)23176。并繼續(xù)增大；夏至?xí)r赤緯角達(dá)到最大的 23176。赤緯角可由 Cooper(1969)的近似計(jì)算公式求得： δ=2345sin[360(284+n)/365] （ 6） 式中， δ赤緯角， n年中的第幾天。上午為正，下午為負(fù)。 因?yàn)樵谔烨蛏系乃袌A圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾畫(huà)出的圓。 華北科技學(xué)院 第 9 頁(yè) 共 54 頁(yè) 光伏電池的特性分析 光伏電池的光伏效應(yīng) 當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。 溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響 圖 不同溫度下的光伏特性 （ a） 光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 溫度上升將使光伏電池開(kāi)路電壓 Voc 下降，短路電流則略微增大，日照強(qiáng)度不變時(shí)，不同溫度下的光伏電池的 效率變化很大 。圖 是溫度不變時(shí)，不同日照強(qiáng)度下的光伏電池的特性曲線。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加。所以太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)就顯得十分有必要，而且該跟蹤系統(tǒng)的精確度直接影響到發(fā)電效率。如圖 所示。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng) (GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。176?！? +70176。而冬天的時(shí)候要等到 8 點(diǎn)才啟動(dòng)。 將程序的參數(shù)通過(guò)通訊存 儲(chǔ)到 EEPROM 中。設(shè)計(jì)光電跟蹤時(shí)首先涉及到硬件，光電傳感器用光敏電阻來(lái)設(shè)計(jì)，選用 GL5516 型號(hào)電阻?？梢詽M足 的精度要求。以內(nèi)時(shí)，太陽(yáng)像便能全部呈現(xiàn)在光傳感器筒內(nèi)電阻上。如上圖所示當(dāng) A 與 D 被遮擋這是 A 與 B 之間電阻值相差很大這樣傳感器就會(huì)產(chǎn)生電壓差送入單片機(jī)處理經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)緩慢調(diào)整角度。 跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖 圖 跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖 系統(tǒng)整體框圖如上圖所示：其控制過(guò)程是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與光電跟蹤的結(jié)合方式。光電傳感器通過(guò)電池板的位置信號(hào)，得出信號(hào)差傳入到單片機(jī)中發(fā)出驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，調(diào)整電機(jī)直到精確位置。電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)減速箱體、電池板支架轉(zhuǎn)動(dòng)，完成東西方向的跟蹤。是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速速快 812 倍。 主要特性 ● 與 8051 兼容 ● 增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核，速度是傳統(tǒng) 8051 的 812 倍 ● 有外部掉電檢測(cè)功能 華北科技學(xué)院 第 17 頁(yè) 共 54 頁(yè) ● 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ● 工作頻率： 0HZ~35HZ ● 內(nèi)部 RAM1280 字節(jié) ● 32 可編程 I/O 線 ● 4 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ● 5 個(gè)中斷源 ● 可編程串行通道 ● EEPROM 功能，擦寫(xiě)次數(shù) 10 萬(wàn)次 管腳說(shuō)明 ~ P0： P0 口既可以作為輸入 /輸出口，也可以作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。 、串口 1 數(shù)據(jù)接收端 ，下降沿中斷或低電平中斷 入、定時(shí)器 0 下降沿中斷、定時(shí)計(jì)數(shù)器 0 的時(shí)鐘輸出 。 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 54 頁(yè) 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說(shuō)：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、 功率 驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 其具有如下的特點(diǎn)： 1）勵(lì)磁繞組上施加的不是一個(gè)恒定的直流或交流電壓，而是采用電子開(kāi)關(guān)斷續(xù)加以直流電壓，即采用脈沖供電方式，用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。 4）停止時(shí)，具有自鎖能力，定位精度高。 步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步 進(jìn)電機(jī)華北科技學(xué)院 第 19 頁(yè) 共 54 頁(yè) （ PM）、 混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型。就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖： 旋轉(zhuǎn)： 如 A 相通電， B， C 相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1 與 A 對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不 受任何力以下均同）。如按 A， C，B， A??通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。目前光 敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏二極管 CDS 是一種電阻值隨光照強(qiáng)度變化而變化的感光電阻，本系統(tǒng)采用 3 個(gè)光敏電阻作為傳感器來(lái)檢測(cè)天空光線的變化，跟蹤太陽(yáng)的位置。 圖 GL5516 光敏電阻 華北科技學(xué)院 第 21 頁(yè) 共 54 頁(yè) CPU 模塊設(shè)計(jì) CPU 模塊負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)處理，電機(jī)控制與電腦通訊，同時(shí)協(xié)調(diào)控制各功能電路工作。 CPU 電路設(shè)計(jì)中引腳功能定義是很重要但是也最基本的工作。 5%，即 ～ 。復(fù) 位電路的實(shí)現(xiàn)可以用很多種方法，但是在功能上一般分為兩種： 1）一種是 上 電復(fù)位，即外部的復(fù)位電路在系統(tǒng)通上電之后直接使單片機(jī)工作，單片機(jī)的啟停通過(guò)電源控制； 2）復(fù)位電路中設(shè)計(jì)按鍵開(kāi)關(guān)，通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)觸發(fā)復(fù)位電平，控制單片機(jī)的復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，高電 平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)時(shí)間。這個(gè)放大器與作為反饋元件的Y11 1 . 0 5 9 2 MC230pFC330pFR11 0 K+ 5 VE21 0 u F / 1 6 V太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 54 頁(yè) 片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作 . 晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù) 載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。滿足電流和電壓的要求，發(fā)光二極管就可以發(fā)光了。 光照強(qiáng)度的信號(hào)采集部分采用光敏電阻作為信號(hào)采集器件 。所以選擇光敏電阻采集光照信號(hào)，并把不同的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。 V1， V2 電壓信號(hào)分