【正文】 V C C13/ M 011C K 17C K 26C W / C C W5/ R E S E T2/ E N A B L E3M18M29R E F I N10O S C4SG1PGNDB17PGNDA22V M B15V M A24A23/A20B19/B16N F A21N F B18NC12NC14NC25T A 84 3 5U 1 3 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 型號(hào) 在太陽跟蹤系統(tǒng)中，采用 2相步進(jìn)電機(jī) 。若驅(qū)動(dòng)電流為 ， REFIN 為高電平時(shí)， RNF 選用 2Ω ,2 W 的大功率電阻。該芯片具有以下特點(diǎn)： ①工作電壓范圍寬 10V～ 40V； ②輸出電流平均可達(dá) 和 峰值； ③具有整步、半步、 1/4 細(xì)分、 1/8 細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇； ④采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式； ⑤具有正 /反轉(zhuǎn)控制功能； ⑥帶有復(fù)位和使能引腳； ⑦可選擇使用單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入； 工作條件： 邏輯電源電壓： ；功率電源電壓 :24V；輸出電流 :2A；最大輸入邏輯電平 :VCC；最大時(shí)鐘頻率： 5 KHz； OSC 頻率： 1580Hz TA8435H 功能描述： ① TA8435H 的工 作方式的設(shè)定 TA8435H 有四種工作方式，分別代表著無細(xì)分、 2 細(xì)分、 4 細(xì)分、 8 細(xì)分。但實(shí)際上電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減少，因此輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速，加速度是逐漸下降的，接近電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨速度變化的規(guī)律。如果非常緩慢的升降速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雖然不會(huì)產(chǎn)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。當(dāng)通電相電流不馬上升到位，而斷 電相電流并不立即降為 0時(shí)，他們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這個(gè)新的平衡位置是在原來的步距角范圍內(nèi)。當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)，就發(fā)出恒定周期的脈沖串；當(dāng)需要加減速運(yùn)行時(shí)，就發(fā)出周期遞減活周期遞增的脈沖串；當(dāng)需要鎖定狀態(tài)時(shí)，只要停止發(fā)脈沖串就可以了。理論上說，閉環(huán)控制比 開環(huán) 控制可靠，但步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)價(jià)格較高，還容易引起持續(xù)的機(jī)械震 蕩。軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的時(shí)間，可能使單片機(jī)無法同時(shí)進(jìn)行其他工作，所以，硬件法更常用。 4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng) 負(fù)載。 R80 為一上拉電阻，阻值在 1K100K 都可。電磁繼電器響應(yīng)延遲時(shí)間要幾毫秒，而光電隔離藕合器的響應(yīng)延遲時(shí)間只有左右。在高度角方向上不存在夜間歸位的問題。在系統(tǒng)復(fù)位 AMUX 的默認(rèn)方式為單端輸入。 ADC 中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。 S C L K7R S T5X12X23G N D4V c c 1 8V c c 2 1I / O 6U 1 2D S 1 3 0 2C 4 1C 4 2Y13 2 .7 6 8 K H ZB T 1V5P 3 .5P 3 .4P 3 .6 圖 復(fù)位電路 外部 /RST 引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制 MCU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段。 DS1302 與單片機(jī)的通信僅需三根線即 SCLK（串行時(shí)鐘線）、 I/O（數(shù)據(jù)線）、 RST（復(fù)位線）。 我們選擇 DALLAS 公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時(shí)序控制，且具有寫保護(hù)位，抗干擾效果好，同時(shí)體積小，連線少，外圍只有一 晶振，使用靈活。 IN O U TG N D112233U1M C 78M 05 A C TV I N V O U TG N D112233U4A S 111 7+ C 1C610 0uF 3uFV I N 12C 1 6+ C 52 + C 3C 3 0+ C 51 uF16 V10 0uF 10 uF uFV5L134 uHV I N 12G N D1G N D8G N D9G N D12VL11S H D N5IN10LX2LX3LX4FB7C O M P6P G N D13P G N D14P G N D15G N D16U2M A X 6 18E E EC8C 1 1D2+ C out 1C p 1C 5 3R745 0KR830 KV 2 433 uF47 pFC c om p 7uF86 uF1u F uF1 2W41 2W3 圖 電源電路 MAX618 芯片輸出電壓的大小由 R7 和 R8 的阻值決定。 ⑦ 4352（ 4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM。短路電流≥ 23mA；輸出電流≥ ；轉(zhuǎn)換效率 1012%。短路電流是指把光電池結(jié)的兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的電流，該電流稱為光電池的輸出短路電流，其大小與光強(qiáng)成正比。所謂光生伏特效應(yīng)就是在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。本文中選用 LM324,它的偏置電流是 nA 數(shù)量級(jí)， LM324 是一種 4集成運(yùn)算放大器，由于價(jià)廉且使用方便，被廣泛應(yīng)用于控制和一般信號(hào)放大處理之中。光電傳感器輸出的誤差信號(hào)經(jīng)過調(diào)理輸入到 AD,為跟蹤提供依據(jù)。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié) 合 在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度傳感器。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工水平 有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。上午時(shí)角為負(fù)值，下午時(shí)角為正 值 ，例如，上午 10 時(shí)和下午 2 時(shí)的時(shí)角分別為30176。以上角度如圖 所示。由此可見，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該是入射角θ越小越好，這也就是所說的跟蹤。通過北天極和太陽 X作一個(gè)大圓，叫做時(shí)圈；時(shí)圈交天赤道于 T點(diǎn)；從原點(diǎn) Q 沿天赤道順時(shí)針方向計(jì)量，弧 QT為時(shí)角ω，ω以度、分，秒單位來表示，也可以用時(shí)，分，秒為單位來表示；弧 XT 為赤緯角δ，δ以度、分，秒單位來表示；從天赤道算起，向上為正，向下為負(fù)。夏至的白天最長(zhǎng)而冬至的黑夜最長(zhǎng)；春分和秋分的晝夜各 12 個(gè)小時(shí)。 論文結(jié)構(gòu) 本文同過幾部分進(jìn)行敘述： 緒論，介紹了本課題的研究?jī)?nèi)容、意義及 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀； 系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計(jì)； 太陽追蹤和跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)； 總結(jié)本課題。 2020 年，國(guó)家計(jì)委啟動(dòng)“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過光伏和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū) 700 多個(gè)無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏電池用量達(dá)到 。 1998 年美國(guó)加州成功的研究了 ATM 兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板 硅收集更多的能量 ,使熱收率進(jìn)一步提高； 研制了活動(dòng)太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個(gè)方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏季能量的獲取率。盡管相繼研究出一系列的太陽能設(shè)備，如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等，但對(duì)太陽能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高 。太西 安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 陽能年輻射總量超過 1630kw178。 我國(guó)太陽能資源及利用情況 中國(guó)地處北半球，幅員遼闊，絕大部分地區(qū)位于北緯 45176。通過光化學(xué) 作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度都較低，小于或等于 100℃。到達(dá)地面的太陽直接輻射能，隨晝夜交替的變化。 47%=640 瓦。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更明顯。 ②存在的普遍性。目前許多國(guó)家就開展了這方面的工作。傳感器由獨(dú)立的四片光電池組成，用于 大范圍 跟蹤太陽，控制器硬件以單片機(jī) C8051F020 為核心，完成了控制器的硬件電路設(shè)計(jì)和制作，系統(tǒng)的硬件電路包括，模擬輸入電路， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電源電路等。 設(shè)計(jì)的太陽跟蹤與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：傳感器、控制器、機(jī) 械跟蹤平臺(tái)。常規(guī)能源逐漸枯竭，形勢(shì)危機(jī)不容低估，所以尋找和開發(fā)新能源是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏 、枯竭的最有效途徑。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些 太陽能利用已具經(jīng)濟(jì)性。即在地球大氣層外每平方米垂直于太陽光線 的面積上按收到的太陽輻射功率只有 1353 瓦，而垂直投射到地球表面每平方米面積上的太陽輻射功率就只有 1353179。 ③間歇牲。這種途徑雖最古老，但發(fā)展的最成熟、普及性最廣、工業(yè)化程度很高。 ③光化學(xué)轉(zhuǎn)換。近來在這方面的研究有所增加，人們期盼出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。全國(guó)年日照小時(shí)數(shù)在 2020 h 以上。 課題意義 由于太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對(duì)太陽能的收集和利用提出了更高的要求。美國(guó) blackace，在 1997 年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器對(duì)太陽能的熱接收率提高了 15%。在“六五”和“七五”期間，國(guó)家開始對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)給予支持，促使光伏工業(yè)有了一定發(fā)展。 ④ 設(shè)計(jì)和畫出太陽能光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)硬件原理圖。在北半球，春分大約是 3 月 21 日、夏至是 6 月 22 日，秋分是 9 月 23 日，而冬至是 12月 21 日。 圖 圖 ②時(shí)角坐標(biāo)系 以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)附近的交點(diǎn)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 為原點(diǎn)的 坐標(biāo)系為時(shí)角坐標(biāo)系或第一赤道坐標(biāo)系，如圖 所示。太陽光線可以分為兩個(gè)分量，一個(gè)垂直于采光面，一個(gè)平行與采光面，只有前者的輻射能北采光面所截取。采光組件的傾斜角β：采光組件平面與水平面的夾角稱為采光組件的傾斜角度。正午時(shí)角為零．其他時(shí)辰時(shí)角的數(shù)值等于離正午的時(shí)間 (h)乘以 15。 該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復(fù)雜，計(jì)算量的增大會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確 ,電路也比較簡(jiǎn)單 。 圖 電源電路 C8051F 020 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 水平方向電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 垂直方向電機(jī) 光電池板 信號(hào)采集處理電路 行程開關(guān) 外部時(shí)鐘電路 3 太陽跟蹤及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3 太陽跟蹤及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì)方案 太陽跟蹤與驅(qū)動(dòng)控制器以單片機(jī) C8051F020 為核心建立應(yīng)用系 統(tǒng)。 321411U 5 AL M 3 2 4R3R1R2RfV5U1U2 圖 信號(hào)采集電路 為了精確測(cè)量數(shù)十 mA 范圍的光電池電流，運(yùn)算放大器的偏置電流應(yīng)該不大于數(shù)毫安。 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。開路電壓≥ 550mv。 ⑥ 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器。選 用 MC1403,為 AD 轉(zhuǎn)化提供基準(zhǔn)電壓（也可以利用 C8051F020 片上自帶的內(nèi) 部基準(zhǔn)）采用芯片 MAX618EEE 將 12V 的輸入提升到 24V。在一定時(shí)間內(nèi)太陽 只會(huì) 出現(xiàn) 在某一角度范圍內(nèi)，故跟蹤控制系統(tǒng)只要在這一范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤即可。時(shí)鐘的運(yùn)行可采用 24 小時(shí)或帶上午和下午的 12 小時(shí)格式。 電路圖如圖 所示。 C8051F020 的 ADC0 子系統(tǒng)功能圖如圖 所示 。這就允許用戶對(duì)每 個(gè)通道選擇最佳的測(cè)量技術(shù)，甚至可以在測(cè)量過程中改變方式。每當(dāng)方位軸轉(zhuǎn)向正西方向的時(shí)候，便會(huì)撞擊行程開關(guān)，將此機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)發(fā)出回轉(zhuǎn) 180 度指令，是系統(tǒng)在方位角方向回到東方，等待第二 天太陽升起。使用光耦主要是基于以下考慮： ①響應(yīng)速度加快。 一般將光耦輸入設(shè)為 5mA，則用 12V 減去二極管壓降再除以 5mA 即為 R78 阻西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 值，即 R78 約為 2K。 3）步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)（ DSP 及其它控制芯片）向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。 采用開環(huán)控制并具有一定的精度是步進(jìn)電機(jī)的一大特點(diǎn)。系統(tǒng)從 CP 脈沖控制線按電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的要求發(fā)出相應(yīng)周期間隔的脈沖，即可使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。電磁力的大小與繞單 片 機(jī) CP 脈沖 方向信號(hào) 環(huán) 形 分 配 器 功 率 放 大 器 步 進(jìn) 電 機(jī) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 組通電電流的大小有關(guān)。如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來，由于慣性作用，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生過沖現(xiàn)