【正文】 。 光電跟蹤作為程序跟蹤的補充，對電池板位置進行精確的調(diào)整。太陽像直徑約為 , 即當粗跟蹤將傳感器主光軸與太陽入射光線間的夾角調(diào)節(jié)至176。當 A,B 與 C,D 都沒有電壓差時即陽光正對電池板和傳感器鏡桶時，光敏電阻 E 對不同的光強會有不 同的電阻值，產(chǎn)生不同的電壓信號給單片機處理，當烏云遮擋時，光強很弱，單片機就可以停止光電跟蹤，避免了盲目跟蹤。主軸通過軸承安裝在減速箱體上，主 軸的下端固定在支座 1 上，支柱 2 的下端固定在減速箱體上，支柱 2的上端通過銷軸 4 與電池板支架連接。 在 40 個管腳 中，其中有 32 個腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這 32 個腳叫做單片機的 “端口 ”，在單片機技術(shù)中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做“”。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載。 如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4 與 A 對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て 這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A， B， C， A??通電，電機就每步（每脈沖） 1/3 て ,向右旋轉(zhuǎn)。光敏傳感器主要由光敏元件組成。 本次設(shè)計采用的是 CDS 光敏電阻。CPU 在電源、時鐘和復位電路的作用下正 常工作，通過 EEPROM 電路存取運行參數(shù)。 一般 單片機 復位需要 5ms 的時間。引腳 XTAL1 和 圖 晶振 電路 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。此外，工作電流要滿足該二極管的工作電流。 圖 光強采樣電路 V C CG N D5VR1 R2 R3 R4 R5R6 R7 R8 R9 R0光敏電阻 光敏電阻 光敏電阻 光敏電阻 光敏電阻V1V2V5V3V4華北科技學院 第 25 頁 共 54 頁 光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響 抗過載能力強和壽命長等特點。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，電路如原理圖所示。此處接一個電阻式為了限制二極管的電流，從而達到減少功耗或者滿足端口對最大電流的限制。外接晶體諧振器以及電容 C3 和 C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。 圖 復位電路 本次設(shè)計采用用的是第一種方法，即上電復位。 在本系統(tǒng)中： P0 口作為 I/O 接口，負責指示燈控制信號； P1 口作為 I/O 接口，光電信號輸入； P2 口作為數(shù)據(jù)接口，負責從 EEPROM 中讀出數(shù)據(jù)與存入數(shù)據(jù)； P3 口作為串行通信接口。 光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見光的測量。主要有光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系。 圖 步進電機原理圖 結(jié)構(gòu)： 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 2）電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率保持嚴格的同步關(guān)系。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。當 P0 口作為輸入 /輸出口時， P0 是一個 8 位準雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。 2．南北方向跟蹤 支柱 2 上設(shè)置一個橫支架 8，橫支架 8 端部鉸接一個減速器 10，減速器中設(shè)有蝸桿（圖中未畫出）與電機 9 相連，蝸桿與設(shè)在減速器中的蝸輪嚙合，蝸輪中心設(shè)有螺孔與絲桿 7 連接配合，絲桿 7 的一端通過鉸鏈 11 與電池板支架連接。先從電腦中將確定地理位置信息的太陽高度角方位角的數(shù)表傳入到存儲器中該數(shù)表是高度角（方位角）隨天數(shù)與小時數(shù)變化的二維變量。 由光敏傳感器采集太陽與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號ACBDE太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 第 14 頁 共 54 頁 與光強信號，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器 單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速機構(gòu)緩慢調(diào)整角度。 當烏云遮擋時 根據(jù)光電傳感器的光強信號 可以自動停止 光電 跟蹤 。華北科技學院 第 13 頁 共 54 頁 天黑時方案同理，將系統(tǒng)關(guān)閉，夏天和冬天關(guān)閉的時間是不一樣的。 光敏電阻型號 GL5516 單片機 STC12C5A 最大跟蹤角度 (方位角 ) 177。 圖 光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線 可以看出，此 IV 曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個最大功率輸出問題，在第四章中將對此問題進行研究。 所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會隨光強的增加而增加。由公式 MMPP Sp p????可 知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負的溫度系數(shù)。同時由于鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準儀所定出的水平線是在幾何坐標系中惟一能容易直接觀測的參考方向，所以地平參考系一直是實用中必不可少的媒介系統(tǒng)。 在一天當中，太陽赤緯變化很小 ，位置變化主要由地球自轉(zhuǎn)引起。27′的夾角，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。 上圖中 τ 即時角 ω。, z39。 太陽高度角及方位角計算公式 根據(jù)下圖所示，設(shè)天球半徑為 R，則太陽在坐標 系二中的坐標為： x39。在晴天條件下，太陽光的強弱與太陽高度角的正弦成正比。 太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。這樣可以避免電機盲目轉(zhuǎn)動，大大的節(jié)省電機轉(zhuǎn)到帶來的能耗。當變更地理位置時只要用電腦，改變特 定地理位置對應的輸出數(shù)表，將數(shù)據(jù)傳入到存儲器中即可。 考慮到成本問題單軸跟蹤系統(tǒng)也有研究。由于粗跟蹤采用了簡化的數(shù)學算法，因此可以用成本較低的控制器代替昂貴的控制器。根據(jù)太陽角度的計算方法，工作時反射鏡根據(jù)太陽位置的理論計算值 ，繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變反射鏡的傾斜角，使反射鏡的主光軸始終與太陽光線平行。 (3)焦線東西水平布置，南北跟蹤 。 2020年 2 月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領(lǐng)域。但是聚光對于但是聚光組件 對太陽入射角度要求很高，要求光線要幾近垂直的照射到電池板上，所以太陽跟蹤技術(shù)顯得愈加重要了。 4. 發(fā)電部件不易損壞，維 護簡單。這樣巨大的能源增量遠遠超出今天所消耗的能源數(shù)量，以油當量計算，大約是目前沙特阿拉伯石油產(chǎn)量的 10 倍 中國能源消費目前已經(jīng)占世界總量的 %使得世界越來越將能源的話題聚焦在中國和亞太地區(qū)； 能源危機已經(jīng)開始顯現(xiàn)。 (3) Design circuit diagram of the entire system。 （ 2） 設(shè)計單片機的外圍電路， 光電轉(zhuǎn)換電路，步進電機驅(qū)動控制電路 。當轉(zhuǎn)到既定位置之后再采用光電跟蹤方式，精確定位。太陽能作為一種作為一種清潔能源，倍受人們重視。光電跟蹤主要控制過程是：由光敏傳感器采集太陽與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號與光強信號，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動信 號，經(jīng)過驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速機構(gòu)緩慢調(diào)整角度。首先根據(jù)設(shè)計要求和指標，提出系統(tǒng)的設(shè)計方案并確定方案性原理上的可行性。 關(guān)鍵詞： 光電跟蹤 。 sun’s trajectory tracking 。各國多石油的爭奪日趨激烈化，眾所周知的伊拉克戰(zhàn)爭，現(xiàn)在的北極之爭等都是以能源爭奪作為背景的！因此對資源的爭奪，仍將是未來幾十年世界動蕩的主要原因之一。一個 4KW 的屋頂家用光伏系統(tǒng)，可以滿足普通美國家庭用電需要，每年少排放的二氧化碳數(shù)量，相當于一輛家庭轎車每年的排放量。而目前市場上的太陽電池板跟蹤器的跟蹤精度普遍不高，而且價格比較昂貴尤其是光電傳感器。 從上世紀 80 年代美國的 Solar One 到 2020 年西班牙的 PSIO 均采用程序控華北科技學院 第 3 頁 共 54 頁 制方式。 (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。 太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 第 4 頁 共 54 頁 程序跟蹤是根據(jù)當?shù)氐乩砦恢煤蜁r間等利用程序計算出當前太陽位置，并根據(jù)計算結(jié)果驅(qū)動聚光器向目標點運動，程序跟蹤的優(yōu)點是具有較高的適應性，在任何氣候條件下都能穩(wěn)定地跟蹤，但是算法復雜，現(xiàn)場控制器需要實時進行大量的計算，這就要求現(xiàn)場控制器具很高的數(shù)據(jù)處理能力和較大的數(shù)據(jù) 存儲空間，程序跟蹤還需要兩個運動軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測，程序跟蹤系統(tǒng)成本較高。在應用中，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?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。但是同時存在一些不足，比如精度不高，價格昂貴。 本次設(shè)計是采用 STC12C5A60S2 作為 CPU，要實現(xiàn)光電傳感模塊的設(shè)計：以GL5516 光敏電阻作為基本元件設(shè)計出光電傳感器，其可 以不僅可以將東西，南北方向的光強差傳化為電壓信號，還要將光照強度信號傳入單片機，供單片機識別是否有云霧遮擋，以此來決定是否停止光電跟蹤程序；還要設(shè)計穩(wěn)定可靠的CPU 模塊，包括外圍的晶振電路，供電電源，復位電路等；步進電機的選型，以及它的驅(qū)動電路設(shè)計，而且由于本設(shè)計中跟蹤精度要求很高，所以要求選擇精度較高的步進電機。將太陽電池板自西向東調(diào)整到原位停止系統(tǒng)。在正西方時方位角為 90176。以地球為例，在地球上，同一時刻，對同一經(jīng)度，不同緯度的人來說，太陽對應的時角是相同的。=R) = x/(R考慮到成本本設(shè)計沒有采用定位系統(tǒng)。并繼續(xù)增大；夏至時赤緯角達到最大的 23176。上午為正，下午為負。 華北科技學院 第 9 頁 共 54 頁 光伏電池的特性分析 光伏電池的光伏效應 當適當波長的光照到半導體系統(tǒng)上時，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應。圖 是溫度不變時，不同日照強度下的光伏電池的特性曲線。所以太陽能跟蹤系統(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。在應用中，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?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性?！? +70176。 將程序的參數(shù)通過通訊存 儲到 EEPROM 中?？梢詽M足 的精度要求。如上圖所示當 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產(chǎn)生電壓差送入單片機處理經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速機構(gòu)緩慢調(diào)整角度。光電傳感器通過電池板的位置信號，得出信號差傳入到單片機中發(fā)出驅(qū)動的信號，調(diào)整電機直到精確位置。是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速速快 812 倍。 、串口 1 數(shù)據(jù)接收端 ，下降沿中斷或低電平中斷 入、定時器 0 下降沿中斷、定時計數(shù)器 0 的時鐘輸出 。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、 功率 驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 4）停止時，具有自鎖能力，定位精度高。就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 旋轉(zhuǎn)： 如 A 相通電， B， C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊，（轉(zhuǎn)子不 受任何力以下均同）。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。 圖 GL5516 光敏電阻 華北科技學院 第 21 頁 共 54 頁 CPU 模塊設(shè)計 CPU 模塊負責傳感器信號處理，電機控制與電腦通訊，同時協(xié)調(diào)控制各功能電路工作。 5%，即 ～ 。為了保證系統(tǒng)可靠復位，高電 平信號必須維持足夠長時間。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作 . 晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負 載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。 光照強度的信號采集部分采用光敏電阻作為信號采集器件 。 V1， V2 電壓信號分