【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)作用 , 先通過(guò)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤進(jìn)行粗跟蹤 , 再由光電傳感器跟蹤進(jìn)行精 跟蹤 , 從而提高跟蹤精度?；旌峡刂葡到y(tǒng) , 結(jié)合了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn) , 能夠得到較好的控制效果 [22]。 太陽(yáng)與地球的位置關(guān)系 地球每天圍繞通過(guò)它本身南極和北極的一個(gè)假想軸 —— 地軸自西向東自傳一周，每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為 24 時(shí)，所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn) 15 度。在 自轉(zhuǎn)的同時(shí)。地球圍繞太陽(yáng)在一個(gè)橢圓形軌道上公轉(zhuǎn)，每公轉(zhuǎn)一周為一個(gè)太陽(yáng)年、它等于 365 天 5 小時(shí) 48 分。即 365． 241 天，因此每四年須閏一日。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面 (黃道面 )的法線傾斜成 度的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸的方向始終 不變，總是指向天球的北極，這也是太陽(yáng)赤緯角的最大值。 在地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的一年中有四個(gè)特殊的日期，這就是受地球傾斜運(yùn)動(dòng)影響最大的冬至和夏至以及不受地球傾斜運(yùn)動(dòng)影響的春分和秋分。 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。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)。在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，不可避免地都會(huì)涉及到地球和太陽(yáng)的位置關(guān)系，如太陽(yáng)高度角、方位角等問(wèn)題。 a. 地平坐標(biāo)系 以地平圈為基本圈，天頂為基本點(diǎn)，南點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫做地平坐標(biāo) 系，如圖 所示。通過(guò)天頂和太陽(yáng)（任一天體） X 作一大圓，叫做地平經(jīng)圈；地平 交地平面于 M 點(diǎn)；從原點(diǎn) S 沿地平圈順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，弧 SM 為方位角γ s(地平經(jīng)度 )；弧 XM 為高度角α（地平緯度），向上為正，向下為負(fù)。 弧 ZX 稱(chēng)為天頂距，自 Z 起計(jì)量，用 Z 表示。顯然 Z=90176。 α。 b. 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)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。通過(guò)北天極和太陽(yáng) 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?lè)较蛴?jì)量 ，弧 QT 為時(shí)角ω， ω以度、分，秒單位來(lái)表示，也可以用時(shí)，分，為單位來(lái)表示；弧 XT 為赤緯角δ，δ以度、分，秒單位來(lái)表示；從天赤道算起，向 上為正，向下為負(fù)。當(dāng)天體作周日運(yùn)動(dòng)時(shí)，天體的赤緯δ不隨周日運(yùn)動(dòng)而變化，但天體的時(shí)角ω卻從 0176。均勻地增加到 360176。秒。 相關(guān)角度的計(jì)算 在太陽(yáng)能的地面應(yīng)用中，絕大部分的采光組件或陣列的安裝形式并非水平，而是以與地平面成一定夾角的傾斜形式安裝。 所以有必要分析傾斜面在特定時(shí)間及地點(diǎn)下的太陽(yáng)入射計(jì)算。 a. 有關(guān)角的定義 假如太陽(yáng)能采光組件的傾斜角度和方位角已 經(jīng)確定，要計(jì)算入射在采光組件表面上的太陽(yáng)直射輻射的能量，就必須定義一些角度。 太陽(yáng)光線入射角θ：太陽(yáng)光線和采光組件表面法線之間的夾角，稱(chēng)為太陽(yáng)光線的入射角。太陽(yáng)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。由此可見(jiàn)，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(shuō)的跟蹤。 太陽(yáng)高度角α和太陽(yáng)方位角γ s:從地面某一觀測(cè)點(diǎn)向太陽(yáng)中心作一條射線，該射線在地面上有一投影線，這兩條線的夾角α叫做太陽(yáng)的高度角。 該射線與地面法線的夾角叫太陽(yáng)天頂角θ z.。其中α +θ z=90176。太陽(yáng)光線在地面上的投影線與正南方的夾角γ s，為太陽(yáng)的方位角。并規(guī)定，向西為正，向東為負(fù)。采光 組件的方位角γ：采光組件表面法線在地面上有個(gè)投影，此投影線與正南方的夾角為采光組件的方位角。采光組件的傾斜角β：采光組件平面與水平面的夾角稱(chēng) 為采光組件的傾斜角度如下圖所示 b. 角度之間的關(guān)系和有關(guān)公式 采光組件所獲得的太陽(yáng)輻射量主要取決于太陽(yáng)入射角θ，而θ是太陽(yáng)赤緯角δ、太陽(yáng)時(shí)角ω、地理緯度φ、采光組件傾斜β、采光組件方位角γ 和的函數(shù)，它們的具體關(guān)系是 : ｃｏｓθ＝ｓｉｎδｓｉｎφｃｏｓβ－ｓｉｎδｃｏｓφｓｉｎβｃｏｓγ＋ｃｏｓδｃｏｓφｃｏｓβｃｏｓω＋ｃｏｓδｓｉｎφｓｉｎβｃｏｓωｃｏｓγ ＋ ｃ ｏ ｓ δ ｓ ｉ ｎ β ｓ ｉ ｎ γ ｓ ｉ ｎ ω （ ） 其中太陽(yáng)赤緯角δ可由 Cooper 方程式 ()近似計(jì)算： n：一年中的天數(shù)，如：在春分， n=81，則δ =0。 δ＝２３ .４５176。ｓｉｎ［３６０（ｎ＋２８４） /３６５］ （ ） ω =(t12)15176。 （ ） 時(shí)角計(jì)算公式見(jiàn)式 ()， T 為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，按小時(shí)計(jì)算。地球自轉(zhuǎn)一周為 360176。，相應(yīng)的時(shí)間為 24h，每 1h 地球自轉(zhuǎn)的角度定義為太陽(yáng)時(shí)角 ω，則ω＝ 360176。／ 24＝ 15176。，正午時(shí)角為零．其它時(shí)辰時(shí)角的數(shù)值等于離正午的時(shí)間 (h)乘以 15。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。及 +30176。 從式（ 21），（ 22），（ 23）可看出，當(dāng)δ，ω，φ確定后，采光組件傾角β和方位角γ 的值決定了直接日射入角θ，因此只要控制采光組件使其傾角和方位角有合適 的值，就可以保證太陽(yáng)光線入射角θ為 0，從而最大限度地收集太陽(yáng)能。 故我們可以根據(jù)不同地區(qū)的情況確定一個(gè)合適的太陽(yáng)能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽(yáng)能。 一、硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)供電電源 通過(guò) 7805 穩(wěn)壓芯片和電容的濾波作用組成 5V 穩(wěn)壓電路主要給單片機(jī)供電，電路原理圖如圖 所所示： 圖 5V 穩(wěn)壓電路原理圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)跟蹤控制裝置屬于典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要控制的對(duì)象是兩片感光電路板。被控量是跟蹤器的轉(zhuǎn)角位置，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，反饋 元件是光電傳感器，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)及傳感器的反饋信號(hào)都是在單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制下完成的。最小系統(tǒng)原理圖如圖 所示 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 跟蹤器設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用兩個(gè)光敏電阻搭成 45 度的跟蹤結(jié)構(gòu)，光敏電阻將光強(qiáng)大小轉(zhuǎn)換為電阻大小，再通過(guò)惠斯通電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)化為電壓的變化，通過(guò)比例運(yùn)放電路轉(zhuǎn)化成適合的 A/D 模擬輸入量。下面詳細(xì)介紹一下這一過(guò)程所用的器件。 光敏電阻簡(jiǎn)介 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 。 光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它受到光的照射時(shí)，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子 — 空穴對(duì)，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。一般 光敏電阻器結(jié)構(gòu)如下圖所示。光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片（或樹(shù)脂防潮膜）和電極等組成。光敏電阻器在電路中用字母“ R”或“ RL”、“ RG”表示。 基于本次設(shè)計(jì)的要求，我選用 CDS 光敏電阻 GL3537，其暗阻是 10K。 惠斯通電橋簡(jiǎn)介 電橋法測(cè)量是一種很重要的 測(cè)量技術(shù)。由于電橋法線路原理簡(jiǎn)明，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量的靈敏度和精確度較高等優(yōu)點(diǎn)，使它廣泛應(yīng)用于電磁測(cè)量，也廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量。 【 4】 電橋可以測(cè)量電阻、電容、電感、頻率、壓力、溫度等許多物理量。同時(shí)，在現(xiàn)代自動(dòng)控制及儀器儀表中，常利用電橋的這些特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和控制。 電橋分為直流電橋和交流電橋兩大類(lèi)。直流電橋又分為單臂電橋和雙臂電橋，單臂電橋又稱(chēng)為惠斯通電橋，主要用于精確測(cè)量中值電阻。雙臂電橋又稱(chēng)為開(kāi)爾文電橋，主要用于精確測(cè)量低值電阻。本次設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用惠斯通電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)化成電壓變化。如圖 所示： 圖 惠斯通電橋 由于所選光敏電阻的暗阻是 10K,當(dāng) R1=R3,R2=R4 時(shí)電橋的輸出電壓靈敏度最高，稱(chēng)為等臂電橋，這時(shí)電橋輸出是 VOUT=R1/R1*U，所以 R1， R3， R4 也選用10k 電阻。 運(yùn)放 LM358 簡(jiǎn)介 通過(guò)光敏電阻采集到的信號(hào)需要通過(guò)運(yùn)算放大電路轉(zhuǎn)化成適合單片機(jī)處理的信號(hào)，因此用到集成運(yùn)算放大器。本次設(shè)計(jì)選擇 LM358 運(yùn)算放大器。 LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工 作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓