【正文】 太陽；如果定位開關(guān)是off，說明這時(shí)由白天變?yōu)楹谝?，步進(jìn)電機(jī)會(huì)自動(dòng)復(fù)位到定位開關(guān)處。當(dāng)橋臂兩端的電壓差不為0V時(shí)，如果定位開關(guān)是on，說明這時(shí)處于黑夜，步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；如果定位開關(guān)是off，說明這時(shí)處于白天，聚光器自動(dòng)跟蹤太陽。光敏二極管的位置的裝置簡圖如圖513所示：當(dāng)聚光器正對(duì)太陽時(shí)，CDS2和CDS3被遮蓋物全部遮蓋；這時(shí)CDS2和CDS3對(duì)應(yīng)的橋臂輸出的電壓差信號(hào)的差值小于某個(gè)規(guī)定的數(shù)值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不運(yùn)行；當(dāng)聚光器偏離太陽一定角度時(shí)，CDS2或CDS3就會(huì)從遮蓋物下露出，直接曝露在太陽下。因?yàn)楫?dāng)太陽強(qiáng)度變強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值變小，對(duì)應(yīng)橋臂輸出的電壓值將增大，這時(shí)兩橋臂輸出的電壓信號(hào)將相差較大，經(jīng)過單片機(jī)比較后，單片機(jī)發(fā)出控制指令使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，直到聚光器正對(duì)太陽為止[14]。兩個(gè)光敏電阻全被遮住 一個(gè)光敏電阻露出圖513跟蹤太陽位置的裝置簡圖 步進(jìn)電機(jī)及其特性步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的電磁元件，從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，它和普通的電機(jī)無異，但是由于它的運(yùn)行原理、驅(qū)動(dòng)電源及控制方式的特殊性，使其具有如下的特點(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)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡單廉價(jià)。2）電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。3）步進(jìn)電機(jī)具有加速轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，其性能的提高與控制方式、驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)等有密切的關(guān)系。4）停止時(shí)，具有自鎖能力，定位精度高。5）無刷，電機(jī)本體部件少，可靠性高；易于啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性也好。6）步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。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)（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。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動(dòng)都很大；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相：。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。本系統(tǒng)使用的是兩相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)。1） 步距角步距角指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。 （51）式中：Zr一轉(zhuǎn)子齒數(shù)；mi一運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍，即mi =km；m是電機(jī)相數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的步距角是由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機(jī)的相數(shù)所決定。典型的混合式步進(jìn)電機(jī)是四相200步的電機(jī)，176。，也有步距角為2176。、176?；?176。的混合式步進(jìn)電機(jī)。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。2） 矩角特性矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時(shí)通以直流電流時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系，即T=f（θ）。 3） 響應(yīng)頻率 在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用啟動(dòng)頻率f作為衡量的指標(biāo)。它是指在一定負(fù)載下直接啟動(dòng)而不失步的極限頻率，稱為極限啟動(dòng)頻率或突跳頻率。4） 啟動(dòng)矩頻特性 在給定的驅(qū)動(dòng)條件下，負(fù)載慣量一定時(shí)，啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為啟動(dòng)矩頻特性，又稱牽入特性。5） 運(yùn)行矩頻特性 在負(fù)載慣量不變時(shí)，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性，又稱牽出特性。6） 慣頻特性在負(fù)載力矩一定時(shí)，頻率和負(fù)載慣量之間的關(guān)系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為啟動(dòng)慣頻特性和運(yùn)行慣頻特性。 基于單片機(jī)ADμC812控制的驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)自身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。因此，對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是與對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究同步進(jìn)行的。常見的驅(qū)動(dòng)方式有：單電壓驅(qū)動(dòng)；高低電壓驅(qū)動(dòng)；斬波型驅(qū)動(dòng)；調(diào)頻調(diào)壓型驅(qū)動(dòng)；H橋雙極性驅(qū)動(dòng)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。本文采用的是二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，選用的是UC3717步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)波形為二相八拍。ADμC812單片機(jī)承擔(dān)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、方向、跟蹤的控制。1. UC3717驅(qū)動(dòng)電路UC3717是一種用來驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片。它由可控制邏輯輸入端，電流傳感器，含有內(nèi)置式保護(hù)二極管的單穩(wěn)態(tài)輸出端組成。兩片UC3717和一些外部元件可以組成一個(gè)完備的二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣性或風(fēng)力太大電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸入合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。本文采用的是DIP16封裝的16管腳UC3717。圖514是由兩片UC3717組成的驅(qū)動(dòng)電路。UC3717邏輯輸入端在開路時(shí)，被認(rèn)為是高電平輸入，下面介紹UC3717的功能特性[16]。圖514 UC3717組成的驅(qū)動(dòng)電路 UC3717的換相輸入端為管腳8，它控制著二相步進(jìn)電機(jī)繞組電流的方向，內(nèi)置的施密特觸發(fā)器產(chǎn)生換相延時(shí)?？梢杂行У南娏鲹Q相時(shí)輸出管腳電流噪音干擾。輸出端為管腳1和管腳15，內(nèi)置有四片達(dá)林頓晶體管QQ4，與續(xù)流二極管組成H型電橋結(jié)構(gòu)，如圖515所示，當(dāng)換相輸入端為低電平時(shí)，QQ3開啟，QQ4關(guān)斷；為高電平時(shí)，QQ4開啟，QQ3關(guān)斷。繞組電流換相時(shí)，相應(yīng)晶體管組（如QQ3）被關(guān)斷，由于電機(jī)繞組電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，電流不能立即減小為0，將流過續(xù)流二極管，這樣就可確保電流換相時(shí)，繞組感應(yīng)電流通過續(xù)流二極管組成的環(huán)行通路減小至0。圖515 UC3717內(nèi)置晶體管Q1～Q4 電流選擇端由二個(gè)輸入邏輯控制端I0和I1組成，它們對(duì)應(yīng)的管腳分別為管腳9和7。通過對(duì)I0、I1的邏輯控制，可以選通片內(nèi)相應(yīng)的電壓比較器，選擇相應(yīng)比例的參考電壓，同時(shí)選通電流開關(guān)運(yùn)算器，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流的目的。另一控制電流的裝置是片內(nèi)電流開關(guān)運(yùn)算器，運(yùn)算器控制著QQ4的開關(guān)時(shí)間，從而控制電機(jī)繞組平均電流的大小。開關(guān)時(shí)間取決與管腳2的外接電阻和電容時(shí)間常數(shù)電路，當(dāng)電流開關(guān)運(yùn)算器被選通后，根據(jù)開關(guān)的時(shí)間常數(shù)，控制QQ4的開關(guān)，關(guān)斷時(shí)間常數(shù)公式為：Toff=。繞組電流同時(shí)受控于管腳16的外接電阻Rs，它實(shí)際是QQ4發(fā)射極的外接電阻。管腳11為UC3717提供總參考電壓端。電路工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)電流從零增大，管腳16上的外接電阻產(chǎn)生分壓Vrs， Vrs通過低通電路的電阻Rc加壓與管腳10，當(dāng)Vrs增大超過內(nèi)置電壓比較器的門限電壓時(shí)，將關(guān)斷電流開關(guān)運(yùn)算器，電流開關(guān)運(yùn)算器產(chǎn)生信號(hào)關(guān)斷晶體管Q3或Q4，繞組電流將通過續(xù)流二極管組成的環(huán)行通路里續(xù)流，電流逐漸減小，Vrs也隨之減小，當(dāng)小于門限電壓時(shí)，電流開關(guān)運(yùn)算器開啟，此過程周而復(fù)始重復(fù)，直至繞組電流被要求反相。當(dāng)換相輸入端管腳8被輸入邏輯信號(hào)要求換相時(shí)，開啟的晶體管被關(guān)斷，關(guān)斷的一組晶體管將被開啟，此時(shí)繞組電流減小至0，再反向增大。典型的繞組電流波形如圖516：圖516 繞組電流波形圖2. 74LS194邏輯電路圖517是以74LS194為核心的邏輯電路，為圖514中的UC3717驅(qū)動(dòng)電路提供所需脈沖和二相八拍的驅(qū)動(dòng)波形，其中輸入端的T/R為電機(jī)正反控制端；CLK為單片機(jī)發(fā)出的時(shí)鐘脈沖。PHASE端為步進(jìn)電機(jī)繞組電流的正反向控制端。 圖517 74LS194邏輯電路74LS194邏輯電路輸出的二相八拍驅(qū)動(dòng)波形如圖518：圖518 74LS194邏輯電路驅(qū)動(dòng)UC3717的二相八拍波形3. 單片機(jī)ADμC812介紹驅(qū)動(dòng)電路中采用的是Analog Devices公司的的ADμC812單片機(jī)，它具有與8051兼容的內(nèi)核，指令系統(tǒng)與8051兼容。ADμC812具有如下特點(diǎn)，其功能框圖如圖519：圖519ADμC 812的功能框圖內(nèi)含8通道高精度12位A/D轉(zhuǎn)換器；高達(dá)200kHz的采樣轉(zhuǎn)換速率；可通過DMA控制器實(shí)現(xiàn)由ADC到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；片內(nèi)還包含2個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器；片內(nèi)包含有溫度傳感器；片內(nèi)集成有和8051兼容的MCU內(nèi)核，工作頻率為12MHz，最高可達(dá)16MHz，MCU上帶有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，9個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)；片內(nèi)帶8K字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)器，640字節(jié)FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)還可擴(kuò)展16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及64K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器；低電壓3V或5V供電，有節(jié)電模式；帶UART和SPI串行接口；帶看門狗定時(shí)器。 ADμC812采用S－52封裝，如圖520所示。它的大部分管腳和8051相應(yīng)管腳功能相同，幾個(gè)主要管腳功能如下： P1口：和8051的P1口功能不同，它只能作為模擬或數(shù)字信號(hào)的輸入口，而不能作為輸出口，缺省狀態(tài)為8路模擬信號(hào)輸入端，要使它們中的某位變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入腳，應(yīng)向P1口對(duì)應(yīng)的特殊功能寄存器的相應(yīng)位寫入“0”信號(hào)，如果該特殊功能寄存器的相應(yīng)位為“1”，則該位對(duì)應(yīng)的管腳為模擬信號(hào)輸入腳； DAC0、DACl：為兩路D/A轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸出腳； SS、SCLK、MOSI、MISO：為串行設(shè)備接口（SPI）。SS為SPI接口的從屬設(shè)備選擇，在多機(jī)通信中使用，SCLK為SPI接口時(shí)鐘，M0SI以及MISO為輸入/輸出數(shù)據(jù)線； D0、D1：和SPI接口復(fù)用的數(shù)字輸出腳，通過DCON特殊功能寄存器控制從D0或D1腳輸出數(shù)字信號(hào)； T2：定時(shí)器2數(shù)字信號(hào)輸入腳；T2EX：數(shù)字輸入腳，讀取定時(shí)器2的計(jì)數(shù)器或重裝該計(jì)數(shù)器的觸發(fā)腳，負(fù)跳變時(shí)有效。其它腳的功能和8051相應(yīng)腳的功能相同。圖520 ADμC 812的引腳結(jié)構(gòu)圖4. 步進(jìn)電機(jī)靜止時(shí)的鎖定 ，產(chǎn)生脈沖序列CLK，為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路的時(shí)間序列。在電機(jī)靜止時(shí)，、用來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定。 在運(yùn)行過程中，由于風(fēng)力或者慣性，在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸會(huì)因此發(fā)生扭動(dòng)或偏轉(zhuǎn)，從而影響跟蹤準(zhǔn)確性。因此，在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，要給電機(jī)轉(zhuǎn)軸一個(gè)鎖定力矩，鎖定電機(jī)主軸。由邏輯電路設(shè)計(jì)知，電機(jī)靜止時(shí)，圖515電路的2端為高電平；UC3717的9腳為控制輸出驅(qū)動(dòng)電流端，當(dāng)9腳都為“0”時(shí)，UC3717的A0、B0端輸出最大平均電流，為“1”時(shí)，輸出電流為0。如圖515所示，在電機(jī)靜止時(shí)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，如圖521： 圖521步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子A相繞組首先通電產(chǎn)生AA’軸線上的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路，這A、A’極就成為電磁的N、S極，在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是2對(duì)齊A、A’的位置，接著B相通電（A相不通），轉(zhuǎn)子便順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度與B、B’極對(duì)齊，這樣循環(huán)通電，電機(jī)便轉(zhuǎn)動(dòng)起來。如果A、B相都通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡的時(shí)，鎖定不動(dòng)，以上是簡單原理。實(shí)際上，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，如果A相主通電，既通電時(shí)間長，平均電流大，磁力大，B相輔通電，即通電時(shí)間短，磁力小，而且轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，B相附近也有接近對(duì)齊的轉(zhuǎn)子齒，因此鎖定時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁拉力平衡的時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)很小，從而保證了控制的精確性。A、B相都通電，并且A相主鎖定，比A相單獨(dú)通電的鎖定磁力大。在電流值安全的范圍內(nèi)，如圖522：圖522 自動(dòng)跟蹤的控制電路圖523自動(dòng)跟蹤的控制電路 軟件流程系統(tǒng)初始化模塊是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)復(fù)位到初始位置時(shí)，通過觸發(fā)開關(guān)向控制端口發(fā)送電平信號(hào)，單片機(jī)識(shí)別后立即中止驅(qū)動(dòng)脈沖的發(fā)送。這種模式主要針對(duì)系統(tǒng)工作異常和日落后系統(tǒng)自動(dòng)返回初始而設(shè)置的，也可以減小因步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)而產(chǎn)生的誤差積累。聚光器跟蹤太陽的子程序?yàn)镾TARTI，早上回到初始位置的子程序?yàn)镾TART2。整個(gè)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)軟件主流程圖如圖524所示。圖524控制系統(tǒng)軟件流程圖 整個(gè)跟蹤過程無需人工干預(yù)，就可精確地定位、跟蹤，由于太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用了太陽輻射與環(huán)境亮度的比較，使得該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)，即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)工作也不發(fā)生混亂。本章的內(nèi)容為本文的核心部分。第六章 蓄電池 蓄電池的概念蓄電池又稱二次電池。它與原電池（又稱一次電池）不同，原電池經(jīng)放電后，不能使用充電方法使其活性物質(zhì)復(fù)原。而蓄電池經(jīng)放電后，可用充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原，再放電，故能以充電、放電方式循環(huán)多次使用。 光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的選用光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池，其作用是將光伏電池轉(zhuǎn)換出來的電能儲(chǔ)存起來以便使用。與光伏電池方陣配套的蓄電池通常在浮充狀態(tài)下工作，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的電能量比用電負(fù)載所需的電能量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與光伏電池匹配，要求蓄電池工作壽命長而且要維護(hù)簡單。 能夠和光伏電池配套使用的蓄電池種類很多，但目前廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鉻蓄電池、鋰電池等。光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的蓄電池一般為鉛酸蓄電池，它的價(jià)格便宜；高低溫性能良好（可在40～60℃的條件下工作）；易于浮充使用，沒有“記憶效應(yīng)”。國內(nèi)目前最主要使用的蓄電池為鉛酸免維護(hù)蓄電池，因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對(duì)環(huán)境較少污染的特點(diǎn)，很適合用于性能可靠的光伏電源系統(tǒng)，特別是無人值守的工作站。而普通鉛酸蓄電池由于需要較強(qiáng)的維護(hù)能力及環(huán)境污染較大，所以主要用于有維護(hù)能力或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鉻蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但由于其價(jià)格較高，僅使用于較為特殊的場(chǎng)合。鋰電池從各方面性能來看都非常突出且比較輕，配備鋰電池當(dāng)然是首選，但價(jià)格昂貴。因此在本設(shè)計(jì)中選用鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池的應(yīng)用非常的廣泛?，F(xiàn)在市面上有各種用途的鉛酸