【正文】 本人保證畢業(yè)離校后，使用學(xué)位論文工作成果或用學(xué)位論文 工作成果發(fā)表論文時(shí)署名單位仍然為西安工業(yè)大學(xué)。從小到一個(gè)模塊 的功能介紹，到大至在電路調(diào)試過程中，無一不細(xì)致入微。自動(dòng)跟蹤控制芯片選擇單片機(jī) C8051F020，通過程序控制使單片機(jī)的輸出引腳發(fā)生電平變化，此信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)光伏電池板轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使其能夠保持朝著與太陽光線垂直的方向。高度角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過高度角蝸桿、蝸輪把力矩傳給絲杠，絲杠將推動(dòng)支撐板做俯仰運(yùn)動(dòng)調(diào)整 光電池板 的傾角，使 光電池板 在南北方向跟蹤太陽?？梢员ＷC在無驅(qū)動(dòng)的情況下太陽跟蹤裝置的角位置得到穩(wěn)定。在動(dòng)力傳動(dòng)中，單級(jí)傳動(dòng)比一般為 8～ 80，在分度機(jī)構(gòu)中或傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)比可達(dá) 1000，因傳動(dòng)比大，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。 其中 R7 R74 選用 、 2W 的大功率電阻。單片機(jī)控制兩個(gè)電機(jī)的所有信號(hào)均通過光耦輸出，見圖。 REFIN 為低電平時(shí)， NFA 和 NFB 輸出電壓為 V，REFIN 為高電平時(shí)， NFA 和 NFB 輸出電壓為 。但是當(dāng)其中一個(gè)引腳輸入脈沖時(shí)，另一個(gè)引腳必須保持高電平。 TA8435H 是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用 芯片，外接電路簡單，工作可靠。單片機(jī)采用定時(shí)中斷方式來控制電機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。從電動(dòng)機(jī)本身的特性來看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩基本上可以認(rèn)為恒定。如 圖 所示。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)象，會(huì)造成位置精度降低。 這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法，使實(shí)際的步距角更小了，可以大大提高對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。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)。 2）并行控制用單片機(jī)系統(tǒng)接口的數(shù)條數(shù)據(jù)線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū) 動(dòng)線路的方法稱為并行控制 。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)。 串并行控制 采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有串行控制和并行控制兩種方法。 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)。所以分配器出來的脈沖還需進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。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。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器主要是由脈沖發(fā)生器，脈沖分配器和功率放大器等環(huán)節(jié)組成。 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。步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn) ： 1）在不失步的前提下步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。 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。 V 1 2T L P 5 2 1 2S1R 7 8R 8 0V3/ I N T 0 圖 限位開關(guān)連接電路 行程開關(guān) S1 處于常開狀態(tài)，機(jī)械裝置的方位軸在正常的工作范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，因而輸入單片機(jī) /INT0 端口的是高電平；當(dāng)機(jī)械裝置的方位軸轉(zhuǎn)到極限狀態(tài)時(shí)，行程開關(guān) S1 的機(jī)械觸頭動(dòng)作，使常開狀態(tài)的行程開關(guān)閉合，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，從而使得三級(jí)管導(dǎo)通， /INT0 變?yōu)榈碗娖?。使用光耦主要是基于以下考慮： ①響應(yīng)速度加快。 90176。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。 AD0BUSY 位的下降沿觸發(fā) 一個(gè)中斷（當(dāng)被允許時(shí)）并將中斷 標(biāo)志 AD0INT（ ）置‘ 1’。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。 C 的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個(gè)兩倍增益的輸出緩沖放大器。 C8051F020 的 ADC0 子系統(tǒng)功能圖如圖 所示 。在低有效的 /RST 信號(hào)撤出 后， MCU 將保持在復(fù)位狀態(tài)至少 12 個(gè) 時(shí)鐘周期。 電路圖如圖 所示。 GND：電源地。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。用于時(shí)鐘或 RAM 數(shù)據(jù)的讀 /寫具有單字節(jié)或多字節(jié) (也稱脈沖 方式 )數(shù)據(jù)傳送方式。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。10 5。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。 ⑩ 5 個(gè)通用的 16位定時(shí)器；具有 5個(gè)捕捉 /比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列。 ⑥ 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器。 ②全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；片內(nèi)看門狗定時(shí)器。開路電壓≥ 550mv。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm~1100nm，峰值波長在 850nm 附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。根據(jù)半導(dǎo)體的材料不同，光電池可分為硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。 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。 光電池的特性參數(shù)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 光電池的主要功能是在不加偏置的情況下能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 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。 傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)采集 處理 電路 傳感器主要是由 4 片性能參數(shù)一致的光電池組成，其 中兩個(gè)在東西方向成“人”字形，檢測(cè)東西方向光線變化，即調(diào)整方位角，另兩個(gè)在南北方向成“人”字形，檢測(cè)南北方向光線變化，即調(diào)整俯仰角 。 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)。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤 控制。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確 ,電路也比較簡單 。同時(shí)，西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 還要通過儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點(diǎn)處于地面水平面內(nèi)。 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。 故我們可以根據(jù)不同地區(qū)的情況 確定一個(gè)合適的太陽能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽能。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。15176。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。其中α +θ z=90176。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。 相關(guān)角度的計(jì)算 在太陽能的地面應(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。 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。通過天頂和太陽（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)針方向計(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)。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。地球圍繞太陽在一個(gè)橢圓形軌道上公轉(zhuǎn)，每公轉(zhuǎn)一周為一個(gè)太陽年、它等于 365 天 5小時(shí) 48 分。 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。 主要內(nèi) 容 因光伏電池的輸出特性受外界因素影響較大，如何對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行有效 控制使其能夠工作在最佳的狀態(tài)，有效的利用太陽能，從而能夠產(chǎn)生更多的 電能，是一個(gè)非常重要的課題。在“六五”和“七五”期間，國家開始對(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。2020 年 2 月 ,Acciona 太陽能公司建立的被稱為西班牙最大的太陽能電站設(shè)施開始投入使用 ,整個(gè)設(shè)施由 400 個(gè)太陽跟蹤托盤， 14400 個(gè)電池板組成。美國 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%。 提高太陽能利用率的途徑通常有跟蹤和聚焦兩種方式。 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。各個(gè)地區(qū)全年總輻射量的分布大體上在 930— 2330kW178。全國年日照小時(shí)數(shù)在 2020 h 以上。10 2kwh／ m2178。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。近來報(bào)道不多。 ③光化學(xué)轉(zhuǎn)換。 ②光電轉(zhuǎn)換。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。 太陽能利用基本方式 太陽輻射能實(shí)際上是地球上最主要的能量源泉。 ③間歇牲。而在同一個(gè)地點(diǎn)的不同季節(jié)里，冬季的太陽輻射強(qiáng)度顯然又遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上夏季。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。其主要有以下缺點(diǎn)： ①強(qiáng)度弱。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。 ③利用的清潔性。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。太陽每秒鐘放射的能量大約是 16179。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)。目前世界消耗的主要能源是由吸收太陽能的植物經(jīng)億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等，這些都屬于不可再生資源。 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)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題目 ： 太陽能光伏發(fā)電 光源跟蹤控制系統(tǒng) — 硬件部分 院 系： 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 2020 年 6 月 II 太陽能光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng) —— 硬件部分 摘要 太陽能是一種非常具有開發(fā)潛力的能源，世界各國都在積極開發(fā)利用太陽能。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。據(jù)權(quán)威人士估計(jì)，世界上已經(jīng)探明的石油儲(chǔ)量僅可開采 40 多年；天然氣可開采 70 年左右；煤的儲(chǔ)量較豐富，可開采 200 年。目前許多國家就開展了這方面的工作。 1023KW，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約 1892179。 ②存在的普遍性。太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染是人類理想的替代能源。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。雖然到達(dá)地球大氣上界和到達(dá)地球表面的太陽能總量都十分巨大，但它的強(qiáng)度卻是相當(dāng)弱的。 47%=640 瓦。一個(gè)原因是，由于太陽的高度角不同，因此對(duì)同一個(gè)水平面的人射角自然不同。到達(dá)地面的太陽直接輻射能，隨晝夜交替的變化。自然界中的燃料能、風(fēng)能、水能等皆來源于太陽能。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度都較低，小于或等于 100℃。將太陽輻射的光能根據(jù)“光電轉(zhuǎn)換”原理把光能變成電能再加以利用，常稱“光伏轉(zhuǎn)換”。通過光化學(xué) 作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫。目前仍處于研究、開發(fā)階段。 我國太陽能資源及利用情況 中國地處北半球，幅員遼闊，絕大部分地區(qū)位于北緯 45176。 a(新的規(guī)定不再使用 kcal“千卡”這個(gè)單位，可選用 kJ 或kw178。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。 h／ m2178。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 。跟蹤指是太陽能利用裝置始終垂直于太陽輻射光線，即入射角度為零。 1998 年美國加州成功的研究了 ATM 兩軸跟蹤器