【正文】 其中 V5 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的是光強(qiáng)信號(hào)，其功能是測(cè)量光照強(qiáng)度，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)處理，再結(jié)合時(shí)鐘時(shí)間從而判斷出天氣狀況，是陰天還是晴天，是否有烏云遮擋。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。 圖 光強(qiáng)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(xué)院 第 25 頁(yè) 共 54 頁(yè) 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(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無(wú)光照時(shí) , 光敏電阻值（暗電阻）很大 , 電路中電流（暗電流）很??； 當(dāng)受到光照時(shí)，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率增加，電阻減小。 光電傳感模塊 1） 光照檢測(cè)部分 可利用光敏電阻傳感器作為檢測(cè)元件，它可以完成從光強(qiáng)到電阻值的信號(hào)轉(zhuǎn)換，再把電阻值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)就可以作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。此處接一個(gè)電阻式為了限制二極管的電流，從而達(dá)到減少功耗或者滿足端口對(duì)最大電流的限制。此外，工作電流要滿足該二極管的工作電流。 發(fā)光二極管 發(fā)光二極管在其兩 端的電壓差超出其導(dǎo)通壓降時(shí)開(kāi)始工作。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 11MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30pF。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。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。 晶振電路 晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。高電平的持續(xù)時(shí)間取決于電容充電時(shí)間。 圖 復(fù)位電路 本次設(shè)計(jì)采用用的是第一種方法，即上電復(fù)位。 一般 單片機(jī) 復(fù)位需要 5ms 的時(shí)間。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)， 因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng) VCC 超過(guò) 低于 以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，單片機(jī)電路開(kāi)始正常工作 。一般單片機(jī)電路正常工作需要供電電源為 5V177。 在本系統(tǒng)中： P0 口作為 I/O 接口，負(fù)責(zé)指示燈控制信號(hào)； P1 口作為 I/O 接口，光電信號(hào)輸入； P2 口作為數(shù)據(jù)接口，負(fù)責(zé)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。CPU 在電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路的作用下正 常工作，通過(guò) EEPROM 電路存取運(yùn)行參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用宏晶公司的高性能 8 位單片機(jī) STC12C5A60S2。CDS 的阻值變化與光照的變化之間的關(guān)系是線性的，它的阻值的變化是在一個(gè)范圍內(nèi)沿著一條直線上升或下降。 光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見(jiàn)光的測(cè)量。 本次設(shè)計(jì)采用的是 CDS 光敏電阻。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、 光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。當(dāng)敏感波長(zhǎng)的光照半導(dǎo)體光電晶體表面，晶體內(nèi)載流子增加，使其電導(dǎo)率增加（即電阻減?。?。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。光敏傳感器主要由光敏元件組成。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3て變?yōu)?1/12 て， 1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4 與 A 對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 て 這樣經(jīng)過(guò) 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(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按 A， B， C， A??通電，電機(jī)就每步（每脈沖） 1/3 て ,向右旋轉(zhuǎn)。 如 B 相通電， A， C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò) 1/3 て，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 て，齒 4 與 A 偏移（て1/3 て） =2/3 て。與齒 5 相對(duì)齊，（ A39。 圖 步進(jìn)電機(jī)原理圖 結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。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。 5）無(wú)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。 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。 2）電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。因此用好步進(jìn) 電機(jī) 卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用 ，但步進(jìn)電機(jī)并 不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī) 在常規(guī)下使用。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。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(gè)硬件復(fù)位為止。 在閑置模式下， CPU 停止工作。 、ADC 輸入通道 PCA 計(jì)數(shù)器的外部脈沖輸入腳 ，第二串口數(shù)據(jù)接收端 ，高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出、第二串口數(shù)據(jù)發(fā)送端 (主器件的輸入和從器件的輸出 ) ~ P2 口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入輸出口（ 8 位準(zhǔn)雙向口），也可作為高 8 位地址總線使用。當(dāng) P0 口作為輸入 /輸出口時(shí)， P0 是一個(gè) 8 位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無(wú)需外接上拉電阻。 在 40 個(gè)管腳 中，其中有 32 個(gè)腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這 32 個(gè)腳叫做單片機(jī)的 “端口 ”，在單片機(jī)技術(shù)中，每個(gè)端口都有一個(gè)特定的名字，比如第一腳的那個(gè)端口叫做“”。內(nèi)部集成 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 54 頁(yè) 第 4章 電池板跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 關(guān)鍵器件介紹 STC12C5A60S2 簡(jiǎn)介 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)是由宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期（ 1T）單片機(jī)。 2．南北方向跟蹤 支柱 2 上設(shè)置一個(gè)橫支架 8，橫支架 8 端部鉸接一個(gè)減速器 10，減速器中設(shè)有蝸桿（圖中未畫出）與電機(jī) 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(guò)鉸鏈 11 與電池板支架連接。主軸通過(guò)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(guò)銷軸 4 與電池板支架連接。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘單片機(jī)存儲(chǔ)器電腦步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路光電傳感器華北科技學(xué)院 第 15 頁(yè) 共 54 頁(yè) 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì) A A1234567891 01 1 圖 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置圖 1支座； 2支柱； 3電池板支架； 4銷軸； 5減速箱體（含電動(dòng)機(jī)）； 15主軸； 7絲桿； 8橫支架； 5電機(jī)； 10減速器； 11鉸鏈為方位軸和俯仰軸。這樣程序法的初步定位完成了 。先從電腦中將確定地理位置信息的太陽(yáng)高度角方位角的數(shù)表傳入到存儲(chǔ)器中該數(shù)表是高度角（方位角）隨天數(shù)與小時(shí)數(shù)變化的二維變量。當(dāng) A,B 與 C,D 都沒(méi)有電壓差時(shí)即陽(yáng)光正對(duì)電池板和傳感器鏡桶時(shí)，光敏電阻 E 對(duì)不同的光強(qiáng)會(huì)有不 同的電阻值，產(chǎn)生不同的電壓信號(hào)給單片機(jī)處理，當(dāng)烏云遮擋時(shí)，光強(qiáng)很弱，單片機(jī)就可以停止光電跟蹤，避免了盲目跟蹤。直到 A 與 B 沒(méi)有電壓差未止。其中電源的電取自太陽(yáng)能電池板；光電傳感器利用光敏電阻特性設(shè)計(jì)而成。 由光敏傳感器采集太陽(yáng)與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號(hào)ACBDE太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 54 頁(yè) 與光強(qiáng)信號(hào)，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器 單片機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)緩慢調(diào)整角度。太陽(yáng)像直徑約為 , 即當(dāng)粗跟蹤將傳感器主光軸與太陽(yáng)入射光線間的夾角調(diào)節(jié)至176。 控制方案設(shè)計(jì) 光敏電阻設(shè)計(jì)的傳感器 圖 光電傳感器鏡筒圖 θ 為太陽(yáng)入射光線與主光軸的夾角， d 為光電傳感器上的太陽(yáng)像直徑。 PG120L3 減速器減速比30:1 可以將步進(jìn)電機(jī)的每一步角度降得很低。 當(dāng)烏云遮擋時(shí) 根據(jù)光電傳感器的光強(qiáng)信號(hào) 可以自動(dòng)停止 光電 跟蹤 。 光電跟蹤作為程序跟蹤的補(bǔ)充，對(duì)電池板位置進(jìn)行精確的調(diào)整。程序的數(shù)據(jù)可以修改，使用靈活方便。 當(dāng)啟動(dòng)后采用30 分鐘調(diào)整一次，可以防止電機(jī)盲目轉(zhuǎn)動(dòng)又可以節(jié)省電機(jī)耗能。華北科技學(xué)院 第 13 頁(yè) 共 54 頁(yè) 天黑時(shí)方案同理，將系統(tǒng)關(guān)閉，夏天和冬天關(guān)閉的時(shí)間是不一樣的。其中程序跟蹤的控制方案為：根據(jù)天亮?xí)r間，比如夏天的時(shí)候 6 點(diǎn)天亮，這樣就要使程序定在 6 點(diǎn)的時(shí)候啟動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。 夏天啟動(dòng)時(shí)間 6 點(diǎn) 最大跟蹤角度 (高度角 ) 75176。 光敏電阻工作環(huán)境溫度 30176。 光敏電阻型號(hào) GL5516 單片機(jī) STC12C5A 最大跟蹤角度 (方位角 ) 177。跟蹤系統(tǒng)具體參數(shù)如下圖所示： 跟蹤精度 177。但是上述方法是有一些缺點(diǎn)的，主要是程序的計(jì)算量太大，從而影響到響應(yīng)的速度，而且對(duì) CPU 要求很高。 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 54 頁(yè) 第 3章 太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的控制目標(biāo)與控制方案 控制方案選擇 目前比較先進(jìn)的程序跟蹤方法是根據(jù)太陽(yáng)軌跡算法的分析，太陽(yáng)軌跡位置由觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定。 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(gè)最大功率輸出問(wèn)題，在第四章中將對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究。對(duì)應(yīng) 不同的光照強(qiáng)度時(shí)，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱和橫坐標(biāo)分別為工作電流和工作電壓，兩者之積即為電池的輸出功率 P，即 P=VI。 華北科技學(xué)院 第 11 頁(yè) 共 54 頁(yè) 光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線 光伏電池的伏安特性是一定光強(qiáng)、一定溫度下，電池的負(fù)載外特性，直接反映出電池輸出功率。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過(guò)加裝聚光器來(lái)加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本，但是聚光器對(duì)光照條件要求比較高，最主要是要求光線要近乎垂直地照射到太陽(yáng)能電池板上。 所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)早晨光線不強(qiáng)和中午烈日當(dāng)空時(shí)，所測(cè)量的開(kāi)路電壓相差不大，而天空光線極差時(shí)，開(kāi)路電壓會(huì)直線下降，幾乎為 0。 圖 不同日照強(qiáng)度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏 安曲線（ b）光伏電池的功率電壓曲線 從上圖曲線中得到，電池的開(kāi)路電壓近似的與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。 太陽(yáng)的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響 圖 中的伏安特性曲線是在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下得到的，在實(shí)際運(yùn)用中，光伏電池的開(kāi)路電壓和短路電流都會(huì)隨著兩者的變化而變化。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(fù)的溫度系數(shù)。如將 PN 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過(guò)電路， PN 結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。例如，當(dāng)光照射到由 P 型和 N 型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN 結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子 — 電子和空穴。因此目前多種太陽(yáng)能發(fā)電裝置均采用地平坐標(biāo)。同時(shí)由于鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準(zhǔn)儀所定出的水平線是在幾何坐標(biāo)系中惟一能容易直接觀測(cè)的參考方向，所以地平參考系一直是實(shí)用中必不可少的媒介系統(tǒng)。圖 為極軸坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，天文赤道面為基本面，坐標(biāo)為時(shí)角 (用圓弧 S′G′表示 )和赤緯 (用圓弧 GG′表示 )，跟蹤過(guò)程中極軸 jj′相對(duì)于極軸坐標(biāo)系為靜止?fàn)顟B(tài)，赤緯軸 dd′則在赤道面 (或其平行面 )內(nèi)繞極軸轉(zhuǎn)動(dòng)。因此有： ω=(12T) 150 （ 7） 式中 ， T當(dāng)?shù)貢r(shí)問(wèn)。每小時(shí)變化15176。 在一天當(dāng)中，太陽(yáng)赤緯變化很小 ，位置變化主要由地球自轉(zhuǎn)引起