【正文】 / R S TR 811K3VS 8 1S W P BC 810. 1 uF 圖 復(fù)位電路 C8051F330的 ADC0子系統(tǒng) 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 C8051F330 的 ADC0 子系統(tǒng) C8。最大的 VDD 上升時(shí)間為 1ms；上升時(shí)間超過(guò)該最大值時(shí)可能導(dǎo)致器件在 VDD 達(dá)到 VRST電平之前退出復(fù)位狀態(tài)。 在上電期間，器件保持在復(fù)位狀態(tài)， /RST 引腳被驅(qū)動(dòng)到低電平，直到 VDD 上升到超過(guò) VRST電平。外部復(fù)位電路如圖 所示。最好能提供一個(gè)外部上拉和（或）對(duì) /RST 引腳去耦以防止強(qiáng)噪聲引起復(fù)位。 外部 /RST 引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制 MCU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的方法。電路圖如圖 所示。 I/O：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。 GND：電源地。數(shù)據(jù)可以按每次一個(gè)字節(jié)或多達(dá) 31 個(gè)字節(jié)的形式傳送到時(shí)鐘 RAM 或從中送出。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。 DS1302 慢速充電時(shí)鐘芯片包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘 /日歷和 31 字節(jié)的靜態(tài) RAM，經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn) 單的串行接口與單片機(jī)通信。用于時(shí)鐘或 RAM 數(shù)據(jù)的讀 /寫(xiě)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。 在時(shí)鐘芯片的選著上，我們選擇 DALLAS公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯 DS1302，為 I2C協(xié)議， 它雖然沒(méi)有采取光電隔離，但由于讀寫(xiě)靠時(shí)序控制，且具有寫(xiě)保護(hù)位，抗干擾效果好，同時(shí)體積小，連線少，外圍只有一 晶振，使用靈活。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們 確定 單片機(jī)每隔 分鐘給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)脈沖，也就是說(shuō)間隔 分鐘單片機(jī)才從外部時(shí)鐘采集一次數(shù)據(jù)。故在系統(tǒng)中加入一個(gè)外部時(shí)鐘電路，使系統(tǒng)能夠識(shí)別時(shí)間。經(jīng)計(jì)算選取 R31=150K， R32=10K,L=34uH。三者之間符合如下關(guān)系： Vout=Vfb(1+R31/R32),其中 Vfb 一般為 。將輸入的 12V 電壓轉(zhuǎn)換到 5V 我們選用 MC78M05 三端 穩(wěn)壓芯片，將 5V轉(zhuǎn)換到 3V我們選用 AS1117 三端穩(wěn)壓芯片，在將 12V 轉(zhuǎn)換到 24V 時(shí)我們沒(méi)有用 MC78M05 而是選用了轉(zhuǎn)換效率更高的 MAX618EEE 芯片。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 80C51F330 芯片結(jié)構(gòu)圖 下面列出了其一些主要特性： ⑴ 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051兼容的 CIP51內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS） ⑵ 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） ⑶ 真正 10位 200 ksps的 16通道單端 /差分 ADC，帶模擬多路器 ⑷ 10位電流輸出 DAC ⑸ 高精度可編程的 25MHz內(nèi)部振蕩器 ⑹ 8KB可在系統(tǒng)編程的 FLASH存儲(chǔ)器 ⑺ 768字節(jié)片內(nèi) RAM ⑻ 硬件實(shí)現(xiàn)的 SMBus/ I2C、增強(qiáng)型 UART和增強(qiáng)型 SPI串行接口 ⑼ 4個(gè)通用的 16位定時(shí)器 ⑽ 具有 3個(gè)捕捉 /比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列（ PCA） ⑾ 片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 ⑿ 片內(nèi)電壓比較器 ⒀ 17個(gè)端口 I/O（容許 5V輸入） 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 電源電路 電源模塊需要向 80C51F330 提供 3V 的電源電壓，向外部時(shí)鐘提供 5V的電源電壓，向通信模塊 RS485 提供 5V的電壓，向限位開(kāi)關(guān)、復(fù)位電路提供 3V 的邏輯電壓，以及向 控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器 PMM8713 提供 5V的電源電壓，向步進(jìn)電機(jī)及其功率放大驅(qū)動(dòng)電路提供 24V 的電壓。 C8051F330 器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU，其自帶 A/D 轉(zhuǎn)換，就不需要外擴(kuò) A/D，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì) 。短路電流≥ 23mA；輸出電流≥ ；轉(zhuǎn)換效率 1012%。 2CR43光電池：面積 10 10mm2。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm~1100nm，峰值波長(zhǎng)在 850nm 附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。光電池的光譜特性決定于材料。開(kāi)路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。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。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱為太陽(yáng)能電池。 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。太陽(yáng)能光電池主要用作電源，由干它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、能直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，因而不僅成為航天工業(yè)的重要電源，還被廣泛地應(yīng)用干人們的日常生活中。圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)放采用 LM324，在圖中所示條件下，電路放大倍數(shù)如式（ ）所示 :[27] 放大倍數(shù) =1+RF12/R11 () 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 光電池的特性參數(shù) 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)。本文中選用 LM324,它的偏置電流是 nA 數(shù)量級(jí)， LM324 是一種 4集成運(yùn)算放大器，由于價(jià)廉且使用方便，被廣泛應(yīng)用于控制和一般信號(hào)放大處理之中。東西或南北兩塊光電池的電壓接入 E E2。 由于光電 跟蹤 傳感器的輸出電壓很小，不利于直接比較，所以我們先將光電傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大處理后輸入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。可以采用 限位開(kāi)關(guān)來(lái)復(fù)位，當(dāng)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送個(gè)脈沖，單片機(jī)響應(yīng)此操作，進(jìn)行中斷處理，跟蹤裝置歸位。光電傳感器輸出的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理輸入到 A/D,為跟蹤提供依據(jù)。單片機(jī)會(huì)結(jié)合當(dāng)前時(shí)鐘調(diào)節(jié)光電池陣列的角度，如果光電傳感器仍然檢測(cè)不到電壓差信號(hào)，則可判斷是陰天，系統(tǒng) 停止連續(xù)跟蹤調(diào)節(jié) 以節(jié)能；如果光電傳感器能檢測(cè)到電壓差信號(hào)，但是經(jīng)單片機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整 后，光電傳感器再次檢測(cè)的信號(hào)與前一次相比沒(méi)有變化，則判斷光電池陣列是否觸到限位開(kāi)關(guān)，若是，單片機(jī)將結(jié)合當(dāng)前時(shí)鐘對(duì)光電池陣列的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，若不是，則說(shuō)明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這時(shí)將由 通信口發(fā)出信號(hào)通知工作人員進(jìn)行維護(hù)。 圖 系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)工作原理 單 片 機(jī) (A/D) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 垂直方向電機(jī) 水平方向電機(jī) 光 電 池 陣 列 通信口 當(dāng)前時(shí)鐘電路 電源電路 光源跟蹤信號(hào)前置電路 限位檢測(cè)電路 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 正常情況下：光電池陣列接受光照后，光電傳感器輸出信號(hào)（電壓差）經(jīng)放大處理等（ 光源跟蹤信號(hào)前置電路 ）輸入單片機(jī)，單片機(jī)處理后發(fā)出信號(hào)給電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)光電池陣列進(jìn)行水平和垂直方向的調(diào)節(jié)，以便保持同太陽(yáng)光垂直的角度，從而達(dá)到對(duì)太陽(yáng)光的最大利用，通過(guò)當(dāng)前時(shí)鐘可以很方便的在太陽(yáng)下山后（無(wú)光照時(shí)）控制光電池陣列回到初始位置，以便開(kāi)始新的一天的工作。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確 ,電路也比較簡(jiǎn)單。 跟蹤方式的選著 綜合 的幾種跟蹤方式以及結(jié)合本課題的要求，我們選著光電加時(shí)鐘跟蹤方式，簡(jiǎn)略敘述如下：正常情況下，由光電傳感器反饋信息進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)能電池陣列進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其能與太陽(yáng)光垂直，保持對(duì)太陽(yáng)能的最大利用。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過(guò)程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽(yáng)能發(fā)電裝置。在運(yùn)行當(dāng)中，以過(guò)程控制為主，傳感器瞬時(shí)測(cè)量作反饋，對(duì)程序進(jìn)行累積誤差修正。在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度傳感器。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤在計(jì)算太陽(yáng)角度的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差，從而影響跟蹤精度，并且跟蹤裝置的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精密程度也會(huì)影響到裝置的跟蹤精度。光電跟蹤靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便 ； 但受天氣的影響很大，如果在稍長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽(yáng)的情況，太陽(yáng)光線往往不能照到硅光電管上，導(dǎo)致跟蹤 裝置無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作 [12]。 光電跟蹤 目前，國(guó)內(nèi)常用的光電跟蹤有重力式、電磁式和電動(dòng)式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器如硅光電管。雙軸跟蹤又可以分為兩種方式 :極軸式全跟蹤和高度角一方位角式全跟蹤。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與太陽(yáng)能電池板垂直，收集太陽(yáng)能的效果并不理想 [17][18]。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤。單軸跟蹤一般采 用 :①傾斜布置東西跟蹤 。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，即計(jì)算機(jī)先根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律計(jì)算出一天內(nèi)某時(shí)刻太陽(yáng)的位置角度，然后運(yùn)行控制程序使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。 跟蹤方式的比較 目前國(guó)內(nèi)外跟蹤太陽(yáng)的主要方法可以分為三種：①視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤②光電跟蹤③視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。 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。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。 ／ 24＝ 15176。地球自轉(zhuǎn)一周為 360176。 （ ） ω =(t12) 15176。以上角度如圖 所示。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。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。該射線與地面法線的夾角叫太陽(yáng)天頂角θ z.。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)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，稱為太陽(yáng)光線的入射角。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。秒。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。 圖 地平坐標(biāo)系 圖 時(shí)角坐標(biāo)系 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 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。顯然 Z=90176。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 γs( 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。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。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。 2 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì) 7 2 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì) 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 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。 ④設(shè)計(jì)和畫(huà)出太陽(yáng)能光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)硬件原理圖。 ②研究太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的相關(guān)資料、技術(shù)要求。本文所介紹的太陽(yáng)跟蹤裝置采用了新的跟蹤策略，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。全自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)裝置是 根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，采用光、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)弱的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全自動(dòng)跟蹤，能做到同步無(wú)偏差地跟蹤太陽(yáng)，大大提高了太陽(yáng)能的接收效率。就現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)跟蹤的研究情況來(lái)看，由于受太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)成本的影響，普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開(kāi)展了這方面的研究。 1994年在德國(guó)北部，太陽(yáng)能廚房投入使用，該廚房也采用單軸太陽(yáng)能跟蹤裝置。 研制了活動(dòng)太陽(yáng)能方位跟蹤裝置，該裝置通過(guò)大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽(yáng)能接收器可從東到西跟蹤太陽(yáng)。比如美國(guó) Blackace，在 1997 年研制了單軸跟蹤器，這種跟蹤裝置根據(jù)赤道坐標(biāo)系 下太陽(yáng)運(yùn)行的原理完成東西方向的自動(dòng)跟蹤，但南北方向通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了 15%。 因此，太陽(yáng)位置自動(dòng)追蹤技術(shù)的研究，對(duì)提高太陽(yáng)能的吸收效率，高效、合理地利用太陽(yáng)能具有重要的研究?jī)r(jià)值。 然而傳統(tǒng)的固定式太陽(yáng)能采集系統(tǒng)沒(méi)有充分利用太陽(yáng)的能量，吸收效率相對(duì)較低。 如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。 太陽(yáng)能的利用，有利于自然界的環(huán)境保護(hù)，因此如何更進(jìn)一步地提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的效率，無(wú)論是從科技應(yīng)用的角度，還是從商業(yè)開(kāi)發(fā)的角度講都是極其重要的課題。這對(duì)于世 界尤其是我國(guó)是十分迫切的。 課題研究的目的和意義 隨著現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求不斷增加，然而傳統(tǒng)能源資源又相對(duì)匱乏，另外大量使用化石燃料對(duì)環(huán)境危害較大。 通過(guò)光合作用收集與儲(chǔ) 存太陽(yáng)能。目前仍處于研究、開(kāi)發(fā)階段。二三十年前有不少人對(duì)此做了許多研究。 通過(guò)光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電