太阳能自动跟踪装置控制系统设计

本科生毕业论文题 目 太阳能自动跟踪装置控制系统设计系 别 机械交通学院班 级 机 制 122 姓 名 李鹏万学 号 123731214 答辩时间 2016 年 5 月新疆农业大学机械交通学院目 录摘要 1 1 设计研究背景及意义 3 2 主要研究内容 3 2.1 系统的设计目标 3 2.2 设计的主要内容 3 3 系统的总体设计 4 3.1 太阳自动跟踪方式的确定 4 3.2 本设计的设计思想 4 4 太阳能充电控制器的设计 5 4.1 太阳能电池的选型 5 4.2 蓄电池的选型 7 4.2.1 铅酸蓄电池基本概念 . 7 4.2.2 本系统蓄电池的选型 . 8 4.3 太阳能充电控制器的设计 8 4.3.1 UC3906 芯片的介绍 9 4.3.2 BUCK 电路的设计 9 4.4 充电控制器外围电路设计 . 11 5 跟踪系统传感器检测装置的设计 . 13 5.1 阴天检测装置的设计 . 13 5.2 白天黑夜检测装置 . 14 5.3 太阳位置传感器的介绍 . 15 5.3.1 传感器检测部分的设计 15 5.3.2 光敏二极管的介绍 17 5.3.3 LM324 芯片的介绍 17 6 视日运动轨迹模块设计 . 18 6.1 太阳赤纬角的计算 . 18 6.2 太阳高度角的计算 . 18 6.3 太阳方位角的计算 . 18 6.4 日出日落时间计算 . 19 7 执行器件的选型 . 19 7.1 步进电机的选型 . 19 7.2 步进电机驱动器的选型 . 20 7.3 执行器件的连接方式 . 21 8 控制系统的设计 . 21 8.1 单片机电源模块的设计 . 22 8.2 驱动器电源模块的设计 . 23 8.2.1 GS3660 芯片介绍 . 23 8.2.2 Boost 电路基本拓扑设计 25 8.2.3 驱动器电源模块的硬件设计 26 8.3 单片机硬件系统设计 . 27 8.3.1 单片机简介 27 8.3.2 单片机的特点 27 8.3.3 AT89C51 单片机的特性 28 8.4 单片机软件系统的设计 . 28 8.4.1 主程序的设计 28 8.4.2 光电追踪模块 30 8.4.3 视日跟踪模块 30 9 结论 . 31 参考文献 . 33 谢 辞 . 34 附 录 . 35 1太阳能自动跟踪装置控制系统的设计李鹏万 指导老师杨宛章、张静摘要 太阳能作为一种新型清洁能源， 受到了世界各国的广泛重视。 现阶段影响太阳能普及的主要原因是太阳能电池的成木较高而光电转化效率却较低。因此，如何提高太阳能利用效率是太阳能行业发展的关键问题。 在国内， 大多数太阳能电池阵列都是固定安装的， 无法保证太阳光实时垂直照射， 导致太阳能资源不能得到充分利用。 自动太阳跟踪控制系统在跟踪太阳旋转的情况下可接收到更多的太阳辐射能量， 从而提高太阳能电池板的输出功率， 该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用。整个系统不需要任何外部电源供电， 完全依靠自身太阳能电池板发电供电。在光线充足的天气条件下， 系统保证太阳能电池自动跟踪太阳旋转并始终保持太阳光垂直照射在太阳能电池的表面， 以提高太阳能电池的发电效率。 系统带有光电检测装置，在天气情况不佳的时候切换跟踪方式。以提高太阳的吸收效率。关键字 太阳能电池；自动跟踪；太阳位置传感器；光电检测2Design of control system for solar automatic tracking devic Li Pengwan Instructor Yang Wanzhang、 Zhang Jing Abstract Solar energy as a new type of clean energy, received wide attention of all over the world, the main reason for the stage of the popularization of solar energy is solar cells into wood higher and photoelectric conversion efficiency is low. Therefore, how to improve the utilization efficiency of solar energy is the key problem of the solar energy industry development. In China, most of the solar cell array is fixed, there is no guarantee that the sun light of real-time vertical irradiation, resulting in solar energy resources can not be fully utilized. Automatic sun tracking control system in tracking solar rotation can receive more solar radiation energy, so as to improve the output power of the solar battery board, the Technology can be widely used in various solar tracking devices. The system does not require any external power sources, completely rely on their own solar panels for electricity power supply. In the sunny weather conditions, the system to ensure that the solar automatic tracking solar rotation and keep perpendicular irradiation of the sun light on the solar cell surface and to improve the efficiency of the solar cell power generation. System with photoelectric detection device, in poor weather conditions when switching tracking mode.In order to improve the absorption efficiency of the sun. Keywords solar cell; automatic tracking; solar position sensor;Photoelectric detection 31 设计研究背景及意义在能源消耗量越来越大， 传统能源日益枯竭的今天， 人类对于新能源的渴求变得越来越强烈。 寻找一种可再生并且环保的新能源来满足社会经济发展的需要成为世界范围关注的核心问题。太阳能受到了世界各国广泛重视的主要原因为太阳能是一种新型的清洁能源，并且取之不尽用之不竭。当今世界位于“阳光地带”的国家人口数量占世界总人口数量的 75，这些人口拥有全球 40的电力需求。此外，预计在将来的20 年时间里，全球大约 80的电力能源需求将来源于“阳光地带”地区。因此这些地区和国际的光伏能源具有得天独厚的竞争潜力。 欧洲光伏协会 EPIA 预计太阳能将在 2020 年前成为世界范围的主流能源， 并在 2030 年前成为主要的电力来源 [1] 。由此可见，光伏产业在未来拥有非常广阔的应用前景。因此，太阳能的利用对于满足人们对于能源的需求，保持世界经济的增长具有至关重要的作用，研究和利用光伏能源具有十分重要的意义 [1] 。2 主要研究内容2.1 系统的设计目标根据目前太阳能技术发展特点以及国内外光伏发电系统的发展状况， 针对现阶段太阳能光伏发电系统普遍存在的效率偏低的现实。 本文研究并设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统。具体的设计思路如下 （ 1） 双轴 系统采用两个步进电机来控制太阳能电池水平方向和竖直方向的移动。2 独立 系统不需要外部电源提供能源， 其工作所需的能源完全来自于自身太阳能电池发电和蓄电池的储能。3 自动跟踪 系统的运行过程是自动化的， 利用视日跟踪方式和光电跟踪相互自动转化实现对太阳的跟踪工作。2.2 设计的主要内容本文所研究的太阳能自动追踪装置是由单片机为控制核心的自动控制控制系统， 整个装置是通过软件控制系统控制硬件结构部分完成的。 但本文主要涉及4的内容是控制部分，所以在这里主要讲系统的硬件和软件两部分。1 系统的硬件部分主要包括芯片以及各种电子元器件、电路图的连接。电路主要包含以下几部分1 太阳能充电控制器的设计这部分内容主要就是为了合理的给蓄电池充电，保证蓄电池的使用寿命。2 光电检测电路的设计 这部分内容主要作用就是通过光电二极管来判别太阳的方位。3 系统检测电路的设计 单片机通过接受光电检测电路发出的电信号控制电机转动，达到跟踪太阳的目的。4 辅助电路设计复位电路。2 软件部分程序的编写 在硬件电路的基础上用 C51单片机语言编写配套软件，对软硬件联合调试，直到系统稳定运行。3 系统的总体设计3.1 太阳自动跟踪方式的确定目前， 太阳的跟踪方式有很多， 但主要还是光电检测跟踪方法和视日跟踪方法。 光电跟踪易受天气条件影响， 而长时间使用视日跟踪系统会产生误差， 所以经过分析两种跟踪方式的优缺点，决定采用两种跟踪方式结合。一般的工作过程是， 开机后， 检测系统检测当时是在白天或晚上， 这是由一个光电检测电路检测， 当系统检测到夜间， 然后系统停止运行； 如果系统检测到的是白天， 那么系统首先按照光电检测追踪方式进行对太阳的跟踪， 当遇到阴天时， 系统会自动转到视日追踪模式下， 当天气转晴时， 系统又会自动转到光电追踪模式下进行追踪。这样，将两者结合起来，并对两者的跟踪方法进行了补充，使系统更加稳定，提高了系统跟踪的精度。3.2 本设计的设计思想（ 1）系统选用 AT89C51单片机作为控制电路的核心。（ 2）利用光电二极管作为传感器的检测装置，每两光电二极管组成的比较电路， 光电二极管导通和停止产生相位差， 通过放大器将发出一个信号给单片机的 I/O ，用来控制电机的运行。5（ 3）利用由光电二极管组成的比较电路来判断是白天还是黑夜，若是黑夜就系统停止运行，进入等待状态，若是白天则程序继续运行。4 利用光电二极管来判断晴天还是阴天， 晴天系统采用光电检测追踪模式，如果天气情况发生变化系统则采用视日追踪模式。5 时钟采用的是单片机控制。（ 6 软件部分用 c 语言编写程序。如图 3-1 所示是系统的整体框图图 3-1 系统整体框图4 太阳能充电控制器的设计蓄电池存储太阳能电池发出的电能是保证系统在不同的天气条件下长时间正常运转的关键。 因此， 本系统首先设计可以为蓄电池充电的中间控制部分电路。即在太阳能电池与蓄电池中间加入一个充电控制器。 充电控制器选用智能电池充电控制芯片， 该芯片可以自动检测电池的端子电压和电流， 根据电池的输出电压和电流值， 选择不同的充电模式。 这样可以保护蓄电池， 有效延长蓄电池的使用寿命。4.1 太阳能电池的选型太阳能电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的装置， 在本系统设计中太阳能电池为整体系统的运转提供能量。 普通的太阳能电池在一定的条件下可以等效为一个电流源模型 [2] 。太阳能电池的内部等效电路如图 4-1 所示 6图 4-1 太阳内部等效电路图从太阳内部的等效电路图可以得出III shdphI （ 4.1）又有以下公式成立}1]{ e x p [ A K HIVq RII sod（ 4.2）RRIshsshIV（ 4.3）综合（ 4.1）（ 4.2）（ 4.3）可得出RRRIIshssophIVAKTIVqI }1]{exp[（ 4.4）太阳能电池的效率通常为太阳能电池的输出功率与照射到太阳能电池表面的光能量功率 Ps 之比 [3] ，即如式 4.5 所示 PIVPPSMMSM .μ μMPP4.5 其中 μ MPP是指最大功率点的太阳能电池效率，即当调节负载电阻 RL 时，当RL 的阻值与太阳能电池的内阻阻值相等时，此时对应的 VM*I M为最大值，这一个负载电阻 RL 值所对应的 M点称为太阳能电池的最大功率点 MPPMaximum Power Point。此时所对应的电流 I M为最大功率点电流，电压 VM 为最大功率点电压，PM为太阳能电池的最大输出功率。本系统选择太阳能电池的体积是 450*540*25。型号为 SM-30P 的 30W 的太7阳能电池。该款太阳能电池的具体技术参数如表 4-2 所示表 4-2 SM-30P 型太阳能电池技术参数规格型号 功率 最大电压 最大电流 开路电压 短路电流 尺寸 最大系统电压SM-30P 30W 18V 1.66A 23.0V 1.70A 450*540*25 1000V 光照强度与太阳能电池的输出功率成正比关系， 即光照强度越强， 则太阳能电池的输出功率越大。4.2 蓄电池的选型4.2.1 铅酸蓄电池基本概念蓄电池就是把电能转化为化学能来进行存储， 在应用的时候再把化学能转化成电能释放出来的装置。 铅酸蓄电池的电极主要由铅和铅的氧化物构成， 电解液主要为硫酸溶液。普通铅酸蓄电池的结构主要由正负电极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等部分组成 [4] 。普通蓄电池的内部结构如图 4-3 所示 图 4-3 蓄电池的结构蓄电池放电时的化学反应式正极反应式 OHPbSOeSOHPbO 24242 224 （ 4.6）负极反应式 ePbSOSOPb 2424 （ 4.7）铅酸蓄电池按电压等级可以分为 2.4V, 4V, 6V, 8V, 12V, 24V 等系列，容量从8200mAH 到 3000AH 不等 [5] 。铅酸蓄电池主要用于运输工具的启动照明，通讯设备和自动控制系统的备用电源以及各种发电设备的发电和用电的储能等。4.2.2 本系统蓄电池的选型与普通铅蓄电池相比， 免维护蓄电池主要是在极板栅架的材料上做了重大的改进。其结构具有以下几个特点 1 隔板采用袋式微孔聚氯乙烯隔板将正极板包住；2 通气孔采用新型安全的通气装置和气体收集器；3 单体电池间的连接采用穿壁式贯通连接，同时采用聚丙烯塑料热压外壳和整体式电池盖；4 免维护蓄电池顶上一般常装有一只小型密度计 [6] ；在本系统蓄电池充电过程中， 既要以最大效率吸收光伏电能， 提高系统能量的转换效率， 又要保护蓄电池， 延长使用寿命。 另外系统本身运行时需要长时间的存储和消耗电能， 对蓄电池的要求较高。 所以本系统选择深圳市万家好太阳能有限公司生产的 12V20AH阀控式密封铅酸蓄电池 VRLA做储能元件。 该型号蓄电池为太阳能专用铅酸蓄电池，其具体电气参数如表 4-4 所示 表 4-4 蓄电池电气参数规格型号 过充电压 V 浮充电压 V 初始电流 （ A） 外形尺寸 mm 重量 kg 12V20AH 14.4V-15V 13.6-13.8V 6A 180*75*165 5.20kg 4.3 太阳能充电控制器的设计由于太阳能电池的输出受到温度和光照强度等因索的影响其输出具有非线性， 不能直接用来给铅酸蓄电池充电， 否则将影响蓄电池的使用寿命。 因此太阳能电池必须经过一个充电控制电路来为蓄电池充电 [7] 。 根据选择的太阳能电池和免维护铅酸蓄电池型号及特性，本系统设计以智能型蓄电池充电控制芯片UC3906 为核心制作光伏充电控制器 [8] 。光伏充电控制器的系统框图如图 4-5 所示 9图 4-5 充电控制器的结构框图4.3.1 UC3906 芯片的介绍UC3906 是密封免维护铅酸蓄电池的充电专用芯片，具有控制和检测免维护铅酸蓄电池充电的功能。 该芯片的工作功耗低， 只需要 1.7mA的输入电流即可工作。 同时 UC3906 还其有温度补偿功能， 即充电器输出的充电电压随蓄电池的电压温度系数的变化而改变， 这样就能使免维护铅酸蓄电池在不同的温度范围内进行最佳充电状态的充电。可以保证蓄电池充足电又不会被严重过充电 [9] 。UC3906 具有简单易用，工作可靠稳定，性能优越等优点。它只需要很少的外部电路元件就可以在很宽的温度范围内实现对蓄电池的精确快速充电 [10] ， 所以采用 UC3906 智能芯片将简化蓄电池充电过程。4.3.2 BUCK 电路的设计太阳能电池给蓄电池充电需要一个 DC/DC 变换电路。本系统的太阳能电池正常工作条件下的输出电压为 20V 左右，系统选用 12V 的免维护铅酸蓄电池。所以使用基本的 Buck 型降压斩波变换电路完全符合系统对于蓄电池充电的技术要求。Buck 电路主要由功率开关管、 续流二极管以及稳压电容和电感构成。 通过控制电子开关元件的通 / 断电时间比，将输入的直流电能变换为脉冲状态的交流电能， 然后通过储能元件对变换后的脉冲交流电能的幅度按照需求进行变换， 再经平滑滤波器变为先要的直流电能。 通常电感中的电流是否连续， 取决于开关管10的开关频率 f, 滤波电感 L 和稳压电容 C 的数值 [11] 。木系统中为了防止当太阳能电池输入电压降低后导致回流电流流入太阳能电池而导致太阳能电池寿命降低甚至损坏， 本设计中还要加入一个防回流二极管。 Buck 电路的基本拓扑如图 4-6所示 图 4-6 Buck 电路拓补图Buck 电路的驱动信号由 PWM波的形式周期性控制开关管的导通与截止，当开关管导通时， 电源输入端开始为负载电阻 R进行供电， 负载两端的电压等于输入端电压 E，流经负载的电流将以指数型曲线上升。当开关管断开后，二极管起到续流的功能， 负载电压降低， 电流同样以指数型曲线下降。 本系统中为了保持电路输出电流的连续，需要设计一个较大的电感 L。 Buck 电路若忽略开关管的饱和压降，那么电路的输出电压 U0等于输入电压 E；当开关管处于截止状态时，若忽略开关管的漏电流影响，那么 Buck 电路的输出电压为 0。 Buck 电路的等效模型如图 4-7 所示 图 4-7 Buck 电路的等效模型Buck 电路工作再稳定的状态下，假设电路中器件均为理想型器件，开关管的导通时间 t on，开关管的截止时间为 t off , 则占空比 D为开关管的导通时间 t on 与周期 t on t off 的比值。即公式 4.8 所示。offonontttD（ 4.8 ）11输入电压与输出电压的关系如公式 4.9 所示EDV0 4.9 4.4 充电控制器外围电路设计本设计为采用基于 UC3906的铅酸电池开关型快速充电器， UC3906是为一对铅酸蓄电池而设计的专用充电控制芯片。可以提供四个不同的充电状态 涓流充电、大电流充电、可控过充充电、浮充充电 [12] 。对于 UC3906的设计主要是对其外围电路器件参数的选择进行合理配置。本系统设计选用 12V2OAh 的免维护铅酸蓄电池， C代表免维护铅酸蓄电池容量的安时数，本系统选择的免维护铅酸蓄电池容量 C20。芯片控制过程中的重要参数分别取值为 护栏电流 ID505A。 浮充电压 VF13.8V， 过充电压 VOC15V,最大充电电流 Ibulk0.2C4A 。浮充电流 IT 0.05C 1A 。充电器门槛电压VT10.5V。为了达到理想充电效果 , 对 UC3906 的外围电路器件参数根据确定公式进行计算。具体公式如下 DIVR 3.234.10 DIVVRRR FSUM3.2214.11 FOCSUMVVRVR *3.244.12 TXS U M VVRRR 3.2114.13 4343RRRRRX4.14 bulkS IVR 25.0（ 4.15）TTinT IVVVR 5.2（ 4.16）根据上述外围电路设计的公式关系，可得本设计中各电路元件的基本参数为12KR 4610*50 3.2 63KRRR SUM 23010*50 3.28.13 621KR 4408.1315 10*230*3.234KKKR 2125.103.21422301KRX 4210*44010*46 10*440*46 33606.0425.0SR71 5.25.1020TR总 结 各 个 部 分 元 器 件 的 参 数 为 KR 2121 , KR 182 , KR 463 , KR 4404 , KR 825 , KR 16 , KR 17 , 7TR , KRD 2.1 , FC 1.01 , FC 1.02 。 结合 Buck 电路设计所确定的开关管和防回流二极管参数，木设计中应用 UC3906 和 Buck 电路结合设计的充电控制器原理如图 4-8 所示 [9] 。图 4-8 充电控制器电路原理图本系统中太阳能电池输出电压的最大值 Vmax23V，选择的开关管耐压值必须要大于 23V 才能够保证控制器正常工作而不会烧毁，同时考虑到要尽可能的提高太阳能电池的充电效率，减少开关管导通电阻阻值过大而产生较大的损耗。本系统选择 IRF840 型 N沟道 MOSFET 管作为开关管， 该型号功率开关管工作频13率高，功率损耗小，额定电压值达 500V, 电流为 8A，导通阻值小于 85.0 。完全符合本系统充电控制器的设计， 并且有一定的预留值， 可以在将来配备多块太阳能电池而不需要重新更换开关管。由于太阳能电池的输出电压受到光照强度和温度等因素的影响其输出电压可能会低于免维护铅酸蓄电池的输出电压， 为了防止当太阳能电池的输出电压低于蓄电池的电压而产生回流电流损坏太阳能电池，在 Buck 电路的输出端加入防回流二极管。同时当充电器进入浮充状态时， UC3906 的第 10 引脚会输出高电平信号， 表示此时蓄电池以处于饱和状态， 这样将第 10 引脚输出接比较器 LM339比较后接 LED 指示灯，当指示灯亮起时就表示蓄电池充满电。5 跟踪系统传感器检测装置的设计5.1 阴天检测装置的设计整个系统由两种追踪模式组成， 那就是光电追踪模式和视日追踪模式。 当太阳光比较弱的时候光电追踪模式会表现的不灵敏， 甚至使系统紊乱。 而太阳视日追踪模式是通过计算太阳高度角和太阳方位角来进行追踪的， 视日追踪模式会根据单片机的时钟控制计算方位。 因此， 系统将采用光电追踪模式和视日追踪模式相合作的追踪方式， 系统通过天气情况自动选择跟踪方式。 这也是软硬件结合来控制的， 电路中用了一个光电二极管来检测太阳光的强弱， 用了一组运放来做比较电路，运放的输出端接到了单片机引脚 P0.4 上，电路需要实现这样的功能 当太阳光的强度不足以使电路中的光电二极管导通时， 经过比较电路之后， 运放输出低电平，这时单片机的引脚 P0.4 检测到低电平，系统进入视日追踪模式。如图 5-1 所示，是阴晴检测电路的图示。14图 5-1 阴晴检测电路电路连接如图 5-1 所示，将光电二极管的正极接到了运放 ALO 的同相输入端 , 而运放 AL0 的反相输入端与一个固定电压相连， 通过多次试验确定了 RO, R1, R2, R3 的值，使的电路达到这样的效果 晴天时，光电二极管受到光照的强度足以使其导通， 这时运放的同相输入端的电位高于其反相输入端的电位， 组成了一个比较电路，运放输出高电位，因此引脚 P0.4 检测到高电位，程序继续运行。通过光电追踪模式进行追踪； 而出现阴天时， 光电二极管所受到的光照不能使其导通， 光电二极管截止， 这时运放的反相输入端的电位要高于其同相输入端的电位，同样经过比较之后，放大器的输出低电位，然后引脚 P0.4 检测到低电位，然后利用软件控制系统使太阳角度跟踪模式。 这样就解决了阴天时光电追踪模式不能正常追踪的问题，而阴天过后，出现晴天时，光电二极管导通。光敏电路输出高电平，软件查询到引脚 P0.4 出现高电平，系统就由太阳角度追踪模式下跳出，回到主程序，继续在光电追踪模式下追踪。5.2 白天黑夜检测装置白天黑夜检测装置原理和阴天检测装置是一样的，都是利用运放电路实现的， 不同的是电路中电阻的大小不同， 还有检测白天还是黑夜的电路要接到中断0 上。此电路的功能是 白天时 , 运放输出高电位，中断 0 检测到高电位，系统没有中断请求，程序继续运行，开始检测是阴天还是晴天 黑夜时，运放输出低电15位， 0INT 检测到低电位，外部中断 0 是低电平有效的引脚，因此当 0INT 检测到低电平时，即 00INT ，向单片机发出中断请求，单片机接到中断请求后外部中断 0 被激活， 进入外部中断 0 处理程序， 从而进入等待状态。 如 5-2 是白天黑夜的检测电路图 5-2 白天黑夜检测电路5.3 太阳位置传感器的介绍太阳位置传感器是跟踪装置很重要的部件之一， 它的主要作用是通过实时监测太阳光线来判断太阳的具体方位， 同时将太阳方位信息传送给控制器件进行信息处理。5.3.1 传感器检测部分的设计为了确保太阳位置传感器的精确性，避免传感器受到其他外界条件的干扰。同时为了降低制造成本， 本系统设计的太阳位置传感器采用光筒式结构， 在圆筒内部，上、下、左、右、中五个方向上分别布置 5 个光电二极管。只留下上方一个光斑孔来接收太阳光线。 传感器固定到太阳能电池上， 并保证传感器与太阳能电池相对位置水平且传感器上方不受其他物体的遮挡。 如图 5-3 是检测部分的结16构图俯视图 主视图图 5-3 传感器结构图下面简单的叙述一下电路的工作，电路中包含的元件如下 光敏二极管DO-D4、电阻 RO R4、 LM324芯片 包含四组运算放大器 AL1 AL4。电路中光敏二极管的负端连在一起接在电源上， 正端分别连接到放大器 LM324的 4 个输入端， 其中 D0分布在中央的位置， 其正极与 LM324的 4 个同相输入端相连， D1 D4的正极分别接 LM324的 4 个反相输入端， 这样 D1 D4就与 DO分别组成了比较电路，而 LM324的 4 个输出端分别接到单片机 AT89C51的四个端口 P2.O P2.3。这样就可以通过 P2.O P2.3 的高低电位来判断太阳光线的方向了。检测电路如图 5-4 所示图 5-4 光电检测电路175.3.2 光敏二极管的介绍光敏二极管的结构与一般二极管相似，其敏感元件是一个具有光敏特性的PN结，符号如图 5-5 所示， PN结一般处于反向工作状态，光敏二极管在没有光照射时，反向电阻大，反向电流 又称暗电流 很小，处于截止状态。当光照在PN结上， 使 PN结附近产生光电子空穴对时， 使少数载流子 电子 的浓度增加，因此通过 PN结的光电流也增加。通过外电路的光电流强度随入射光照度变化，光敏二极管将光信号转换为电信号输出 [13] 。图 5-5 光敏二极管符号 图 5-6 光敏二极管接法光敏二极管的接法如图 5-6 所示， 光敏二极管的负极接到电源的正极， 光敏二极管的正极接到电源的负极， 这样当光敏二极管受到光照时导通， 当光敏二极管没有受到光照而截止。 光电检测电路中正是利用了光敏二极管的这个特性来对电路进行控制的。5.3.3 LM324 芯片的介绍LM324是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。 除电源共用外， 四组运放之间相互独立。 每一组运算放大器可用图 5-7 所示的符号来表示， 它有 5 个引出脚， 其中 “ ” ， “ - ”为两个信号输入端，“ V”，“ V-”为正、负电源端，“ V0”为输出端。两个信号入端中， Vi-- 为反相输入端， 表示运放输出端 V0的信号与该输入端的位相；Vi 为同相输入端，表示运放输出端 V0 的信号与该输入端的相位相同。 在光电检测电路中， 用 LM324的四组运算放大器来比较每组运算放大器的同向输入端和其反向输入端的电信号的强弱 [14] 。 LM324的引脚排列见图 5-8 所示。18图 5-7 运算放大器符号 图 5-8 LM324 引脚图6 视日运动轨迹模块设计6.1 太阳赤纬角的计算太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以 δ 表示，在一年当中，太阳赤纬角每天都在变化。 但不超过 00 27.2327.23 的范围。 夏天最大变化到夏至日的 o27.23 ；冬天最小变化到冬至日的 o27.23 。太阳赤纬随季节变化，按照库伯方程 [15] ，由下式计算 365n28436023.45sinδn- 一年中日期的序号6.2 太阳高度角的计算太阳高度角是指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，以 h表示，其值在 oo 900 之间变化，日出日落为 o0 ，太阳在正天顶时为 o90 ，计算太阳高度角公式是sinhsin Φ sin δ cosΦ cosδ cost其中 Φ 当地纬度； δ 太阳赤纬； t 时角地球自转一周为 360 度，所用的时间是 24 小时，所以每小时对应的 t 为 15度，从中午开始算，中午为零，上午为负，下午为正， t 的值是距离中午时间乘以 15。日出日落时角度最大。6.3 太阳方位角的计算19太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角， 可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角， 用 γ 表示 [16] 。 方位角以正南方向为，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为，在正东北方时，方位为，在正西方时方位角为，在正北方时为。太阳方位角按下式计算coshcosΦsinδ-sinhsinΦγcos由于太阳相对地球的位置是相对于地面而言的， 一般用高度角和方位角两个坐标表示。6.4 日出日落时间计算日出、 日落时间晨线上的各地同时日出， 昏线上的各地同时日落。 根据某地昼夜长短计算日出日落时刻，可遵循以下公式 [17] 日出时间212drtt ，日落时间212drtt ；dt 为昼长时间。7 执行器件的选型7.1 步进电机的选型要达到使太阳能电池自动跟踪太阳方位转动的目的， 执行器件是必不可少的关键部分。 系统的控制部分所发出的控制指令都要传达到执行器件来执行。 为了达到精确跟踪的目标， 本系统选择步进电机作为执行器件， 利用步进电机来控制太阳能电池的方位角度。 步进电机不像普通的直流电机那样在常规下使用。 所以系统必须同时配备了步进电机驱动器来配合步进电机共同完成自动跟踪的工作[18] 。由于自动跟踪控制系统对于执行器件的工作精度要求较高， 并且双轴跟踪需要两个执行器件来配合工作才能完成预期的目标。 所以本系统选择两个型号相同的步进电机来做执行器件。 基于对整个系统框架的设计和对太阳能电池重量的考虑， 最终选择由 KYSAN公司生产的四相六线制 85BYG11450A型步进电机。 这款步进电机的电气技术参数如表 7-1 所示 20表 7-1 步进电机电气技术参数规格 步矩角 绝缘等级相数 电压（ V）电流 /相 A 电感 /相 mH 电阻 /相 Ω 最大静扭矩N.m 85BYGH450A 58.1 O B级 4 4.4 2 8.3 2.2 2.1 85BYGH450A型步进电机的特点是运行稳定、噪声低、静扭矩大、步距角误差小。 且连接安装起来较为方便可靠。 这款步进电机广泛应用在各种自动化控制系统中，其外型尺寸如图 7-2 所示 图 7-2 步进电机外形图7.2 步进电机驱动器的选型步进电机驱动器是控制电机的核心部件之一， 其性能的好坏直接影响系统的可靠性和持续性。本系统选择与步进电机同厂家的匹配型号 CW-250AC这款驱动器的工作输入电压为 20V-40V 交流输入或 24V-60V 直流输入，相电流为可调节的 1.5-5A。工作温度范围 -15-40℃，工作湿度小于 90。转动模式可以通过拨码开关进行选择。 同时具有过热， 过压和过流保护装置， 可以有效保护系统运行的稳定。驱动器的 I/O 口功能如表 7-3 所示 21表 7-3 步进电机驱动器接口功能驱动器接口AC,AC- A,A- B,B- CP,CP- CW,CW- EN,EN- 接口功能 电源输入端步进电机其中一端接口步进电机另一端接口步进电机脉冲输入端步进电机方向控制端输入使能端 （不使用时悬空）7.3 执行器件的连接方式步进电机与步进电机驱动器需要配合在一起才能正常使用。驱动器的端口B, B-， A, A-连接到步进电机的连线上，需要注意的是本系统选择的步进电机为四相六线制步进电机，在连接之前需要用万用表测量出步进电机的两条中线，在连线时直接把两条中线悬空即可。驱动器的工作电源选择 24V直流供电。 CP和 CW直接连接到单片机的 5V供电模块的输出端。 CP-为步进电机脉冲信号输入端，直接连接到单片机的脉冲控制信号引脚上。 CW-为步进电机方向控制信号输入端，连接到单片机的方向控制信号引脚上。 EN和 EN-为输入使能端，在本系统中并不需要使用，直接悬空即可。步进电机与驱动器的具体连接方式如图 7-4所示 图 7-4 驱动器连线图8 控制系统的设计系统的控制部分以 AT89C51 型单片机为控制核心进行设计。 AT89C51 型单22片机首先接收来自太阳位置传感发出的信号， 然后通过一定的编程算法来判断太阳具体方位， 同时将计算出的位置通过控制信号输出给步进电机驱动器， 最后步进电机驱动器在根据接收到的指令控制步进电机来带动太阳能电池转动， 从而达到跟踪太阳的目的。 整个系统的自动跟踪控制部分主要由单片机最小系统、 升压变换电路、降压变换电路组成 [19] 。系统框图如图 8-1 所示 图 8-1 控制系统框图由于整体系统设计目标为独立式系统， 即系统的运行过程不需要外部电源供电， 而是通过系统自身太阳能电池发电和蓄电池存储电能来维持运转。 这样要使系统各个部件正常工作就需要加入电源变换电路， 具体就是需要将免维护铅酸蓄电池升压到 24V 为步进电机驱动器做工作电源，同时还要将免维护铅酸蓄电池的电压降到 5V来为单片机做供电电源。8.1 单片机电源模块的设计单片机的电源模块需要设计一个降压电路， 前文提到系统免维护铅酸蓄电池为 12V 输出，就需要将 12V 的免维护铅酸蓄电池输出电压降至 5V 来为单片机供电。 AT89C51型单片机为低功耗、高性能的微处理器，正常模式功耗为10-30mW，工作消耗功率低。本系统选择电路较为简单的降压电路，该电路以LM7805 集成稳压电路为核心加上相应的滤波电容即可完成 12V 降压到 5V 的电压变换。LM7805 是三端稳压集成电路。具有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。 LM7805 稳压集成电路的极限输入最高电压为 36V， 它的样子像是普通的三极管， TO-220 型的标准封装。用 LM7805 来组成稳压电源所需的外围元件极少， 使用起来可靠、 方便， 而23且价格便宜。LM7805 是一个三端稳压源， 本电路中它把蓄电池的输出电压降压并稳定在5V 由于系统需要长时间在室外较高温度下运行， 为了防止 LM7805 芯片过热而损坏， 在电路设计中 LM7805 芯片要加上散热片。 免维护铅酸蓄电池的输出电压并不会固定在 12V 不变，而是受到蓄电池剩余电量和充电状态等因素影响。其输出电压在一个区间内变化。 为了保证控制系统能