太陽能跟蹤系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷的消耗，將越來越不適應(yīng)可持續(xù)能源的發(fā)展的需要。加速開發(fā)以太陽能為主體的可再生能源以成為人們的共識。太陽能作為一種作為一種清潔能源，倍受人們重視。精確跟蹤太陽，對太陽能利用率的提高是顯著的，市場上急需一種高精度，高穩(wěn)定性的跟蹤控制器。</p><p>　　跟蹤太陽的

2、方式主要有光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤主要控制過程是：由光敏傳感器采集太陽與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號與光強信號，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速機構(gòu)緩慢調(diào)整角度。視日運動軌跡跟蹤將太陽位置受時間、季節(jié)、所在地區(qū)經(jīng)維度等因素綜合考慮。</p><p>　　本設(shè)計采用光時互補的跟蹤方法，即是以視日運動軌跡跟蹤為粗調(diào)，從時

3、鐘模塊讀出當前時間計算出太陽的空間位置，并根據(jù)經(jīng)緯度進一步計算出太陽的方位角和高度角。由單片機發(fā)出驅(qū)動信號控制步進電機轉(zhuǎn)動，到達指定位置。先大致定位太陽的位置。當轉(zhuǎn)到既定位置之后再采用光電跟蹤方式，精確定位。這樣可以互相彌補不足。為完成本設(shè)計，本文對跟蹤方式進行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上主要采用CDS光敏電阻，STC12C5A單片機與步進電機完成跟蹤器的設(shè)計。首先根據(jù)設(shè)計要求和指標，提出系統(tǒng)的設(shè)計方案并確定方案性原理上的可行性。根據(jù)要求

4、和各個模塊的功能，完成主要器件的選型。在硬件系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，使用匯編語言完成軟件程序的程序編寫。最后，論文還對整個課題設(shè)計進行總結(jié)，并對課題中存在的問題提出了改善措施和進一步完善本系統(tǒng)的建議。</p><p>　　主要工作包括以下內(nèi)容：</p><p>　?。?）設(shè)計太陽能電池板自動跟蹤的電路原理圖;</p><p>　　（2）設(shè)計單片機的外圍電路，光電轉(zhuǎn)換電路，

5、步進電機驅(qū)動控制電路;</p><p>　　（3）設(shè)計整個系統(tǒng)的電路原理圖;</p><p>　?。?）軟件的設(shè)計：使用C51語言實現(xiàn)了單片機的控制程序設(shè)計;</p><p>　　關(guān)鍵詞： 光電跟蹤;視日運動軌跡跟蹤;光敏電阻;單片機</p><p><b>　　Abstract</b></p><

6、p>　　As the consumption of natural resources based on conventional energy sources in energy structure, it will not become more and more able to meet the requirements for sustainable energy development. It becomes our c

7、ommon views to accelerate the exploitation of the solar energy which is the the main body of the renewable energy. As a kind of clean energy, the solar energy is becoming much appreciated. Therefore, tracking the sun p

8、recisely is significant to improve the utilization rate of solar en</p><p>　　There are mainly two ways to track the sun , including tracking the sun by photosensitive sensor and tracking the sun’s trajectory

9、. The process of tracking by sensor is mainly : the sensor receive the signals which are the position discrepancy between the sunlight and the solar panel，in other word ,that is the position of the horizontal and vertica

10、l direction deviation. And feedback to the data processor and controller, then process the data and amplify , output driving signal . At last ,through</p><p>　　This design use both tracking methods which are

11、 complementary . In other words ,it depends on the trajectory tracking for coarse adjustment ,which locate the sun. When it rotate on the setting position ,it will activate the photosensitive sensor to adjust the panel’s

12、 position accurately. And it can offset the both imperfections . To complete this design, this paper makes a deep research . And on this basis, we mainly </p><p>　　use the Photosensitive resistance-CDS ,STC

13、12C5A and stepping motor to complete the design of the tracker.First of all, according to the design requirements, we put forward system design plan and determine the feasibility of the project in principle. According

14、to the requirements and function of each module, we complete the selection of main device. On the basis of the hardware system,use the assembly language to complete this programming. Finally, the paper summarizes the who

15、le </p><p>　　project design, and puts forward improvement measures on the problems existing in the subject and suggestions to improve. </p><p>　　Main work includes the following contents:</p

16、><p>　　Design Automatic tracking solar panel of the circuit diagram;</p><p>　　Design the MCU peripheral circuit , photoelectric conversion circuit, stepper motor drive control circuit;</p

17、><p>　　(3) Design circuit diagram of the entire system; </p><p>　　(4) The design of the software: use C51 language to realize the control program design by single chip microcomputer ;</p

18、><p>　　Key words: sun tracking of using photosensitive sensor ; sun’s trajectory tracking ; Photosensitive resistance; Single chip microcomputer</p><p><b>　　目錄</b>

19、</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的背景及意義1</p><p>　　1.2 太陽光自動跟蹤系統(tǒng)的國內(nèi)外

20、研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 項目研究的主要內(nèi)容及預(yù)期目標5</p><p>　　第2章 太陽能電池板跟蹤相關(guān)理論研究6</p><p>　　2.1 太陽的運行規(guī)律6</p><p>　　2.1.1 太陽高度角，方位角及時角介紹6</p><p>　　2.1.2 太陽高度角及方位角計算公式6<

21、;/p><p>　　2.1.3 太陽能電池板跟蹤參考坐標系8</p><p>　　2.2 光伏電池的特性分析9</p><p>　　2.2.1 光伏電池的光伏效應(yīng)9</p><p>　　2.2.2 溫度對光伏電池輸出特性的影響9</p><p>　　2.2.3 太陽的光照強度對光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響10</

22、p><p>　　2.2.4 光伏電池的I-V和P-V特性曲線11</p><p>　　第3章 太陽能跟蹤系統(tǒng)的控制目標與控制方案12</p><p>　　3.1 控制方案選擇12</p><p>　　3.2 控制方案設(shè)計13</p><p>　　3.2.1 光敏電阻設(shè)計的傳感器13</p><

23、p>　　3.2.2 跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖14</p><p>　　3.2.3 太陽能自動跟蹤裝置設(shè)計15</p><p>　　第4章 電池板跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計16</p><p>　　4.1 關(guān)鍵器件介紹16</p><p>　　4.1.1 STC12C5A60S2簡介16</p><p>　　4.1

24、.2 步進電機介紹18</p><p>　　4.1.3 光敏傳感器及元件20</p><p>　　4.2 CPU模塊設(shè)計21</p><p>　　4.2.1 CPU硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖21</p><p>　　4.2.2 CPU 模塊電路原理圖22</p><p>　　4.2.3 復(fù)位電路23</p>

25、;<p>　　4.2.4 晶振電路23</p><p>　　4.2.5 發(fā)光二極管24</p><p>　　4.3 光電傳感模塊24</p><p>　　4.4 實時時鐘模塊27</p><p>　　4.5 RS232通訊模塊28</p><p>　　4.6 EEPROM存儲模塊29</

26、p><p>　　4.7 系統(tǒng)電源設(shè)計30</p><p>　　4.8 步進電機驅(qū)動電路30</p><p>　　第5章 太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計31</p><p>　　5.1 Keil C51 軟件介紹31</p><p>　　5.2 軟件總體設(shè)計及流程圖32</p><p>　　5

27、.2.1 軟件總體設(shè)計32</p><p>　　5.2.2 軟件流程圖設(shè)計33</p><p>　　5.3 軟件關(guān)鍵模塊設(shè)計34</p><p>　　5.3.1 串口通信程序設(shè)計34</p><p>　　5.3.2 EEPROM的讀寫程序核心代碼34</p><p>　　5.4 程序設(shè)計要點及注意事項36&

28、lt;/p><p>　　第6章 實驗及結(jié)論40</p><p>　　第7章 總結(jié)及展望41</p><p><b>　　7.1 總結(jié)41</b></p><p><b>　　7.2 展望41</b></p><p><b>　　第8章 附錄42</b&g

29、t;</p><p>　　8.1 控制板原理圖42</p><p>　　8.2 部分數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)42</p><p>　　8.3 部分軟件代碼46</p><p>　　參 考 文 獻53</p><p><b>　　致　　謝54</b></p><p><b&g

30、t;　　緒論</b></p><p>　　太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的背景及意義</p><p>　　英國的工業(yè)革命推動生產(chǎn)力的極大發(fā)展，而工業(yè)化需要能源作為保障的。據(jù)統(tǒng)計人類前5000年都沒有近300年對能源需求的迫切。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展需要更多的能源滿足人們的需求！尤其是正處于發(fā)展高速期的我國更是對能源的需求更加旺盛；預(yù)計全球?qū)Ω鞣N能源的需求年均增長約1.7%，到2030

31、年日需求量將從目前的約2.2億桶油當量增加到約3.35億桶油當量。這樣巨大的能源增量遠遠超出今天所消耗的能源數(shù)量，以油當量計算，大約是目前沙特阿拉伯石油產(chǎn)量的10倍中國能源消費目前已經(jīng)占世界總量的13.6%使得世界越來越將能源的話題聚焦在中國和亞太地區(qū)；能源危機已經(jīng)開始顯現(xiàn)。能源的危機對我國經(jīng)濟增長是致命的。發(fā)達國家美國對石油極其的敏感。各國多石油的爭奪日趨激烈化，眾所周知的伊拉克戰(zhàn)爭，現(xiàn)在的北極之爭等都是以能源爭奪作為背景的！因此對資

32、源的爭奪，仍將是未來幾十年世界動蕩的主要原因之一。</p><p>　　太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當今最普遍的能源利用形式—電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點：</p><p>　　1. 太陽能取之不盡，用之不竭，每天照射到地球上的太陽能是人類消耗的能

33、 6000倍。光伏發(fā)電安全可靠，不會遭受能源危機或燃料市場不穩(wěn)定的沖擊。</p><p>　　2. 太陽能隨處可得，就近供電，不必長距離輸送，因而避免了輸電線路等電 能損失。</p><p>　　3. 太陽能不用燃料，運行成本很小。</p><p>　　4. 發(fā)電部件不易損壞，維護簡單。</p><p>　　5. 光伏發(fā)電

34、不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對環(huán)境無不良影 響，是理想的清潔能源。安裝1KW光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可少排放二氧化碳600～2300kg，一氧化氮16kg，二氧化硫9kg及其他微粒0.6kg。一個4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)，可以滿足普通美國家庭用電需要，每年少排放的二氧化碳數(shù)量，相當于一輛家庭轎車每年的排放量。</p><p>　　6. 光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽能計算器的

35、幾個毫瓦，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，既方便靈活，又避免了浪費。</p><p>　　但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價格還比較高，不過其維修費用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價格會下降，優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)出來。</p><p>　　由于太陽能發(fā)電的成本比較高是照成光伏發(fā)電沒有高速發(fā)展的主要原因之一，所以為了降低成本提高太陽能利用率顯得極

36、其重要。又由于新技術(shù)的發(fā)展即聚光技術(shù)的發(fā)展極大的提高了太陽能利用率，目前最新技術(shù)最高達到3～4倍。但是聚光對于但是聚光組件對太陽入射角度要求很高，要求光線要幾近垂直的照射到電池板上，所以太陽跟蹤技術(shù)顯得愈加重要了。有了跟蹤器加上聚光技術(shù)使得太陽能利用率有很大的提高。所以對太陽能電池板的跟蹤技術(shù)的研究就顯得十分必要了。而目前市場上的太陽電池板跟蹤器的跟蹤精度普遍不高，而且價格比較昂貴尤其是光電傳感器。本設(shè)計為一種高精度的跟蹤系統(tǒng)，而且盡可

37、能的降低成本。因此，從能源利用及經(jīng)濟性等方面綜合考慮，低成本的太陽光線跟蹤技術(shù)具有重要意義。</p><p>　　太陽光自動跟蹤系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在太陽能跟蹤方面，我國在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，這樣可

38、以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使效率進一步提高。2002年2月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國內(nèi)近年來有不少專家學者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)，1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器，完成了單向跟蹤。</p><p>　　目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽的

39、方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運動軌跡追蹤（也叫程序跟蹤）；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。</p><p>　　從上世紀80年代美國的Solar One到2005年西班牙的PSIO均采用程序控制方式。該跟蹤方式優(yōu)點是具有較高的適應(yīng)性，在任何氣候條件下都能穩(wěn)定的跟蹤，但是算法復(fù)雜，現(xiàn)場控制器需要實時進行大量的計算，這就要求現(xiàn)場控制器具有很高的數(shù)據(jù)處理能力和較

40、大的數(shù)據(jù)存儲空間，該跟蹤系統(tǒng)還需要兩個運動軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測，成本較高。</p><p>　　根據(jù)跟蹤裝置的軸數(shù)，視日運動軌跡跟蹤裝置分為單軸和雙軸兩種。（因為大都采用雙軸跟蹤，故下面主要講后者）</p><p><b>　　1．單軸跟蹤 </b></p><p>　　單軸跟蹤裝置一般采用三種方式： </p>&

41、lt;p>　　(1)傾斜布置東西跟蹤 ;</p><p>　　(2)焦線南北水平布置，東西跟蹤 ; </p><p>　　(3)焦線東西水平布置，南北跟蹤 ;</p><p><b>　　2．雙軸跟蹤 </b></p><p>　　如果能夠同時跟蹤太陽兩個角度的變化，就能獲得更多的太陽能量，雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要

42、求而設(shè)計的。雙軸跟蹤通?？梢苑譃閮煞N方式：極軸式全跟蹤和高度角-方位角式全跟蹤。 </p><p>　　(1)極軸式全跟蹤 </p><p>　　極軸式全跟蹤是指聚光鏡的一軸指向地球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸。另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。反射面繞極軸用與地球自轉(zhuǎn)角速度相同方向相反的固定轉(zhuǎn)速進行跟蹤，反射鏡按照季節(jié)時間的變化圍繞赤緯軸作俯仰運動以適應(yīng)赤緯角的變化。這種跟蹤方式并

43、不復(fù)雜，但從力學角度分析，在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計比較困難。 </p><p>　　(2)高度角-方位角全跟蹤 </p><p>　　高度角-方位角全跟蹤建立在地平坐標系基礎(chǔ)上，兩軸分別為方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸。根據(jù)太陽角度的計算方法，工作時反射鏡根據(jù)太陽位置的理論計算值，繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變反射鏡的傾斜

44、角，使反射鏡的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤裝置的跟蹤準確度高，而且反射鏡的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支持機構(gòu)容易設(shè)計。但是在計算太陽角的過程中容易出現(xiàn)誤差，影響跟蹤準確度。</p><p>　　程序跟蹤是根據(jù)當?shù)氐乩砦恢煤蜁r間等利用程序計算出當前太陽位置，并根據(jù)計算結(jié)果驅(qū)動聚光器向目標點運動，程序跟蹤的優(yōu)點是具有較高的適應(yīng)性，在任何氣候條件下都能穩(wěn)定地跟蹤，但是算法復(fù)雜，現(xiàn)場控制器需要實時進行大量的計算

45、，這就要求現(xiàn)場控制器具很高的數(shù)據(jù)處理能力和較大的數(shù)據(jù)存儲空間，程序跟蹤還需要兩個運動軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測，程序跟蹤系統(tǒng)成本較高。程序跟蹤方法的控制系統(tǒng)構(gòu)成是采用開環(huán)控制方法，由于跟蹤裝置結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性導(dǎo)致跟蹤存在累積誤差，需要定期校正；在跟蹤過程中，系統(tǒng)自身無法對機構(gòu)的傳動誤差、地基及天體運行軌道的變化產(chǎn)生的誤差進行修正，跟蹤精度會隨著時間的推移而降低，因此也需要定期校正。</p><p>　　傳感

46、器跟蹤是利用傳感器實時檢測太陽光線的入射角，當入射光線與傳感器主光軸的偏差超過設(shè)定值時，通過電機驅(qū)動跟蹤機構(gòu)運動，減小偏差，傳感器跟蹤的優(yōu)點是能夠?qū)崟r檢測太陽光線的入射方向，無累積誤差。但高精度的傳感器跟蹤系統(tǒng)受光學系統(tǒng)的限制，在太陽光線偏離傳感器基準軸線一定角度后就無法跟蹤。</p><p>　　程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的方式是指跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用程序、傳感器混合控制的方法，采用簡化的太陽位置算法對太陽光線粗略跟蹤

47、，當粗跟蹤結(jié)果滿足精確跟蹤要求，即精確跟蹤傳感器能夠捕捉到太陽光線時，再利用光線跟蹤傳感器精確定位。由于粗跟蹤采用了簡化的數(shù)學算法，因此可以用成本較低的控制器代替昂貴的控制器。程序跟蹤可以克服單一的傳感器跟蹤存在的跟蹤范圍窄，粗跟蹤不穩(wěn)定的問題，而傳感器精確跟蹤避免了程序跟蹤需要定時修正的問題。</p><p>　　目前比較先進的程序跟蹤方法是根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標準時間來確定

48、。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。</p><p>　　在設(shè)定跟蹤地點和基準零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標公式自動運算太陽的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動信號，實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按

49、照原有跟蹤路線返回到基準零點。從目前來看國內(nèi)外開發(fā)跟蹤系統(tǒng)以雙軸跟蹤系統(tǒng)為主，比較前沿的技術(shù)大都采用程序跟蹤與傳感器跟蹤相結(jié)合的跟法。</p><p>　　考慮到成本問題單軸跟蹤系統(tǒng)也有研究。</p><p>　　項目研究的主要內(nèi)容及預(yù)期目標</p><p>　　基于單片機的太陽能跟蹤器開發(fā)出來并且投入市場。它們也都具有雙軸跟蹤，自動調(diào)整，適應(yīng)能力強等特點。但是同時

50、存在一些不足，比如精度不高，價格昂貴。不具備程控接口，不利于擴展。本設(shè)計提出一種有通信功能的跟蹤器，具有程序變更容易，精度可調(diào)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。該系統(tǒng)采用光時互補的方法，單片機從外接時鐘模塊讀入當?shù)貢r間，計算出太陽的空間位置。然后從電腦中即上位機輸入當?shù)氐乩硇畔⒓唇?jīng)緯度，結(jié)合以上計算的太陽空間位置，計算出太陽高度角與方位角，經(jīng)過單片機處理之后輸出驅(qū)動信號調(diào)整角度到指定位置，再啟動光電跟蹤程序，對角度進行微調(diào)。當變更地理位置時只要用電

51、腦，改變特</p><p>　　定地理位置對應(yīng)的輸出數(shù)表，將數(shù)據(jù)傳入到存儲器中即可?？傊摳櫰骶哂懈櫨雀撸褂渺`活方便，抗干擾能力強。有著較廣闊的市場前景。</p><p>　　本次設(shè)計是采用STC12C5A60S2作為CPU，要實現(xiàn)光電傳感模塊的設(shè)計：以GL5516光敏電阻作為基本元件設(shè)計出光電傳感器，其可以不僅可以將東西，南北方向的光強差傳化為電壓信號，還要將光照強度信號傳入單片

52、機，供單片機識別是否有云霧遮擋，以此來決定是否停止光電跟蹤程序；還要設(shè)計穩(wěn)定可靠的CPU模塊，包括外圍的晶振電路，供電電源，復(fù)位電路等；步進電機的選型，以及它的驅(qū)動電路設(shè)計，而且由于本設(shè)計中跟蹤精度要求很高，所以要求選擇精度較高的步進電機。另一個很重要的就是控制程序的編寫，要實現(xiàn)視日軌跡跟蹤粗定位，光電跟蹤作為補充。</p><p>　　預(yù)期實現(xiàn)電路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊 ，硬件成本較低，的硬件電路。采用上位機通信，

53、地理信息調(diào)整方便可靠，靈活。太陽高度角采用30分鐘調(diào)整一次，方位角采用30分鐘調(diào)整一次。這樣可以避免電機盲目轉(zhuǎn)動，大大的節(jié)省電機轉(zhuǎn)到帶來的能耗。從而使跟蹤系統(tǒng)更加高效率?？梢宰詣诱{(diào)整誤差，當烏云遮擋時可以自動停止跟蹤，夏天早晨6點啟動系統(tǒng)，當光照強度足夠時，追蹤系統(tǒng)程序啟動，晚上光照低于一定程度時。將太陽電池板自西向東調(diào)整到原位停止系統(tǒng)。</p><p>　　太陽能電池板跟蹤相關(guān)理論研究</p>&

54、lt;p><b>　　太陽的運行規(guī)律</b></p><p>　　太陽高度角，方位角及時角介紹</p><p>　　太陽視位置指從地面上看到的太陽的位置，用太陽高度角和太陽方位角兩個角度作為坐標表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當?shù)氐墓饩€與當?shù)厮矫娴膴A角，其值在0°到90°之間變化，日出日落時為零，太陽在正天頂上為90°。<

55、/p><p>　　太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。方位角以正南方向為零，由南向東向北為負，由南向西向北為正，如太陽在正東方，方位角為-90°，在正東北方時，方位為-135°，在正西方時方位角為90°，在正北方時為±180°。 </p><p>

56、;　　太陽高度角與地面的太陽光強弱密切相關(guān)。早晚與中午的光強有很大的差異，原因就在于太陽高度角的不同。在晴天條件下，太陽光的強弱與太陽高度角的正弦成正比。因此了解太陽高度角對分析地面的太陽光強有重要的意義。 </p><p>　　日面中心的時角，即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離。以地球為例，在地球上，同一時刻，對同一經(jīng)度，不同緯度的人來說，太陽對應(yīng)的時角是相同的。單位時間地球自轉(zhuǎn)的角度定義

57、為時角w，規(guī)定正午時角為0°，上午時角為負值，下午時角為正值。地球自轉(zhuǎn)一周360°，對應(yīng)的時間為24小時，即每小時相應(yīng)的時角為15°。</p><p>　　太陽高度角及方位角計算公式</p><p>　　根據(jù)下圖所示，設(shè)天球半徑為R，則太陽在坐標系二中的坐標為：</p><p>　　x'=R·cosω，y'=R

58、·cosδsinω，z'=R·sinδ (1)</p><p>　　坐標系二繞Y軸的旋轉(zhuǎn)矩陣為: </p><p><b>　　(2) </b></p><p>　　根據(jù) [x, y, z] = [x', y', z']A，可得太陽在坐標系一中的坐標：&l

59、t;/p><p>　　x = R(cosδcosωsinФ-sinδcosФ)</p><p>　　y = R·cosδsinω</p><p>　　z = R(sinФsinδ+cosФcosδcosω)</p><p>　　因此，可求得太陽高度角h，方位角A計算公式分別為：</p><p>　　sinh =

60、z/R = sinФsinδ+cosФcosδcosω (3)</p><p>　　cos(A-180°) = x/(R·cosh)</p><p>　　= ( cosδcosωsinФ-sinδcosФ)/cosh</p><p>　　= (sinh·sinФ-sinδ)/(cosh·cosФ) (4)<

61、;/p><p>　　sin A= cosδ·sinω/cosh (5) </p><p>　　圖2.1 太陽位置示意圖</p><p>　　對某一地點來說當?shù)氐乩砭暥颧妒谴_定的，太陽赤緯角δ、太陽時角ω是太陽在赤道坐標系中的位置，只要算出δ、ω兩個參數(shù)值便可得出太陽在地平坐標中的位置。 上圖中τ即時角ω。實際應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提

62、供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。這是比較先進的跟蹤系統(tǒng)。考慮到成本本設(shè)計沒有采用定位系統(tǒng)。而是采用通訊的方法。 </p><p>　　太陽能電池板跟蹤參考坐標系</p><p>　　由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽位置相對于地面靜止物體的運動。這種

63、變化是周期性和可以預(yù)測的。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個23°27′的夾角，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。冬至時這個角為-23°27′，然后逐漸增大，到春分時變?yōu)?°并繼續(xù)增大；夏至時赤緯角達到最大的23°27′。并開始減??；到秋分時赤緯角又變?yōu)?°，并繼續(xù)減小，直到冬至，另一個變化周期開始。赤緯角可由Cooper(1969)的近似計算公式求得：</p><p&g

64、t;　　δ=23×45sin[360×(284+n)/365] （6） </p><p>　　式中，δ-赤緯角，n-年中的第幾天。 </p><p>　　在一天當中，太陽赤緯變化很小，位置變化主要由地球自轉(zhuǎn)引起。一天當中隨時間變化引起的太陽位置的變化可由太陽時角ω表示，太陽在正午時為0°，每小時變化15°，上午為正，下午為負。因此有： </

65、p><p>　　ω=(12-T) ×150 （7） </p><p>　　式中，T-當?shù)貢r問。 圖2.2 地平坐標跟蹤系統(tǒng)圖</p><p>　　圖2.1為地平坐標跟蹤系統(tǒng)，水平面為基本面，坐標為高度角(用圓弧GG′表示)和方位角(用圓弧SG′表示)，在跟蹤過程中，鉛垂軸jj′相對于地平坐

66、標系為靜止狀態(tài)，水平軸dd′則在水平面內(nèi)繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動。圖2.2為極軸坐標跟蹤系統(tǒng)，天文赤道面為基本面，坐標為時角(用圓弧S′G′表示)和赤緯(用圓弧GG′表示)，跟蹤過程中極軸jj′相對于極軸坐標系為靜止狀態(tài)，赤緯軸dd′則在赤道面(或其平行面)內(nèi)繞極軸轉(zhuǎn)動。</p><p>　　因為在天球上的所有圓圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾畫出的圓。同時由于鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準儀所定出的水平線

67、是在幾何坐標系中惟一能容易直接觀測的參考方向，所以地平參考系一直是實用中必不可少的媒介系統(tǒng)。在實際觀測中，最重要的幾何坐標系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標系。因此目前多種太陽能發(fā)電裝置均采用地平坐標。</p><p><b>　　光伏電池的特性分析</b></p><p><b>　　光伏電池的光伏效應(yīng)</b></p>

68、<p>　　當適當波長的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。例如，當光照射到由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P-N結(jié)上時，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子—電子和空穴。由于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運動，離

69、開勢壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，P-N結(jié)兩端形成生電動勢，這就是P-N結(jié)的光伏效應(yīng)。如將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，P-N結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。</p><p>　　溫度對光伏電池輸出特性的影響</p><p>　　圖2.3不同溫度下的光伏特性</p><p>　　光伏電池的伏安曲線；（b）光伏

70、電池的功率電壓曲線 </p><p>　　溫度上升將使光伏電池開路電壓Voc下降，短路電流則略微增大，日照強度不變時，不同溫度下的光伏電池的效率變化很大。由公式可知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負的溫度系數(shù)。所以在應(yīng)用時，如果使用聚光器，則聚光器的聚光倍數(shù)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。</p><p>　　太陽的光照強度對光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響&

71、lt;/p><p>　　圖2.4a中的伏安特性曲線是在一定的光照強度和環(huán)境溫度下得到的，在實際運用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會隨著兩者的變化而變化。圖2.4b是溫度不變時，不同日照強度下的光伏電池的特性曲線。</p><p>　　圖2.4不同日照強度下的光伏特性</p><p>　?。╝）光伏電池的伏安曲線（b）光伏電池的功率電壓曲線 </p>&

72、lt;p>　　從上圖曲線中得到，電池的開路電壓近似的與光強的對數(shù)成正比。光強從200-1000W/m開路電壓變化比較平穩(wěn)。在實驗中也發(fā)現(xiàn)，當早晨光線不強和中午烈日當空時，所測量的開路電壓相差不大，而天空光線極差時，開路電壓會直線下降，幾乎為0。而短路電流是隨光強的增加而成正比的增加。</p><p>　　所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會隨光強的增加而增加。對于一個給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn)換效率決定

73、了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。而這個結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強光照強度，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能電池板上。所以太陽能跟蹤系統(tǒng)就顯得十分有必要，而且該跟蹤系統(tǒng)的精確度直接影響到發(fā)電效率。</p><p>　　光伏電池的I-V和P-V特性曲線</p&g

74、t;<p>　　光伏電池的伏安特性是一定光強、一定溫度下，電池的負載外特性，直接反映出電池輸出功率。在一定的光強的照射下，特性曲線完全由電池的P-N結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。對應(yīng)不同的光照強度時，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點都可以作為工作點，工作點所對應(yīng)的縱和橫坐標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。如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5光伏電池的

75、I-V和P-V特性曲線</p><p>　　可以看出，此I-V曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個最大功率輸出問題，在第四章中將對此問題進行研究。在P-V特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長輸出功率先上升然后下降，說明存在一個端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟I-V曲線說明了同一個問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進提供了途徑。</p><p>　　太陽能跟蹤系統(tǒng)的控制目標與控

76、制方案</p><p><b>　　控制方案選擇</b></p><p>　　目前比較先進的程序跟蹤方法是根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標準時間來確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。但是上述方法

77、是有一些缺點的，主要是程序的計算量太大，從而影響到響應(yīng)的速度，而且對CPU要求很高。另一方面就是成本問題，GPS提供數(shù)據(jù)，成本會大大的提高，所以綜合考慮整體運用通訊的方法將數(shù)據(jù)提前存儲到存儲器中，單片機只需從存儲器中讀取數(shù)據(jù)即可。跟蹤系統(tǒng)具體參數(shù)如下圖所示：</p><p>　　圖3.1跟蹤系統(tǒng)具體參數(shù)</p><p>　　該控制系統(tǒng)采用光時互補的控制方案，即以程序跟蹤做為粗調(diào)，光電跟蹤作

78、為細調(diào)。其中程序跟蹤的控制方案為：根據(jù)天亮時間，比如夏天的時候6點天亮，這樣就要使程序定在6點的時候啟動跟蹤系統(tǒng)。而冬天的時候要等到8點才啟動。天黑時方案同理，將系統(tǒng)關(guān)閉，夏天和冬天關(guān)閉的時間是不一樣的。同時關(guān)閉系統(tǒng)之前將電池板從最西方調(diào)整到最東方等待下一天太陽的升起。當啟動后采用30分鐘調(diào)整一次，可以防止電機盲目轉(zhuǎn)動又可以節(jié)省電機耗能。將程序的參數(shù)通過通訊存儲到EEPROM中。程序的數(shù)據(jù)可以修改，使用靈活方便。可以自動調(diào)整誤差，可以避

79、免灰塵等其他因素照成的誤差，即不受外界干擾。</p><p>　　光電跟蹤作為程序跟蹤的補充，對電池板位置進行精確的調(diào)整。設(shè)計光電跟蹤時首先涉及到硬件，光電傳感器用光敏電阻來設(shè)計，選用GL5516型號電阻。當烏云遮擋時根據(jù)光電傳感器的光強信號可以自動停止光電跟蹤。還有步進電機，采用DC24V，120W的步進電機適合驅(qū)動4×4m的電池板。PG120L3減速器減速比30:1可以將步進電機的每一步角度降得很低

80、?？梢詽M足0.1的精度要求。</p><p><b>　　控制方案設(shè)計</b></p><p>　　光敏電阻設(shè)計的傳感器</p><p>　　圖3.2 光電傳感器鏡筒圖</p><p>　　θ為太陽入射光線與主光軸的夾角，d為光電傳感器上的太陽像直徑。根據(jù)幾何光學原理可得： </p><

81、;p>　　光電傳感器直徑為25mm，可計算出光電池的檢測范圍為1.48°，太陽像直徑約為3.8mm, 即當粗跟蹤將傳感器主光軸與太陽入射光線間的夾角調(diào)節(jié)至1.48°以內(nèi)時，太陽像便能全部呈現(xiàn)在光傳感器筒內(nèi)電阻上。</p><p>　　由光敏傳感器采集太陽與光伏電池板之間水平與垂直方向的位置偏差信號與光強信號，并反饋給數(shù)據(jù)處理器與控制器單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動電

82、路控制步進電機的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速機構(gòu)緩慢調(diào)整角度。直到太陽光線完全垂直照射電池板。其中電源的電取自太陽能電池板；光電傳感器利用光敏電阻特性設(shè)計而成。如上圖所示當A與D被遮擋這是A與B之間電阻值相差很大這樣傳感器就會產(chǎn)生電壓差送入單片機處理經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與放大，發(fā)出驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速機構(gòu)緩慢調(diào)整角度。直到A與B沒有電壓差未止。C與D同理。當A,B與C,D都沒有電壓差時即陽光正對電池板和傳感器鏡桶時，光敏電阻E

83、對不同的光強會有不同的電阻值，產(chǎn)生不同的電壓信號給單片機處理，當烏云遮擋時，光強很弱，單片機就可以停止光電跟蹤，避免了盲目跟蹤。</p><p>　　跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖</p><p>　　圖3.3 跟蹤控制系統(tǒng)整體原理框圖</p><p>　　系統(tǒng)整體框圖如上圖所示：其控制過程是視日運動軌跡跟蹤與光電跟蹤的結(jié)合方式。先從電腦中將確定地理位置信息的太陽高度角方

84、位角的數(shù)表傳入到存儲器中該數(shù)表是高度角（方位角）隨天數(shù)與小時數(shù)變化的二維變量。單片機從實時時鐘中讀出時間信息，從存儲器中查數(shù)表，得出高度角與方位角發(fā)出驅(qū)動信號。這樣程序法的初步定位完成了。光電傳感器通過電池板的位置信號，得出信號差傳入到單片機中發(fā)出驅(qū)動的信號，調(diào)整電機直到精確位置。</p><p>　　太陽能自動跟蹤裝置設(shè)計</p><p>　　圖3.4太陽能自動跟蹤裝置圖</p&g

85、t;<p>　　1-支座；2-支柱；3-電池板支架；4-銷軸；5-減速箱體（含電動機）；6、15-主軸；7-絲桿；8-橫支架；9、5-電機；10-減速器；11-鉸鏈為方位軸和俯仰軸。</p><p><b>　　1．東西方向跟蹤</b></p><p>　　在減速箱體5內(nèi)安裝由電機等構(gòu)成的傳動機構(gòu)。主軸通過軸承安裝在減速箱體上，主軸的下端固定在支座1上，

86、支柱2的下端固定在減速箱體上，支柱2的上端通過銷軸4與電池板支架連接。電機通過帶動齒輪轉(zhuǎn)動，并帶動減速箱體、電池板支架轉(zhuǎn)動，完成東西方向的跟蹤。</p><p><b>　　2．南北方向跟蹤</b></p><p>　　支柱2上設(shè)置一個橫支架8，橫支架8端部鉸接一個減速器10，減速器中設(shè)有蝸桿（圖中未畫出）與電機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

87、絲桿7連接配合，絲桿7的一端通過鉸鏈11與電池板支架連接。電機9通過蝸輪蝸桿、絲桿螺孔機構(gòu)帶動電池板支架轉(zhuǎn)動，完成南北方向的跟蹤。</p><p>　　電池板跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p><b>　　關(guān)鍵器件介紹 </b></p><p>　　STC12C5A60S2簡介 </p><p>　　STC12C5A60

88、S2系列單片機是由宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）單片機。是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速速快8-12倍。內(nèi)部集成2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。</p><p>　　圖4.1 STC12C5A60S2單片機</p><p>　　它有40個管腳，分成兩排，每一排各有20個腳，其中左下角標有箭頭的為第1

89、腳，然后按逆時針方向依次為第2腳、第3腳……第40腳。</p><p>　　在40個管腳中，其中有32個腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這32個腳叫做單片機的“端口”，在單片機技術(shù)中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做“P1.0”。</p><p><b>　　主要特性</b></p>

90、<p><b>　　與8051兼容</b></p><p>　　增強型8051內(nèi)核，速度是傳統(tǒng)8051的8-12倍</p><p><b>　　有外部掉電檢測功能</b></p><p>　　數(shù)據(jù)保留時間：10年</p><p>　　工作頻率：0HZ~35HZ</p><

91、;p>　　內(nèi)部RAM1280字節(jié)</p><p><b>　　32可編程I/O線</b></p><p>　　4個16位定時器/計數(shù)器</p><p><b>　　5個中斷源</b></p><p><b>　　可編程串行通道</b></p><p&g

92、t;　　EEPROM功能，擦寫次數(shù)10萬次</p><p><b>　　管腳說明</b></p><p>　　P0.0~P0.7 P0：P0口既可以作為輸入/輸出口，也可以作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當P0口作為輸入/輸出口時，P0是一個8位準雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。當P0作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時，是低8位地址線A0~A7，數(shù)據(jù)線D0~D7

93、P1.0/ADC0/CLKOUT2 標準IO口、ADC輸入通道0、獨立波特率發(fā)生器的時鐘輸出 P1.1/ADC1 。 P1.2/ADC2/ECI/RxD2 標準IO口、ADC輸入通道2、PCA計數(shù)器的外部脈沖輸入腳，第二串口數(shù)據(jù)接收端 P1.3/ADC3/CCP0/TxD2 外部信號捕獲，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 P1.4/ADC4/CCP1/SS非 SPI同步串行接口的從機選擇信號 P1.5/ADC5/MOSI

94、SPI同步串行接口的主出從入(主器件的輸入和從器件的輸出) P1.6/ADC7/SCLK SPI同步串行接口的主入從出 P2.0~P2.7 P2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入輸出口（8位準雙向口），也可作為高8位地址總線使用。 P3.0/RxD 標準IO口、串口1數(shù)據(jù)接收端 P3.1/INT0非 外</p><p><b>　　步進電機介紹</b></p><p>　

95、　步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能

96、正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)

97、用。</p><p><b>　　其具有如下的特點：</b></p><p>　　1）勵磁繞組上施加的不是一個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)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。</p><p>　　2）電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率保持嚴格的同步關(guān)系。位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，

98、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組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　3）步進電機具有加速轉(zhuǎn)矩大等特點，其性能的提高與控制方式、驅(qū)動電路的參數(shù)等有密切的關(guān)系。</p><p>　　4）停止時，具有自鎖能力，定位精度高。</p><p>　　5）無刷，電機本體部件少，可靠性高；易于啟動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性也好。<

99、/p><p>　　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)定運行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載。</p><p>　　步進電機從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型。</p><p>　　圖4.2 步進電機原理圖 &l

100、t;/p><p>　　1、結(jié)構(gòu)： 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對

101、齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如

102、果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)</p><p>　　光敏傳感器及元件 </p><p>　　光敏傳感器是基于光電效應(yīng)、將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，其敏感元件是光電器件。光敏傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。

103、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。</p><p><b>　?。?、光敏電阻原理</b></p><p>　　光敏電阻器由能透光的半導(dǎo)體光電晶體構(gòu)成，因半導(dǎo)體光電晶體成分不同，又分為可見光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化鎵晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當敏感波長的光照半導(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

104、（即電阻減?。９饷綦娮杵魇抢冒雽?dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。</p><p><b>　　2、光敏電阻的應(yīng)用</b></p><p>　　光敏電阻器廣泛應(yīng)用于各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路等）、家用

105、電器（如電視機中的亮度自動調(diào)節(jié)，照相機中的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。</p><p>　　本次設(shè)計采用的是CDS光敏電阻。光敏二極管CDS是一種電阻值隨光照強度變化而變化的感光電阻，本系統(tǒng)采用3個光敏電阻作為傳感器來檢測天空光線的變化，跟蹤太陽的位置。</p><p>　　光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見光的測量。選用的型號是GL5516，它的暗電阻為100K歐，亮電阻為

106、5～l0K歐。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范圍內(nèi)沿著一條直線上升或下降。</p><p>　　圖4.3 GL5516光敏電阻</p><p><b>　　CPU模塊設(shè)計</b></p><p>　　CPU模塊負責傳感器信號處理，電機控制與電腦通訊，同時協(xié)調(diào)控制各功能電路工作。本設(shè)計采用宏晶公司的高性能8

107、位單片機STC12C5A60S2。CPU模塊可以說成一個單片機最小系統(tǒng)，由CPU、供電電源、復(fù)位電路和時鐘電路。CPU在電源、時鐘和復(fù)位電路的作用下正常工作，通過EEPROM電路存取運行參數(shù)。CPU電路設(shè)計中引腳功能定義是很重要但是也最基本的工作。</p><p><b>　　在本系統(tǒng)中：</b></p><p>　　P0口作為I/O接口，負責指示燈控制信號；<

108、/p><p>　　P1口作為I/O接口，光電信號輸入；</p><p>　　P2口作為數(shù)據(jù)接口，負責從EEPROM中讀出數(shù)據(jù)與存入數(shù)據(jù)；</p><p>　　P3口作為串行通信接口。</p><p>　　CPU硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖4.4 CPU硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　

109、　CPU 模塊電路原理圖</p><p>　　圖4.5 CPU模塊原理圖</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　為確保單片機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般單片機電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它