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自动转向设计jin

基于51单片机实现的太阳能电池板转向系统设计

摘要

太阳能跟踪转向系统是针对太阳能空调、太阳能制氢、太阳辐照度测量、材料老化实验、高效太阳能光伏发电、高效太阳能热水器等需要对太阳进行实时跟踪的应用领域而设计的。

太阳能跟踪系统的设计是综合运用地理学、物理学、光学，运动学、控制理论等学科体现，是当前国内外研究的热点问题之一。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

所以实现对太阳全天候跟踪，是提高对太阳能运用，利用率有重大意义。

该太阳能跟踪系统可以对太阳全方位跟踪，具有两个自由度的跟踪能力。

经过黑夜或阴天后，只要太阳一出即可跟踪，工作可靠稳定。

该系统运用ATMEL公司AT89C52控制芯片，通过对运放器LM354N,LM358组成比较模块对光敏电阻对光线的感应强度和设定基准电压比较结果的检测，并对检测结果进行逻辑运算后，对负责方位角和高度角的步进电机进行控制，从而实现对太阳全方位跟踪。

1602液晶显示模块，显示系统当前的工作状态及时间。

在该论文中详细阐述了控制系统的组成结构和工作原理。

该方法利用四个光敏三极管对当前环境光线强度进行感应，在不同强度亮度下，光敏三极管的阻值不一样，所以比较器的正输入电压也不同。

如果跟踪板不是正对的太阳，那么四个光敏三极管的阻值也不一样，比较器正输入的电压也不一样，如果正输入电压高于设定的基准电压，比较器将输出一个信号给单片机，单片机根据比较器输入的信号进行逻辑运算，然后控制相应步进电机旋转，直到四个光敏电阻感应光线强度一样。

在接受控制电路中引入单片机，通过充分利用其软、硬件资源，使系统具有优异的智能性、可扩展性、可升级性和操作方便，为对太阳全天候跟踪提供了合理、廉价的解决方案等特点。

最后进行了系统联合调试，结果表明系统的软、硬件设计合理可行，为后续的研究工作奠定了基础。

关键词：

光敏三极管检测元件比较器模块单片机（AT89C52）液晶显示屏（1602）

All-weatherSolarTrackingSystem

ABSTRACT

All-weathersolartrackingsystemforsolarairconditioning、Solarhydrogenproduction、Solarirradiancemeasurements、materialsagingtest、solarphotovoltaic、solarwaterheatersandotherhighneedforsolarapplicationsinreal-timetrackingdesigned.

SolarTrackingSystemisacomprehensiveapplicationofphysics,optics,kinematics,controltheoryandotherdisciplinesreflected,isthecurrenthottopicofresearchathomeandabroad.Solarisanenergy,isrenewableenergy.Itisrichinresources,bothfree,thennotransport,nopollutionontheenvironment.Tocreateanewhumanlifeforms,andhumansocietyintoaeraofenergyconservationtoreducepollution.So,all-weathertracktorealizethesunistoimprovetheuseofsolarenergy,utilizationofgreatsignificance。

Thesolartrackingsystemcanbecomprehensivetrackingofthesuntrackingcapability,withtwodegreesoffreedom.Throughthenightorcloudydays,theonlyoneyoucantrackthesun,reliablestability.

ATMELCorporationAT89C52useofthesystemcontrolchip,throughtheopampdeviceLM354N,LM358modulecomposedofrelativelylightonthephotosensitivesensorresistanceontheintensityandsetthecomparisonreferencevoltagedetection,andtestresultsoflogicaloperations,theresponsiblepositionangleandelevationangleofthesteppingmotorcontrol,inordertoachievefull-trackthesun.1602LCDModule,DisplaySystemonthecurrentworkstatusandtime.Inthemethoddescribedindetailthecompositionofthecontrolsystemstructureandworkingprinciple.Themethodusesninephotosensitiveresistanceonthecurrentambientlightintensitysensor,atdifferentintensityoflight,thephotosensitiveresistornotthesame,sothepositivecomparatorinputvoltageisdifferent.Ifthetrackpadisnotworkingonthesun,thentheresistanceofninephotosensitivenotthesame,thecomparatorinputvoltageisnotthesame,iftheinputvoltageishigherthanthesetreferencevoltage,thecomparatorwilloutputasignaltotheSCM,SCMcomparatorinputsignalaccordingtologicaloperations,andthencontrolthecorrespondingsteppermotorrotation,until9photosensitiveresistanceaslightintensitysensor.

Inaninterviewwiththeintroductionofsinglechipcontrolcircuit,bytakingadvantageofitssoftwareandhardwareresources,thesystemhassuperiorintelligence,scalability,scalableandeasytooperatlyweatherGenzongthesunprovidesareasonable,affordablesolutionscharacteristics.Finally,ajointtrial,theresultsshowthat:

thesystemsoftwareandhardwaredesignisreasonablypracticable,forthefollow-upresearchfoundation.

Keywords:

PhototransistorDetectiondevicesComparatormoduleMicrocontroller（AT89C52）Liquidcrystaldisplay（1602）

目　录

前　言

燃烧煤炭，石油等能源不仅污染环境，而且它们属于不可再生能源，照2003年的煤炭开采速度，中国的煤炭再开采80多年即将枯竭。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

作为能源消耗大国，如何提高对太阳能利用率是解决能源危机的可行方法之一。

设计一个对太阳实现跟踪的系统，是提高太阳能利用率的一种有效方法。

本设计是集机电、光学、计算机、控制理论为一体的，体现了电子信息专业多学科相结合，相互渗透的特点。

科技以人为本，是为人类服务的，本人设计的太阳能全天候跟踪系统充分的体现了该特点，体现出人类与环境的和平相处，解决能源危机，造福于人类和社会，所以太阳能全天候跟踪系统是值得研究和实际运用的。

本装置的研究成功，对创建能源节约型，环境友好型社会具有较大的意义，也有较好的市场发展前景

本追日装置是由AT89S52单片机、光敏三极管、和步进电机等组成闭环控制系统，主要组成模块有主控模块、光能检测模块和步进电机控制模块。

采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。

分别将两组完全相同的光敏三极管分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。

在日照环境下，两个光敏三极管接收到的光强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。

本装置具有高效、简易的特点，能应用于太阳能领域，以提高太阳能的转换效率。

本系统是将太阳能电池板一整块从中间分成四块，然后在分割线上插上3厘米的硬纸板，再在四小块的太阳能电池板上安装传感器（尽量贴着纸板）组成的四鉴探测器，较以往的单个光敏传感器跟踪或单筒光敏传感器探测器，其跟踪效果精确而又稳定，曾强了其跟踪的可靠性，蓄电电路、和供电电路都是基本的稳压电路。

多传感器设计思想解决了传统的单个探测器一直存在的错误率高的问题，灵敏度低的缺点，增强了太阳能跟踪系统的可靠性。

第1章总体概论

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

所以实现对太阳全天候跟踪具有重大意义。

太阳跟踪系统的设计思想

检测规划

检测规划是跟踪系统的一个重要问题。

它的目标是在一个光亮强度差不多环境中，为跟踪系统寻找太阳的具体位置。

一个重要的解决方法就是采用多元法三维，多元法三维就把检测系统接受板分成四个单元，太阳光线从不同角照射到接受板，检测元件感应光线强度不同。

当考虑到元件误差时，跟踪系统与太阳实际位置可能会出现偏差。

定位

步进电机的步进角，是太阳跟踪系统精确定位的一个基本问题，也可以说，太阳偏移一个微小的角度，步进转动角度应该比太阳偏移角度相等，这就要求步进电机的步进角要足够小。

国内外的发展概况及存在的问题

在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。

1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器[16]，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。

2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。

在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。

目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：

一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。

（一）光电追踪。

目前，国内常用的光电追踪有重力式、电磁式和电动式。

这些光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。

在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板。

通过调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使追踪装置对准太阳完成追踪。

光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照射到三极管上，导致追踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动。

（二）视日运动轨迹追踪。

视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。

（1）单轴追踪。

单轴追踪一般采用：

①倾斜布置东西追踪；②焦线南北水平布置，东西追踪；③焦线东西水平布置，南北追踪。

这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪。

单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。

（2）双轴追踪。

如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。

双轴追踪又可以分为两种方式：

极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。

本系统采用光电追踪以及双轴追踪相结合的方法，向大家呈现出成本更低的太阳自动追踪装置在大家面前。

研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

研究的目标

本装置主要是利用单片机知识，设计一个太阳能跟踪系统，其突破点在对太阳精确位置检测的系统的设计、步进电机动作指令系统（与太阳同步偏移）的设计、实时显示系统工作状态的设计。

研究的关键问题

本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路：

（1）太阳高度角跟踪的实现。

（2）太阳方位角跟踪的实现。

（3）经过阴雨天气后，太阳一出来立即跟踪的实现。

（4）人性化界面的设计，分为人与单片机沟通和时间显示程序。

论文结构

第一章,绪论主要阐述了课题的研究背景、目的及意义，以及国内外太阳能的利用现状、太阳追踪方式的发展现状。

第二章,主要是对太阳自动追踪系统进行元器件选择以及总体方案设计，确定了系统的追踪方式。

第三章,自动跟踪系统总体结构,光电转换器,单片机及其外围电路,步进电动机以及驱动电路模块设计。

第四章,系统软件设计及流程图。

第五章,测试结果。

第2章系统方案设计及元器件选择

各模块元器件的选择

传感器的选择

本系统的传感器主要是检测光照度，可考虑的传感器如下列方案：

方案一：

光敏电阻。

从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特性变化不灵敏。

方案二：

硅光电池。

硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：

硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。

方案三：

光敏二极管。

光敏二极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。

方案四：

光敏三极管。

光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两个光敏三极管采集点光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置。

用四个光敏三极管组成四象限感光面，上下左右各一个光敏三极管。

在测试光敏电阻与硅光电池时，发现光源的距离限制了两者的应用范围。

当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。

经实践测定，光敏二级管与光敏三极管满足要求，但在反映速度，及变化的灵敏、快速性方面，光敏三极管更胜一筹，因此传感器选择方案四。

主控芯片的选择

根据本题的要求，整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：

方案一：

MSP430F149系列单片机。

MSP430有以下优点：

（1）低电源电压范围：

1.8-3.6V。

（2）超低功耗：

拥有5种低功耗模式（LPM0-LPM4）。

（3）灵活的时钟使用模式。

（4）高速的运算能力：

16位RISC架构，125ns指令周期。

（5）丰富的功能模块：

这些功能模块包括A多通道10－14位AD转换器；B双路12位DA转换器；C比较器；D液晶驱动器；E电源电压检测；F串行口USART（UART/SPI）；G硬件乘法器；H看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，PWM输出）；IDMA控制器。

（6）FLASH存储器：

采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行；

（7）MSP430芯片上包括JTAG接口：

仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；

（8）快速灵活的变成方式：

可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。

方案二：

STC89C51系列作为光源跟踪系统的主控芯片

STC89C52单片机的特点：

STC89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C52有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

对于一些不太复杂的控制电路，我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。

通过上面的比较本系统由于结构比较简单，所以选取STC系列89C52单片机作为控制器，所以选取方案二。

电机的选择

本系统电机的主要作用是调整电池板的方向，指向太阳，可选取的类型如下方案：

方案一：

步进电机。

在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

每给一次脉冲信号，电机能够转过一个步距角。

方案二：

直流减速电机。

此电机在正常通电状态下，转速平稳，角度的变化也近乎连续，控制简单方便。

根据设计的要求可知，直流减速电机存在的明显缺陷速度不容易控制，而步进电机的控制和实现是相对简单一些。

因而选用方案一。

电机驱动的选择

本系统中选的是步进电机，步进电机驱动有一下三种方案可选择：

方案一：

采用功率三极管作为功率放大器的控制步进电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，但是电路比较复杂。

方案二：

采用由达林顿晶体管阵列ULN2003。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。

单驱动能力比较弱。

方案三：

采用恒压桥式驱动芯片ULN2003。

驱动能力强，电路简单，使用方便。

故选择此方案。

LCD液晶显示器的选择

本系统LCD显示器主要显示的是传感器检测到的信号，可选用以下方案：

LCD1602是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

系统总体方案设计

方案1：

不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。

根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。

在应用中，全球定位系统（GPS）可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。

在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。

然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。

在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。

由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。

而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。

工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。

初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。

同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。

方案2：

系统总体构成包括阴影法跟踪太阳，单片机控制，步进电机、供电等几个模块。

阴影法跟踪太阳：

本方案选择的是将太阳能电池板一整块从中间分成四块，然后在分割线上插上3厘米的硬纸板，再在四小块的太阳能电池板上安装传感器（尽量贴着纸板）组成的四鉴探测器，较以往的单个光敏传感器跟踪或单筒光敏传感器探测器，其跟踪效果精确而又稳定，曾强了其跟踪的可靠性，蓄电电路、和供电电路都是基本的稳压电路。

多传感器设计思想解决了传统的单个探测器一直存在的错误率高的问题，灵敏度低的缺点，增强了太阳能跟踪系统的可靠性。

根据本次设计的要求，以及两个方案的元器件对比，选择方案2。

系统总体硬件电路框图如下：

图1-1系统硬件方框

本系统包括光电转换器、步进电机、89C51系列单片机以及相应的外围电路等。

太阳能电池板有两个自由度。

控制机构将分别对X、Y方向与Z方向进行调整。

单片机加电复位后，X、Y方向将处于旋转状态，单片机将对采样进来的电压信号进行判断，电压有增大和减小两种可能，如电压增大，则让电池板正向转动，一旦电压减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，实现电池板对太阳的跟踪。

本装置主要是跟踪太阳让太阳能电池板与太阳保持垂直的，一旦太阳有偏移或是突然变天（雷雨）情况时，与至相应的四个探测器（四快太阳能电池板上各一个）根据分割板的阴影来判断其太阳的方向，将四个传感器检测的信号传给单片机，在进行比较，然后作出相应的正转或者反转，电机就向太阳所在的方向转去。

若检测到每个传感器都是很暗的特征，并且持续一段时间则就启动供电电路对用电器进行供电，反之当四个传感器检测的结果差异很大就单开蓄电电路，关闭供电电路。

第3章硬件设计

主控芯片模块

控制器STC89C52的介绍

89C52是一种小型单片机。

其主要特点为：

采用Flash储存器技术，降低了制造成本；其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦特性，使得开发与试验比较容易。

图3-1AT89C52引脚图

在引脚的驱动能力上，89C52具有很强的下拉能力。

P1、P3的下拉能