太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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..........................................................72.3.1控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能分析......................................................................72.3.2控制系統(tǒng)的工作過程........................................................................................82.3.3機(jī)械執(zhí)行裝置.....................................................................................................83自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).............................................................................................103.1控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì).........................................................................................103.2控制系統(tǒng)核心部件的選擇....................................................................................113.3光強(qiáng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì).................................................................................................133.4單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì).............................................................................................153.4.1電源電路..........................................................................................................15III3.4.2串口通信電路..................................................................................................163.4.3模擬量轉(zhuǎn)換電路.............................................................................................173.4.4看門狗和晶振..................................................................................................183.4.5實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路..................................................................................................193.5控制執(zhí)行部件設(shè)計(jì).................................................................................................203.5.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)................................................................................203.5.2本系統(tǒng)所采用的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊......................................................21.................................................................................................22.....................................................................................................243.6整體電路圖的設(shè)計(jì)4系統(tǒng)軟件流程及調(diào)試4.1主控制模塊的軟件設(shè)計(jì).........................................................................................244.2光電跟蹤模塊程序設(shè)計(jì).........................................................................................254.3視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊程序設(shè)計(jì).......................................................................265結(jié)論....................................................................................................................................276致謝....................................................................................................................................287參考文獻(xiàn)...........................................................................................................................298附錄....................................................................................................................................30IV1引言1.1光伏發(fā)電的特點(diǎn)1.1.1光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)光伏發(fā)電技術(shù)(Photovoltaic)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其核心是可釋放電子的半導(dǎo)體物質(zhì)。最常用的半導(dǎo)體材料是在地殼中儲(chǔ)量豐富的硅。太陽能光伏電池有兩層半導(dǎo)體，一層為正極，一層為負(fù)極。陽光照射在半導(dǎo)體上時(shí)，兩極交界處產(chǎn)生電流。陽光強(qiáng)度越大，電流就越強(qiáng)。太陽能光伏系統(tǒng)不僅只在強(qiáng)烈陽光下運(yùn)作，在陰天也能發(fā)電。由于反射陽光，少云的天氣甚至比晴天發(fā)電效果更好。與傳統(tǒng)的化石能源相比，光伏發(fā)電具有以下優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)量豐富。燃料免費(fèi)。無污染。低維護(hù)費(fèi)用。原料儲(chǔ)量豐富。安裝方便。適合高海拔地區(qū)。1.1.2光伏發(fā)電存在的問題雖然光伏發(fā)電有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著一些有待考慮的問題：1．光電轉(zhuǎn)換效率不高由于光伏電池的特點(diǎn)，在選取光伏電池原材料時(shí)必須考慮到材料的光導(dǎo)效應(yīng)和光導(dǎo)效果，目前光電轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率在20％左右，同時(shí)由于對(duì)光電效率轉(zhuǎn)換控制不當(dāng)，真正的光電轉(zhuǎn)換效率還會(huì)降低。2．受氣候影響大如果在陽光不充足的多云或陰雨天氣，隨著光照強(qiáng)度的降低，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)大幅度降低，因此，光伏系統(tǒng)不適合應(yīng)用于陰雨天氣較多的地區(qū)。另外，由于空氣中的塵埃會(huì)落到電池板上，長(zhǎng)時(shí)間沉積會(huì)阻礙光線的照射，也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換效率造成影響。3.光伏發(fā)電成本較高晶體硅太陽電池主要原料是高純硅，其純度高達(dá)99．9999％，雖然硅是地殼中含量?jī)H次于氧的元素，但是要從石英砂中提煉出高純度的硅需要消耗大量的能量，成本較高，這就使得硅原料的價(jià)格一直居高不下，制約了光伏市場(chǎng)的快速發(fā)展。另外，由于硅提純技術(shù)被德國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)家壟斷，目前我國(guó)生產(chǎn)晶體硅電池需要的原料大多依賴進(jìn)口，導(dǎo)-1-致生產(chǎn)成本進(jìn)一步升高。1．2光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤技術(shù)技術(shù)進(jìn)步是降低光伏發(fā)電成本，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展的重要因素。幾十年來圍繞著降低成本的各種研究開發(fā)工作取得了輝煌成就，電池效率不斷提高，單晶硅電池的試驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)從20世紀(jì)50年代的6％提高到目前的24．7％，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了20．3％。硅片厚度持續(xù)降低，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)不斷改進(jìn)，30多年來，光伏電池硅片厚度從20世紀(jì)70年代的450-500微安降低到目前的180-280微安，降低了一半以上，大大的節(jié)省了硅材料。除了采用新的工藝和材料對(duì)光伏電池本身進(jìn)行改進(jìn)之外，采用適當(dāng)?shù)目刂品绞綄?duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行控制，使其能夠更高效的利用太陽能也是未來發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤技術(shù)就是利用控制方法對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，使光伏電池板始終對(duì)準(zhǔn)太陽，以提升發(fā)電系統(tǒng)的效率。未來的太陽跟蹤裝置應(yīng)采用全自動(dòng)跟蹤。全自動(dòng)太陽跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系和雙軸跟蹤原理，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)朝著高靈活性、多維、大范圍跟蹤角度方向發(fā)展，用有限的光伏電池板接收更多的太陽輻射能量，降低光伏發(fā)電的成本113,141?？刂撇捎霉狻C(jī)、電一體化技術(shù)，通過對(duì)太陽光強(qiáng)弱的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的全自動(dòng)跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域。跟蹤裝置由光敏探頭檢測(cè)太陽光強(qiáng)，通過跟蹤控制器，采用模擬壓差原理進(jìn)行比較，發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)。位置開關(guān)使跟蹤裝置的跟蹤準(zhǔn)確度高，范圍寬，有自動(dòng)返回功能。1.3本文主要完成的工作因光伏電池的輸出特性受外界因素影響較大，如何對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行有效控制使其能夠工作在最佳的狀態(tài)，有效的利用太陽能，從而能夠產(chǎn)生更多的電能，是一個(gè)非常重要的課題。本文在掌握光伏電池特性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用了新的跟蹤策略，可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性跟蹤。本文的研究?jī)?nèi)容主要有如下幾點(diǎn)：1．分析太陽運(yùn)行規(guī)律。對(duì)不同的跟蹤策略進(jìn)行比較和分析，提出了適合本系統(tǒng)的跟蹤策略，并進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2．對(duì)光伏自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)功能模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。3．設(shè)計(jì)軟件控制方案，結(jié)合系統(tǒng)硬件完成試驗(yàn)平臺(tái)的搭建。-2-為了更準(zhǔn)確的檢測(cè)天氣狀況，也可通過檢測(cè)方陣輸出電壓低于閾值的方式判斷天氣狀況。用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤彌補(bǔ)光電跟蹤的缺點(diǎn)，能在任何氣候條件下使光伏發(fā)電系統(tǒng)得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方式跟蹤準(zhǔn)確度高，工作過程穩(wěn)定，可應(yīng)用于許多大中型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面稱黃道面，而地球的自轉(zhuǎn)軸稱極軸。極軸與黃道面不是垂直相交，而是呈66.5°角，并且這個(gè)角度在公轉(zhuǎn)中始終維持不變。正是由于這一原因形成了每日中午時(shí)刻太陽高度的不同，以及隨之而來的四季的變遷。太陽高度的變化可以從圖1中形象地看到。圖中日地中心的連線與赤道面間的夾角每天（實(shí)際上是每一瞬間）均處在變化之中，這個(gè)角度稱為太陽赤緯角。它在春分和秋分時(shí)刻等于零，而在夏至和冬至?xí)r刻有極值，分別為正負(fù)23.442°。ED=0.3723＋23.2567sinθ＋0.1149sin2θ－0.1712sin3θ－0.758cosθ＋0.3656cos2θ＋式中，δ就是太陽赤緯角，即式（5）中的Ed，φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?，τ為?dāng)時(shí)的太陽時(shí)角。φ值不難獲得，且一旦確定，不會(huì)改變。δ值的計(jì)算可以從前述程序中得到。唯一需要說明的是太陽時(shí)角τ的計(jì)算。這里時(shí)S和分F的符號(hào)均加上了⊙下標(biāo)，表示是真太陽時(shí)，為了從北京時(shí)求出真太陽時(shí)，需要兩個(gè)步驟：首先，將北京時(shí)換成地方時(shí)Sd：Sd＝S+（地理經(jīng)度-120）*4/60式中，120°是北京時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，乘4是將角度轉(zhuǎn)化成時(shí)間，即每度相當(dāng)于4分鐘，除60是將分鐘化成小時(shí)。這里應(yīng)該指出的是，時(shí)角是以太陽正午時(shí)刻為0點(diǎn)的，順時(shí)針方向（下午）為正，反之為負(fù)。太陽方位角的計(jì)算式為（sinh⊙sinφ－sinδ）／cosh⊙cosφ第2個(gè)A值為午前的太陽方位，取360°－。圖2.2太陽運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤方式太陽運(yùn)行的軌跡是有規(guī)律可循的，通過計(jì)算可以得出任何時(shí)間和地點(diǎn)太陽的位置，從而完成對(duì)日跟蹤。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤依靠計(jì)算太陽的準(zhǔn)確位置然后運(yùn)行控制程序使跟蹤裝布置，南北跟蹤。闡述單軸跟蹤原理，如圖所示。圖2-3中單軸跟蹤裝置的轉(zhuǎn)軸東西方向布置。控制計(jì)算太陽角度的變化，控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽能電池板作俯仰運(yùn)動(dòng)，以跟蹤太陽。釆用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽光與電池板相垂直，而在早上或下午太陽光線都是斜射。采用單軸跟蹤的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集光線的效果并不理想。2.2.2雙軸跟蹤如果能夠同時(shí)跟蹤太陽兩個(gè)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)這樣的要求而設(shè)計(jì)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。（1）極軸式全跟蹤另一軸與極軸垂直，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(jìn)行跟蹤，反射鏡按照季節(jié)時(shí)間的變化圍繞赤諱軸作俯仰運(yùn)動(dòng)以適應(yīng)赤緯角的變化。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但從力學(xué)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(jì)比較困難。（2）高度角-方位角全跟蹤垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸。根據(jù)太陽角度的計(jì)算方法，工作時(shí)反射鏡根據(jù)太陽位置的理論計(jì)算值，繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變反射鏡的傾斜角，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(zhǔn)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(jī)構(gòu)容易設(shè)計(jì)。但是在計(jì)算太陽角的過程中容易出現(xiàn)誤差，影響跟蹤準(zhǔn)確度。2.2.3視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合光電跟蹤是國(guó)內(nèi)外常用的跟蹤方法，使用光敏管，將兩個(gè)光敏管分別置于光伏電池陣列平面的兩個(gè)點(diǎn)上，當(dāng)太陽光線直射光伏陣列時(shí)，若光敏管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后的數(shù)值偏差在規(guī)定范圍內(nèi)，即兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)信號(hào)的偏差很小，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。但隨著太陽的位置發(fā)生變化，光敏管檢測(cè)到的電信號(hào)偏差逐漸增大而超出了規(guī)定范圍，經(jīng)放大電路將偏差信號(hào)放大，控制跟蹤裝置產(chǎn)生動(dòng)作而重新使光伏陣列與太陽光線保持垂直，對(duì)準(zhǔn)太陽，完成跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便，跟蹤準(zhǔn)確度高。但有一個(gè)缺點(diǎn)就是受天氣的影響較大，如果在稍長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，由于沒有光照，光敏管上沒有電信號(hào)產(chǎn)生，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對(duì)準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的誤操作。視日運(yùn)動(dòng)跟蹤和光電跟蹤都存在一定的局限性。對(duì)于視日運(yùn)動(dòng)跟蹤，主要是在開始運(yùn)因此需要定期人為調(diào)整跟蹤裝置。而光電跟蹤經(jīng)常由于天氣問題，出現(xiàn)不跟蹤或錯(cuò)誤跟蹤的情況，特別在多云的天氣會(huì)試圖跟蹤云層邊緣的亮點(diǎn)，電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，造成了能源的浪費(fèi)和部件的額外磨損。如果將視日運(yùn)動(dòng)跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合，互補(bǔ)其短，就可以得到比較滿意的效果。在-6-光電跟蹤的基礎(chǔ)上，同時(shí)設(shè)置視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤程序，當(dāng)遇到烏云遮擋或陰天等天氣狀況時(shí)，由于光強(qiáng)太小，光敏管上產(chǎn)生的電信號(hào)會(huì)低于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)自動(dòng)跳到視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤程序進(jìn)行執(zhí)行天氣好轉(zhuǎn)后自動(dòng)跳出，繼續(xù)進(jìn)行光電跟蹤。為了更準(zhǔn)確的檢測(cè)天氣狀況，也可通過檢測(cè)方陣輸出電壓低于閾值的方式判斷天氣狀況。用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤彌補(bǔ)光電跟蹤的缺點(diǎn)，能在任何氣候條件下使光伏發(fā)電系統(tǒng)得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方式跟蹤準(zhǔn)確度高，工作過程穩(wěn)定，可應(yīng)用于許多大中型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置。因此，本文采用兩種跟蹤方式相結(jié)合的方法，同時(shí)將光電跟蹤方式作為主要跟蹤方式，視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式作為補(bǔ)充，這樣一方面可以發(fā)揮光電跟蹤的優(yōu)勢(shì)，使跟蹤更加準(zhǔn)確；另一方面可以在陰天等特殊天氣環(huán)境下繼續(xù)跟蹤太陽。2.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.3.1控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能分析太陽自動(dòng)跟蹤裝置控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能就是通過發(fā)出控制信號(hào)對(duì)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角度進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽運(yùn)行軌跡的跟蹤。并要求整個(gè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)處理各種因天氣狀況引起的誤判斷，能夠全天候的自動(dòng)運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，由于系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象移動(dòng)速度要求不高，只要求位置角度的精確控制，因此用步進(jìn)電機(jī)作為控制部件。運(yùn)行軌跡的算法，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥取r(shí)間、日期就計(jì)算出某一時(shí)刻的太陽高度角和方位角。通過控制常情況后，再次工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生跟蹤混亂。若單獨(dú)采用光電跟蹤，由于系統(tǒng)易受外界干擾也不能保證系統(tǒng)對(duì)太陽運(yùn)行軌跡的精確跟蹤。我們提出的視日運(yùn)動(dòng)跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的工作方式，有效的彌補(bǔ)了單獨(dú)釆用一助方式的方法進(jìn)行跟蹤。在光線較強(qiáng)時(shí)，采用光強(qiáng)檢測(cè)電路檢測(cè)光線偏差進(jìn)行光電跟蹤，統(tǒng)的跟蹤準(zhǔn)確度又提高了系統(tǒng)的可靠性，能夠保證系統(tǒng)全自動(dòng)準(zhǔn)確的跟蹤太陽運(yùn)行軌跡。止轉(zhuǎn)動(dòng)，在第二天日出時(shí)刻自動(dòng)從跟蹤初始位置，進(jìn)行新一天的跟蹤。-7-2.3.2控制系統(tǒng)的工作過程在一天中陽光充沛的時(shí)段里，系統(tǒng)采用光電跟蹤方式，當(dāng)太陽光照射到傳感器上時(shí)，把光伏電池陣列和太陽位置偏差給出的傳感信號(hào)，經(jīng)過前置放大器、電壓跟隨器后保存到控制器中，由控制器按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行一定的處理后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使聚光器隨著太陽移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到跟蹤的目的。若遇到天氣突變，程序自動(dòng)轉(zhuǎn)為視日跟蹤。這兩種跟蹤方式都進(jìn)行方位角和高度角兩個(gè)角度的精確調(diào)節(jié)。赤道坐標(biāo)系相對(duì)地平坐標(biāo)系更為簡(jiǎn)單直接，可以精確地描述太陽的運(yùn)行軌跡。但赤道坐標(biāo)系是以赤道平面、地球的極軸為基準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用中跟蹤裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安裝都很困難，因此在滿足跟蹤準(zhǔn)確度的前提下采用地平坐標(biāo)系，由當(dāng)?shù)氐木暥?、日期、時(shí)間計(jì)算太陽的方位角和高度角，從而控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置對(duì)太陽的跟蹤。本文采用高度角-方位角全跟蹤方式，根據(jù)其原理設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的光伏自動(dòng)跟蹤裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由支架、步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、位置開關(guān)和基座組成。為了能夠產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩來帶動(dòng)光伏陣列的轉(zhuǎn)動(dòng)，使用大齒輪與電機(jī)進(jìn)行連接，這樣一方面可以避免使用減速器降低成本，另一方面可以產(chǎn)生較大的力矩。方位軸垂直于地面，俯仰軸平行于地面。大齒輪R1固定在方位軸上，且齒輪中心與方位軸的軸心重合，方位軸安裝在基座上，其相對(duì)于基座可以轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)Ml轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)大齒輪R1動(dòng)作產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩。大齒輪R2M2與大齒輪R2位置開關(guān)的作用是當(dāng)光伏陣列轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)，停止跟蹤，自動(dòng)復(fù)位。圖控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ml轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出軸帶動(dòng)固定軸上的大齒輪R1轉(zhuǎn)動(dòng)，因此帶動(dòng)方位軸以及固定在方位軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)架及光伏陣列同步轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了水平方向的跟蹤。然后控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)M2帶動(dòng)光伏陣列相對(duì)于支架俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽高度角，直到光伏陣列正對(duì)太陽，在電機(jī)Ml、電機(jī)M2的共同作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方位角和高度角的跟蹤。該機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制，跟蹤準(zhǔn)確度高。對(duì)方位角、高度角的跟蹤，利用大齒輪產(chǎn)生的力矩，能在使用功率較小的電機(jī)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，使用功率較小的電機(jī)降低了其能源成本和系統(tǒng)造價(jià)。整個(gè)跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，大齒輪的應(yīng)用還提高了跟蹤的準(zhǔn)確度，且提高了傳動(dòng)裝置的壽命。-9-3.1控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)自動(dòng)跟蹤裝置的控制系統(tǒng)主要由控制器、光敏管、光強(qiáng)檢測(cè)電路、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等組成。根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求構(gòu)建一個(gè)以控制器為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括兩部分的內(nèi)容：一是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備。二是系統(tǒng)擴(kuò)展，即當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM，RAM,I/O等容量不能滿足系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。在系統(tǒng)的配置和擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循以下三個(gè)原則：1.片外擴(kuò)展時(shí)盡可能選擇典型電路，使硬件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)的配置除了滿足基本功能之外，應(yīng)留有一定余地，便于二次開發(fā)。2.系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一起考慮。必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。圖按模塊分別對(duì)各單元電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行硬件合成，將各單元電路按硬件框圖中各部分所實(shí)現(xiàn)的功能組合到一起，構(gòu)成一個(gè)完整的硬件電路圖。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，通過單片機(jī)的外圍電路采集模擬量和開關(guān)量并輸入到單片機(jī)的控制口，經(jīng)過處理后輸出到執(zhí)行部件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。關(guān)于提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性從實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果和理論分析來看，提高光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性有以下幾種方案：1.適當(dāng)增加用于遮擋光敏傳感器的擋板高度。試驗(yàn)證明，擋板的高度越高，跟蹤的準(zhǔn)確度越高。當(dāng)光線發(fā)生偏移，擋板可以擋住一部分光線，使光線主要落在一個(gè)光敏傳感器上，另外一個(gè)光敏傳感器由于光線被遮擋，光線會(huì)迅速減弱，使電壓偏差迅速改變，即提高了跟蹤的準(zhǔn)確度。2.在跟蹤過程中改變電機(jī)運(yùn)行方式。太陽方位角和高度角跟蹤時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)H/D端口為高電平，電機(jī)采用半步運(yùn)行方式。在進(jìn)行跟蹤結(jié)果檢驗(yàn)后，若沒有達(dá)到跟蹤要求，繼續(xù)跟蹤時(shí)采用半步運(yùn)行方式，很可能造成跟蹤幅度過大，超出范圍，使系統(tǒng)處于失調(diào)狀態(tài)。因此，跟蹤結(jié)果檢驗(yàn)后應(yīng)將H/D置為低電平，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在1/8步運(yùn)行方式，既提高了跟蹤準(zhǔn)確度，又避免失調(diào)。3.提高試驗(yàn)裝置的加工準(zhǔn)確度。試驗(yàn)裝置加工準(zhǔn)確度提高后，可以改善機(jī)械性能，減少步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中的震動(dòng)、停轉(zhuǎn)、過沖等情況的發(fā)生，減小跟蹤裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)部件之間的摩擦。4.采用角度傳感器檢測(cè)光電跟蹤時(shí)已轉(zhuǎn)過的角度。本文所選擇的步進(jìn)電機(jī)，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，這雖然對(duì)光電跟蹤影響不大，但由于視日運(yùn)動(dòng)跟蹤是依據(jù)理論計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的差值進(jìn)行跟蹤，電機(jī)丟步會(huì)導(dǎo)致理論推算的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度存在偏差，因此，會(huì)直接影響視日運(yùn)動(dòng)跟蹤的準(zhǔn)確度。采用角度傳感器可精確檢測(cè)角度變化，確保跟蹤準(zhǔn)確。5.當(dāng)外界的風(fēng)速大于光伏發(fā)電機(jī)械支架所承受壓力時(shí)，壓力傳感器會(huì)將這一情況傳給單片機(jī)控制系統(tǒng)。從而，單片機(jī)控制光伏板逐漸地平行于風(fēng)速的方向，使整個(gè)裝置處于保護(hù)狀態(tài)。3.2控制系統(tǒng)核心部件的選擇目前控制系統(tǒng)所采用的控制器種類很多，主要有工控機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、單片機(jī)等。工控機(jī)是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。但釆用光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的目的就是為了節(jié)省光伏發(fā)電的成本，如果用工控機(jī)或者PLC但由于成本問題，反而達(dá)不到降低發(fā)電成本的目的。而單片機(jī)具有高可靠性、低成本的特-11-點(diǎn)，且其控制能力完全能達(dá)到本系統(tǒng)要求，故采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控芯片既能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤，又可以很大程度的節(jié)省成本。通過分析和對(duì)比多種單片機(jī)，本文選擇了STC89C51單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，掉電模式下典型功耗低于O.l微安，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序，空閑模式下的典型功耗低于2mA,正常工作模式下功耗范圍為4mA7mA。綜合以上特點(diǎn)，STC89C51單片機(jī)非常適合本控制系統(tǒng)。圖EA/VPP(31腳）:接高電平5）I/O端口引腳：用來連接單片機(jī)和外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。P0.0—P0.7(39腳—32端口3.3光強(qiáng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)光強(qiáng)檢測(cè)電路主要是將光敏傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大比較，然后將偏差信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而控制執(zhí)行部件對(duì)太陽的高度角和方位角進(jìn)行跟蹤。電路中用到了5個(gè)光敏三極管，將其全部固定在一個(gè)正方形的平板上，正方形的中心放置光敏三極管DO、個(gè)光敏管與平板邊緣留有間隔。將平板用一不透光的下方開口的正方形方框體蓋住，其下方邊緣正好與正方形平板的邊緣重合。方框體的頂部用透明的玻璃蓋住，以便光線能夠通過，并將中心點(diǎn)用不透明的材料遮擋，其直徑與光敏傳感器D0的直徑相同，D0位于遮擋圈的正下方。將整個(gè)光檢測(cè)裝置固定在與光伏電池方陣平行的平面上，使正方形的邊緣與水平和豎直方向平行。當(dāng)陽光射入時(shí)，首先通過D1和D2進(jìn)行水平方向的光強(qiáng)檢測(cè)，完成太陽方位角跟蹤。然后通過D3和D4進(jìn)行豎直方向的光強(qiáng)檢測(cè)，完成太陽高度角的跟蹤。D0的作用是對(duì)水平和豎直跟蹤后的結(jié)果是否符合進(jìn)行判斷，假設(shè)經(jīng)過跟蹤調(diào)整后沒有正對(duì)太陽，則D0的一部分會(huì)暴露在光線下，這樣就會(huì)有電信號(hào)產(chǎn)生，若此電信號(hào)大于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為跟蹤沒有完成，需繼續(xù)進(jìn)行跟蹤。3DU33反向擊穿電壓為15V，最高工作電壓10V,暗電流0.3uA,光電流0.5-lmA，功耗30mW。其通常有兩種工作狀態(tài)：(1)加上反向電壓時(shí)，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，(2)不加電壓，利用P-N結(jié)在受光照時(shí)產(chǎn)生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。由于進(jìn)行光電跟蹤需要有較大的信號(hào)電源來提高跟蹤準(zhǔn)確度，因此要加入反向電壓。LM358內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。其封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。水平方位光強(qiáng)檢測(cè)電路主要由光敏傳感器、集成運(yùn)算放大器、三極管、電阻、電容等元件組成。下面講述跟蹤過程。當(dāng)光照射到光檢測(cè)裝置上，光敏三極管D1和D2由于受光照導(dǎo)通，其兩端的電壓將有所變化，但變化的幅度不同，使用三極管將產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大。由集成運(yùn)放LM358及電容組成的電壓跟隨器兩端的電壓保持相等，可以有效避免前后電路間的相互影響。差分放大器將兩路電壓的差值放大。將比較器輸出端的電壓與參照電壓比較，若同向輸入端電壓高于反向輸入端，則輸出為高，否則為低，參照電壓VrefV1送入單片機(jī)，若V1為低電平，則認(rèn)為系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到在水平方向?qū)?zhǔn)太陽為止。若比較結(jié)果V1為高電平，電機(jī)無需轉(zhuǎn)動(dòng)。圖電路。這是因?yàn)樵谪Q直方向太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡是先高再低，這就要求電機(jī)要在上午正轉(zhuǎn)，而在下午反轉(zhuǎn)。當(dāng)差分放大器的輸出電壓Vd3d4的范圍在正轉(zhuǎn)參照值（Vref2）和反轉(zhuǎn)參照值(Vref3)之間時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。在上午的時(shí)段，當(dāng)Vd3d4大于Vref2時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。在下午的時(shí)段，當(dāng)Vd3d4小于Vref3時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。由光敏三極管DO所組成的跟蹤驗(yàn)證電路，其直接將傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)和參照電壓Vref0。相比較，若電壓高于參照電壓，則電路輸出端V0為低電平，此時(shí)認(rèn)為水平和豎直方向的跟蹤沒有達(dá)到要求，需重新進(jìn)行水平和豎直方向的跟蹤。3.4單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)由于STC89C51的工作電壓范圍為5.5V-3.4V,而蓄電池的輸出電壓要遠(yuǎn)髙于5V,因此了有傳統(tǒng)的穩(wěn)壓、濾波、隔離防干擾功能外，還應(yīng)具有抗電源瞬態(tài)欠壓、防止瞬間脈沖干擾和掉電等功能，才能保證單片機(jī)在惡劣的環(huán)境中不出現(xiàn)故障。因此，采用性能穩(wěn)定的三端穩(wěn)壓集成電路H7805來實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，電源電路如圖所示。如圖所示，三端穩(wěn)壓集成電路H7805有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用H7805來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件很少，只需要4個(gè)電容，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便。在實(shí)際應(yīng)用中，在三端穩(wěn)壓集成電路上安裝足夠大的散熱器，當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。電路的輸入為蓄電池的輸出電壓，輸出為5V，作為單片機(jī)電源。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的功能，還需要-5V電源，采用如圖所示的ICL7660芯片及外圍電路進(jìn)行正負(fù)5V電壓之間的變換。圖STC89C51單片機(jī)具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，單片機(jī)在用戶系統(tǒng)上即可下載和燒錄用戶程序，而無須將單片機(jī)從己生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下，再用通用編程器將程序代碼燒錄進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，這樣既方便又省去了購(gòu)買通用編程器的費(fèi)用。另外，由于可以將程序直接單片機(jī)內(nèi)部固化有ISP系統(tǒng)引導(dǎo)程序，配合PChexSTC提供了ISP專用下載工具STC-ISP，將其安裝于PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)文件的導(dǎo)入，但要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的連接和通訊必須設(shè)計(jì)串行通訊電路。串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的，它只需一對(duì)傳輸線進(jìn)行傳送信息，因此其成本低，適用于遠(yuǎn)距離通信。串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復(fù)雜，而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50到19200波特之間，是比較常用的傳送方式。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是目前最常用的一種串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，是在1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)正式公布的，該標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)和數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)間的串行二進(jìn)制通信，最高數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)19.2kbps，最長(zhǎng)傳送電纜可達(dá)15米，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)定義了25根引線，對(duì)于一般的雙向通信，只需使用串行輸入RXD,串行輸出TXD和地線RS-232C標(biāo)+15V-15VTTL和CMOS電平是不同的，在接口電路和計(jì)算機(jī)接口芯片中大都為TTL或CMOS電平，所以在通信時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配，MAX232芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換這一工作。圖圖中，MAX232芯片外圍需要4個(gè)電解電容分別是Cl、C2、C3、C4,是內(nèi)部轉(zhuǎn)換所需要的電容，均選用lO為O.l的引腳為接TTL/CMOSR2IN為接RS-232C電平的引腳，選擇MAX232的第二路進(jìn)行發(fā)送和接受，因此TTL/CMOS電平的T2IN引腳接STC89C51單片機(jī)的串行發(fā)送引腳TXD;R20UT接單片機(jī)串行接收引腳RXD,與之對(duì)應(yīng)的RS232C電平的T20UT接PC機(jī)的接收端RD;R2IN接PC機(jī)的發(fā)送端TD。因?yàn)镸AX232芯片具有驅(qū)動(dòng)能力，因此不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。3.4.3模擬量轉(zhuǎn)換電路STC89C51單片機(jī)自帶A/D音量檢測(cè)和頻譜檢測(cè)等功能，本控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，主要功能是采集主回路模塊的A/D控芯片確定。由于光檢測(cè)所要求的精度較高，故采用STC89C51單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能很難達(dá)到控制系統(tǒng)的要求，因此，需要重新設(shè)計(jì)適合本控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路。本章采用ICL7135作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，與常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片如ADC0809、TLC2543、ICL7109等相比，ICL7135與其余幾種有所不同，它是一種四位半的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高(精度相當(dāng)于14具有±20000個(gè)數(shù)的分辨率，而且有BCD碼和STB選通信號(hào)輸出，本章利用ICL7135的BUSY如果利用ICL7135的BCD碼和STB選通信號(hào)就要占5個(gè)I/O口，而利用ICL7135的BUSY端，只要一個(gè)I/O和單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器就可以把ICL7135的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。ICL7135外圍電路如圖所示，ICL7135通過分頻電路獲得工作所需的頻率輸入。將ICL7135的BUSY信號(hào)接到單片機(jī)的P3.3T1的選通控制信號(hào)GATE=1,此時(shí)定時(shí)器T1是否工作將受到BUSY信號(hào)的控制，當(dāng)ICL7135開始工作時(shí)，即積分波形的Signal-Integrate相開始時(shí)，ICL7135的BUSY信號(hào)跳高，定時(shí)器T1才開始工作，且定時(shí)器T1的所記錄的數(shù)據(jù)與ICL7135的測(cè)試脈沖(從積分波形的Signal-Integrate相開始到Deintegrate相結(jié)束這一區(qū)域內(nèi)的脈沖)存在一定的比例關(guān)系。圖由于跟蹤裝置的工作地點(diǎn)通常在野外，環(huán)境往往比惡劣和復(fù)雜，單片機(jī)不可避免的要受到來自外部的干擾及各種電氣干擾的影響。這時(shí)單片機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)輸入、輸出錯(cuò)誤，甚至?xí)蓴_到程序指針PC,使其發(fā)生錯(cuò)誤，那就有可能誤將非操作碼當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，會(huì)造成程序執(zhí)行混亂甚至進(jìn)入死循環(huán)，使系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。因此如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行受到干擾，如何攔截失去控制的程序的流向，使程序納入正常軌道是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中必須解決的問題。因此利用STC89C51單片機(jī)的看門狗功能，防止程序在執(zhí)行時(shí)陷入死循環(huán)。產(chǎn)生中斷或輸出一個(gè)脈沖，強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位，程序指針PC恢復(fù)初始值，從而使程序恢復(fù)正常運(yùn)行。因此在單片機(jī)正常工作時(shí)，程序不斷地在定時(shí)時(shí)間到來之前對(duì)定時(shí)器復(fù)位，定時(shí)器就不會(huì)產(chǎn)生中斷或溢出脈沖。如果因干擾而出現(xiàn)死循環(huán)，定時(shí)器不能及時(shí)復(fù)位，定時(shí)時(shí)間到，會(huì)產(chǎn)生中斷或輸出一個(gè)脈沖，強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位。在單片機(jī)中使用看門狗技術(shù)能有過看門狗特殊功能寄存器對(duì)看門狗定時(shí)器進(jìn)行控制。STC89C51看門狗定時(shí)器特殊功能寄存器中EN_WDT為看門狗允許時(shí)，看門狗啟動(dòng)。CLR_WDT為看門狗清零位，設(shè)置為“1”時(shí)，看門狗將重新計(jì)數(shù)，硬件將自動(dòng)^零此位。根據(jù)PS0設(shè)定值可確定預(yù)分頻值，可以計(jì)算出看門狗的溢出時(shí)間。計(jì)算看門狗溢出時(shí)間的公式為：當(dāng)W=12,選為12時(shí)鐘模式;當(dāng)W=6時(shí)，選為6時(shí)鐘模式。本系統(tǒng)的晶振頻率選用11.0592MHz,兩個(gè)電容均選用33pF的電容。若選用12時(shí)鐘模式，根據(jù)看門狗溢出時(shí)間的計(jì)算公式，可得出不同預(yù)分頻值下的看門狗溢出時(shí)間。根據(jù)前面的討論，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在進(jìn)行視日運(yùn)動(dòng)跟蹤時(shí)，需要有準(zhǔn)確的時(shí)間才能芯片DS12887,該芯片采用CMOS技術(shù)制成，具有內(nèi)部晶振和時(shí)鐘芯片備份鋰電池，釆用DS12887芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路不需任何外圍電路和器件，并具有良好的微機(jī)接口。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。DS12887時(shí)鐘芯片的主要功能有：可作為PC機(jī)的時(shí)鐘和日歷；在沒有外部電源的情況下可工作10年以上，不丟失數(shù)據(jù)；自帶晶體振蕩器及鋰電池；可計(jì)算到2100年前的秒、分、小時(shí)、星期、日、月、年7種日歷信息，并有閏年補(bǔ)償功能；二進(jìn)制數(shù)碼或BCD碼表示時(shí)間、日歷和鬧鐘；12和24小時(shí)兩種制式，12小時(shí)時(shí)鐘模式帶有PM和AM指示；Motorola和Intel總線時(shí)序選擇；128字節(jié)RAM單元與軟件接口，其中14字節(jié)為時(shí)鐘單元和控制/狀態(tài)寄存器，114字節(jié)為通用RAM,可由用戶使用，所有RAM單元數(shù)據(jù)都具有掉電保護(hù)功能：可編程方波輸出；中斷信號(hào)輸出IRQ和總線兼容，定鬧中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新周期結(jié)束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進(jìn)行置位測(cè)試。DS12887時(shí)鐘芯片與STC89C52RC單片機(jī)的接口電路如圖所示。圖和時(shí)鐘芯片MOTIntel時(shí)序。RESET引腳與VCC連接，使DS12887在進(jìn)入或退出電源失效狀態(tài)時(shí)不影響任何控制寄存器的值；ADOAD7接到STC89C51單片機(jī)的P2口，作為地址和數(shù)據(jù)輸入的通道；IQR接到INT0端，低電平有效，-19-用作單片機(jī)的中斷請(qǐng)求輸入；AS端接單片機(jī)ALE端，作為地址選用輸入；DS和R/W分別接單片機(jī)的WR和RD端；CS片選信號(hào)接到單片機(jī)的P1.7端口。3.5控制執(zhí)行部件設(shè)計(jì)3.5.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。1.脈沖信號(hào)產(chǎn)生。脈沖信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，信號(hào)的占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。2．信號(hào)分配。二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種。3．功率放大。功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流。電源。步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力矩越大則要求電機(jī)電流越大，驅(qū)動(dòng)電源電壓越高。步進(jìn)電機(jī)的選擇主要考慮步距角、靜轉(zhuǎn)矩及電流三大要素。1.步距角的選擇。電機(jī)的步距角取決于負(fù)載準(zhǔn)確度的要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走的角度。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。本系統(tǒng)采用二相0.9度/1.8度的電機(jī)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。2.靜力矩的選擇。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。直接起動(dòng)時(shí)兩種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行考慮摩擦負(fù)載。靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍以內(nèi)。圖本系統(tǒng)采用CW-220型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊適用電壓范圍寬，釆用高頻恒流斬波，脈寬調(diào)制式驅(qū)動(dòng)。采用細(xì)分克服低頻抖動(dòng)，提高了運(yùn)行頻率和運(yùn)行力矩。運(yùn)行2040VDC單電壓供電；相電流可在01.5A之間調(diào)節(jié)；全橋PWM微步驅(qū)動(dòng)模式；運(yùn)行方式有半步、1/8步兩種；有過熱保護(hù)；運(yùn)行環(huán)境為溫度-3040°，濕度<90%。CW-220驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)和控制器的電路連接如圖所示：圖3.6整體電路圖的設(shè)計(jì)本跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路圖如圖3-13所示，計(jì)時(shí)芯片的時(shí)間數(shù)據(jù)由P1.0、P1.1兩口讀入單片機(jī)，經(jīng)過處理后單片機(jī)通過P0.1～P0.4以及P2.0～P2.4分別向控制東西方向以及南北方向的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片傳輸控制信號(hào)來控制太陽能電池板始終正對(duì)太陽。4.1主控制模塊的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制作用主要由主控芯片來完成，跟蹤裝置控制系統(tǒng)的主控芯片主要完成兩個(gè)任務(wù)，即光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。其主程序流程圖如圖所示。下面根據(jù)程序流程圖來說明跟蹤裝置的工作過程。當(dāng)清晨太陽升起的時(shí)候，跟蹤裝置處于跟蹤的起始位置，進(jìn)行程序的初始化。完成初始化之后，系統(tǒng)會(huì)判斷此時(shí)的天氣情況，主要是依靠檢測(cè)光伏電池兩端的電壓來進(jìn)行判斷，由光伏電池的特性可知，光照強(qiáng)度越高，電池板兩端的電壓越大，若測(cè)得的電壓Vout超出閾值Vturn,則認(rèn)為太陽輻照的光強(qiáng)達(dá)到了進(jìn)行光電跟蹤的條件。若經(jīng)過檢測(cè)沒有達(dá)到規(guī)定的光照強(qiáng)度，則系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的程序。無論是哪種跟蹤方式，單片機(jī)都會(huì)自動(dòng)記錄對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所發(fā)出的脈沖數(shù)，也就相當(dāng)于要對(duì)跟蹤裝置轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行記錄。為了使系統(tǒng)能夠更加科學(xué)化，本這樣在很大程度上節(jié)省了發(fā)電成本而不會(huì)影響跟蹤的準(zhǔn)確度。為了避免在黃昏時(shí)由于光線較弱而引起的系統(tǒng)誤判斷，在方位角的跟蹤裝置上安裝了兩個(gè)位置開關(guān)，當(dāng)進(jìn)入跟蹤尾聲時(shí)，一旦碰觸到位置開關(guān)K1,步進(jìn)電機(jī)就會(huì)按相反的方向旋轉(zhuǎn)，直到碰觸到開始位置的位置開關(guān)K2,結(jié)束這一天的跟蹤。行建立運(yùn)行環(huán)境，包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。初始化程序包括輸入輸出端口初始化，系統(tǒng)振蕩器初始化，A/D轉(zhuǎn)換器初始化、定時(shí)器初始化、看門狗初始化、中斷初始化、電源初始化、參數(shù)初始化等。其中A/D轉(zhuǎn)換器的初始化包括轉(zhuǎn)換通道的選擇，采樣頻率的設(shè)定，轉(zhuǎn)換器電壓基準(zhǔn)的選擇，轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式的設(shè)定；看門狗(WDT)初始化，當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出時(shí)，將強(qiáng)制CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，為了防止復(fù)位，必須在溢出發(fā)生前由應(yīng)用軟件重新觸發(fā)WDT。4.2光電跟蹤模塊程序設(shè)計(jì)光電跟蹤是本跟蹤系統(tǒng)的主要跟蹤方式，光強(qiáng)檢測(cè)電路在3.3節(jié)已作介紹。其程序流程圖如圖4-2所示。下面根據(jù)流程圖4-2介紹光電跟蹤模塊的程序運(yùn)行過程。光敏傳感器受到太陽光照后會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)，若落在不同傳感器上的光照強(qiáng)度不同，它們所產(chǎn)生的電壓值也不相同。在水平方向，光敏傳感器D1和D2產(chǎn)生不同的電壓值，將兩電壓值進(jìn)行差Vd1d2與預(yù)設(shè)值Vref1Vd1d2大于P1.1口電壓V1就為低電平，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出控制脈沖使步進(jìn)電機(jī)Ml正轉(zhuǎn)，由于太陽水平方向的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽詵|向西，因此電機(jī)Ml無需反轉(zhuǎn)就能完成方位角跟蹤。電機(jī)Ml轉(zhuǎn)動(dòng)直到跟蹤裝置在水平方向?qū)?zhǔn)太陽，即水平方向光強(qiáng)檢測(cè)電路的輸出端電壓K為高電平為止。方位角調(diào)整完之后，再對(duì)俯仰角進(jìn)行調(diào)整，其原理和方位角的調(diào)整方法基本相同，但由于太陽的高度角是先增大再減小，即太陽先升高再下降，因此電機(jī)M2在上午的時(shí)段順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而在下午的時(shí)段要沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過單片機(jī)的P1.2和P1.3口可進(jìn)行電機(jī)的控制，P1.2為低電平，電機(jī)正為低電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)。太陽方位角和高度角的跟蹤之后，程序?qū)?huì)進(jìn)入跟蹤結(jié)果的驗(yàn)證階段，光敏傳感器DO及周圍元件組成的驗(yàn)證電路將對(duì)跟蹤的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，如果跟蹤結(jié)果符合要求，程序會(huì)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次跟蹤。但如果跟蹤結(jié)果超出了規(guī)定的范圍，驗(yàn)證電路將會(huì)把單片機(jī)P1.0端口的電平拉低，這樣程序就又會(huì)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，重新進(jìn)行方位角和高度角的跟蹤，直到驗(yàn)證結(jié)果符合要求為止。在調(diào)整過程中，程序?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行存儲(chǔ)，以便當(dāng)轉(zhuǎn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算裝置已經(jīng)轉(zhuǎn)過的角度。-25-圖在光電跟蹤時(shí)，程序每成功進(jìn)行完一次跟蹤，就會(huì)轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)等待下一次跟蹤。目前設(shè)定的待機(jī)時(shí)間為10分鐘，10分鐘過后，程序會(huì)進(jìn)行新一次的跟蹤。當(dāng)光線條件不夠時(shí)，程序自動(dòng)轉(zhuǎn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式是光電跟蹤模式的有利補(bǔ)充，當(dāng)天氣轉(zhuǎn)變，光電跟蹤方法失去跟蹤能力時(shí)，發(fā)揮了其特有優(yōu)勢(shì)。其程序流程圖如圖4-3所示。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式的算法采用地平坐標(biāo)系，程序通過輸入的時(shí)間、緯度和太陽赤緯角的查詢，根據(jù)2.1節(jié)中討論的方法計(jì)算出太陽高度角和方位角的理論值。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角計(jì)算出需要的脈沖個(gè)數(shù)，然后單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤都是在水平和豎直方向同時(shí)跟蹤。系統(tǒng)開始每隔一定的時(shí)間間隔，對(duì)高度角和方位角進(jìn)行一次跟蹤。單片機(jī)每隔一定的時(shí)間間隔向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送CP脈沖和方向電平信號(hào)。通過電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及機(jī)械裝置的傳動(dòng)比可以計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)12a<0;在12a>0。高度角的范圍是0120°,在正午時(shí)達(dá)到最大，之后開始下降，直至為0。5結(jié)論我國(guó)太陽能資源非常豐富，但是對(duì)太陽能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。主要原因是太陽能利用設(shè)備的效率低、成本高。國(guó)內(nèi)目前開發(fā)出來的太陽自動(dòng)跟蹤平臺(tái)的成本都比較髙，真正大批量投入使用的幾乎沒有。針對(duì)這一問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步開發(fā)，將光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式按照一種新的方法結(jié)合在一起，提出了一種新型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其應(yīng)用性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)造價(jià)低，跟蹤準(zhǔn)確度高，可明顯降低光伏發(fā)電的成本。本文的主要工作總結(jié)如下：1.詳細(xì)分析比較了光電跟蹤方式和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了將兩種跟蹤方式結(jié)合，并將光電跟蹤方式作為主要跟蹤方式的方法，實(shí)現(xiàn)了兩種方式互補(bǔ)。加入驗(yàn)證電路來進(jìn)行跟蹤結(jié)果的檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高了跟蹤的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)了新型的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，成本低，跟蹤效果好。2.對(duì)目前常用的控制器進(jìn)行了分析對(duì)比，考慮到系統(tǒng)成本及采用跟蹤系統(tǒng)的意義，采用單片機(jī)作為主控制芯片。結(jié)合本文提出的跟蹤方法，進(jìn)行了硬件的總體設(shè)計(jì)和各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了光電跟蹤和視日運(yùn)行軌跡跟蹤的有效結(jié)合。3.對(duì)自動(dòng)跟蹤裝置控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。按照已提出的跟蹤策略，設(shè)計(jì)了光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊軟件流程。最后根據(jù)跟蹤效果提出了改進(jìn)方案。-28-6致謝本文是在導(dǎo)師杜士鵬教授的悉心指導(dǎo)下完成的。他淵博的知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，鞭策我不斷努力探索。每次去找杜老師，他都能細(xì)心的給與我講解，一聊就是一個(gè)上午。我打心底佩服杜老師的敬業(yè)精神。我想他敏銳的洞察力和孜孜不倦的教誨使我受益終身，無論是現(xiàn)在還是將來，都將激勵(lì)我奮發(fā)向上。值此畢業(yè)論文完成之際，謹(jǐn)向杜老師致以衷心感謝和崇高敬意。其次，我要特別感謝我的同學(xué)張鵬飛、蔣國(guó)輝，他們不僅給我的課題提供了詳實(shí)的資料，而且對(duì)我所遇到的問題都做了耐心細(xì)致的講解，使我受益非淺。本課題的完成也凝結(jié)著他們的智慧。我也要感謝因特網(wǎng)，在我束手無策時(shí)，你像百科全書一樣給與我大量的一手資料。同時(shí)，你讓我知道信息的重要性，如何搜集資料。我還要特別感謝我的父母，多年來正是他們無私的奉獻(xiàn)與無條件的支持才使得我得以完成學(xué)業(yè)。最后，對(duì)所有關(guān)心、理解、支持、幫助我的人們致以誠(chéng)摯的謝意！-29-7參考文獻(xiàn)【l】羅運(yùn)俊，何梓年，王長(zhǎng)貴．太陽能利用技術(shù)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：1-9．200117(4)22-30．【3】余海．太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑．能源研究與利用，200479(3)8-9．【4】KALOGIROUS．Thepotentialofsolarindustrialprocessheatapplications．Applied，2003，76：337—362．【5】TSURY，ZEMEI．Lon94ermperspectiveonthedevelopmentofsolarenergy[J]．SolarEnergy,2000，68：379-392．【6】李俊峰，王斯成，張敏吉，等．2007中國(guó)光伏發(fā)展報(bào)告．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007：8．22．【7】BADRANStudyinindustrialapplicationsof