PAGEPAGEIII太陽能自動跟蹤器的設(shè)計(jì)摘要太陽能作為一種清潔無污染的能源，開發(fā)前景十分廣闊。然而由于太陽存在著間隙性，光照強(qiáng)度隨著時(shí)間不斷變化等問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求(本文首先介紹了太陽能技術(shù)，包括太陽能技術(shù)簡介和太陽能資源接好。然后對太陽能自動跟蹤器進(jìn)行了介紹，包括太陽能自動跟蹤器的概念和太陽能自動跟蹤器的原理。接著對太陽能自動跟蹤器進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能分析、控制系統(tǒng)的工作過程、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、核心控制器件的選取、太陽方位檢測模塊、光強(qiáng)檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)械執(zhí)行裝置。然后分析了控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)及優(yōu)勢，包括太陽自動跟蹤主程序設(shè)計(jì)、自動跟蹤式與固定安裝式采樣光強(qiáng)比較。最后進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵詞：太陽能；跟蹤器；設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u5019第1章太陽能技術(shù)的發(fā)展 121651.1太陽能技術(shù)簡介 1240661.2我國太陽能資源 125215第2章太陽能自動跟蹤器概述 285262.1太陽能自動跟蹤器概念 2115172.2太陽能自動跟蹤器原理 227340第3章太陽能自動跟蹤器設(shè)計(jì) 390233.1控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能分析 399713.2控制系統(tǒng)的工作過程 3196153.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4249463.4核心控制器件的選取 722753.4.1單片機(jī)的選取 7149763.4.2單片機(jī)的外圍接口設(shè)計(jì) 8247773.4.3單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制 9255363.5太陽方位檢測模塊 10173703.5.1太陽方位檢測傳感器 10187473.5.2四象限光電探測器的選擇 12261073.5.3太陽方位檢測電路 14284813.6光強(qiáng)檢測模塊 17169773.6.1硅光電池的選擇 1751633.6.2光強(qiáng)檢測電路 19139363.7數(shù)據(jù)采集模塊 20238923.8機(jī)械執(zhí)行裝置 23327613.9本章小結(jié) 2420684第4章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案及優(yōu)勢 25307224.1太陽自動跟蹤主程序設(shè)計(jì) 25106264.2自動跟蹤式與固定安裝式采樣光強(qiáng)比較 267784.3本章小結(jié) 2716903第5章結(jié)論 288520參考文獻(xiàn) 2929199致謝 30第1章太陽能技術(shù)的發(fā)展1.1太陽能技術(shù)簡介開發(fā)新能源和可再生資源是全世界面臨的共同課題，在新能源中，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展最快的技術(shù)。[1]目前很多太陽能電池板陣列基本都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。[2]據(jù)測試，在太陽能電池板陣列中，相同條件下采用自動跟蹤系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%左右。

1.2我國太陽能資源我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。據(jù)估算，我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1018kJ，全國各地太陽年輻射總量達(dá)335～837kJ／cm2·a，中值為586kJ／cm2·a。[3]從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽總輻射為816KJ／cm2·a，比全國其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國以四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。[4]例如素有“霧都”之稱的成都市，年平均日照時(shí)數(shù)僅為1152.2h，相對日照為26％，年平均晴天為24.7天，陰天達(dá)244.6天，年平均云量高達(dá)8.4。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。第2章太陽能自動跟蹤器概述2.1太陽能自動跟蹤器概念所謂太陽能跟蹤系統(tǒng)是能讓太陽能電池板隨時(shí)正對太陽，讓太陽光的光線隨時(shí)垂直照射太陽能電池板的動力裝置，能顯著提高太陽能光伏組件的發(fā)電效率。目前市場上所使用的跟蹤系統(tǒng)按照驅(qū)動裝置分為單軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)和雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。[5]所謂單軸是指僅可以水平方向跟蹤太陽，在高度上根據(jù)地理和季節(jié)的變化人為的進(jìn)行調(diào)節(jié)固定，這樣不僅增加了工作量，而且跟蹤精度也不夠高。雙軸跟蹤可以在水平方位和高度兩個(gè)方向跟蹤太陽軌跡，顯然雙軸跟蹤優(yōu)于單軸跟蹤。2.2太陽能自動跟蹤器原理現(xiàn)有的太陽能自動跟蹤控制器無外乎兩種：一是使用一只光敏傳感器與施密特觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，構(gòu)成光控施密特觸發(fā)器或光控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來控制電機(jī)的停、轉(zhuǎn);二是使用兩只光敏傳感器與兩只比較器分別構(gòu)成兩個(gè)光控比較器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。[6]由于一年四季、早晚和中午環(huán)境光和陽光的強(qiáng)弱變化范圍都很大，所以上述兩種控制器很難使大陽能接收裝置四季全天候跟蹤太陽。這里所介紹的控制電路也包括兩個(gè)電壓比較器，但設(shè)在其輸人端的光敏傳感器則分別由兩只光敏電阻串聯(lián)交叉組合而成。每一組兩只光敏電阻中的一只為比較器的上偏置電阻，另一只為下偏置電阻;一只檢測太陽光照，另一只則檢測環(huán)境光照，送至比較器輸人端的比較電平始終為兩者光照之差。[7]所以，本控制器能使太陽能接收裝置四季全天候跟蹤太陽，而且調(diào)試十分簡單，成本也比較低。第3章太陽能自動跟蹤器設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能分析太陽自動跟蹤裝置控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能就是通過發(fā)出控制信號對跟蹤系統(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)對太陽運(yùn)行軌跡的跟蹤。[8]并要求整個(gè)系統(tǒng)能夠自動處理各種因天氣狀況引起的誤判斷，能夠全天候的自動運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單可靠，由于系統(tǒng)對控制對象移動速度要求不高，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。系統(tǒng)具有自動復(fù)位的功能，在日落后能夠自動控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)回復(fù)到基準(zhǔn)位置，并且停止轉(zhuǎn)動，在第二天日出時(shí)刻自動從跟蹤初始位置，進(jìn)行新一天的跟蹤。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)，把太陽能電池板和太陽位置偏差給出的傳感信號，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，使聚光器隨著太陽移動而轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到跟蹤的目的。若遇到天氣突變，程序自動轉(zhuǎn)為視日跟蹤。[9]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)。下面以青科大自動化學(xué)院樓樓頂為例來具體介紹本控制系統(tǒng)的工作原理。首先，可以設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，控制視日軌跡跟蹤系統(tǒng)工作的時(shí)間，比如早晨6：00。此時(shí)，視日軌跡粗跟蹤開始，由控制器根據(jù)外部時(shí)鐘提供的日期和時(shí)間以及當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)緯度，計(jì)算出太陽的粗略位置，編碼器不斷檢測聚光器的當(dāng)前位置，根據(jù)兩者的偏差驅(qū)動聚光器向目標(biāo)位置運(yùn)動。[10]同時(shí)傳感器不斷檢測光強(qiáng)，若光強(qiáng)滿足精確跟蹤閾值，則退出粗跟蹤，進(jìn)入傳感器精確跟蹤。跟蹤過程中主控制器不斷與上位機(jī)通信將當(dāng)前跟蹤信息發(fā)送給監(jiān)控裝置記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組成如下圖3.1所示。圖3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.3.1controlsystemstructure3.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖：圖3.2太陽光自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.2sunlighttobeautomatictrackingsystemstructureschematicdrawing整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為太陽自動跟蹤系統(tǒng)和光伏電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)兩大部分。硬件框圖如下：圖3.3系統(tǒng)硬件框圖Figure3.3diagramofthesystemhardware各硬件所實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：·太陽方位和光強(qiáng)檢測傳感器分別用于檢測太陽的方位信息和光強(qiáng)信息；·太陽方位和光強(qiáng)檢測電路分別用于實(shí)現(xiàn)光電檢測信號的I/V轉(zhuǎn)換和電壓放大；·A/D轉(zhuǎn)換器主要用作光電檢測輸出信號的模擬量輸入通道；·外部時(shí)鐘用于向計(jì)算機(jī)提供準(zhǔn)確的年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息；·計(jì)算機(jī)用于控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電檢測信號的采集，并實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制；·高度角和方位角電機(jī)分別用于帶動太陽能電池板進(jìn)行俯仰運(yùn)動和水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；·太陽能電池板主要將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并輸送給充放電控制器；·充放電控制器主要對蓄電池組進(jìn)行充放電控制以及直流電能的輸出；·逆變器和DC/DC變換器分別將充放電控制器輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電和其他幅值的直流電，供相應(yīng)的負(fù)載使用。3.4核心控制器件的選取本課題研究的太陽自動跟蹤系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)主要是用來控制跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動的。計(jì)算機(jī)根據(jù)太陽方位檢測模塊和光強(qiáng)檢測模塊檢測到的太陽方位信號和光強(qiáng)信號，并結(jié)合太陽運(yùn)動軌跡跟蹤模塊計(jì)算出的太陽高度角和方位角的理論值，實(shí)現(xiàn)對跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。[11]該系統(tǒng)需要的工作速度不是很高，且數(shù)據(jù)處理量不大，因此結(jié)合設(shè)計(jì)成本及設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)決定采用常見的MCS-51系列單片機(jī)作為控制核心。3.4.1單片機(jī)的選取本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的AT89C51作為微處理器。AT89C51是一種低電壓、高性能的8位微處理器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳完全兼容，其單片集成度高、處理能力強(qiáng)，與以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)相比，在硬件上具有更加簡單、方便的優(yōu)點(diǎn)。AT89C51單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下：·片內(nèi)含有4K字節(jié)的Flash存儲器，地址為0000H~0FFFH；·128字節(jié)的內(nèi)部RAM；·5個(gè)中斷源，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4個(gè)8位I/O口；·可編程串行通道；·工作頻率為0～24MHz；·可電擦寫1000次，數(shù)據(jù)可保留10年；·低功耗的閑置和掉電模式；·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。因此，AT89C51是一種功能強(qiáng)、靈活性高、價(jià)格合理的單片機(jī)，可很方便地應(yīng)用于本控制系統(tǒng)中，且完全能夠滿足系統(tǒng)的工作要求。AT89C51芯片是用CHMOS工藝制造，功耗低；I/O口有較大的帶負(fù)載能力，拉出電流可達(dá)25mA，可簡化外圍電路；執(zhí)行速度較高；且具有程序加密性好、價(jià)位低廉等優(yōu)點(diǎn)。圖3.4是AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖，共有40個(gè)引腳。有雙列直插封裝(DIP)方式和方形封裝方式。圖3.4AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖Fig.3.4AT89C51ofpinsstructure3.4.2單片機(jī)的外圍接口設(shè)計(jì)在太陽自動跟蹤系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，起著協(xié)調(diào)太陽方位檢測、光強(qiáng)檢測、數(shù)據(jù)采集、外部時(shí)鐘以及驅(qū)動控制等各模塊工作的作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。[12]系統(tǒng)設(shè)計(jì)中AT89C51外圍端口的分配情況如表3-1所示。表3-1中，P0.0～P0.2為單片機(jī)與外部時(shí)鐘DS1302的通信控制端口，通過DS1302為單片機(jī)提供實(shí)時(shí)時(shí)間信息。P2.0～P2.7為A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)線D0～D7，用于將A/D轉(zhuǎn)換后的太陽方位和光強(qiáng)檢測電路的輸出信號輸入到表3-1單片機(jī)端口分配表Tab.3-1Microcontrollerportdistributionlist端口號功能描述P0.0～P0.2外部時(shí)鐘，連接DS1302P2.0～P2.7A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)線D0～D7（P0.0為最低位）P2.0～P2.2A/D轉(zhuǎn)換器地址信號（P0.2為最高位）P0.7/P3.6/P3.7A/D轉(zhuǎn)換器控制信號P1.0A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束標(biāo)志P1.1～P1.2方位角步進(jìn)電機(jī)控制信號（脈沖、方向）P1.3～P1.4高度角步進(jìn)電機(jī)控制信號（脈沖、方向）ALE6分頻脈沖輸出單片機(jī)中。P0.7和P3.6的與非邏輯輸出用于控制ADC0809的START和ALE端，當(dāng)單片機(jī)完成一次向外寫數(shù)據(jù)過程，START和ALE獲得一個(gè)正脈沖，啟動A/D轉(zhuǎn)換，并且通過寫數(shù)據(jù)使得A/D轉(zhuǎn)換器獲取P2.2～P2.0上的地址信號。直到A/D轉(zhuǎn)換完畢，A/D轉(zhuǎn)換器的EOC端輸出上升沿，單片機(jī)通過Pl.0獲取此上升沿，啟動向外部寫數(shù)據(jù)過程，P0.7和P3.7的與非邏輯輸出控制ADC0809的OE端，當(dāng)單片機(jī)啟動寫操作時(shí)，OE獲得正脈沖，將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線P2.7～P2.0上，供單片機(jī)讀取并處理。這樣就完成一次A/D數(shù)據(jù)采集過程，并且可通過單片機(jī)內(nèi)部程序控制A/D轉(zhuǎn)換器對各路輸入信號依次采樣，這樣就可完成多路模擬信號的數(shù)據(jù)采集。Pl.1～Pl.4為兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸出端，包括脈沖信號、方向信號及模式信號。其中，高度角和方位角步進(jìn)電機(jī)分別為帶動太陽能電池板做俯仰運(yùn)動和水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)。3.4.3單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制計(jì)算機(jī)控制模塊主要是對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制。由于太陽自動跟蹤系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置角度的精確控制，并且對跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動速度要求不高，因此本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為跟蹤執(zhí)行部件。[13]步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。[14]對步進(jìn)電機(jī)的控制有串行控制和并行控制兩種方法。本控制系統(tǒng)采用串行控制方法，采用串行控制時(shí)單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器之間只有兩條控制線，一條用來發(fā)送時(shí)鐘脈沖串，另一條用來發(fā)送方向電平信號。相應(yīng)的驅(qū)動控制框圖如圖3.5所示。圖3.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制框圖Fig.3.5Steppingmotordrivercontroldiagram單片機(jī)輸出的脈沖和方向電平信號都被送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的環(huán)形分配器的輸入端，由環(huán)形分配器來完成電動機(jī)各相勵(lì)磁的分配及順序轉(zhuǎn)換。由于單片機(jī)和驅(qū)動器之間只有兩條控制線，系統(tǒng)構(gòu)成簡單。系統(tǒng)從脈沖控制線按電動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的要求發(fā)出相應(yīng)周期間隔的脈沖，即可使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要電動機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，就發(fā)出恒定周期的脈沖串；當(dāng)需要加減速運(yùn)行時(shí)，就發(fā)出周期遞減或周期遞增的脈沖串；當(dāng)需要鎖定狀態(tài)時(shí)，只要停止發(fā)脈沖串就可以了。由此可以方便的對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。[15]方向電平控制線可實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)方向的控制，為低電平“0”時(shí)，環(huán)形分配器按正方向進(jìn)行脈沖分配，電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；而為高電平“1”時(shí)，環(huán)形分配器按反方向進(jìn)行脈沖分配，電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。這樣就可以方便地對兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽自動跟蹤。3.5太陽方位檢測模塊3.5.1太陽方位檢測傳感器在光電跟蹤中，通常將若干個(gè)光電特性相近的某種光敏器件（如光電二極管、光敏電阻、硅光電池等）以一定的位置關(guān)系對稱放置，并與相應(yīng)的運(yùn)放電路相連，構(gòu)成太陽方位檢測傳感器。這種傳感器利用光敏器件在光照下產(chǎn)生的光電流與光照面積和光照強(qiáng)度成正比，且隨著太陽方位變化而改變的原理，間接地確定太陽的偏轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行太陽跟蹤。在實(shí)際應(yīng)用中，這種形式的太陽方位檢測傳感器中的各光敏器件的光電轉(zhuǎn)換效率往往不一致，導(dǎo)致檢測誤差比較大，很難保證光電跟蹤的準(zhǔn)確性。為提高光電跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用一種光電集成器件——四象限光電探測器作為太陽方位檢測傳感器。四象限光電探測器是一種靈敏度很高的光電探測器件，由四個(gè)光電一致性較好的、相互獨(dú)立的探測器封裝而成，每個(gè)探測器又由光敏器件構(gòu)成。四象限光電探測器是基于四象限定位法進(jìn)行光電探測的，它的每個(gè)探測器分別對應(yīng)直角坐標(biāo)系的一個(gè)象限，相應(yīng)的四象限定位原理如圖3.6所示。太陽直射光線通過圖3.7所示的通光筒在四象限探測器的圓形光敏面上形成入射光斑，當(dāng)太陽垂直入射時(shí)，光斑在四個(gè)象限A、B、C、D上的分布面積相等，相應(yīng)地四個(gè)象限上探測器輸出的光電信號幅值相等；當(dāng)太陽移動時(shí)，光斑在四個(gè)象限上的分布發(fā)生變化，四個(gè)象限上探測器輸出的光電信號幅值也相應(yīng)變化。根據(jù)光斑在各象限上能量分布的比例，能夠計(jì)算出入射光斑的中心位置，從而確定太陽的空間方位，以便跟蹤太陽的方位變化。圖3.6四象限定位原理圖Fig.3.6Fourquadrantpositioningprinciplediagram圖3.7通光筒Fig.3.7Theopticaltube用于計(jì)算光斑在四象限光電探測器上位置偏移的方法中，比較經(jīng)典的是四象限加減算法，計(jì)算公式如式（3-1）和（3-2）所示(3-1)(3-2)其中，SA、SB、SC、SD分別代表光斑在四象限光電探測器四個(gè)象限上的分布面積。Ex和Ey分別代表光斑在x軸和y軸上的偏移分量。為消除光線強(qiáng)度的影響，進(jìn)行歸一化處理：(3-3)(3-4)對于本系統(tǒng)而言，圖3.6中的x軸和y軸分別對應(yīng)太陽的方位角方向和高度角方向。Ex′>0時(shí)，代表太陽在方位角方向上向西偏移，反之向東；Ey′>0時(shí)，代表太陽在高度角方向上向北偏移，反之向南。因此，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)Ex′和Ey′的大小和符號，控制跟蹤裝置中的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，拖動太陽能電池板自動調(diào)整，進(jìn)行太陽方位跟蹤。3.5.2四象限光電探測器的選擇本系統(tǒng)采用美國PacificSiliconSensor公司的QP50-6型四象限光電二極管探測器進(jìn)行太陽方位檢測，其實(shí)物如圖3.8所示。該探測器的直徑為14mm，光敏區(qū)域是一個(gè)直徑為7.8mm、面積為50mm2的圓面，該圓面由4個(gè)面積為11.78mm2的象限組成，每個(gè)象限對應(yīng)一個(gè)光電二極管，4個(gè)象限的一致性誤差小于1%。如圖3.9所示，探測器共有6個(gè)管腳，其中1、3、4、6號管腳各連接一個(gè)光電二極管的陽極，2號管腳懸空，5號管腳為4個(gè)光電二極管的公共陰極。圖3.8QP50-6型四象限光電探測器實(shí)物圖Fig.3.8QP50-6typefourquadrantphotoelectricdetectorrealfigure圖3.9QP50-6的管腳圖Fig.3.9QP50-6feetofthetubemap表3-2QP50-6型四象限光電探測器的主要參數(shù)Fig.3-2QP50-6typefourquadrantphotoelectricdetector'smainparameters封裝TO8S窗口材料增透玻璃光敏面直徑（mm）7.8光敏面積(mm2)50.00典型暗電流（nA）2.0最大電容值（pF）25.0擊穿電壓（V）15響應(yīng)時(shí)間（ns）50感光范圍（nm）400～1100工作溫度（℃）-20～+70儲存溫度（℃）-25～+100該探測器具有象限間隙小、響應(yīng)快速、低暗電流、高分流電阻、高精度(50μm)的特點(diǎn)，如表3-2所示。探測器的感光范圍比較寬，為可見光波段，適用于對太陽光的探測，典型光譜響應(yīng)曲線如圖3.10所示（橫坐標(biāo)代表入射光線波長，單位為nm；縱坐標(biāo)代表相對響應(yīng)度）。圖3.10QP50-6型四象限光電探測器典型的光譜響應(yīng)曲線Fig.3.10QP50-6typefourquadrantphotoelectricdetectorspectralresponsecurveofthetypical3.5.3太陽方位檢測電路太陽方位檢測電路主要用于檢測太陽高度角和方位角的變化，該電路主要由QP50-6型四象限光電探測器和LF444CN型集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。其中，LF444CN是四運(yùn)放集成電路，具有低功耗、高輸入阻抗、高共模抑制比的特點(diǎn)，適用于對微弱信號進(jìn)行放大的場合。它采用14腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部包含四組結(jié)構(gòu)形式完全相同的運(yùn)算放大器。除了電源共用外，四組運(yùn)算放大器相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器均可用圖3.11所示的符號來表示，它有5圖3.11運(yùn)算放大器符號Fig.3.11Operationalamplifiersymbols個(gè)引腳，其中“Vi-”、“Vi+”分別為反向、正向信號輸入端，“V+”、“V-”分別為正、負(fù)電源輸入端，“Vo”為信號輸出端。LF444CN的引腳排列見圖3.12。圖3.12LF444CN的引腳排列圖Fig.3.12LF444CNarrangmentdiagramofthepins太陽方位檢測電路連接如圖3.13所示，四象限光電探測器中象限A、B、C、D對應(yīng)的4個(gè)光電二極管的公共陰極與直流電源相連，陽極分別與LF444CN中的4個(gè)運(yùn)算放大器A1、A2、A3、A4的反向輸入端相連。探測器中4個(gè)光電二極管在光照下產(chǎn)生的光電流IA、IB、IC、ID，分別經(jīng)前級運(yùn)放A1、A2、A3、A4進(jìn)行I/V變換，轉(zhuǎn)換為與太陽光照面積和光照強(qiáng)度正比的電壓信號，這些電壓信號又分別通過后級運(yùn)放A5、A6、A7、A8進(jìn)行同向電壓放大，得到正的電壓信號UA、UB、UC、UD。另外，探測器4個(gè)象限對應(yīng)的運(yùn)放電路是完全對稱的，即R1=R2=R3=R4=R5、R6=R8=R10=R12、R7=R9=R11=R13。輸出電壓信號UA、UB、UC、UD將分別通過LF444CN的4個(gè)輸出端接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。計(jì)算機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器讀取這些電壓信號，然后利用3.1.1節(jié)中提出的四象限加減法計(jì)算出太陽在方位角和高度角方向的偏移信號，進(jìn)而控制跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行太陽方位跟蹤。

圖3.13太陽方位檢測電路圖Fig.3.13Thesunpositiondetectioncircuitdiagram四象限加減法的計(jì)算公式如式（3-3）和（3-4）所示，式中代表太陽入射光斑在探測器四個(gè)象限上分布面積的SA、SB、SC、SD分別與太陽方位檢測電路的輸出電壓UA、UB、UC、UD的幅值成正比，故式（3-3）和（3-4）可分別等價(jià)為式（3-5）和（3-6）。為消除光線強(qiáng)度的影響，式中已進(jìn)行了歸一化處理，其中Ex′和Ey′分別反映了太陽在方位角方向和高度角方向的偏移情況[17]。(3-5)(3-6)計(jì)算機(jī)根據(jù)Ex′和Ey′的幅值和符號，分別控制跟蹤機(jī)構(gòu)帶動太陽能電池板在水平方向（即太陽方位角方向）和垂直方向（即太陽高度角方向）旋轉(zhuǎn)，以閉環(huán)反饋控制的形式減小太陽運(yùn)動軌跡跟蹤的積累誤差，使盡可能多的太陽光線照射到太陽能電池板上。3.6光強(qiáng)檢測模塊3.6.1硅光電池的選擇本系統(tǒng)采用SP0606型硅光電池作為光強(qiáng)檢測傳感器，其實(shí)物如圖3.14所示。該硅光電池相當(dāng)于一個(gè)大面積的光電二極管，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.15所示，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時(shí)，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一個(gè)內(nèi)電場。當(dāng)沒有光照射時(shí)，硅光電池相當(dāng)于普通的二極管；當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就會有光生電流流過[18]負(fù)載，此時(shí)硅光電池相當(dāng)于電流源，且該光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比。圖3.14SP0606型硅光電池實(shí)物圖Fig.3.14SP0606typephotocell.Realfigure圖3.15SP0606型硅光電池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.15SP0606typeofphotocellstructureschematicdrawingSP0606適用于工作在300nm到1000nm光譜范圍內(nèi)的各種光學(xué)儀器，對紫藍(lán)光有較高的靈敏度，可用于偽鈔鑒別、紫藍(lán)光探測電器、電子儀器、光學(xué)儀表、自控設(shè)備、光纖通訊等方面。其主要參數(shù)如表3-3所示。表3-3SP0606型硅光電池的主要參數(shù)Tab.3-3SP0606typethemainparametersofphotocell封裝陶瓷封裝窗口材料濾光平板玻璃光敏面積(mm2)6×6典型暗電流(nA)0.01開路電流（100Lx）(mV)300短路電流（100Lx）(μA)>5感光范圍（nm）300～1000峰值波長（nm）700該硅光電池的輸出開路電壓和短路電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系曲線如圖3.16所示。從圖中可以看出短路電流與入射光強(qiáng)呈線性正比例關(guān)系；開路電壓，在入射光強(qiáng)達(dá)到40mw/cm以上時(shí)，基本保持不變，這是由于出現(xiàn)了飽和[19]。此外，該硅光電池的輸出開路電壓和短路電流還與環(huán)境溫度有一定關(guān)系，如圖3.17所示，可看出隨著環(huán)境溫度升高，短路電流呈小幅度增大的趨勢，而開路電壓卻線性減小，且變化的幅度較大。當(dāng)環(huán)境溫度從0℃升高到120℃時(shí)，開路電壓減小的幅度達(dá)到40%左右，可見，開路電壓受環(huán)境溫度的影響比較大。因此，考慮到SP0606型硅光電池的輸出短路電流與入射光強(qiáng)呈線性正比例關(guān)系，且受環(huán)境溫度的影響比較小，選擇短路電流作為光強(qiáng)檢測電路的檢測對象。圖3.16SP0606型硅光電池的開路電壓和短路電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系曲線Figure3.16SP0606typeofphotocellopenvoltageandshortcircuitcurrentincidentlightandstrongrelationshipbetweencurve圖3.17SP0606型硅光電池的開路電路和短路電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線Fig.3.17SP0606typeofphotocellopencircuitandshortcircuitcurrentandenvironmentaltemperaturecurvebetweenpressureandshortcircuitcurrentincidentlightandstrongrelationshipbetweencurve3.6.2光強(qiáng)檢測電路光強(qiáng)檢測電路將太陽光線的輻射強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號的形式輸出，主要由SP0606型硅光電池和LF444CN型集成運(yùn)算放大器組成，電路連接如圖3.18所示。圖3.18太陽光強(qiáng)檢測電路圖Fig.3.18Thelightfromthesunisstrongdetectioncircuitdiagram在光強(qiáng)檢測電路中，硅光電池的正端與前級運(yùn)放A9的正向輸入端相連后接地，負(fù)端與前級運(yùn)放A9的反向輸入端相連，硅光電池處于零偏狀態(tài)。硅光電池在光照條件下產(chǎn)生的光電流I經(jīng)反饋電阻R14轉(zhuǎn)換為電壓信號，即前級運(yùn)放A9實(shí)現(xiàn)了光電流的I/V變換。后級運(yùn)放A10主要進(jìn)行電壓的同向放大，輸出電壓UG與光電流IG存在如下關(guān)系：(3-7)由式（3-7）可知，U與I呈正比例關(guān)系，且I與光照強(qiáng)度成正比，故光強(qiáng)檢測電路的輸出信號U也與光照強(qiáng)度成正比。圖3.18中，后級運(yùn)放A10的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，計(jì)算機(jī)通過對A/D轉(zhuǎn)換器的控制操作獲取光強(qiáng)檢測電路的輸出信號U。計(jì)算機(jī)每隔一定時(shí)間采集一組光強(qiáng)檢測電路的輸出信號，并計(jì)算出采樣信號的均值和波動幅值，然后將兩個(gè)計(jì)算值分別與本系統(tǒng)所在地（青島）陰雨天時(shí)典型的光強(qiáng)檢測輸出信號u0和多云天氣時(shí)的光強(qiáng)波動閾值e進(jìn)行比較，以判斷當(dāng)前的天氣狀況。3.7數(shù)據(jù)采集模塊由3.5節(jié)和3.6節(jié)可以了解到，太陽方位檢測電路輸出電壓信號UA、UB、UC、UD和光強(qiáng)檢測電路的輸出電壓信號UG均為模擬信號，需通過專門的模擬量輸入通道才能輸入到計(jì)算機(jī)中。根據(jù)太陽自動跟蹤系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)特點(diǎn)和技術(shù)要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)，其原理框圖如圖3.19所示。UAUAUBUCAUDAUGA太陽方位角檢測傳感器光強(qiáng)檢測傳感器MUX多路模擬開關(guān)采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)接口圖3.19數(shù)據(jù)采集模塊的原理框圖Fig.3.19Dataacquisitionmoduleoftheprinciplediagram本課題研究的太陽自動跟蹤系統(tǒng)為定時(shí)跟蹤系統(tǒng)，不需要對傳感器的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和處理。因而，對數(shù)據(jù)采集模塊的采樣速率要求不是很高。此外，考慮到太陽方位檢測傳感器和光強(qiáng)檢測傳感器檢測到的光電流信號均為微弱信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大后輸出的電壓信號幅值一般為0～5V。由表3.4可知，滿度值為5V的8位A/D轉(zhuǎn)換器的ILSB為19.5mV，即最大采樣誤差為19.5mV，考慮到放大電路的增益比較大，對應(yīng)于前端傳感器的輸出電壓信號誤表3.4A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率（滿度值為5V）Tab.3.4A/Dconverterresolution(fullmeasurefor5V)位數(shù)級數(shù)1LSB（滿度值的百分?jǐn)?shù)）1LSB（5V滿度）82560.195%19.5mV1240960.0122%1.22mV16655360.00075%0.075mV2010485760.0000475%7.75μV24167772160.0000030%0.30μV差約為幾毫伏，檢測電路的輸出信號幅值為為幾百毫伏到幾伏，完全可以滿足系統(tǒng)的需要。因此，在綜合考慮分辨率、采樣速度和成本后，最終選擇ADC0809作為本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接通過接口相連。（1）ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由圖3.20可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入,共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖3.20AD0809邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.3.20AD0809logicalstructure（2）ADC0809引腳功能ADC0809采用28引腳雙列直插式封裝形式，功能如下：·D7～D0：8位數(shù)字量輸出引腳；·IN0～I(xiàn)N7：8位模擬量輸入引腳；·VCC：+5V工作電壓，GND：地；·REF（+）、REF（-）：參考電壓輸入端；·START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端；·ALE：地址鎖存允許信號輸入端，以上兩種信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換；.·EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平；·OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器；·CLK：時(shí)鐘信號輸入端，一般為500KHz；·A、B、C：8路模擬開關(guān)的三位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道。（3）ADC0809的工作時(shí)序圖3.21AD0809工作時(shí)序圖Fig.3.21AD0809worktimingdiagram圖3.21是ADC0809的工作時(shí)序圖，START為ADC0809的“啟動”信號，它的上升沿使SAR復(fù)位(置零)，下降沿啟動ADC0809工作。ALE為地址鎖存使能端，高電平有效，用于鎖存A、B、C三條地址線上的數(shù)據(jù)。地址譯碼器對鎖存器的地址進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生用于選擇模擬輸入信號的控制信號，使模擬選擇開關(guān)開始選擇八路信號中的一路作為輸入信號。EOC為ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出端，高電平表示ADC0809轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完畢，通知控制器電路從ADC0809的存儲器中讀出被轉(zhuǎn)換好的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。OE為數(shù)據(jù)輸出使能端，當(dāng)它為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)被送到數(shù)據(jù)輸出引腳上，供外部電路讀出。（4）ADC0809在系統(tǒng)中的使用太陽自動跟蹤系統(tǒng)中共有5路模擬電壓信號需要采集，僅需要占用ADC0809的八個(gè)輸入端中的IN0～I(xiàn)N4即可，為了減少干擾，將IN5～I(xiàn)N7接地。參考電壓引腳REF(-)接地，REF(+)接+5V；輸出允許控制端OE由單片機(jī)的/RD端和P0.7端的與非邏輯輸出來控制；啟動控制輸入端START和地址鎖存控制端ALE連接在一起，由單片機(jī)/WR端和P0.7端的與非邏輯輸出來控制；8位數(shù)字量輸出端D7～D0直接與單片機(jī)的P2.7～P2.0端口連接；三位地址選通輸入端A、B、C與數(shù)字量輸出端D2～D0連接在一起，利用單片機(jī)的P2.2～P2.0端口提供地址信號。這樣，ADC0809就可以在單片機(jī)的控制下進(jìn)行模擬信號的采集和轉(zhuǎn)換。3.8機(jī)械執(zhí)行裝置由2.1節(jié)中的介紹可知，赤道坐標(biāo)系相對地平坐標(biāo)系更為簡單直接，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)跟蹤裝置對太陽的跟蹤。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，其相對于基座可以轉(zhuǎn)動，電機(jī)M1轉(zhuǎn)動可以帶動大齒輪Rl動作產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩。大齒輪R2固定在俯仰軸上，電機(jī)M2與大齒輪R2嚙合，俯仰軸連接在光伏陣列的旋轉(zhuǎn)軸上。位置開關(guān)的作用是當(dāng)光伏陣列轉(zhuǎn)動的范圍超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)，停止跟蹤，自動復(fù)位。圖3.22機(jī)械執(zhí)行裝置Fig.3.22Machineryexecutingdevice跟蹤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線偏移量超過限定的閾值，首先控制器發(fā)出控制信號驅(qū)動電機(jī)M1轉(zhuǎn)動，電機(jī)輸出軸帶動固定軸上的大齒輪R1轉(zhuǎn)動，因此帶動方位軸以及固定在方位軸上的轉(zhuǎn)動架及光伏陣列同步轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了水平方向的跟蹤。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，且提高了傳動裝置的壽命。3.9本章小結(jié)本章主要闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括太陽自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。先后進(jìn)行了計(jì)算機(jī)控制模塊核心器件的介紹、光電檢測器件的選取、太陽方位檢測電路和光強(qiáng)檢測電路、數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)和功能介紹。對太陽自動跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹。第4章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案及優(yōu)勢4.1太陽自動跟蹤主程序設(shè)計(jì)太陽自動跟蹤系統(tǒng)主流程如圖4-1所示。系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先判斷跟蹤機(jī)構(gòu)是否處于正常工作時(shí)間，若不是，則直接結(jié)束。若是設(shè)定的正常工作時(shí)間，則系統(tǒng)初始化。初始化指的是太陽方位角為零的方向，即對應(yīng)太陽高度角為零的方向。然后，獲取系統(tǒng)當(dāng)前的日期、時(shí)間信息，以及系統(tǒng)所在地的經(jīng)度和緯度值，計(jì)算出當(dāng)天的日出和日落時(shí)間，并進(jìn)行視日運(yùn)動軌跡跟蹤。然后由光強(qiáng)檢測裝置檢測是否達(dá)到光電跟蹤的光強(qiáng)底限值，若是，則執(zhí)行光電跟蹤模式，若不是則繼續(xù)執(zhí)行視日運(yùn)動軌跡跟蹤，然后存儲位置信息，判斷是否在工作時(shí)間內(nèi)，跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)自起始位置，系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤循環(huán)過程中。圖4-1太陽光自動跟蹤系統(tǒng)主程序流程Fig.4-1Thesuntob