毕业论文（设计）基于单片机的太阳光自动追踪系统研究.pdf

密级:分类号:学校代码：10075学 号：20101364工学硕士学位论文基于单片机的太阳光自动追踪系统 研究学位申请人：指导 教师：学位类别：工学硕士学科专业：检测技术与自动化装置授予单位：河北大学答辩日期：摘要摘要在当前能源紧张的形势下，太阳能作为一种新兴的清洁能源越来越受到人们的重 视。当太阳能电池板在工作时，由于日照强度及方向不确定，因此，传统的固定式太阳 能电池板不能充分吸收太阳光能量。为了改善这种情况，本设计进行了基于单片机的太 阳光自动追踪系统的研究。硬件方面，本文从太阳光的运行规律出发，根据太阳光线入射角时刻变化的特点，设计了一套采用比较控制式追踪方式的双轴追踪系统。系统以AT89S52单片机为主控制 器，采用GL5516型光敏电阻和2CU101D型光敏二极管分别设计出太阳位置检测电路 和光强检测电路。通过ADC0809芯片进行光电检测数据的采集，采用ULN2003芯片作 为步进电机驱动芯片，驱动28BYJ-48型步进电机带动太阳能电池板转动。采用PL2303 芯片设计出USB接口电路，利用MAX7219芯片驱动8个七段LED显示块，分别实现 了与上位机的通信以及时间日期的显示。软件方面，本设计根据主动式追踪方式和被动式追踪方式各自的优缺点，提出了结 合二者优点的混合式控制方式，即理论位置求值作为粗调，光电检测作为细调。为保证 系统的跟踪精度，本设计提出了采集多组信号求平均值的信号处理方法，并完成了各模 块以及视日运动的程序流程图设计和控制程序的编写及调试。设计出实物模型，完成制作并通电运行成功后，进行系统测试。经过测试，系统自 带程序对太阳理论位置的计算误差不超过0.5。同等条件下相比于固定式太阳能电池板,采用自动跟踪装置可以多接收大约35%的太阳辐射。经过实物模型实际运行的结果，本 系统在工作时，运行精度理论上可以达到4,在水平方向上可以达到-85。+85。的跟踪 范围，在俯仰方向上可以达到0。90。的跟踪范围。关键词 太阳能 单片机 光电检测 自动跟踪IAbst ractAbstractIn t he curren t en ergy sit uat ion,t he solar en ergy as a n ew clean en ergy more an d more get peoples at t en t ion.When t he solar pan els in t he work,because t he sun shin e in t en sit y an d direct ion of un cert ain t y,t herefore,t he t radit ion al fix ed solar pan els is n ot fully absorb sun light en ergy.In order t o improve t he sit uat ion,t his design has carried on t he research of sun aut omat ic t rackin g syst em based on sin gle chip microcomput er.In t his paper,st art in g from t he run n in g rule of t he sun,accordin g t o t he charact erist ics of t he t ime t he sun s rays in ciden t An gle chan ges,design a set of con t rolled by comparin g t he t rack t ype of t wo-ax is t rackin g syst em.For t he hardware circuit AT89S52 sin gle chip microcomput er as t he main con t roller,usin g GL5516 phot osen sit ive resist an ce an d 2CU101D phot osen sit ive diode respect ively design ed t he sun posit ion det ect ion circuit det ect in g circuit of light in t en sit y.Through t he ADC0809 chip phot oelect ric det ect ion dat a collect ion,usin g ULN2003 as t he st epper mot or driver chip,chip driver 28BYJ-48 t ype st eppin g mot or driven in solar pan els.Usin g PL2303 chip t o design t he USB in t erface circuit,t he use of MAX7219 chip drive eight seven segmen t LED display piece,respect ively t he commun icat e wit h PCs dat e an d t ime display.On soft ware design,t he design based on act ive an d passive t rackin g met hods t o t rack t he way t heir advan t ages an d disadvan t ages,t he advan t ages of t he proposed combin at ion of t he t wo hybrid con t rol mode,n amely t he t heory of posit ion evaluat ion as a coarse,phot oelect ric det ect ion as a fin e t un in g.In order t o en sure t he accuracy of t rackin g syst em,t he design put forward t o collect more groups of sign al averagin g met hod of sign al processin g,an d complet ed t he module an d t he program flow chart of design an d visual,mot ion con t rol program writ in g an d debuggin g.Design a physical model,aft er t he success of t he complet e product ion an d t he power,syst em t est.Learn aft er t he t est,t he syst em t heory of t he sun posit ion calculat ion error is n ot more t han 0.5.Un der t he same con dit ion s as compared t o fix ed solar pan els,aut omat ic t rackin g device may be more t o receive approx imat ely 35%of t he solar radiat ion.ThroughiiAbst ractphysical model of pract ical result s,t he run n in g accuracy of t he syst em can t heoret ically reach 4,can be achieved in a horizon t al direct ion-85+85 t rackin g ran ge,on t he pit ch direct ion can reach 090 t rackin g ran ge.Keywords solar microcon t roller phot odet ect or aut omat ic t rackill目录目录第1章绪论.11.1 课题研究背景.11.2 课题研究目的及意义.21.3 国内外研究现状.21.4 本课题研究内容.3第2章 太阳光自动追踪系统总体设计.52.1 设计目标及总体方案.52.2 控制策略研究.62.2.1 被动式追踪方式.62.2.2 主动式追踪方式.72.2.3 混合追踪方式.72.3 系统结构设计.8第3章 硬件模块设计.113.1 光电检测模块设计.113.1.1 太阳位置检测电路设计.113.1.2 光强检测电路设计.153.2 数据采集电路设计.193.3 主控制模块设计.223.3.1 控制电路设计.223.3.2 外围电路设计.243.4 步进电机驱动模块设计.273.5 USB接口模块设计.293.6 显示模块设计.30第4章 软件模块设计.334.1 整体程序流程设计.334.2 下位机程序设计.34IV目录4.2.1 光电检测模块程序设计.344.2.2 数据采集模块程序设计.354.2.3 显示模块程序设计.364.3 上位机程序设计.374.3.1 串口通信模块程序设计.374.3.2 显示界面设计.384.4 视日运动程序设计.38第5章实物模型设计.425.1 光电传感器结构设计.425.2 整体结构设计.45第6章 实验测试及结果分析.46第7章总结.51参考文献.53致 谢.56攻读学位期间发表的论文及科研情况.57v第1章绪论第1章绪论1.1 课题研究背景自工业革命以来，随着瓦特改良的蒸汽机被大规模的应用，人类利用和改造自然的 能力得到了空前的提高。机器的大规模使用使人类对能源的需求急剧增加。第二次工业 革命后，电力开始进入人们的生产生活之中，人类对于能源的消耗有相当大的一部分被 用来发电1。进入到生产力高速发展的今天，随着经济发展的提速，全世界各个国家对 能源的需求日益上涨。虽然世界能源的消耗量依然在成倍的增加，但是物质的不变性 导致大部分能源的不可再生性，化石能源储量有限，终有一天会全部耗尽。并且化石能 源分布极度不均，比如我国的主要能源大多分布于中西部经济相对落后地区叫东部经 济发达地区资源较少，这样就为我国的能源调配造成了极大的困难。据统计，现有已探明的油气资源仅仅可供人类开采至多三十年叫 并且有的地区油 气资源虽然丰富，但在由于自身地理位置特殊、气候环境恶劣等诸多因素，导致这一地 区的资源并不能被有效利用，或者因开采成本过高而导致经济效益欠佳。例如俄罗斯西 伯利亚油田的开采成本就远高于中东地区，这也使得俄罗斯在石油出口上一直不具备价 格优势。煤炭是人类利用比较早的资源，虽然相对于石油、天然气资源，煤炭的储量较 大，但是作为不可再生能源，煤炭预计将于三百年后耗尽。水力资源是人类利用最早的 自然资源之一，遍布全国各地的水利设施星罗棋布，但迄今水资源的利用率已经超过了 百分之七十以 继续提升的潜力有限。况且随着人类技术进一步提高之前，水资源转化 为能源的主要方式就是水力发电，利用开发形式单一，并且水电站建设面临着技术、成 本、环境等方面的许多困难，还会产生航道阻塞、移民问题、诱发地质灾害等诸多弊端。工业文明的进步所带来的除了舒适便利的生活条件，还有因资源大量消耗所带来的 恶果。除能源危机外，还有近些年困扰全社会的环境问题。环境的破坏所带来的后果无 法推测，所造成的损失也绝非经济的发展所能弥补的。新能源是指利用新技术加以开发利用的可再生能源，主要包括太阳能、生物质能、水能、风能、沼气、甲醇等。这其中太阳能因其独有的特点具有良好的发展前景。1河北大学工学硕士学位论文1.2 课题研究目的及意义对现代社会而言，太阳能可以称得上是目前经济效益最好，环境危害最少的可再生 新能源。太阳能作为能源有着其独特的优势。(1)储量巨大：地球接受太阳辐射的效率可达8.03x l014kW/S,这个能量相当于 6x 109吨煤完全燃烧放出的热量。(2)环保无污染：太阳能在使用中，不会产生废水废气废料等有害物质，因而符 合环境保护的要求、。(3)分布广泛：能接收到太阳光照的地方就有太阳能，所以，太阳能的分布极其 广泛，有助于缓解资源匮乏的紧张情况。(4)经济性：随着太阳能相关技术的发展，利用的太阳能成本会逐步降低，这其 中太阳能发电站的建设更加具有经济效益，从长期来看，发电的成本会减少很多。我国国土面积广袤，大部分国土位于中低纬度地区，属于日照时间比较长的国家之 一，特别是在高原地区，由于空气稀薄，太阳能资源十分丰富。据统计，每年日照时长 数在2000小时以上的地区占到了我国国土面积的三分之二网。随着我国对能源需求的不 断增加，太阳能的开发利用将会对于我国的经济发展和环境保护产生重要作用。在提高太阳能利用率的方法方面，除了改进太阳能电池板的生产工艺外，还可以对 太阳光追踪系统进行研究，使太阳能电池板始终能够正对太阳。据相关统计结果显示，采用太阳光追踪系统与不采用追踪系统的太阳能电池板在工作效率方面相差37.7%见。由此可见，追踪设备的使用可使太阳能的利用率大幅提高。所以，太阳光自动追踪系统 有着很大的实际研究意义。1.3 国内外研究现状太阳能作为一种清洁无污染且储量巨大的新能源，其开发利用受到了世界各国的关 注，作为提高太阳能转化效率的重要手段，迄今国外对于太阳光自动追踪系统的研究主 要有以下内容，在1997年，美国研制成功了东西方向的单轴太阳自动跟踪器，工作效 率提高了 15%。1998年美国科学家的研制出了 ATM两轴追踪器，进一步提高了效率。2002年2月美国亚利桑那大学研制出了一套可以对电机进行控制的太阳能追踪设备,这 套设备通过控制电机的转向和转速来完成追光口。随着太阳能的利用逐步普及，如何提高太阳能的利用效率也逐渐引起了我国的专家 2第1章绪论学者的重视。2007年,我国投入使用了第一套可以自动跟踪太阳光的太阳能发电系统口汽 如图1-1所示。该系统主要依靠在太阳发生偏转的时候传感器输出信号产生的偏差，来 确定太阳的位置。然后通过主控制器对电机发出指令，调整太阳能电池板的角度，使之 时刻保持与太阳光线的垂直。科技要闻科技创新BU3G科技图片环球速览科普探幽生活百科首页科技科技图片 字号：大中小追日型太阳能发电系统将用于北京奥运会(图)中国网 时间：2007-08-31 发表评论随着不同时段太阳光线的转移，随时变换电池的旋转角度，从而达到最大限度吸 收太阳能的目的.朝阳公园建成的“追日型”太阳能发电系统将于明年率先应用于奥 运会比赛场馆.据朝阳公园开发经营公司总经理田锦和介绍，整个“追日型”太阳能发电系统由 两个功率分别为11千瓦和44千瓦的并豳电站组成.这种太阳能发电系统的最大优点就 是不需要用蓄电池储存能量，因而可以节省不少资金，而且不会对环境造成任何污 染.位于沙滩排球馆东北角的11千瓦全自动“追日型”太阳能发电系统长11米、宽7 米，可以实现远程控制.其太阳能电池可以随着太阳的旋转，实现270度上下左 右“追日”旋转，发电功率比一般的太阳能系统高30%以上，是目前世界上转换效率 最高的太阳能发电系统.图1-1太阳光自动追踪系统相关应用2008年，中科院电工研究所的科研人员设计出一套基于PIC16F877A的主动式双轴 太阳跟踪器，目前这套装置已在国家可再生能源实验基地投入应用，与固定式光伏发电 系统比较，发电量提高了 35%以上。2012年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制了一种可自动切换工作方 式的智能太阳跟踪器口叱这套装置能够根据天气状况的不同自动选择合适的工作模式，提高了在对于不同气象条件的适应性，有效地保证了系统的跟踪精度、工作性能和运行 成本。1.4 本课题研究内容本课题研究的系统具有可以提高太阳能利用率的功能，计划设计出一套由AT89S52 单片机进行控制的太阳光自动追踪系统，通过检测太阳位置的变化来进行对太阳光的追 踪，通过检测光强的变化实现追踪方式的改变。所以论文的研究内容大体有以下几个方 ffio(1)系统总体设计。确定整个系统的设计思路以及技术指标，选择合适的跟踪方 3河北大学工学硕士学位论文式，确定系统的总体结构。(2)硬件电路设计。其中包括：各部分硬件电路的设计，各芯片和元器件的选择。硬件电路的设计除了要实现基本的自动跟踪功能外，还添加上了实时显示，数据通信等 附属功能。(3)软件设计。采用C语言编写软件程序，对光电检测部分、数据采集部分、主 控制部分、显示及上位机部分以及太阳实时理论位置计算的程序进行编写。(4)实物模型设计。主要包括光传感器结构的设计以及机械结构的设计，光传感 器结构的设计旨在避免杂散光的干扰，使跟踪装置更加精确可靠。机械结构作为整个系 统的载体，是实现系统功能的必备条件。(5)系统测试。硬件电路以及软件部分设计完成后，制作出实物模型，并进行了 实验数据的采集。通过实验数据来验证本设计是否实现了设计目的。4第2章系统总体设计第2章系统总体设计2.1 设计目标及总体方案本设计的目的是要实现在自然条件下对太阳光的追踪，通过比较各类太阳光自动追 踪方式的优缺点，本着进一步对拟采用的追踪方式进行优化的目的，确定本设计的最终 目标是设计出一个太阳光追踪系统，实现对太阳位置的检测和判定，选用适当的控制策 略和数据处理方式，保证系统的精确度。设计完成的系统可以在高度角和方位角两个方 向上对太阳进行追踪。为了提高系统的智能化水平，添加自动上电、USB监控、实时显 示等功能。设计出可靠的机械结构，使太阳能电池板的工作效率提高30%以上。根据系统所要达到的设计目标，确定系统的工作流程为：系统上电运行后首先进行 复位，复位工作完成后，系统通过光敏传感器的信号值来确定此时的太阳光位置，当正 对太阳光时，系统不动作，反之则进入跟踪程序。光敏传感器同时具有检测阴晴的能力，当阴天时，其输出信号必然会发生改变，所以当信号到达某个设定值时，判定为此时为 阴天状态，系统这时响应中断程序，进入休眠状态。同时，系统通过另一套光敏传感器 通过继电器来控制白天黑夜的启停，当黑夜来临时，光敏传感器输出的信号值减小，从 而使继电器断开，整个系统断电。根据工作流程，确定该系统的总体设计方案如下：电源电路产生的稳定电压给整个 系统供电；通过四个光敏电阻组成的光传感器来实现对不同方向的光进行光电检测，光 照强度的变化会导致光敏电阻的阻值发生变化，阻值的不同会导致光敏电阻在电路中分 压的不同，电压比较器将电压值与设定值比较，根据比较结果输出高低电平给单片机；单片机根据电压比较器的值从内存中取出不同的数据，驱动步进电机按一定的方向转 动，从而实现对太阳光的跟随。该电路还有阴晴检测功能，可以通过其输出值来判定光 敏电阻是否均接受不到光照，若是，则进入阴天中断响应状态。通过光强检测电路实现对昼夜的判断，采用光敏二极管作为光强检测电路的检测元 件，通过控制继电器来完成系统的上电与断电。选用AT89S52单片机作为整个系统的主 控制器。系统的总体结构如图2-1所示。5河北大学工学硕士学位论文光电 检测 电路据集路 数采电AT89S52 单片机 主控电路驱动电路步进电机光强检测电路 USB通信接口 LED显示模块图2-1自动跟踪系统总体框图2.2 控制策略研究2.2.1 被动式追踪方式被动式追踪主要采用光电传感器或探测器等来确定太阳位置，再将得到的数据返回 到控制系统中，经过数据处理后进而控制太阳能电池板的朝向。有些追踪系统可能会采 用角度传感器等其他类型的器件，但原理相同并且都属于闭环控制系统。这种闭环的随机系统，系统内部没有复杂的运算，主要依靠外部传感器的反馈信息,结构简单，并且理论上具有较高的精度，灵敏度高，获得的效率较高，但容易受到天气、温度、环境等因素的影响，若遇到阴天或雾天使光电传感器无法正常工作，则系统会出 现较大的误差，整个追踪控制系统就无法正常工作，因此这种设计并不适于对稳定性要 求较高的光伏电站发电的场合口 3闭环控制的原理图如图2-2所示，可以看出图中明显的闭环结构，反馈数据来自于 光传感器。太阳位置图2-2被动式追踪方式原理图6第2章系统总体设计2.2.2 主动式追踪方式主动式追踪主要指根据天文和地理学等对天体运动研究的理论基础，利用太阳运动 轨迹的计算方法，使用计算机或控制装置的处理器运行程序，计算出当前时间与地点的 太阳位置，进而调整太阳能电池板的朝向，使其正对太阳。从控制原理上讲这一类系统 属于开环控制系统，在技术上称为视日运动轨迹追踪方案。这种追踪方式能够全天候实时追踪，稳定性高，运行可靠，成本较低，但其精度和 灵敏度难以保证，容易产生误差和误差积累的问题，导致整个发电系统的效率降低，这 也是开环控制的缺点口叫 其原理图如图2-3所示。图2-3主动式追踪方式原理图2.2.3 混合追踪方式针对开环和闭环控制方案的优缺点，综合两种方案，本文提出了一种混合控制的方 案，即采用视日运动轨迹追踪与光传感器追踪相结合的方案对太阳进行追踪。该方案的 基本工作步骤如下。(1)系统上电启动后，首先进行复位，复位时根据太阳位置的计算公式对太阳理 论位置进行计算，得到代表太阳位置的方位角与高度角，进而控制太阳能电池板进行追 踪，把系统正对太阳的角度带到一个可以预知的相对接近的范围内，这个过程可以称为 粗调，之后启动光传感器追踪。(2)利用光传感器或探测器等器件确定太阳与设备的相对位置，根据反馈数据得 到位置的误差，并进行相应的调整，这个过程可以称为微调，使系统的精度得以提高。(3)系统按照定时器的设置，周期性地执行上述过程，运动周期可以自行确定。本系统的跟踪方式属于混合追踪方式，控制器是单片机，被控对象是太阳光跟踪系 统，执行元件是步进电机，反馈的数据是太阳能电池板位置信息，反馈元件是传感器口叫 这种控制方式实质上是一个双闭环控制系统，如图2-4所示。通过对太阳理论位置的计 算进行粗调，控制太阳能电池板运行到大致正对太阳的角度，而后通过光敏传感器的检 测数据来进行细调。7河北大学工学硕士学位论文图2-4双闭环控制系统原理图2.3 系统结构设计追踪系统的划分有多种依据，依据动力来源，可以分为机械类和电子类两种口刃。现有的机械类装置的工作原理是利用发条、重物或者压力差等产生的驱动力，通过传动 机构来驱动被控装置实现对太阳光的追踪。这种方式设备简单，故障率低，不额外消耗 电量，但是系统运行时无法调节，精度不高。电子类追踪法利用电力来驱动并控制机械 部分转动，这种方法扩展性强，例如可以通过程序的编写对追踪装置进行调节，可以加 装不同功能的辅助电路，本课题所要设计的系统属于典型的电子类装置。根据控制信号来源的不同，可以将太阳光自动追踪系统分为以下四类口3(1)压差式太阳光追踪系统。其原理是：因为太阳的斜射导致装置内介质的温度 不同，机械机构发生形变，进而带动太阳能电池板转动。这种方式的优点是，不需要电 子设备的参与，结构原理非常简单，故障率相对比较低，不易受到干扰。同时系统的运 行不会消耗电量，缺点是精度不高且可调性不高。(2)控放式太阳光追踪系统。其原理是：在太阳能电池板的上放置一个重物，利 用重物的重力，可以带动太阳能电池板向着太阳光转动口”这种方式同压差式跟踪方式 同属于机械类跟踪法，其优缺点完全一样。(3)时钟式太阳光追踪系统。其工作原理是：计算出当天日出时太阳理论位置和 当天太阳运行的角速度，从而可以计算出电机所需要的转速2叫该装置的电路结构比较 简单，但是缺少主动控制元件，会累积误差，总体来看对于太阳能的利用率提高有限。(4)比较控制式太阳光追踪系统。其工作原理是：将多个光敏传感器安装在太阳 光接收装置上。当太阳能电池板与太阳光线不处在垂直状态时，光敏传感器会输出不同 的电信号，这些信号经过单片机处理后，由单片机发出使太阳能电池板运动的指令，直 8第2章系统总体设计到光敏传感器接收到的光照强度再次相同为止。这种方式的追踪精度较高，能够适应多 种线变化，追踪效果好，但是控制电路及硬件结构相对较为复杂，故障率相对较高，容 易被其他光线所干扰。根据追踪装置机械结构的不同，可以将跟踪装置分为单轴跟踪方式和双轴跟踪方 式。其中单轴跟踪方式可以在一个方向上实现对太阳光的跟踪，而双轴跟踪方式则使得 太阳光接收设备既可以沿东西方向也可以沿着南北方向运动KU。单轴跟踪方式中，根据转动轴布置方式的不同，可分为转动轴倾斜布置，东西跟踪,如图2-5所示；转动轴东西水平布置，南北跟踪，如图2-6所示；转动轴南北水平布置,东西跟踪三种。在单轴跟踪方式下，无论采用哪种跟踪方式，每天只有一定的时间才能 正对太阳。单轴跟踪方式具有结构简单、控制过程简单的优势，但不能使太阳能电池板 时刻保持与太阳光的垂直状态。图2-5转动轴倾斜布置，东西跟踪式太阳能电池板阵列图2-6转动轴东西水平布置，南北跟踪式太阳能电池板阵列这种方式可以在水平方向上和竖直方向上同时对太阳进行追踪，可以长时间的保持 和太阳光线的正对状态，尽可能多的继续吸收太阳光。根据转动轴的布置结构来划分，双轴式跟踪装置又可以划分为极轴式和高度角-方位角式两种。在极轴式方式中，太阳光接收装置的方位角转动轴指向天球北极，即与地球自转轴 9河北大学工学硕士学位论文相平行，称为极轴；高度角转动轴与极轴垂直，称为赤纬轴衣。太阳能电池板绕极轴和 赤纬轴分别作水平运动和俯仰运动，跟踪太阳方位角和高度角的变化。太阳高度角通常 根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上由于方位角转动轴是倾 斜布置，因此对于承重装置的要求很高。高度角-方位角方式中，两个转动轴成十字形垂直于地面布置，其中方位轴与地面 成九十度夹角，俯仰轴与地面成零度夹角口。通过这两个轴，太阳能电池板可以进行转 动，来实现对太阳光的追踪。这种跟踪机构相对极轴式全跟踪方式，由于方位轴垂直于 地面，有利于承重，机械结构对于强度的要求不是很高，所以这种跟踪机构相对极轴式 全跟踪方式应用比较普及。缺点是受机械结构的影响比较大，如果机械结构的精度不高,则容易导致整个系统的精度下降，但是随着跟踪系统控制精度的提高，以及闭环控制系 统的应用，通过反馈调节，机械误差的影响是可以克服的。加之其具有更强的承重能力，因此高度角-方位角跟踪方式，更有利于大规模应用.I。通过以上对各类太阳光自动跟踪装置优缺点的比较，本设计采用比较控制式方法作 为太阳光自动追踪系统的信号处理方法。为了可以对太阳光实现更为精确的追踪，同时 也为了使设计更加简便实用，本设计采用了双轴跟踪方式中的高度角-方位角跟踪方式 作为本设计的机械结构。10第3章硬件模块设计第3章硬件模块设计硬件电路在本系统中的地位相当于人体的各种组织器官，只有硬件电路的完善，整 个系统才可以有效高效的运行，在本系统中，只有硬件电路设计完善，才能达到最初的 设计目的。为实现对太阳进行精准追踪，本文设计了一套控放式双轴追踪系统，光电检测信号 经过单片机运算后输出相应的控制信号驱动步进电机运转。及时调整太阳电池板的朝 向，使太阳能电池板保持与太阳光线的垂直状态。下面对整个系统中的光电检测电路（包括太阳位置检测电路和光强检测电路）、单 片机控制电路、电机驱动电路的硬件设计分别进行介绍。3.1光电检测模块设计光敏传感器是最常见传感器之一，常见的光敏传感器主要有光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管D,以上四种光敏传感器的特性比较如下。（1）光敏电阻。随着光照强度的增强，会出现阻值下降的现象，通过阻值的变化 可以反映出光照强度的变化。（2）硅光电池。这种器件可以把光能转换为电能，光照强度与其短路电流成正比。（3）光敏二极管。对光线比较敏感，反向偏置时在无光照条件下有很小的喑电流,当光照超过临界值时，光电流会急剧增加，并且与入射光强度成正比，但是在正常工作 电压范围内光电流不会随着电压的改变而发生变化26。（4）光敏三极管。光敏三极管的灵敏度是这几种光敏传感器中最高的，但过高的 灵敏度反而会易受外界环境温度影响，并且因为三极管的特性，温度漂动比较严重印。通过对以上几种光敏传感器的灵敏度以及稳定性的考虑，综合其各自优点，本设计 选用光敏电阻进行太阳方位置检测，选用光敏二极管进行光照强度检测。3.1.1 太阳位置检测电路设计太阳位置检测电路是实现太阳光电追踪的主要电路。设计中采用了光敏电阻作为核 心检测元件。由光敏电阻的特性可以知道，光敏电阻可以根据入射光线的不同产生而发 生相应的阻值的变化，从而输出不同的电信号囚,当光照越强时，阻值越小。并且在一 11河北大学工学硕士学位论文定的光照强度或者光通量的范围内，光敏电阻阻值不随外界电压的改变而改变，仅取决 于输入光通量或光照强度。为了可以吸收更多的光能，光敏电阻通常都会制成薄片结构。为了获得较高的灵敏 度，光敏电阻的电极常采用梳状造型，是在一定的掩膜覆盖下向光电导薄膜上蒸镀金或 锢等金属制作而成的2叱一般光敏电阻的结构如图3-1所示。图3-1光敏电阻实物图光敏电阻的参数与其材料有关，并且和入射光的波长也有关。不同的光敏电阻适用 于不同的入射光波长，经查阅资料，适用于可见光波长范围的光敏电阻中，比较常见的 是硫化镉光敏电阻。太阳光属于可见光的范畴，因此，本设计选择硫化镉的光敏电阻作 为太阳位置检测电路的光电检测元件，具体型号为GL5516。GL5516的特性如表3-1所 ZjS O表3-1光敏电阻GL5516特性表型号最大电压(VDC)最大功耗(mV)环境温度()光谱峰值(n m)亮电阻(lOLux)(kQ)暗电阻(mQ)GL551615090-30-+705405100.5由于太阳光属于散射光，在一定的偏转量内光强变化微乎其微，为了防止系统过于 频繁的运动导致出现电量的浪费，本设计计划在光电检测过程中设定一个光照强度的临 界值，只有当光敏电阻所受的光照小于这个临界值时，系统才会判定为这个光敏电阻没 有受到光照，追踪程序才会启动。本设计使用电压比较器的芯片型号为LM324,LM324 是四运放集成电路，管脚如图3-2所示。12第3章硬件模块设计LM324内部的四个运算放大器相互独立，只是电源公用。在使用LM324时，若将 接入反相输入端反馈电阻去掉，将其置为开环状态，此时LM324的放大倍数大约为 100dB29o这时的运算放大器可视为电压比较器，其输出电压只有两种状态，即高电平 或低电平。当同相输入端的电压高于反相输入端的电压即UiiUi2时，输出为高电平，即U。大于3.2V；反之则输出低电平，即U。小于1.6V。通过对光敏电阻的输出信号经 过LM324处理后的高低电平值的比较，就可以产生判断出太阳此时的偏转方向ML单 片机对这些信号进行分析比较，输出相应的控制信号，来达到跟踪太阳光的目的。根据LM324电压比较器的电基本原理，设计出光敏电阻的比较电路。此电路主要 由光敏电阻、包含四组运算放大器作为电压比较器的LM324运放构成，通过调整分压 电阻的阻值大小可以来改变整个电路对于光照强度的临界值，具体取值可以依据不同地 区的不同情况自行设定。电路接法如图3-3所示。13河北大学工学硕士学位论文图3-3光电检测电路为了更好地解释电路原理，首先简要介绍一下光照强度的概念卬,光照强度，简称 照度，是反映光照强度的一种单位，其单位是勒克斯（LUX）,简写为lx,llx=lLm/m2o 例如，一只500W的白炽灯，其发出的总光通量约为600Lm,则距该光源5m处的光的 照度值计算方法如下：由于光线的散射性，可以把光的发散想象成一个半球，首先求这 个半球的面积，距离为5m,则半球的半径为5m,由此，按照求球面的面积公式，可得 出半球面积为2兀x 52=157m2,然后求光的照度值，用光通量除以半球面积即可，所以，距光源5m处的光的照度值为：600Lm/157m2=3.821x o同理可以求出任意距离上光的照 度值。一般情况：夏日阳光下为lOOOOOlx；阴天室外为lOOOOlx；室内日光灯为lOOlx；距 60W台灯60cm桌面为3001x；电视台演播室为lOOOlx；黄昏室内为101x；夜间路灯为 O.llx；烛光 20cm 远处为 10151x32。在光电检测电路元件的选取中，综合考虑本设计所要达到的技术指标，以及要控制 整个系统的灵敏度，避免太阳光变化不大时系统发生动作，产生无谓的电量消耗两方面 原则。因此确定以黄昏室内的光照强度101x为基准，当光敏电阻接收到的光强小于101x 时,该电阻的光电检测电路输出高电平，反之，则输出低电平。通过前文光敏电阻GL5516 的特性表可以得知在101x的光照强度下，GL5516的亮电阻为510kQ,在这里取最大 值10kQ。由此可以得出电路图中R2、R3、R4三个分压电阻的阻值均为10kQ,方可达 到设计目的。14第3章硬件模块设计系统工作时，如果光线垂直入射，此时四个光敏电阻的阻值均小于10kQ,因而四 组运放的同相输入端此时得到的电压值应当低于2.5V,此时四组运放的反相输入端得到 的电压值恒定为2.5V,所以，输入到单片机里的信号全部应该为低电平，通过程序设定 此时步进电机不动作。当太阳位置偏转到一定程度时，就会有某一光敏电阻所受的光照 减弱，其所连接的的运放的同相输入端所分得的电压就会大于2.5V,此时，该运放的输 出端就会输出高电平，单片机相应的数据接收口就会接收到高电平信号，此时就会通过 程序来控制步进电机运转，使太阳能电池板向该光敏电阻的方向转动，直到四组光敏电 阻的运放输出端全部为低电平为止。当太阳落山光线减弱或者阴雨天太阳光照度不强 时，四组运放的输出端全部为高电平，此时，单片机根据程序设定不输出步进电机控制 信号，如果天气放晴，则跟踪程序重新运转。3.1.2 光强检测电路设计为了提高装置的自动化智能化水平，尽量减少对于人力的需要，特别是在夜晚微光 的条件下，这时如果自动追踪装置还在运转，既不会提高太阳光的利用率，还会浪费相 当的电量。因而系统中需要一个电路，可以在夜晚的状态下使整个系统停止动作，进入 休眠状态，以起到节约电量避免浪费同时降低设备损耗的目的。光强检测电路用于检测光照强度，进而判断出当下的昼夜情况。同太阳位置检测电 路一样，光强检测电路实际上也是一个光检测电路，其作用是检测太阳光的强度，用来 进行昼夜判断，夜晚系统断电，白天则自动上电运行。本文用光敏二极管（如图3-4所 示）为光强检测传感器，通过光敏二极管的截止和导通来判断光照强度，通过继电器来 控制电源的开启和关闭，从而来控制整个系统的开启和关闭。图3-4光敏二极管实物图15河北大学工学硕士学位论文光敏二极管是一种由PN结构成的半导体器件，具有单向导电性。当光敏二极管工 作在反向电压状态下同时光照强度为零时，其反向电流几乎为零，如果有光线入射时其 反向电流会迅速增大，而且反向电流随着光照强度的增加而增大（如图3-5所示）。光 敏二极管具有线性度好、低噪声、价格低廉、结实但自重较轻、使用寿命长、体积小、没有内部增益、灵敏度比较高等优点印。基于光敏二极管的以上特性，本设计选用光敏 二极管作为光强检测电路中的核心检测元件，用来进行对昼夜的判断，光敏二极管受到 足够强的光照反向导通时视为白天，反之则视为黑夜。常见光敏二极管技术参数如表3-2 所示叫照度增大反向电流图3-5光敏二极管光电特性曲线16第3章硬件模块设计表3-2光敏二极管参数表型号工作电压V暗电流gA光电流gA响应时间S光敏区直径mm2CU1A1080ICT，8.42CU1B208010-78.42CU1C308010-78.42CU1D4080IC/78.42CU1E5080ICT,8.42CU101A15V 1x