1、自動尋光太陽能發電系統（技術說明）目 錄一 設計要求.2二 系統設計.2三 設計原理與模塊實現.3 3.1 智能采光的設計. .3 3.2 信號調理與差動轉換電路.3 3.3開關量輸入電路.4 3.4步進電機驅動電路.5 3.5 雙軸機械跟蹤定位系統.6 3.6電源模塊.6 3.7 時鐘電路.7四 單片機控制電路.8五 系統電路圖與工作原理.85.1 系統的電原理圖.95.2 主程序框圖圖.95.3 自動調整子程序框圖.105.4 時間較正子程序框圖.115.5 全自動調整子程序框圖.12六 結論.13七 參考文獻.13八 性能指標.14一、設計要求1、設計具有一定承載能力和機械強度的太陽能電

2、池板的載體。2、設計能夠從太陽升起時自啟動，按太陽的運動規律，自動對焦，并自動追蹤太陽光，實現將太陽能轉換為電能的裝置。3、該系統能適應不同的環境。4、具備自我保護功能。5、能夠接受自動完成轉換。6、其他附加功能。二 系統設計2.1 系統整體設計本系統主要由中央處理單元、智能采光、電源管理和上位機軟件4個部分組成。系統主要實現利用率的提高，太陽能的轉換和存儲。本設計還提供了對系統的檢測和管理。如圖1所示，系統包括控制處理單元、電源管理單元、供電和輸電單元(包括太陽能電池板、蓄電池、市電、電能輸出接口)、接口單元、顯示單元、按鍵、指示和報警單元、步進電機驅動單元和采光單元。控制系統硬件選用Atm

3、eL公司的At89C51(與Intel公司MCS-51系列兼容)作為控制核心來控制機構的執行部件步進電動機。完成了單片機外圍硬件電路的設計和相應的軟件的設計。系統驅動器采用了與步進電機配套的專用集成模塊，具有強抗干擾性、高頻性能好、結構簡單、運行平穩等特點。電源管理單元與供電和輸電單元實現蓄電池充供電切換、市電供電和蓄電池供電切換、太陽能充供電切換、電能變換輸出。2.2驅動控制器硬件總體設計方案硬件總體方案如圖1。太陽跟蹤與驅動控制器以單片機89C51為核心建立應用系統。光電傳感器輸出的誤差信號經過調理輸入到差動轉換電路,為跟蹤提供依據。外部時鐘為系統提供準確的時間，以便陰天采用定時跟蹤。當跟

4、蹤裝置轉到極限位置時，為了保護設備同時為第二天跟蹤做好準備和避免電纜纏繞，需返回初始位置。可以采用限位開關來復位，當機械設備轉到極限位置時，限位開關向單片機系統發送個脈沖，單片機響應此操作，進行中斷處理，跟蹤裝置歸位。圖1三、設計原理與模塊實現3.1 智能采光的設計傳感器主要是由8 只經過挑選的性能優良的光敏元件和8 只電阻組成，其結構見圖2。設置一個暗筒（不透明），暗筒內側為圓形，外側為方形，暗筒對外界環境的散射光線及其他干擾光線進行屏蔽，使得外界干擾光線對跟蹤效果的影響降到最低。在暗筒外部東、南、西、北四個方向上分別布置 4 片光敏元件；其中一對光敏元件(E、 G)東西對稱安裝在暗筒外側，

5、用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉角度即方位角；另一對光敏元件(F、H )南北對稱安裝在暗筒外側，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角；在暗筒內部，東、南、西、北四個方向上也分別布置 4 只光敏元件；其中一對光敏元件(A、B)東西對稱安裝在暗筒的內側，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度；另一對光敏元件(C、D )南北對稱安裝在暗筒的內側，用來精確檢測太陽的視高度。圖2太陽位置探測單元的工作原理：以東西方向（即方位角）為例，假設太陽的高度角是不變的，即假設暗筒在高度方向始終對準太陽。當早上太陽從東方升起的時候，光敏元件E接受到的光強（陽面）大于G接受到的光強（陰面），因此輸出一個正的差動信號給

6、窗口形成電路，經過處理后驅動電機使跟蹤平臺向東轉動。當轉動到一定的精度范圍內，太陽偏離不太遠時，與E并聯的A（暗筒屏蔽了環境散射光干擾）開始起主導作用，使暗筒精確對準太陽。當太陽向西偏移時，G和B分別起作用使平臺向西跟蹤太陽，當遇到云層遮住太陽或者下雨等其它原因導致太陽偏離較遠時，G起主導作用進行較大范圍的搜索跟蹤，到一定精度后A慢慢起主導作用進行精確跟蹤。高度角的跟蹤基本原理及工作方式與之類似。3.2 信號調理與差動轉換電路光敏電阻將陽光強度的變化轉變為電阻阻值的變化，信號處理電路處理的是電阻的變化。由跟蹤原理知，當兩個光敏電阻的照度差（有正有負）較小或為零時（精度范圍之外），信號處理電路是

7、不會輸出信號的；當相應的兩個光敏電阻的照度差（有正有負）達到一定數值的時候（精度范圍內），信號處理電路應輸出信號驅動平臺跟蹤。此部分電路包括東西方向和南北方向兩路，原理相同，以東西方向為例說明電路的工作原理和過程，電路如圖3所示。圖3首先，將光敏電阻的阻值變化轉變成電壓信號的變化，其中暗筒內部的兩個光敏電阻A和E并聯，暗筒外部的兩個光敏電阻G和B并聯，太陽從東邊升起后，暗筒外的光敏電阻A和E首先起作用，當暗筒基本對正太陽時，內部的光敏電阻G和B開始起到主要作用。轉變后的電壓U1和U2分別輸入到差動轉換電路的正負兩個輸入端，經過第一級運放電路，將兩路電壓信號的電壓差放大20倍。經過放大后的信號為

8、正電壓，則經過第一路電壓比較后，輸出正向旋轉信號，若放大后的信號為負電壓，則先經過反相器，將其1：1反向輸出，然后再經過另一路電壓比較，輸出讓電機反向轉動的信號。電壓比較器的參考電壓Vref1和Vref2可以通過電路進行調節，以設定跟蹤的精度范圍。3.3開關量輸入電路為了是跟蹤平臺在方位角方向上夜間歸位，安裝一個行程開關（限位開關），用于控制機械設備的行程及限位保護。每當方位軸轉向正西方向的時候，便會撞擊行程開關，將此機械信號轉化為電信號，輸入到單片機，單片機根據此信號發出回轉 180 度指令，是系統在方位角方向回到東方，等待第二天太陽升起。在高度角方向上不存在夜間歸位的問題。因為高度角在中午

9、的時候最大，早晚的高度角相差不大。本跟蹤系統方位角轉動范圍是±90°，高度角是 090°。行程開關的連接電路圖如4所示，S1 表示行程開關，它處在常開狀態。本系統采用光電隔離耦合器，實現行程開關和單片機電路的電氣互連。使用光耦主要是基于以下考慮：響應速度加快。電磁繼電器響應延遲時間要幾毫秒，而光電隔離藕合器的響應延遲時間只有左右。抗干擾能力加強，穩定性得到提高。光電隔離藕合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯系，也沒有共地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻卻很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電隔離耦合器饋送到另一邊去，從而被有效的抑制了。圖4行程開關 S1

10、 處于常開狀態，機械裝置的方位軸在正常的工作范圍內時，發光二極管不發光，三極管處于截止狀態，因而輸入單片機/INT0 端口的是高電平；當機械裝置的方位軸轉到極限狀態時，行程開關 S1 的機械觸頭動作，使常開狀態的行程開關閉合，發光二極管導通發光，從而使得三級管導通，/INT0 變為低電平。可以看出，方位軸在正常的工作范圍到極限位置時，單片機/INT0 端口會接受到一個負脈沖。正好把單片機的外部中斷 0（/INT0）設置成下降沿觸發輸入，并且中斷優先級設置成高級。每當單片機/INT0 口撲捉到下降沿，系統便立刻響應最高級外部中斷，調用中斷處理程序，使跟蹤平臺向東方，回歸初始位置。3.4步進電機驅

11、動電路步進電機是純粹的數字控制電機，它是一個將電脈沖信號轉變成角位移（或直線位移）的執行機械，即給定一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度。用戶可以通過控制脈沖的個數來控制角位移，從而達到準確定位的目的。步進電機的驅動控制器主要是由脈沖發生器，脈沖分配器和功率放大器等環節組成，如圖5所示。脈沖發生器產生某些頻段連續變化的脈沖信號。脈沖發生器脈沖分配器功率放大器電源步進電機圖53.5 雙軸機械跟蹤定位系統機械部分主要由電池板支架、底座、兩轉動軸和直流電機構成, 整個電池板及檢測裝置安裝在圖5中上部的電池板支架上, 光電二極管檢測平面和電池板面應平行。太陽能器自動跟蹤裝置設計成雙軸機械跟蹤定位系統,

12、 即可同時在方位角和高度角兩個方向上跟蹤。機械裝置由電機驅動, 可以使電池板在水平方向上的360°和垂直方向上的090°之間自由旋轉。2個轉動軸的轉動部位都安裝軸承,使摩擦力減小, 以降低方位角和高度角兩直流電機的調整功率。在轉動軸上各固定一較大的齒輪, 電機可通過傳送帶與小齒輪連接, 并進行一定的轉速比調整, 以降低大齒輪轉速和電機的調整功率。在兩小齒輪的對稱放置上各安裝2 塊小磁鐵, 在小齒輪旁邊適當位置安裝一個干簧管(干簧繼電器) ,并調整其位置使小齒輪上的磁鐵在經過干簧管時, 干簧管能閉合。將此信號送由單片機進行判斷, 就能檢測到轉動的角度。單片機送出方位角和高度角

13、電機的正反轉控制信號, 經兩路三級管和繼電器分別加在方位角和高度角這2 個電機上, 這樣就構成了方位角和高度角的跟蹤機構。另外, 在兩個大齒輪邊宜安裝一鎖定裝置, 在方位角和高度角沒有調整時, 該鎖定裝置通過安裝在彈簧上(彈簧的另一端固定在大齒輪的軸心位置) 的鐵片, 鎖定齒輪, 以防因系統自重和外界因素導致方位角和高度角自行移動。在單片機發出正反轉調整信號時, 同時也驅動接通電磁閥, 拉動該鐵片, 以解除鎖定。3.6電源模塊由于本系統需要電池供電，且內部各電路工作電壓差別較大，我們考慮了如下方案為系統供電。（1）電池 采用12V蓄電池為步進電機供電。將12V電壓降壓、穩壓后給電路各系統和芯片

14、供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低，是我們使用該方案的原因。（2）穩壓電路由于，系統中各部分工作電壓不同，主要分為電機驅動電路電源，單片機控制電路電源2部分。5 V電源（單片機控制系統）電路原理圖如圖6，圖中，JI2是12V（交流電）輸入接頭，經過整流橋D2和濾波電容C5、C6后, 到達U2三端穩壓管7805，他將12V電池電壓穩定在5V，供給信號拾取電路及信號放大電路使用，D6v是為了防止外接電源接反而設的保護二極管。7805輸出的5V電壓經過C7-C

15、8進一步濾波后，通過JO2輸出。在調試、演示時采用外接12 V直流電源, 以節省調試、演示時用電的費用與充電時間， 比賽時采用一體化大容量高能量可充電電池, 保證工作時電源供電的可靠性。圖6 5V電源原理圖3.7 時鐘電路 由于系統中要進行時間的控制，因此需要使用時鐘電路。若使用單片機計時，則時間長了會引起較大的誤差，需要使用串行實時時鐘芯片。我們選擇 DALLAS公司生產的串行實時時鐘芯片 DS1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時序控制，且具有寫保護位，抗干擾效果好，同時體積小，連線少，外圍只有一32.768KHz 晶振，使用靈活。DS1302 實時時鐘，可對秒、分、時、日、周、

16、月以及帶閏年補償的年進行計數，具有 31×8RAM ，可供保存有用數據。用于時鐘或RAM 數據的讀/寫具有單字節或多字節(也稱脈沖方式)數據傳送方式。采用雙電源(主電源和備用電源) 供電。圖7DS1302 慢速充電時鐘芯片包括實時時鐘/日歷和 31 字節的靜態 RAM，經過一個簡單的串行接口與單片機通信。實時時鐘/日歷提供秒、分、時、日、月和年等信息，對小于 31 天的月末的日期進行調整，還包括閏年的校正功能。時鐘的運行可采用 24 小時或帶上午和下午的 12 小時格式。DS1302 與單片機的通信僅需三根線即 SCLK（串行時鐘線）、I/O（數據線）、RST（復位線）。數據可以按每

17、次一個字節或多達 31 個字節的形式傳送到時鐘 RAM 或從中送出。DS1302 還有另外的功能：即用于主電源和備用電源相連接的雙電源引腳 VC1和 VC2。DS1302 由 VC1 和 VC2 兩者中較大者供電，當 VC2 大于 VC1+0.2 時，VC2 給 DS1302 供電。當 VC2 小于 VC1 時，VC1 給 DS1302 供電，使系統在沒有主電源的情況下也能保持時鐘的連續運行。此外，它還提供可編程的 VC1 慢速充電功能，從而對備用電池進行充電。DS1302 主要引腳有：X1，X2 連接 32.768kHz 晶振。GND：電源地。RST：復位，用于對芯片操作。I/O：數據輸入、

18、輸出引腳。SCLK：串行時鐘輸入 VCC1，VCC2：后備電源和主電源。電路圖如7所示，才用 BT1 電池供電，當單片機斷電時，能啟動后備電池對 DS1302 供電，需保證時鐘能正常運行，所以采用了雙電源技術。四、單片機控制電路單片機選用低損耗、高性能、CMOS 八位微處理器AT89C51, 片內有8k 字節的可擦寫存儲器, 4組IPO 口。若要求的存儲量較多, 則可改用STC89 系列高性能單片機。五、系統電路圖與工作原理電原理圖圖8為整個系統的電原理圖。電源部分和部分重復的光電檢測單元、高度角的三級管和繼電器(和圖中方位角的相同) 沒有畫出。圖中D0 為置于外部環境中的光電二極管, 通過調

19、整R20 , 可使在外界沒有光線時, 單片機P17 腳檢測到低電位, 以判斷晝夜。D1 為置于圓柱體中央的光電二極管。適當調整R0 和R1 的值, 使當圓柱體中的光電二極管D1 在受到光照時運放A1 能輸出高電平(1) ,而D1 在沒有受到光照時輸出低電平(0) 。其他各路也同樣處理。K1、K2 為行程開關, 用于檢測的方位角和高度角的初始位置。繼電器的兩組觸點一緩步用于控制電機的轉動, 另一組同時接通電磁閥,解除鎖定。圖8 系統的電原理圖工作原理系統的框圖如下: 開機后先進行時間校正, 調用全自動調整子程序, 在開機后的第一次調整時,開始CALL時間矯正讀DS1302時分CALL自動調整存時

20、，分，值CALL鍵盤掃描，延時D0=0？天暗了?CALL全自動調整整判斷時間是否為整20分？D1=1？有光照？D0=0？天暗了?值是否為最低時間的，值令電機AB轉動將值置為最低時間的，值主程序NN讀入原存的時分值，并令電機AB轉到值YNNYN（陰天）YY圖9 主程序框圖圖D7，D8，D0=1？有光照？D3，D4，D5=1？有光照？方位角電機A停轉D2=1？有光照？D6=1？有光照？高度角電機B停轉D1=1？有光照？陰天，返回調整不成功RET自動調整子程序高度角電機B正轉檢測高度角增加量存儲值，返回調整成功高度角電機B反轉檢測高度角減少量水平方位角電機A正轉檢測方位角增加量水平方位角電機A反轉檢

21、測方位角減少量NYYYNNYNYN圖10 自動調整子程序框圖在光線正常時, 程序每隔20 分鐘進行一次校正, 這樣既可以保持較高的發電效率又可以防止過多的電能消耗在電機上。當晴天校正成功后, 將時(1 - 24) 和分(用1、2、3 表示0、20 、40 分) 組成一個字節來表示時間, 方位角和高度角合用2 個字節, 其中水平方位角占9 位, 高度角占7 位, 最大可分別表示512 和128 , 故足以達到10 的精度, 將這三個字節存儲到89C52 的指定的RAM區中。如陰天調整不成功, 則不予存儲, 改為調用前次在同一時間調整成功時的位置。這樣既可以在陰天時, 調用已存儲的晴天時的太陽位置

22、, 也可以在晴天時自動校正, 清除因不同季節太陽位置的變化而產生的積累誤差。一個校正點要用3 個字節, 若1 個小時校正4 個點(間隔20 分鐘) , 一天假定調整14 個小時, 則共要用到126 個字節。而AT89C52 片內有256 字節RAM, 足可視需要將時間間隔改為10 分鐘。時間校正子程序N1=1讀DS1302內時間（時分）時N2，分N3LED依次顯示N1，N2按+鍵按鍵按NEXT鍵Next=2？N1=N1+1Next=3？將所得時分送DS1302RETLED右2位加1LED右2位減1存N1和LED右2位LED依次顯示N1，N3（只畫時分調整部）分YNYNNYYNNY 圖11 時間校正子程序框圖全自動調整子程序電機復位，調整高度角豎直方向（0度）方位角也為0度（通過行程開關定位）調整高度角為45度方位角電機A正向轉動方位角檢測計數（增加）=一周電機B反轉檢測值RET電機A停轉電機A停轉，存儲值電機B停轉，存儲值電機B正轉，檢測值YNYNYNY陰天D8或D4或D1=1？有光照N（方位角調整OK！）D1=1？有光照（高度角調整OK！）D8=1？有光照圖12 全自動調整子程序框圖六 結論該太陽光跟蹤系統的最主