齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGEII摘要世界正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅，太陽能作為一種新型能源具有儲量無限、普遍存在、利用清潔、使用經(jīng)濟等優(yōu)點，但是太陽能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這就使太陽能設(shè)備對太陽能的利用率不高，對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。太陽光入射角光電檢測跟蹤裝置解決了太陽能利用率不高的問題，據(jù)實驗在相同條件下,采用光電檢測跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，因此在太陽能利用中進(jìn)行光電檢測跟蹤是十分必要的。本論文嘗試設(shè)計一種能夠自動跟蹤太陽光照射角度的雙軸自動跟蹤系統(tǒng)以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率。在設(shè)計中首先對用到的硬件部分進(jìn)行比較和選取，其次利用仿真軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真和調(diào)試。設(shè)計中采用四個光敏電阻對比所受光照強度，當(dāng)該板未對準(zhǔn)太陽時，因角度差會造成光敏電阻上所接受的光強不同，從而產(chǎn)生微弱的壓差，該壓差與標(biāo)準(zhǔn)壓差送入電壓比較器中進(jìn)行比較輸出，得出四路高低電平的信號變化，該變化信號就是太陽方位的實時反應(yīng)，這四路信號送入H橋電機驅(qū)動芯片中，驅(qū)動兩電直流電機按相應(yīng)的方位進(jìn)行位移，當(dāng)位移過程中控制板對準(zhǔn)太陽時，芯片無輸出電機進(jìn)入鎖定狀態(tài)，最終達(dá)到實時跟蹤的目的。太陽光入射角光電檢測裝置不僅可以作為演示實驗裝置，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈敏度高,受外界環(huán)境影響較低，還可以擴展為實用的太陽能發(fā)電的自動跟蹤系統(tǒng)，有較好的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：太陽入射角；光敏電阻；直流減速電機；光電檢測跟蹤AbstractTheworldisfacingaseriousthreatofdepletionoffossilfuelssuchasoilandcoal,andunlimitedsolarenergyasanewenergyreserves,theprevalenceofuseofcleaning,theuseofeconomicadvantages,butsolarenergyandtheexistenceoflow-densityandintermittentandspatialdistributionandchangesinilluminationdirectionandintensitywiththetimechanging,whichmakestheutilizationofsolarenergyequipmentforsolarenergyisnothigh,ahigherdemandonthecollectionanduseofsolarenergy.Solvetheproblemofsolarenergyutilizationisnothighforthesunlightincidenceanglephotoelectricdetectionandtrackingdevicestoimproveby35percent,accordingtotheexperimentunderthesameconditions,usingopticaldetectionandtrackinginthegeneratingcapacityofpowergenerationequipmentthanthefixedpowergenerationequipment,intheutilizationofsolarenergyphotoelectricdetectionandtrackingisessential.Thispaperattemptstodesignawaytoautomaticallytrackthesunlightangleofthedualaxisautomatictrackingsystemtoimprovethesolarcellconversionrate.Firstusedinthehardwaresectioninthedesignandselection,followedbytheuseofsimulationsoftware,simulationanddebuggingoftheentiresystem.Thedesignusesfourphotosensitiveresistancecomparedsufferedlightintensity,whentheboardatthesun,theangledifferencewillcausethephotoresistoracceptedintensity,resultinginaweakpressuredifference,thepressuredifferenceandthestandardpressuredifferenceintoavoltagecomparatortocomparetheoutputobtainedfourhigh-lowsignalchanges,thechangesignalisreal-timeresponseofthesunposition,thisfour-waysignalintotheH-bridgemotordriverchip,drivetwoelectricDCmotorcorrespondingpositiondisplacementwhenthedisplacementprocessinthecontrolpanelatthesun,chip-freeoutputofthemotorintothelockedstate,andultimatelyachievethegoalofreal-timetracking.SunlightincidenceangleopticaldetectiondevicenotonlyasaDemonstrationDevice,asimplestructureandlowcostandhighsensitivity,bytheoutsideworldwithlowenvironmentalimpactcanalsobeextendedtopracticalautomatictrackingsolarpowersystem,betterpromotetheuseofvalue.Keywords：Solarincidentangle；Photosensitiveresistance；Dcgearmotor；PhotoelectricdetectionandtrackingPAGEIV目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 51.1課題背景 51.1.1能源短缺 51.1.2環(huán)境污染 51.1.3溫室效應(yīng) 51.2太陽能的特點 61.3國內(nèi)外太陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀 61.4太陽入射角光電檢測跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 81.4.1單軸檢測跟蹤 81.4.2雙軸檢測跟蹤 81.4.3高度角—方位角式光電檢測跟蹤 81.5課題研究的目的和意義 81.6論文的結(jié)構(gòu) 9第2章太陽光電檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計 102.1光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計要求 102.2太陽照射規(guī)律 102.2.1地球圍繞太陽的運行規(guī)律 102.2.2太陽高度角和方位角的確定 112.3太陽光檢測跟蹤裝置的比較和選取 122.3.1視日運動軌跡跟蹤 132.3.2天文觀測和氣象臺的太陽光電檢測跟蹤裝置 152.3.3光電壓差式太陽檢測跟蹤裝置 152.3.4系統(tǒng)跟蹤方式的選擇 162.4本章小結(jié) 16第3章光電檢測跟蹤系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計 173.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及原理 173.2直流電機的特性和選型 183.2.1直流電機的特性 183.2.2直流電機的選型 183.3直流減速電機驅(qū)動芯片的選取 193.4四通道電壓比較器的選擇 213.5三端穩(wěn)壓芯片的選取 223.6本章小結(jié) 23第4章光電檢測跟蹤系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計 244.1仿真軟件Proteus 244.1.1Proteus仿真軟件的特點： 244.1.2ISIS智能原理圖繪制系統(tǒng) 244.2Proteus仿真步驟 254.3光敏電阻的電路設(shè)計 274.4四通道電壓比較器的電路設(shè)計 284.5LED顯示電路設(shè)計 294.6三端穩(wěn)壓電路設(shè)計 294.7 直流電機驅(qū)動電路設(shè)計 304.8本章小結(jié) 33第5章系統(tǒng)仿真和調(diào)試 345.1系統(tǒng)整體仿真原理圖 345.2仿真后的結(jié)果顯示 345.2硬件和軟件的調(diào)試 375.3本章小結(jié) 38結(jié)論 39參考文獻(xiàn) 40附錄1電路圖 41附錄2實物圖 42附錄3元器件清單 43致謝 44PAGE45第1章緒論1.1課題背景隨著時代的前進(jìn)，人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時人類社會的負(fù)擔(dān)和責(zé)任也隨之增加。能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，社會經(jīng)濟發(fā)展得越快，人類對能源的需求就越大，利用能源時可能對環(huán)境造成較大程度的破壞。目前世界的主要能源是由吸收太陽能的植物經(jīng)億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等。其中能源短缺、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)使得世界能源問題日益嚴(yán)峻，相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會可持續(xù)能源的希望所在。1.1.1能源短缺世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計近10年內(nèi)化石燃料(煤、石油與天然氣等)能量消耗增加了近20倍，預(yù)計今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲量只能用到2050年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持200—300年。1.1.2環(huán)境污染由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有非常多的硫、氨等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土。1.1.3溫室效應(yīng)化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化。這一問題己提到全球的議事日程，有關(guān)國際組織已經(jīng)召開多次會議，限制各國二氧化碳等溫室氣體的排放量。能源問題關(guān)系到經(jīng)濟是否能夠可持續(xù)發(fā)展，一次能源的日益枯竭，已引起全世界的極大關(guān)注。現(xiàn)在人們常用的一次能源有煤炭、石油、原子能等，占人們能源消費的大部分的煤炭和石油都是有限的、不可再生的。據(jù)有關(guān)資料顯示：石油儲量的綜合估算，可支配的化學(xué)能源的極限大約為，以1995年世界石油的年開采量計算，石油儲量大約在2050年左右宣告枯竭；天然氣儲備估計在，年開采量維持在，將在57—65年內(nèi)枯竭；煤的儲量約為，1995年煤炭開采量為3億噸，可以供應(yīng)169年；鈾的年開采量目前為每年，根據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀(jì)30年代中期，核聚變在2050年前沒有實現(xiàn)的希望。能源短缺的形勢很嚴(yán)峻，當(dāng)前世界多數(shù)國家對能源問題都很重視。新能源技術(shù)及節(jié)能技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。太陽能、綠色生物能、燃料電池、海洋能等新能源的研究與應(yīng)用為人們描繪出希望。其中太陽能應(yīng)用技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在全世界蓬勃發(fā)展，使人們在能源危機的焦慮中感到不少欣慰。1.2太陽能的特點太陽是一個巨大的能源，萬物生長都要依靠太陽，地球上絕大部分能源歸根究底是來自太陽的。煤炭，石油都是古時候由動物或植物存儲下來的太陽能。全世界人們一年所用的各種能量之和也只有到達(dá)地球表面的太陽能的數(shù)萬分之一，因此利用太陽能的潛力是十分大的。而相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會能源的希望所在。太陽輻射能與煤炭，石油，核能相比較。有如下的優(yōu)點:1.儲量的“無限性”太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用能量巨大。太陽放射的總輻射能量大約是KW，極其巨大的。其中到達(dá)地球的能量高達(dá)KW，穿過大氣層到達(dá)地球表面的太陽輻射能大約為KW。在到達(dá)地球表面的太陽輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為KW，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球能源的時間可以是無限的。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源缺乏、枯竭的最有效途徑。2.存在的普遍性雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻但相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。3.利用的清潔性太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲量的無限性，是人類理想的替代能源。4.利用的經(jīng)濟性可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用已具經(jīng)濟性。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟性將會更明顯。1.3國內(nèi)外太陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀日本是世界上太陽能開發(fā)利用第一大國，也是太陽能應(yīng)用技術(shù)強國。太陽能技術(shù)日益創(chuàng)新，能量轉(zhuǎn)換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽能的利用分為太陽光能和熱能兩種。太陽光能發(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。從2000年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽能發(fā)電裝機容量約為KW，占世界太陽能發(fā)電裝機容量的46%，到2010年達(dá)到KW，增加約6倍之多。德國已經(jīng)在太陽能系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗，發(fā)明了一系列高效的太陽能系統(tǒng)。1990年德國政府推出了“一千屋頂計劃”，至1997年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量4千瓦，累計安裝量已達(dá)3.3萬千瓦。根據(jù)德國聯(lián)邦太陽能經(jīng)濟協(xié)會的數(shù)字，在過去的幾年中，德國太陽能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其他國家平均水平高出一倍。目前，美國太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005年，美國光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到，排在日本和德國之后，居世界第3位。為了降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國政府最近制定了陽光計劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材料的研發(fā)，提高太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，美國正在新建幾座新的太陽能電站。太陽能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，據(jù)美國博士對世界一次能源替代趨勢的研究結(jié)果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽能占第二位。在不遠(yuǎn)的將來，太陽能將取代核能占第一位，因此我們要加強對太陽能的利用和發(fā)展的重視。太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的重要方式，隨著國家西部開發(fā)政策的推行及光明工程的實施，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)取得了較快發(fā)展。在我國廣闊富饒的土地上，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽能輻射量為，中值為。我國太陽能資源豐富和比較豐富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時數(shù)大于2200h，太陽輻射總量高于，面積約占全國總面積的2/3以上。目前我國已建成的較大的光伏電站有西藏雙湖25KW光伏電站，西藏安多100KW光伏電站以及目前中國最大的新疆北塔山牧場150KW太陽能光伏電站等。這些電站都建在光照充足，地理位置偏僻，電網(wǎng)不能到達(dá)的地區(qū)。近來一些幾瓦到幾百瓦的中小型光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽能交通警示燈，高速公路上的太陽能廣告牌，太陽能路燈等。總之，大力發(fā)展太陽能利用技術(shù)，提高太陽能利用率是節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。雖然我國太陽能發(fā)電水平有了相當(dāng)程度的提高，但是離大規(guī)模的應(yīng)用推廣還有很大的距離，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)還處于成長期，我們還應(yīng)該向發(fā)達(dá)國家引進(jìn)最新的技術(shù)。在不久的將來隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，提高太陽能利用率的系統(tǒng)成本會越來越低，性能會越來越好，應(yīng)用的領(lǐng)域會越來越寬廣。1.4太陽入射角光電檢測跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下三種檢測方式：單軸檢測跟蹤、雙軸檢測跟蹤、高度角—方位角光電檢測跟蹤。1.4.1單軸檢測跟蹤單軸檢測跟蹤一般采用：傾斜布置東西跟蹤；焦線南北水平布置，東西跟蹤；焦線東西水平布置，南北跟蹤。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向跟蹤，工作原理基本相似。跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸(或焦線)東西向布置，根據(jù)事先計算的太陽方位的變化，太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動跟蹤太陽。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時太陽能接收率最大；而在早上或下午太陽光線都是斜射。單軸跟蹤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的主光軸平行，接收太陽能的效果并不理想。1.4.2雙軸檢測跟蹤雙軸檢測跟蹤又可以分為兩種方式：極軸式全跟蹤和高度—方位角式全跟蹤。太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面繞極軸運轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽方位角：反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動是為了適應(yīng)太陽高度角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計比較困難。1.4.3高度角—方位角式光電檢測跟蹤高度角—方位角式光電檢測跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤。太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分根據(jù)太陽的視日運動繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的傾斜角，從而使能量轉(zhuǎn)換部分所在平面的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點是跟蹤精度高，而且太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較容易。1.5課題研究的目的和意義本課題靈感來源于向日葵，當(dāng)太陽光線發(fā)生變化時向日葵可以隨著光線轉(zhuǎn)動，提高了光合作用的效率。因此課題研究的主要目的是設(shè)計出一種基于光電傳感器的太陽光線自動跟蹤檢測裝置，該裝置能自動跟蹤太陽光線的運動，保證太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽光線垂直，使接受到的太陽能始終保持最大化，從而提高設(shè)備對太陽能的利用率。本次課題研究的意義：解決了當(dāng)下大部分太陽能發(fā)電裝置對太陽能應(yīng)用率不高的問題，使太陽能接受裝置可以對實時發(fā)生變化的光源進(jìn)行跟蹤檢測。為太陽能的利用提出了更有效的方式方法，對于現(xiàn)階段的能源危機提供了一定的幫助。1.6論文的結(jié)構(gòu)第一章，緒論主要闡述了課題的研究背景、目的及意義，以及國內(nèi)外太陽能的利用現(xiàn)狀、太陽追蹤方式的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章，主要是對太陽光入射角光電檢測系統(tǒng)進(jìn)行總體的設(shè)計，確定了系統(tǒng)最佳的跟蹤檢測方案。第三章，主要是系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，其中包括直流電機、電機驅(qū)動器、電壓比較器、三端穩(wěn)壓器等各個模塊的選取和優(yōu)點。第四章，主要是系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，其中包括proteus軟件的介紹和每一步的仿真過程。第五章，主要是仿真和調(diào)試，其中包括仿真最后的結(jié)果和對軟件、硬件的調(diào)試。第2章太陽光電檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計2.1光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計要求本系統(tǒng)研制的出發(fā)點是更加有效的利用太陽能。對太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉(zhuǎn)化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確定了使用太陽能電池板把太陽能量轉(zhuǎn)化為電能。對太陽能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的時候，由于太陽的位置是隨著時間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨太陽改變，只能在固定時段有效的吸收太陽能，在其他時段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系統(tǒng)對太陽進(jìn)行實時跟蹤是可行和有效的。本課題中采用的是機電一體裝置，采用兩個直流減速電機雙維錯位放置，通過控制板驅(qū)動平臺，達(dá)到將平臺最終對準(zhǔn)太陽的目的，從而提高吸收效率。本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。根據(jù)本系統(tǒng)的整體要求，裝置的各組成部分應(yīng)該選用常用而且性價比與可靠性較高的構(gòu)件，充分考慮其經(jīng)濟性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要使系統(tǒng)機構(gòu)盡量簡潔，避免過于復(fù)雜和昂貴，要便于安裝和維護(hù)。在控制部分的設(shè)計中，要考慮到系統(tǒng)的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強的執(zhí)行元件，避免頻繁發(fā)生系統(tǒng)故障。2.2太陽照射規(guī)律2.2.1地球圍繞太陽的運行規(guī)律眾所周知，地球每天圍繞通過南極和北極的“地軸”自西向東自轉(zhuǎn)一周。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為二十四小時，所以地球每個小時自轉(zhuǎn)15°。地球除了自轉(zhuǎn)外，還繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道上運行，稱為“公轉(zhuǎn)”，其周期為一年。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運行的軌道面法線傾斜成23°27′的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。因此，地球處于運行軌道不同位置時，陽光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。假設(shè)觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對太陽在天球上的周年視運動情況做如下描述。每年的春分日(3月12日)，太陽從赤道以南到達(dá)赤道(太陽的赤緯占)，地球北半球的天文春季開始。在周日視運動中，太陽出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長。太陽在正午的高度等于(為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?。春分過后，太陽的生落點逐日移向北方，白晝時間增長，黑夜時間縮短，正午時太陽的高度逐日增加。夏至日(6月2秋分日(9月23日)，太陽又從赤道以北到達(dá)赤道(太陽的赤緯秋分過后，太陽的生落點逐日移向南方，白晝時間縮短，黑夜時間增長，正午時候太陽的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太陽正午高度達(dá)最小值，黑夜最長，這時地球北半球天文冬季開始。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時白晝增長，太陽的升落又趨向正東和正西，直到春分日(2.2.2太陽高度角和方位角的確定太陽光線與地球赤道面的交角就是太陽的赤緯角，以占表示。在一年中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過士23°27′的范圍。夏天最大變化到夏至日的+23°27′；冬季最小變化到冬至日的-23°27′。太陽赤緯隨季節(jié)變化，按照Coper方程計算：（2-1）式中n為一年中的天數(shù)，如:在春分，n=81，則，自春分日起的第d天的太陽赤緯為:（2-2）太陽角的計算：如圖2-1所示，指向太陽的向量S與天頂Z的夾角定義為天頂角，用表示；向量S與地平面的夾角定義為太陽高度角，用h表示；向量S在地面上的投影線與南北方向線之間的夾角為太陽方位角，用表示。太陽的時角用表示，它定義為:在正午時，每隔一個小時增加15°，上午為正，下午為負(fù)。圖2-1太陽角的定義（1）太陽高度角計算太陽高度角的表達(dá)式為：（2-3）式中，滬為地理緯度；占為太陽赤緯；口為太陽時角。正午時，，，(2-3)式可以簡化為：因為，，所以（2-4）正午時，若太陽在天頂以南，即>，取從而有，（2-5）在南北回歸線內(nèi)，有時正午時太陽正對天頂，則有，從而h=90°。（2）太陽方位角太陽方位角按下式計算，(2-6)也可用下式計算，(2-7)根據(jù)地里緯度，太陽赤緯以及觀測時間，利用式(2-6)或者式(2-7)中的任意一個可以求出任何地區(qū)，任何季節(jié)某一時刻的太陽方位角。利用太陽高度角和方位角的數(shù)學(xué)模型，就可以在固定緯度，固定時段計算出太陽在此條件下的方位。從而可以通過控制使光伏系統(tǒng)朝向太陽位置對其進(jìn)行有效跟蹤，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。2.3太陽光檢測跟蹤裝置的比較和選取目前，國外對于太陽光電檢測跟蹤裝置(或稱為太陽跟蹤器)的研究有，美國科學(xué)家Blackace，在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器對太陽能的熱接收率提高了15%。1998年美國加州成功的研究了八JM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多能量，使熱收率進(jìn)一步提高。JoeLH.Godman研制了活動太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏季能量的獲取率。2002年2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。1994年在德國北部，太陽能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽能跟蹤裝置1321。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實現(xiàn)了單軸被動式太陽跟蹤。近幾年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究。1929年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)。1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器，完成了單軸跟蹤，國家氣象局計量站在1990年研制了FST型全自動太陽跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽輻射觀測。目前國內(nèi)外采用的跟蹤太陽的方法有很多，但不外乎三種方式:(1)視日運動軌跡跟蹤；(2)光電跟蹤；(3)天文觀測和氣象臺的太陽光電檢測跟蹤裝置。下面就這三種跟蹤方案做一個簡要的介紹和比較。2.3.1視日運動軌跡跟蹤不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽運行的位置變化都是可以預(yù)測的，通過數(shù)學(xué)上對太陽軌跡的預(yù)測可完成對日跟蹤。太陽跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系較為直觀方便，操作性強，但也存在軌跡坐標(biāo)計算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時角在日地相對運動中任何時刻的具體值卻嚴(yán)格已知，同時赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運動密切相關(guān)，于是通過天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽和觀測者位置之間的關(guān)系。根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時間來確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。在設(shè)定跟蹤地點和基準(zhǔn)零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標(biāo)公式自動運算太陽的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動信號，實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點。 參考目前世界通用的算法，涉及到赤緯角和時角的大致有二種算法:算法l，采用中國國家氣象局氣象輻射觀測方法；算法2，采用世界氣象組織氣象和觀測方法。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復(fù)雜，計算量的增大會增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。同時，還要通過儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點處于地面水平面內(nèi)。太陽在天球上的位置可由太陽高度角和太陽方位角確定。太陽高度角α又稱為太陽高度或太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面之間的夾角()，可由下式計算得出：(2-8)（2-9）式中：各角度單位均為度。其中，為當(dāng)?shù)鼐暥冉牵粸樘柍嗑暯牵悍趾颓锓謺r，夏至?xí)r，冬至?xí)r；ω為時角，是用角度表示的時間；n為1年中的日期序號，從1月1日開始，n=1，每往后加一天，即n=n+1。太陽方位角是指太陽光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，即： (2-10)式(2-8)和(2-10)中的赤緯角和時角的計算需要通過時間確定。由于太陽在一年中的時角運動很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時間采用平均太陽時(簡稱平太陽時，t)，即太陽沿著周年運動的平均速率。真太陽時(即太陽時，)與平太陽時之差即稱為時差，在工程計算中就會存在時差問題。因此，必須采用真太陽時，以達(dá)到實際計算中的精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時，可以根據(jù)定時標(biāo)準(zhǔn)來校正時差值，我國區(qū)域的時差e確定如下：(2-11)(2-12)(2-13)式中：longitude為光伏發(fā)電地點的地理經(jīng)度，中國地區(qū)的北京標(biāo)準(zhǔn)時間的經(jīng)度為120°；t為北京時間。因為地球每24h自轉(zhuǎn)1圈，所以每15°為1h；且正午時，時角，上午時，下午時，則可由下式計算得到，即： (2-14)當(dāng)太陽在正南方向時，式(2-10)中的方位角；正南以西時，；正南以東時，。為有效跟蹤太陽的位置，除了要計算出太陽的實時位置外，還需要知道具體某天的日出時角和日落時角。由于日出日落時，太陽高度角，因此由式(2-8)可計算出： (2-15)且根據(jù)時角(上午時，下午時)，得到日出時角的表達(dá)式為： （2-16） （2-17）計算出日出時角和日落時角后，由式(2-14)可得出日出時間和日落時間，即： （2-18） （2-19）2.3.2天文觀測和氣象臺的太陽光電檢測跟蹤裝置太陽跟蹤裝置除了用作太陽能利用裝置以外，還常用于天文臺和氣象臺對太陽活動的跟蹤觀察。隨著天體光學(xué)的發(fā)展，十九世紀(jì)中葉之后，相繼出現(xiàn)了折軸望遠(yuǎn)鏡、定日鏡、定天鏡等。這些裝置靠互相垂直的兩條軸旋轉(zhuǎn)跟蹤天體，最常用的兩軸裝置有地平式和赤道式兩種。自人造天體發(fā)射后又出現(xiàn)了三軸、四軸式跟蹤器。這些跟蹤器主要分為兩類:一類是望遠(yuǎn)式，它接受太陽的垂直入射;另一類是定日式，它將太陽光反射到所設(shè)計的固定方向，太陽作周日視運動，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運動，抵消地球自轉(zhuǎn)，使儀器法向保持指向天球某一固定的赤經(jīng)方向，緯軸則保證儀器法向的赤緯和太陽赤緯相同，實現(xiàn)跟蹤。這種跟蹤裝置主要應(yīng)用于科研，因此最應(yīng)保證的是機構(gòu)的精度，其造價相對也比較昂貴。未來的太陽跟蹤裝置應(yīng)采用全自動跟蹤陣。全自動太陽跟蹤裝置根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，機構(gòu)設(shè)計朝著高精度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，在有限的接受面積上最充分的應(yīng)用太陽能，降低裝置的成本;控制采用光、機、電一體化技術(shù)，通過對太陽光強弱的檢測，實現(xiàn)對太陽的全自動跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域中。裝置由光敏探頭檢測太陽光強，通過跟蹤控制器，采用模擬壓差比較原理進(jìn)行比較，發(fā)出命令，驅(qū)動機械部分轉(zhuǎn)動。限位裝置有東、兩、上、下四個極限限位功能，跟蹤精度高，范圍寬，有自動返回功能。計算機測控系統(tǒng)實現(xiàn)了對充電電壓，充電電流，跟蹤光強、風(fēng)速、電瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集、處理、顯示和打印，根據(jù)各模擬量的瞬時值，實現(xiàn)防風(fēng)，報警控制，蓄電池的充電、放電和分級控制等功能，對設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。2.3.3光電壓差式太陽檢測跟蹤裝置光電壓差式太陽檢測跟蹤裝置，采用兩個電機雙維錯位放置，通過控制板驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動，達(dá)到將平臺最終對準(zhǔn)太陽的目的。控制系統(tǒng)原理：采用四個光敏電阻交叉對比所受光照強度，當(dāng)該板未對準(zhǔn)太陽時，因角度差會造成兩兩對應(yīng)的光敏電阻上所接受的光強不同，從而產(chǎn)生微弱的壓差，該壓差與標(biāo)準(zhǔn)壓差送入電壓比較器芯片中進(jìn)行比較輸出，得出四路高低電平的信號變化，該變化信號就是太陽方位的實時反應(yīng)信號，這四路信號送入H橋電機驅(qū)動芯片中，驅(qū)動兩電直流電機按相應(yīng)的方位進(jìn)行轉(zhuǎn)動、位移，當(dāng)位移過程中，控制板對準(zhǔn)太陽時，芯片無輸出，電機進(jìn)入鎖定狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)了對太陽光的實時跟蹤。2.3.4系統(tǒng)跟蹤方式的選擇 由上述可以看出，前兩類視日運動軌跡跟蹤方式的算法過程十分復(fù)雜，它們的計算量的增大會增加控制系統(tǒng)的成本，為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器是否正確安裝的關(guān)系極為密切，該種方式在國內(nèi)應(yīng)用很少，相比之下第三類光電壓差式跟蹤檢測方案更加簡單實用。所以在這里我們選用的是第三類光電壓差式跟蹤方案，系統(tǒng)采用兩個電機雙維錯位放置，通過控制板驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動，達(dá)到將平臺最終對準(zhǔn)太陽的目的。這種跟蹤方案在實際中應(yīng)用比較廣泛，其主要的優(yōu)點是：整體結(jié)構(gòu)比較簡單實用，制作費用低，精度比較高，抗干擾性強，甚至可以在陰雨天等惡劣環(huán)境下工作，有足夠的工作空間，雖然承受的重量有限，但特別適用于小型的太陽能接受裝置和光電檢測跟蹤演示實驗。2.4本章小結(jié)本章節(jié)對課題研制的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了具體的要求，即經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等，此次設(shè)計的研究要以此為方向。并且研究了系統(tǒng)組成部分的構(gòu)成，材料盡量選取經(jīng)久耐用、技術(shù)成熟、性價比高、普遍可見的設(shè)備，來提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)成本。本章還簡要的敘述了太陽光入射角光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，闡述了太陽能的照射規(guī)律從而為以后的檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供一個理論基礎(chǔ)，并且闡述了各個組成部分的功能和實現(xiàn)方法，為后面的章節(jié)做鋪墊。第3章光電檢測跟蹤系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計 3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及原理本設(shè)計中通過東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的檢測跟蹤達(dá)到使接收板始終正對太陽照射角，從而達(dá)到提高太陽能利用率的目的，因此轉(zhuǎn)向部分首先需要滿足能夠進(jìn)行東西向和南北向的自由轉(zhuǎn)動。同時，此跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計還必須本著造價低廉、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡潔的原則進(jìn)行。機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上要做到結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，選件不能過大臃腫，在同等條件下，盡量選用小型的構(gòu)件。通過對目前多種太陽能采集裝置的機械結(jié)構(gòu)的收集和對比，再在幾種比較合適的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些修改以更加符合本設(shè)計的要求，最終得到系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)在東西向和南北向都有很大的轉(zhuǎn)動空間，并且結(jié)構(gòu)簡單，耗材較少，比較適合小型的太陽能跟蹤檢測系統(tǒng)的演示實驗。光電檢測系統(tǒng)的工作原理及各個部分的功能：該系統(tǒng)采用四個光敏電阻對太陽光入射角進(jìn)行光電檢測，交叉對比所受光照強度，當(dāng)該板沒有對準(zhǔn)太陽時，因角度差會造成兩兩對應(yīng)的光敏電阻上所接受的光強不同，從而產(chǎn)生微弱的壓差，該壓差與標(biāo)準(zhǔn)壓差送入四通道電壓比較器LM324芯片中進(jìn)行比較輸出，得出四路高低電平的信號變化，該變化信號就是太陽方位的實時反應(yīng)，再將輸出的四路信號送入H橋電機驅(qū)動芯片L293D中，驅(qū)動兩個直流電機按相應(yīng)的方位進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，當(dāng)位移過程中，控制板對準(zhǔn)太陽時，芯片無輸出，電機進(jìn)入鎖定狀態(tài)，最終達(dá)到跟蹤太陽光線的目的。如圖3-1，光電檢測系統(tǒng)硬件的基本組成主要有：光敏電阻、電壓比較器、三端穩(wěn)壓器、電機驅(qū)動器、直流電機、直流電源。圖3-1光電檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)3.2直流電機的特性和選型3.2.1直流電機的特性直流電動機（DCmotor）是一種將直流電轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，直流電動機可分成直流高速、直流低速和直流減速電動機等幾種。一般玩具中使用的都是直流低速低壓電動機，電動機底部一般會有兩個管腳（或引線）用于供電，其額定工作電壓為3V，電流0.15A（不帶載），轉(zhuǎn)速為5600~6800r/mim。直流低壓電動機的兩管腳施加3V的電壓，其轉(zhuǎn)軸就會以一定的速度轉(zhuǎn)動，如果交換供電極性可以使電動機反轉(zhuǎn)。對于某額定工作電壓的直流電動機來說，在允許范圍內(nèi)提高供電電壓可以增加轉(zhuǎn)速，降低電壓可減少轉(zhuǎn)速。其他直流低壓電動機還有6V、12V、24V等多種額定電壓以供選擇。3.2.2直流電機的選型本太陽光點檢測跟蹤系統(tǒng)要求能夠比較準(zhǔn)確的檢測太陽位置，因此要求驅(qū)動電機能夠準(zhǔn)確的把電信號轉(zhuǎn)化為兩個電機橫縱軸上的位移。本系統(tǒng)選取直流減速電機作為驅(qū)動電機。在挑選直流電動機時，需要根據(jù)系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和所能提供的功率綜合考慮來選擇不同的電動機。由于電動機生產(chǎn)廠家之間沒有統(tǒng)一的型號規(guī)范，所以在選購電動機時，我們可以向商家提供如工作電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，看他們有沒有相同或配套的產(chǎn)品，再進(jìn)行選擇。高速直流電機具有以下特點：(1)優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、精確、方便、范圍寬廣(2)過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載(3)可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動相反轉(zhuǎn)(4)能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)特殊運行的要求。因此特別適用于需要寬廣、精確調(diào)速的場合和要求有特殊遠(yuǎn)行性能的自動控制系統(tǒng)，例如冶金礦山、化工、機床等工業(yè)；高校、科研院所及工廠試驗室等科研機構(gòu)；由于可以用蓄電池電源供電運行，還可以用作停電時的備用電動機或在特殊環(huán)境中使用的電動機(如潛艇中的主推電機和發(fā)電機)。低速直流電機是一種小體積、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的特種控制電機，其由多級特種鋼制減速器與伺服直流馬達(dá)組成，尺寸小、重量輕、轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)緊湊而轉(zhuǎn)矩極大，特別適用于空間有限而又要求大轉(zhuǎn)矩工作的特殊場合。低速直流電機同時還與過載保護(hù)離合器和制動器相結(jié)合，大批量應(yīng)用于機器人驅(qū)動裝置和自動翻轉(zhuǎn)控制機構(gòu)，還應(yīng)用于自動翻轉(zhuǎn)裝置、工業(yè)遙控設(shè)備、自動天窗裝置、車載自動裝置、醫(yī)療器械和驅(qū)動移動設(shè)備等領(lǐng)域。直流減速電機，即齒輪減速電機，是在普通直流電機的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱，齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩，這大大提高了直流電機在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機是指減速機和電機（馬達(dá)）的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達(dá)或齒輪電機。通常由專業(yè)的減速機生產(chǎn)廠進(jìn)行集成組裝好后成套供貨。減速電機廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè)等。使用減速電機的優(yōu)點是簡化設(shè)計、節(jié)省空間。直流減速電機還有下面幾個優(yōu)點：1．減速電機結(jié)合國際技術(shù)要求制造，具有很高的科技含量。2．節(jié)省空間，可靠耐用，承受過載能力高，功率可達(dá)95KW以上。3．能耗低，性能優(yōu)越，減速機效率高達(dá)95%以上。4．振動小，噪音低，節(jié)能高，選用優(yōu)質(zhì)段鋼材料，鋼性鑄鐵箱體，齒輪表面經(jīng)過高頻熱處理。5．經(jīng)過精密加工，確保定位精度，這一切構(gòu)成了齒輪傳動總成的齒輪減速電機配置了各類電機，形成了機電一體化，完全保證了電機的質(zhì)量特征。6．減速電機才用了系列化、模塊化的設(shè)計思想，有廣泛的適應(yīng)性，有極其多的電機組合、安裝位置和結(jié)構(gòu)方案，可按實際需要選擇任意轉(zhuǎn)速和各種結(jié)構(gòu)形式。通過對直流高速、直流低速和直流減速電動機這三種電機的分析和比較，本設(shè)計采用兩個12V直流減速電機作為橫縱方向上的轉(zhuǎn)向裝置。在本設(shè)計中，考慮到驅(qū)動電機帶動的負(fù)載較小，故選用了型號為S50K的12V直流減速電機。表3-112V直流電機的技術(shù)參數(shù)型號電壓（V）空載轉(zhuǎn)速(r/min)額定轉(zhuǎn)速(r/min)扭矩(kg·cm)空載電流(mA)尺寸不含軸（mm）重量(g)S50kDC2442320.76050*36653.3直流減速電機驅(qū)動芯片的選取為了使電機在轉(zhuǎn)動過程中更加準(zhǔn)確的對太陽光的實時位置進(jìn)行檢查和跟蹤，這里將用到L293D作為兩個12V直流減速電機的驅(qū)動芯片。如圖3-2所示，L293D采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內(nèi)部邏輯生成使能信號。H橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動方向，使能信號可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D將2個H橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉(zhuǎn)動方向控制信號，IN1、IN2分別為1和0時電機正轉(zhuǎn)，反之電機反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。L293D驅(qū)動芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示：圖3-2L293D的技術(shù)參數(shù)如下：表3-2型號工作溫度最大輸出電壓最大輸出電流通道數(shù)驅(qū)動器數(shù)L293D-40℃到+150°C36V600mA44第一個也許也是最重要的一項功能是4個驅(qū)動器中的每一個都有嵌位二極管來抑制電機關(guān)斷時的反EMF。這一點很重要，因為在驅(qū)動器關(guān)閉時，所有的磁性元件都會產(chǎn)生大的電壓尖峰信號。這些大的尖峰信號是由電流斷開時正在消失的磁場引起的。因此，在線圈的兩端接一個二極管，以便防止這些反EMF干擾或者損壞任何的電子元件。L293D的另一個特性是每個驅(qū)動器有一個允許信號。不必修改驅(qū)動器控制部分，就能夠使用這些信號實現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM）速度控制。通過將電機的兩個導(dǎo)線連接在L293D模塊的各半邊，能夠使L293D輸出的控制信號來控制兩個直流電機在豎直和水平方向上正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，最終達(dá)到對太陽光線檢測跟蹤的目的。3.4四通道電壓比較器的選擇本系統(tǒng)中電壓比較器選用的是LM324。電壓比較器采用集成電路原理，它是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應(yīng)用電路。它可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運算放大器。LM324四通道電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小（用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系）：當(dāng)“+”輸入端電壓高于“－”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)“+”輸入端電壓低于“－”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；可工作在線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)，工作在線性工作區(qū)時特點是虛短、虛斷；工作在非線性工作區(qū)時特點是跳變、虛斷。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它有一些顯著優(yōu)點。該放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖3-3所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324系列由四個獨立的，高增益，內(nèi)部頻率補償運算放大器，其中專為從單電源供電的電壓范圍經(jīng)營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨立的電源電壓的幅度。應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運算放大器現(xiàn)在可以更容易地在單電源系統(tǒng)中實現(xiàn)的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的±15V電源標(biāo)準(zhǔn)的5V電源電壓。LM324在本系統(tǒng)的作用：當(dāng)光源的強度不同時，4個光敏電阻產(chǎn)生不同的電壓，通過四通道電壓比較器LM324對產(chǎn)生壓差進(jìn)行比較并輸出相應(yīng)的高低電平，驅(qū)動4個LED指示燈發(fā)光，同時輸出的4路信號作為電機驅(qū)動芯片L293D的輸入。圖3-3LM324的管腳排列圖LM324技術(shù)參數(shù)如下：表3-3LM324的技術(shù)參數(shù)型號工作溫度電壓范圍放大器數(shù)目針腳數(shù)LM3240℃到+70℃3V到32V4143.5三端穩(wěn)壓芯片的選取為了保護(hù)系統(tǒng)電路，我選用的是三段穩(wěn)壓電路，它可以起到降壓、穩(wěn)壓的作用。常用的78系列和79系列，78系列的都是三端正電源穩(wěn)壓電路，79系列的都是負(fù)電源穩(wěn)壓電路，輸入電壓一般不要太大，低于36V以內(nèi)。78、79后面經(jīng)常出現(xiàn)L或H或空白代表額定電流，如78L12代表輸出+12V的電壓。78系列的封裝形式為TO-220，它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)得保護(hù)，使它基本上不會損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，他們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來設(shè)計的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷螅湍塬@得各種不同的電壓和電流。在這里用到的是LM7806三端穩(wěn)壓器，它的輸出電壓為+6V，最大電流500毫安。它的接線方式為：字面向自己時，最左邊是1腳，中間是2腳，最右邊是3腳。如圖3-4所示：接線時1腳接電壓輸入，2腳接地，3腳接輸出端。LM7806芯片的特點：1．最大輸出電流為1.5A。2．輸出電壓為5V；6V；8V；9V；10V；12V；15V；18V；24V。3．熱過載保護(hù)。4．短路保護(hù)。5．輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)。圖3-4LM7806外形引腳排列圖管腳圖表3-4LM7806三端穩(wěn)壓電路極限參數(shù)：Parameter參數(shù)Symbol符號Value單位輸入電壓(forVO=5Vto18V)VI35V(forVO=24V)VI40VThermalResistanceJunction-Cases熱阻(結(jié)到殼)(TO-220)RθJC5℃/WThermalResistanceJunction-Air熱阻(結(jié)到空氣)(TO-220)RθJA65℃/WOperatingTemperatureRange工作溫度范圍TOPR0~+125℃StorageTemperatureRange儲存溫度范圍TSTG-65~+150℃3.6本章小結(jié)本章中闡述了太陽光入射角光電檢測裝置的機械和硬件部分的整體結(jié)構(gòu)框圖，還對系統(tǒng)所需使用的直流電機驅(qū)動芯片、直流減速電機、四通道電壓比較芯片進(jìn)行了選型與簡介。本裝置為機電一體裝置，采用兩個電機雙維錯位放置，通過四個光敏電阻交叉對比所受光照強度，當(dāng)該板未對準(zhǔn)太陽時，因角度差會造成兩兩對應(yīng)的光敏電阻上所接受的光強不同，從而產(chǎn)生微弱的壓差，該壓差與標(biāo)準(zhǔn)壓差送入四通道電壓比較器芯片LM324中進(jìn)行比較輸出，得出四路高低電平的信號變化，該變化信號就是太陽方位的實時反應(yīng)，輸出的四路信號送入H橋電機驅(qū)動芯片L293D中，驅(qū)動兩電直流電機按相應(yīng)的方位進(jìn)行位移，當(dāng)位移過程中，控制板對準(zhǔn)太陽時，芯片無輸出，電機進(jìn)入鎖定狀態(tài)，從而達(dá)到實時檢測跟蹤太陽光的目的。第4章光電檢測跟蹤系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計4.1仿真軟件Proteus本系統(tǒng)使用的仿真軟件為Proteus，它是它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真各種芯片模塊及外圍元器件。它是目前世界上唯一能使電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和模擬模型仿真軟件融合到一起的設(shè)計平臺，下面是它的特點和ISIS繪制系統(tǒng)的特性。4.1.1Proteus仿真軟件的特點：（1）完全滿足我們所提出的單片機軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。（2）具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；并且還具有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。（3）目前支持的芯片類型有：AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、LM78系列以及各種外圍芯片。（4）軟件中存在著大量型號的存儲器和外圍芯片。總之，該軟件是一款外圍芯片電路和分析于一身的仿真軟件，其功能極其的強大和完善，是其他任何一款軟件不能相比的。4.1.2ISIS智能原理圖繪制系統(tǒng)ISIS智能原理圖繪制系統(tǒng)是Preoteus系統(tǒng)的中心，它具有設(shè)計繪畫和控制原理圖的超強功能。ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)有以下特性：1．高質(zhì)量的制圖功能ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)提供給用戶完善智能的圖形外觀繪畫功能，其中包括線寬、填充類型、字符等全部的控制功能，在使用的時侯能夠生成如雜志上看到的精美原理圖，而且畫完圖可以進(jìn)行圖形文件輸出，并且可以在風(fēng)格模板中定義畫圖的外形。2．良好的用戶界面ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)擁有一個無連線的方式，用戶只需單擊元件的引腳或者先前布好的線，就能實現(xiàn)布線。除此之外，元件的擺放、編輯、移動和刪除操作都能夠直接用鼠標(biāo)來實現(xiàn)．無需去單擊菜單或圖標(biāo)來查找。3．自動走線ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)在布線的時后只要單擊想要連接的兩個元件的引腳，就能簡單地實現(xiàn)連線。在布線位置比較特殊的時候，使用者只需在特殊位置雙擊就可以完成走線。自動走線也能在元件移動的時候操作從而自動解決相應(yīng)的連線問題，并且原來的節(jié)點能夠自動重新布置或移除。既節(jié)約了時間，又避免了其他可能存在的錯誤。4．層次設(shè)計ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)支持層次構(gòu)圖的設(shè)計，模塊可以畫成標(biāo)準(zhǔn)的元件，特殊的元件能夠被定義為通過電路圖表示的模塊，并且能夠任意設(shè)定層次，在使用中還可以放置和刪除端口的子電路模塊。5．總線支持ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)提供的不僅僅是一根總線，它還能用總線的引線來定義元件和子電路。因此，一個在處理器和存儲器之間的32位的處理器總線可以用單一的線來表示，從而節(jié)省了繪圖所需要的時間和空間。6．元件庫ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)的元件庫中包含了8000個元件，其中有標(biāo)準(zhǔn)符號、三極管、二極管、熱離子管、TTL、CMOS、ECL、微處理器，以及存儲器元件、PLD、模擬Ic和運算放大器等。7．復(fù)合元件ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)的元件庫表達(dá)方式有很多種，無論是單個元件、同態(tài)復(fù)合元件、異態(tài)復(fù)合元件，還是連接器，都可以在原理圖上以獨立引腳的形式來表達(dá)，不需要所有的線都連到一個獨立元件上。8．元件特性在電路設(shè)計中的每個元件都有一定的屬性或特性。某些元件的特性直接影響到軟件的功能和特性(如PCB封裝或仿真)并且用戶也可以添加自己的特性。一旦庫建立，就能直接提供元件的默認(rèn)值及特性定義。特性定義會提供大量的特性描述，當(dāng)要修改元件時，元件的特性定義將顯示在編輯區(qū)域內(nèi)。9．報告ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)支持許多第三方網(wǎng)表格式，因此能夠被其他的軟件所使用．在設(shè)置完元件清單后就可以添加用戶所需的元件屬性，也可設(shè)置屬性列從而挑選與設(shè)計需要相符合的元件屬性。ERC報告可以列出可能的連線錯誤，如末連接的輸入、矛盾的輸出及未標(biāo)注的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號等問題都會在報告中指出。4.2Proteus仿真步驟1．進(jìn)入ProteusISIS雙擊桌面上的ISIS7Professional圖標(biāo)或者單擊屏幕左下方的“開始”→“程序”→“Proteus7Professional”→“ISIS7Professional”。如圖4-1所示，表明已進(jìn)入ProteusISIS的集成環(huán)境。圖4-1啟動時的屏幕2．工作界面ProteusISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，如圖4-2所示。包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口等。頁面的最上方是菜單欄和工具欄，左面上方區(qū)域為預(yù)覽區(qū)，預(yù)覽區(qū)下方為元器件瀏覽區(qū)，頁面中最大的一片區(qū)域即為編輯窗口，是我們放置元件，繪圖的最重要區(qū)域。在頁面的最下方是運行工具條，當(dāng)我們繪圖并且添加完程序后，就可以點運行工具條中的運行按鈕，進(jìn)行仿真。實際制作，能極大提高系統(tǒng)電路設(shè)計效率。因此，Proteus有較高的推廣利用價值。本系統(tǒng)中通過proteus的仿真來實現(xiàn)其功能，并且能夠在仿真中看見十分近似于真實的結(jié)果。本系統(tǒng)通過對直流電機的軟件設(shè)計、仿真，根據(jù)系統(tǒng)原理和各個模塊的功能，從而利用proteus軟件設(shè)計出整體的仿真框圖，經(jīng)過反復(fù)的修改和運行，最終實現(xiàn)對兩個直流電機的控制。圖4-2ProteusISIS的工作界面4.3光敏電阻的電路設(shè)計如圖4-3所示，作為光電檢測跟蹤系統(tǒng)的傳感器電路，在仿真中選用的是TORCH_LDR器件，為了在proteus軟件中更加真實的展示出各個方位的光源對四個光敏電阻的照射強度，在仿真中加入了4個可調(diào)光強的點光源，把4個光敏電阻兩兩并聯(lián)放置，通過對4個位置光源強度的調(diào)節(jié)可以使四個光敏電阻產(chǎn)生不同的電壓，經(jīng)過電壓比較器進(jìn)行比較就可以得到不同的驅(qū)動信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，這樣就可以對實時變化的光源進(jìn)行檢測和跟蹤了。圖4-3光敏電阻電路4.4四通道電壓比較器的電路設(shè)計在光敏電阻電路的基礎(chǔ)上加入四個LM324電壓比較器，在庫中找出LM324芯片、RES電阻、POT-HG滑動變阻器，根據(jù)LM324的特性開始連線，把4個LM324分別命名為：U1A、U1B、U1C、U1D。4個光敏電阻分別命名為：DONG、XI、BEI、NAN。如圖4-4，將U1D的4端連接在第一個光敏電阻DONG的1端同時連接R2和滑動變阻器RV1，RV1一端接R3連到U1D的11端，RV1的另一端直接U1D的13端。將U1D的12端接第二個光敏電阻XI的1端和U1A的2端，將RV1的滑動端接R4后再接U1A的3端，同時XI的2端和U1A的11端相連。接著將U1B的4端接第三個光敏電阻BEI的1端，U1B的5端接BEI的2端，RV1的滑動端接U1B的6端，將RV1的另一端接R5再連接U1C的10端，把最后一個光敏電阻NAN的1端接U1C的9端，同時NAN的2端接U1C的11端。這樣就構(gòu)成了四通道電壓比較器，它的功能是比較兩個電壓的大小（用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系）。當(dāng)“+”輸入端電壓高于“－”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)“+”輸入端電壓低于“－”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平。所以當(dāng)四個光敏電阻光照發(fā)生變化時，產(chǎn)生的壓差經(jīng)過比較器進(jìn)行比較，U1A、U1B、U1C、U1D的1、7、8、14端分別為比較后的輸出端，分別輸出相應(yīng)的高低電平。圖4-4四通道電壓比較器LM324電路4.5LED顯示電路設(shè)計為了使電壓比較器輸出的四個信號清晰可見，因此在電路中增加了LED顯示電路。首先在元件庫中找到4個LED_RED，分別命名為：D、X、B、N。將四通道電壓比較器的4個輸出14、1、7、8端分別接4個LED，最后經(jīng)過電阻R6連接地端。這樣就形成了這個系統(tǒng)的LED顯示電路。當(dāng)光源的強度不同時，4個光敏電阻產(chǎn)生不同的電壓，通過四通道電壓比較器LM324對產(chǎn)生壓差的比較輸出高低電平，從而驅(qū)動4個LED指示燈發(fā)光，通過對指示燈的觀察就可以判斷出哪個光敏電阻所受光強最強。圖4-5LED顯示電路設(shè)計4.6三端穩(wěn)壓電路設(shè)計為了保護(hù)系統(tǒng)電路，使整個系統(tǒng)的電壓更加穩(wěn)定。這里選用的是三段穩(wěn)壓電路，它可以起到降壓、穩(wěn)壓的作用。首先在元件庫里找到LM7806芯片、12V直流電源、和開關(guān)L1。將LM7806命名為U3，12V直流電源為BAT1，開關(guān)為L1。因為LM7806的1腳接電壓輸入端，2腳接地，3腳接輸出端，所以把LM7806的1腳接開關(guān)L1再接12V直流電源BAT1的正極，負(fù)極接LM7806的2腳再接地。如圖4-6所示：圖4-6三端穩(wěn)壓電路設(shè)計如圖4-7所示：將三端穩(wěn)壓電路連接到四通道電壓比較電路中，將LM7806的3腳連接到U1D的4端，為電壓比較器提供+6V的電源，LM7806的3腳接地。這樣就組成了一個具有三段穩(wěn)壓器的電壓比較電路，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。圖4-7具有三端穩(wěn)壓器的電壓比較電路直流電機驅(qū)動電路設(shè)計我沒有用復(fù)雜的電路來實現(xiàn)“H”橋，而是找到了一種簡單的解決方案。在驅(qū)動電路設(shè)計中選取了Unitrode公司的“L293D”電機驅(qū)動芯片，因為它連接簡單，而且能夠控制在各種電壓下向電機、繼電器或其他磁性元件提供最大2安培的電流。首先將L293D加入仿真電路中，在元件庫中找到直流電機驅(qū)動芯片L293D，將其命名為U2并放置在系統(tǒng)仿真電路右邊空白處。如圖4-8所示：圖4-8直流電機驅(qū)動芯片L293D的放置如圖4-9，根據(jù)直流電機驅(qū)動芯片L293D的特性，將其各個引腳與當(dāng)前的電路連接起來，其中VSS接三段穩(wěn)壓器LM7806的3腳即接入+6V電壓，VS直接與LM7806的1腳相連即接入12V直流電壓。將四通道電壓比較器四個輸出端14、1、7、8依次與驅(qū)動芯片L293D的IN1、IN2、IN3、IN4四個引腳相連接，作