多方向太陽能收集控制系統(tǒng)設(shè)計

1、齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要在太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域，為了降低成本，提高太陽能利用率就必須跟蹤太陽。利用廉價的光敏電阻和SPCE061A單片機設(shè)計了一種多方向太陽能收集控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了大范圍高精度地跟蹤太陽。分析了太陽運行規(guī)律，在綜合分析目前各種太陽能發(fā)電系統(tǒng)跟蹤方法特點的基礎(chǔ)上，提出了兩級跟蹤傳感器方案。傳統(tǒng)一級跟蹤傳感器可在一定角度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度跟蹤太陽,易出現(xiàn)丟失太陽的情況。為了將跟蹤范圍擴大，在一級傳感器精定位跟蹤的基礎(chǔ)上，增加了一級傳感器進行粗定位跟蹤。當(dāng)跟蹤傳感器的中軸線與太陽光線的夾角很大時，先采用粗定位傳感器跟蹤太陽，直到中軸線與太陽光線的夾角在精定位跟蹤角度范圍內(nèi)，再采用

2、精定位傳感器跟蹤太陽，直到傳感器跟蹤裝置的中軸線正對太陽，這樣便實現(xiàn)了高精度、多方向太陽能收集。完成了傳感器跟蹤系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，經(jīng)試驗系統(tǒng)的高度角和方位角跟蹤范圍達到180和270，跟蹤精度可以達到1。兩級傳感器跟蹤裝置可用于聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)、碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點。關(guān)鍵詞：太陽能；多方向收集；兩級跟蹤傳感器；光敏元件AbstractIn the solar application system，a solar-tracing device which is simple，inexpensive，but with high precisi

3、on is being soughtThe problem of large range tracing is discussed in this thesisThen a tracing device composed of light sensors and MCU ,SPCE061A is developedThe tracing of the sun and kinds of working states of the tracing-devices are discussed in this thesisAnalyzing the characteristics of tracing

4、 devices being used in kinds of solar generation systems，a tracing device-two level tracing sensors is designedExact orientation tracing can be achieved in the limited angle range with one traditional group of sensorsTo enlarge the tracing range，another group of sensors should be added which Can car

5、ry out rough orientation tracingWhen the included angle between the axis of tracing sensors and sun ray is very large，rough orientation sensors start working until the included angle is in the range of exact orientation tracingThen exact orientation sensors start working until the axis is parallel w

6、ith the sun rayAs a result，a large range and high precision tracing are realized by the two level tracing sensorsAccording to the analysis of kinds of functions possessed by the sensor-tracing device，hardware and software design has finishedA simple tracing device is made to make some experiments wi

7、th the two level tracing sensors，the interpretation of which is that the tracing precision Can achieve 1and the tracing range is 180in elevation and 270in azimuthThis two level sensor-tracing device is not only inexpensive，but also with simple structure，which Can be used in concentrical photovoltaic

8、 solar energy generation，disk solar energy thermal-generation and tower solar energy thermal-generationKey words：Solar energy；A large range tracing；Two level tracing sensors；Light sensors目 錄摘要IAbstractII第 1 章 緒論11.1 課題背景及意義11.2 多方向太陽能收集研究現(xiàn)狀11.3 設(shè)計主要內(nèi)容2第 2 章 總體方案設(shè)計42.1 太陽運行規(guī)律4 2.1.1 地球的公轉(zhuǎn)與赤緯角4 2.1.2

9、地球的自轉(zhuǎn)與太陽時42.2 跟蹤方案的選擇5 2.2.1 視日運動軌跡跟蹤5 2.2.2 光電跟蹤6 2.2.3 視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合7 2.2.4 設(shè)計跟蹤方案72.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計8 2.3.1 多方向太陽能收集控制系統(tǒng)組成8 2.3.2 控制系統(tǒng)主要元器件選型8第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計113.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計113.2 光電傳感器設(shè)計12 3.2.1 光電傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計12 3.2.2 光電傳感器信號處理單元133.3 系統(tǒng)電源設(shè)計153.4 伺服模塊電路設(shè)計153.5 角度傳感器接口電路163.6 風(fēng)速傳感器接口電路163.7 通信模塊電路設(shè)計17第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)

10、計184.1 主程序設(shè)計184.2 鍵盤消抖194.3 模擬量采集軟件設(shè)計194.4 電機控制程序設(shè)計20第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試225.1 主要硬件的調(diào)試22 5.1.1 太陽位置傳感器的調(diào)試22 5.1.2 輸入顯示模塊的調(diào)試22 5.1.3 電機驅(qū)動器的調(diào)試235.2 整體調(diào)試23 5.2.1 人工模擬太陽調(diào)試23 5.2.2 室外測試24結(jié)論25參考文獻26附錄27致謝28IV第 1 章 緒 論1.1 課題背景及意義能源是人類社會存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。過去200多年，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大地推動了人類社會的發(fā)展。然而，大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴重后果嚴重阻

11、礙了人們物質(zhì)生活和精神生活的提高。資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化，還誘發(fā)了不少國與國之間、地區(qū)之間的政治經(jīng)濟糾紛，甚至沖突和戰(zhàn)爭。因此，人類必須尋求一種新的、安全、清潔、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。我國經(jīng)濟正處在快速持續(xù)發(fā)展，但又面臨著有限的化石燃料資源和更高的環(huán)境保護要求的嚴峻挑戰(zhàn)。我國長期的能源發(fā)展戰(zhàn)略，也是我國建立可持續(xù)能源系統(tǒng)最主要的政策措施是：加強環(huán)境保護，開展煤清潔化利用；采取綜合措施，保障能源安全；堅持節(jié)能優(yōu)先，提高能源效率；優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，以煤為主多元發(fā)展；依靠科技進步，開發(fā)利用新能源和可再生能源等。面臨這樣一個能源發(fā)展的形勢，我國鼓勵開發(fā)風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源。其中，太陽能因

12、具有儲量的無限性、普遍性、清潔性、經(jīng)濟性得到了大力發(fā)展，尤以太陽能發(fā)電發(fā)展最快。目前，塔式發(fā)電、碟式發(fā)電、光伏發(fā)電等是太陽能發(fā)電的主要方式，但利用率不高。如何最大限度的提高太陽能利用率，仍是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手，一是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽能的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決1。在國內(nèi)，很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，存在余弦效應(yīng)的影響，無法保證太陽光的垂直照射，光伏電池不能充分利用太陽能資源，使其發(fā)電效率低下。太陽能的多方向收集為解決這一問題提供了可能，不管是哪一種發(fā)電方式，要提高太陽能利用率就要多方

13、向收集，即跟蹤太陽位置，理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差3772。精確的跟蹤太陽可使接收器的熱效率大大提高，進而提高了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的太陽能利用率，降低了太陽能發(fā)電成本，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。1.2 多方向太陽能收集研究現(xiàn)狀1994年在德國北部，采用了單軸太陽能跟蹤裝置的太陽能廚房投入使用。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3。單軸太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作費用低，太陽能接收效率比固定式裝置有較大提高。美國Blaekaee，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

14、的熱接收率提高了15。1998年美國加州成功研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板安裝有集中陽光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板收集更多的能量，使接收率進一步提高4。由于單軸跟蹤不能對太陽的南北方向的傾角變化進行自動跟蹤，一般只能實現(xiàn)東西方向的太陽跟蹤。因此太陽能接收率相對來說仍較低。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展與控制成本的不斷降低，實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的精確跟蹤的二軸跟蹤技術(shù)已成為研究與運用的熱點。研究發(fā)現(xiàn)，雙軸跟蹤收集效率比單軸跟蹤收集和固定方式提高510%和50%。F.R.Rubio提出了一種應(yīng)用新的控制策略即復(fù)合跟蹤系統(tǒng)的雙軸太陽跟蹤器，包括建立在太陽運動模型上的動態(tài)反饋控制器和開環(huán)跟

15、蹤策略，使跟蹤系統(tǒng)無需準確的安裝跟蹤器和校準便能高精度的跟蹤太陽。在高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)方面，AMONIX公司通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和光敏定向系統(tǒng)開發(fā)的高效率聚光太陽能電池發(fā)電(IHCPV)確保雙軸液壓自動跟蹤系統(tǒng)的聚光精度最大不超過0.5，從而使系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換總效率高達18，高于目前平板型硅太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換總效率5。獲取當(dāng)?shù)氐乩砦恢?包括緯度和經(jīng)度)信息和時間計算太陽位置，并在方位角和高度角輸出軸上連接位置編碼器，實現(xiàn)開環(huán)控制法則。國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究。1992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向跟蹤，國家氣象局計量站在

16、1990年研制了FST型全自動太陽跟蹤器，具有全自動、全天候、跟蹤精度高等優(yōu)點，充分保證了太陽輻射觀測的需要，大大減輕了觀測人員的勞動強度。該跟蹤器采用傳感器定位和太陽運行軌跡定位相結(jié)合的設(shè)計彌補了赤道架型太陽跟蹤器的缺點。由中國科學(xué)院電工研究所、北京科諾偉業(yè)科技有限公司聯(lián)合研制的單、雙軸跟蹤并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)以及大型高壓并網(wǎng)光伏逆變器在西藏羊八井可再生能源示范基地正式并網(wǎng)運行，該單、雙軸跟蹤并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是目前我國技術(shù)最先進、容量最大的跟蹤系統(tǒng)，采用目前國際上主流技術(shù)，具有外形美觀、噪音低、跟蹤精度高、耗電量小、耐侯性好的特點，平均發(fā)電量提高20以上6。1.3 設(shè)計主要內(nèi)容設(shè)計的多方向太陽能

17、收集裝置采用了新的跟蹤策略，可實現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤太陽，使太陽光線垂直射入太陽能收集器。當(dāng)早晨太陽升起時，跟蹤裝置開始跟蹤太陽，實時檢測太陽位置。當(dāng)遇到陰天或者多云天氣時為了避免誤跟蹤，系統(tǒng)停止跟蹤，天氣轉(zhuǎn)晴后重新跟蹤。當(dāng)風(fēng)速較大，為了保護跟蹤裝置使太陽能收集器轉(zhuǎn)至水平位置。晚上太陽落下時，跟蹤裝置返回到初始位置，等待太陽升起。具體的研究內(nèi)容包括：(1)分析太陽運行規(guī)律，提出合理的跟蹤策略；(2)設(shè)計太陽跟蹤傳感器；(3)選取控制芯片，分析系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計控制系統(tǒng)硬件；(4)根據(jù)太陽跟蹤傳感器工作原理，設(shè)計合理的控制方案，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計；(5)分析實驗結(jié)果，提出合理的改進方案；(6)分

18、析不同天氣狀況下傳感器的跟蹤策略。第 2 章 總體方案設(shè)計2.1 太陽運行規(guī)律2.1.1 地球的公轉(zhuǎn)與赤緯角貫穿地球中心與南、北極相連的線稱為地軸。地球除了繞地軸自轉(zhuǎn)外，還在橢圓行軌道上圍繞太陽公轉(zhuǎn)，運行周期為一年。橢圓的偏心率不大，1月1日近日點時，日地距離為147.1106km，7月1日遠日點時為152.1106km，相差約為3%。地球自轉(zhuǎn)軸與橢圓軌道平面（稱黃道平面）的夾角為6633，該軸在空間的方向始終不變，因而黃道平面與赤道平面的夾角2327。但是，地心與太陽中心的連線（即午時太陽光線）與地球赤道平面的夾角是一個以年為周期變化的量，它的變化范圍為2327，這個角就是太陽赤緯角。赤緯角

19、是地球繞日運行規(guī)律造成的特殊現(xiàn)象，它使處于黃道平面不同位置上的地球接收到的太陽光線方向也不同，從而形成地球四季的變化。北半球夏至（6月22日）即南半球冬至，太陽光線正射北回歸線，=2327；北半球冬至（12月22日）即南半球夏至，太陽光線正射南回歸線，=2327；春分及秋分太陽正射赤道，赤緯角都為零，地球南、北半球日夜相等。每天的赤緯角可由下式計算7： （2-1）式中n是一年中第幾天。2.1.2 地球的自轉(zhuǎn)與太陽時地球始終繞著地軸由西向東自轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一周（360）為一晝夜（24小時）。時間可以用角度來表示，每小時相當(dāng)于地球自轉(zhuǎn)15。在以后導(dǎo)出的太陽角度公式中，涉及的時間都是當(dāng)?shù)靥枙r，它的特點是

20、午時（中午12點）陽光正好通過當(dāng)?shù)刈游缇€，即在空中最高點處，它與日常使用的標準時間并不一致8。轉(zhuǎn)換公式為： （2-2）式中 Lst制定標準時間采用的標準經(jīng)度，（）； Lloc當(dāng)?shù)亟?jīng)度，（）。所在地點在東半球去負號，西半球取正號。我國以北京時間為標準時間，式（2-2）成為 （2-3）轉(zhuǎn)換時考慮了兩項修正，第一項E是地球繞日公轉(zhuǎn)時進動和轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的修正，時差E以分為單位，可按下式計算9 （2-4）式中n為一年中第幾天，1n365。第二項是考慮所在地區(qū)的經(jīng)度Lloc與制定標準時間的經(jīng)度（我國定為東經(jīng)120）之差所產(chǎn)生的修正。由于經(jīng)度每相差1，在時間上就相差4min，所以公式中最后一項乘4，單位為

21、分。用角度表示的太陽時角，以表示。它是以一晝夜為變化周期的量，太陽午時=0，上午取正值，下午取負直。每晝夜變化為180，每小時相當(dāng)于15。因此有： (2-5)式中T為當(dāng)?shù)靥枙r。2.2 跟蹤方案的選擇目前國內(nèi)外采用的跟蹤太陽的方法主要有光電跟蹤、視日運動軌跡跟蹤、視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。2.2.1 視日運動軌跡跟蹤太陽跟蹤采用地平坐標系統(tǒng)較為直觀方便，但是也存在軌跡坐標計算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標系中，任一時刻赤緯角和時角在太陽和地球的相對運動中都是嚴格已知的，同時地平坐標系和赤道坐標系都與地球運動密切相關(guān)，于是可以通過天文三角形之間的關(guān)系得到觀測者和太陽位置之間的關(guān)系。

22、換算公式如下10：太陽高度角H: （2-6）太陽方位角A： （2-7）式中觀測點的地理緯度，赤緯角，時角根據(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準時間來確定。在應(yīng)用中，通過全球定位系統(tǒng)獲得當(dāng)?shù)鼐暥群蜁r間，控制系統(tǒng)根據(jù)此數(shù)據(jù)來確定太陽位置。在設(shè)定跟蹤地點和基準零點后，控制系統(tǒng)按照太陽的地平坐標公式自動運算太陽高度角和方位角。控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡的變化規(guī)律驅(qū)動電機以實現(xiàn)跟蹤。日落后，跟蹤裝置返回到基準零點。目前涉及到赤緯角和時角的世界通用算法大致有三種：采用中國國家氣象局氣象輻射觀測方法；采用世界氣象組織氣象和觀測方法；采用Duffie和Beckman所編的觀測方法11。不管采取

23、何種算法，算法過程都非常復(fù)雜，計算量的增加會增加控制系統(tǒng)成本。另外，這種跟蹤方法為開環(huán)系統(tǒng)，為了達到高精度跟蹤要求，工程生產(chǎn)中必須要求機械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高，安裝時儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線嚴格重合，還要使儀器的高度角零點處于地面水平面內(nèi)。2.2.2 光電跟蹤傳統(tǒng)的光電跟蹤是采用一級傳感器跟蹤方式，通過位置檢測器檢測太陽位置，根據(jù)此信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)從而實現(xiàn)跟蹤。一般的位置檢測器是在一個暗筒底部東南西北方向成十字形對稱安裝性能相同的光敏元件12，如圖2-1所示。圖2-1 傳統(tǒng)光電跟蹤傳感器結(jié)構(gòu)太陽光垂直照射檢測傳感器，經(jīng)凸透鏡在暗筒底部形成的光斑使四個光敏元件接收到的光照強度相同，此時

24、電機不動。當(dāng)太陽光線與位置檢測傳感器有一夾角時，底部光斑發(fā)生偏移，使光敏元件照度不同，此差值信號經(jīng)控制器采集后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，直至照度相同。系統(tǒng)的跟蹤精度基本由傳感器精度決定，光敏元件只要能采集到聚焦的光斑就可以跟蹤太陽，其結(jié)構(gòu)比較簡單，精度較高。但是當(dāng)長時間云遮或者早晨太陽剛升起時，太陽光線與透鏡光軸的夾角太大，由于鏡筒結(jié)構(gòu)限制，使聚焦的光斑無法到達暗筒底部，光敏元件接收不到光照信號，這時出現(xiàn)丟失太陽的情況，無法跟蹤太陽，甚至引起執(zhí)行機構(gòu)的誤動作。因此，該種跟蹤系統(tǒng)只能在一定的角度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度跟蹤，其跟蹤范圍跟鏡筒結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.2.3 視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合根據(jù)上述論述可知，開環(huán)

25、的程序跟蹤存在許多局限性，在開始運行前就需精確定位，出現(xiàn)誤差時不能自動調(diào)節(jié)等。在實際應(yīng)用中需要定期人為調(diào)節(jié)跟蹤方向。而傳感器跟蹤存在相應(yīng)慢，穩(wěn)定性差，受天氣狀況影響較大，特別是多云天氣會誤跟蹤云層邊緣的亮點，電機往復(fù)運動，造成能源浪費和部件的額外磨損13。如果兩者結(jié)合，在視日運動軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加高精度角度傳感器。用高精度角度傳感器作為反饋，對程序進行累積誤差修正。這樣在任何氣候條件下都能可靠穩(wěn)定的跟蹤太陽。這種跟蹤方案跟蹤精度高，運行穩(wěn)定，應(yīng)用于許多大型太陽能光伏電站。但計算過程十分復(fù)雜，高精度角度傳感器成本很高，不能推廣使用。2.2.4 設(shè)計跟蹤方案為了降低成本，提高跟蹤的可靠性，設(shè)計采用

26、光電跟蹤方式，但位置檢測傳感器需用改進后的兩級跟蹤傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2 改進后的光電位置傳感器改進后的光電位置傳感器在暗筒外壁東南西北成十字形對稱安裝四個光敏元件，用來粗略判斷太陽位置，解決了傳統(tǒng)跟蹤傳感器跟蹤范圍小的問題。暗筒內(nèi)部東南西北成十字形安裝的光敏元件用來精確跟蹤太陽位置。中心的光敏元件用于判斷環(huán)境光照，只有在環(huán)境光照達到一定條件時才進行跟蹤，解決了陰天誤動作的問題。由于暗筒的遮擋作用，避免了外部光的干擾，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。2.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.3.1 多方向太陽能收集控制系統(tǒng)組成多方向太陽能收集控制系統(tǒng)由單片機主控單元、太陽跟蹤傳感器和信號處理單元、風(fēng)速傳感

27、器、角度傳感器和信號處理單元、伺服模塊、通信模塊、和輸入顯示模塊組成。系統(tǒng)的組成框圖如圖2-3所示。圖2-3 多方向太陽能收集控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖2.3.2 控制系統(tǒng)主要元器件選型（1）單片機選型綜合考慮本系統(tǒng)對控制精度要求、系統(tǒng)實時性及硬件配置本設(shè)計選用凌陽16位單片機SPCE061A作為主控芯片。（2）角位移傳感器選用導(dǎo)電塑料角位移傳感器WDD35D4，其實質(zhì)為導(dǎo)電塑料電位器。它是由塑料粉和導(dǎo)電材料通過模壓制成的，其特點是分辨率高、旋轉(zhuǎn)力矩小、使用壽命長，同時具有輸出平滑性好、耐腐蝕和響應(yīng)速度快等優(yōu)點。其詳細參數(shù)見表2-1。表2-1 WDD35D4主要技術(shù)指標標稱阻值5K電阻誤差15%獨立線性

28、度0.1%電氣轉(zhuǎn)角3452機械轉(zhuǎn)角360(連續(xù))分辨率理論上無限小平滑性0.1%額定功率2W(70)電阻溫度系數(shù)400 ppm/工作溫度55125啟動力矩1104Nm機械壽命50106轉(zhuǎn)振動15g200Hz絕緣電阻1000M以上（500V DC）(3)風(fēng)速傳感器選用16025風(fēng)速表，主要技術(shù)指標見表2-2表2-2 16025風(fēng)速表風(fēng)速傳感器主要技術(shù)指標風(fēng)速測量范圍030m/s啟動風(fēng)速0.8m/s測量精度（0.3+0.03V）m/s （V表示實際風(fēng)速）工作環(huán)境溫度1045工作環(huán)境濕度100%RH (無凝結(jié))供電電壓DC 5V平均耗電電流5mA(4)伺服模塊本系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)采用直流減速電機，直流電

29、動機具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制功能，較高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，廣泛的應(yīng)用在調(diào)速控制中；直流減速電機的內(nèi)部減速機構(gòu)簡化了系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。直流減速電機型號及參數(shù)：方位角驅(qū)動電機M1：型號：37GARG額定電壓：DC12V空載轉(zhuǎn)速：2.5r/min負載轉(zhuǎn)速：2r/min輸出扭矩：18kgcm高度角驅(qū)動電機M2：型號：37GB3550額定電壓：DC12V空載轉(zhuǎn)速：5r/min負載轉(zhuǎn)速：4r/min輸出扭矩：15kgcm電機驅(qū)動器采用專用功率電路L298N，驅(qū)動電壓可達46V,直流電流總和可達4A。其內(nèi)部具有2個完全相同的PWM功率放大電路。（5）通信模塊由于設(shè)備與上位機之間的距離可能達到

30、1km，且PC機各單片機分布不集中，不能利用RS-232通訊傳輸，因此改用RS-485。RS-485采用差分方式傳輸信號，最大傳輸距離1219m，最大傳輸速率10Mb/s，對同時出現(xiàn)的兩條信號線A、B的干擾有較強的抑制能力。RS-485采用二線與四線平衡傳輸方式，設(shè)計在傳輸線上加匹配電阻（約120）后采用二線制可以實現(xiàn)多點通信。設(shè)計選用Maxin公司MAX485作為通信接口。第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然機械結(jié)構(gòu)不是本系統(tǒng)研究重點，但是系統(tǒng)最終需要通過機械結(jié)構(gòu)來驗證設(shè)計的可行性，所以必須選擇一種機械結(jié)構(gòu)。設(shè)計選擇地平坐標系中的雙軸跟蹤機構(gòu)，即高度角方位角跟蹤機構(gòu)。東西方向轉(zhuǎn)動

31、的軸垂直于地面，稱為方位軸。另一根軸水平放置，垂直于方位軸，稱為俯仰軸14。設(shè)計最終機械結(jié)構(gòu)實物模型如圖3-1所示。圖3-1 多方向太陽能收集機械結(jié)構(gòu)實物模型3.2 光電傳感器設(shè)計3.2.1 光電傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計太陽位置光電傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，設(shè)置一個圓筒形外殼，在圓筒外部東、南、西、北四個方向分別布置四個參數(shù)相同的光敏電阻，其中一對光敏電阻（G1、G4）東西對稱安裝在暗筒外側(cè)，用來粗略檢測太陽方位；另一對光敏電阻（G5、G8）南北對稱安裝在暗筒外側(cè)，用來粗略檢測太陽高度位置。在暗筒內(nèi)部東、西、南、北四個方向也分別布置四個光敏電阻：其中一對光敏電阻（G2、G3）東西對稱安裝，用于精確檢測太

32、陽方位；另一對光敏電阻（G6、G7）南北對稱安裝，用于精確檢測太陽高度。暗筒內(nèi)底部中心安裝光敏電阻G9，用來檢測環(huán)境光照。圖3-2 太陽位置光電傳感器結(jié)構(gòu)太陽位置傳感器工作原理：以東西方向為例，假設(shè)太陽高度角是不變的。當(dāng)早晨太陽從東方升起時，G4接收到的光照強度大于G1接收到的光照強度，因此輸出一個正的差動信號給信號處理單元，經(jīng)過處理后驅(qū)動電機使跟蹤平臺向東轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)到一定的精度范圍內(nèi)后，G2和G3開始起主導(dǎo)作用，使暗筒精確對準太陽。當(dāng)太陽向西偏移時，G2和G3可以實現(xiàn)精確跟蹤。當(dāng)遇到云遮或者雨天后，太陽偏離太多，G2和G3檢測不到太陽信號，G1接收到的光照強于G4，驅(qū)動電機向西轉(zhuǎn)動搜索太陽，

33、到G2和G3能檢測到太陽時進行精確跟蹤。高度角的跟蹤原理及工作方式與之類似，在此省略。G9判斷晝夜和天氣狀況，當(dāng)進入夜間時跟蹤平臺停止工作，在多元或者陰天太陽照度不足時停止跟蹤。3.2.2 光電傳感器信號處理單元由跟蹤原理知，只有在相應(yīng)的兩個光敏電阻的照度差達到一定數(shù)值時，信號處理電路才輸出信號以驅(qū)動電機。針對此情況，專門設(shè)計相應(yīng)的信號處理電路。采用四電壓比較器LM339設(shè)計窗口比較電路。比較器的基本電路如圖3-3所示，參考電壓VR加于比較器方向端，輸入信號電壓Vi加于比較器同向端。圖3-3 比較器基本電路電壓比較器工作原理：當(dāng)輸入信號Vi小于參考電壓VR時，比較器輸出VO為零；當(dāng)Vi大于等于

34、VR時，比較器輸出電壓為VCC。由這樣的比較器組成的一組窗口比較電路如圖3-4所示，圖中A、B為比較器，高限參考電壓為VREF(H)，低限參考電壓為VREF(L)。圖3-4 單組窗口比較器電路圖單組窗口比較電路輸出真值表參加表3-1。表3-1 單組窗口比較電路輸出真值表ViVAVBViVREF(H)10VREF(L)ViVREF(H)00ViVREF(L)01根據(jù)真值表可以確定當(dāng)輸入電壓超出參考電壓時窗口比較電路才有輸出，設(shè)計太陽位置光電傳感器信號處理電路原理圖（東西方向）如圖3-5所示。高度方向與之類似，在此省略。假設(shè)太陽高度不變，根據(jù)太陽位置傳感器結(jié)構(gòu)，當(dāng)G4接收到的光照強度大于G1接收到

35、的光照強度時由于U8A的輸入電壓高于其參考電壓而輸出高電平，而U8B輸出低電平，由此判斷太陽在傳感器的東方，驅(qū)動電機使跟蹤平臺向東轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)到一定的精度范圍內(nèi)后，G2和G3開始起主導(dǎo)作用，由于G2和G3在暗筒內(nèi)部，且G2在G3左邊，所以G2先接收到太陽光線。U8C輸出高電平，U8D輸出低電平，單片機驅(qū)動電機使跟蹤平臺向東轉(zhuǎn)動，直至G1、G2、G3、G4接收到的太陽光照基本相同。圖3-5 東西方向（方位角）檢測電路原理圖光照強度判斷電路原理圖如圖3-6所示。圖3-6 光照強度判斷電路原理圖當(dāng)進入夜間時，G9分得的電壓變高，接近VCC，高于比較器A、B的參考電壓，輸出均為高電平。陰天時，晝夜判斷比

36、較器A輸出為低電平，而B輸出為高電平。3.3 系統(tǒng)電源設(shè)計本系統(tǒng)以DC12V作為主電源，由開關(guān)電源提供。其中需要DC5V和DC3.3V，選用Lm7805和SPY0029三端穩(wěn)壓器提供5V和3.3V電源。電源原理圖如圖3-7所示。Lm7805是一個輸出正5V直流電的集成穩(wěn)壓器。C22、C23分別是輸入端濾波電容，C24、C25是輸出端濾波電容。當(dāng)輸出電流較大時，Lm7805應(yīng)配上散熱器。SPY0029是低壓穩(wěn)壓器，輸出3.3V，帶有低壓保護功能，可以提供3.14V的低功耗電壓標準。在數(shù)字和模擬等混合電路中，往往要求兩個地分開，并且單點連接?？梢杂靡粋€0歐的電阻來連接這兩個地，而不是直接連在一起。

37、0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。圖3-7 系統(tǒng)電源原理圖3.4 伺服模塊電路設(shè)計設(shè)計選用L298N作為電機驅(qū)動芯片，如圖3-8所示，INl、IN2端口控制方位角電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。使能控制端ENA和ENB接高電平，通過PWM輸入端INl和IN2可以控制電動機的正反轉(zhuǎn)(輸入端INl為PWM信號，輸入端IN2為低電平，電動機正轉(zhuǎn)；輸入端IN2為PWM信號，輸入端INI為低電平，電動機反轉(zhuǎn))；當(dāng)它為低電平時，驅(qū)動橋路上的4個晶體管全部截止，使正在運行的電動機停止。電動機的轉(zhuǎn)速由單片機調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來實現(xiàn)。IN3、IN4控制高度角電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，其原理跟控

38、制方位角電機原理相同。電機停止或反向時，由于線圈電路在斷開的瞬間，將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢，它可以引起控制電路的誤動作，甚至造成損害(如燒斷線圈)。所以，電機的線圈兩端必須接吸收電路。如圖3-8所示，電機線圈兩端接了阻容吸收電路和續(xù)流二極管以確保電饑工作的穩(wěn)定性。圖3-8 電機驅(qū)動電路3.5 角度傳感器接口電路設(shè)計選用導(dǎo)電塑料角位移傳感器WDD35D4，其實質(zhì)為導(dǎo)電塑料電位器。實際測量其電阻值為4.64K，由于SPCE061A內(nèi)部AD的最大參考電壓為3.3V，為了方便系統(tǒng)各硬件連接，SPCE061A的IO端口電壓選擇5V。所以角位移傳感器在串接8K電阻后使用，并且內(nèi)部AD參考電壓選用內(nèi)部2V電壓。

39、具體的電路如圖3-9所示。角度傳感器中間抽頭接SPCE061A的IOA0端口，作為方位角采集。高度角采集電路與之類似，角度傳感器中間抽頭接IOA1端口。圖3-9 角位移傳感器電路原理圖3.6 風(fēng)速傳感器接口電路風(fēng)速傳感器電路原理圖如圖3-10所示，其內(nèi)部為紅外發(fā)光管和接收管組成。脈沖信號送至SPCE061A的IOA5端口，單片機計算一定時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)來判斷風(fēng)速大小。圖3-10 風(fēng)速傳感器電路原理圖3.7 通信模塊電路設(shè)計設(shè)計采用RS-485通信接口，RS-485具有以下特點：（1）RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為（26）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（26）V表

40、示。接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。 （2）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。 （3）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。 （4）RS-485最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。如

41、圖3-11所示，1腳接SPCE061A的IOB7(RX)，4腳接IOB10(TX)，2、3腳接IOA4，作為接受和發(fā)射的使能端。6、7腳為差分輸入、出端。圖3-11 MAX485與單片機接口電路第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序設(shè)計主程序有三個任務(wù)：數(shù)據(jù)采集、電機控制、串行通信。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖其中初始化程序里包括看門狗初始化、IO端口初始化以及電機初始位置的初始化。設(shè)計以太陽位置傳感器輸出信號作為反饋信號，角度傳感器采集到的角度是相對于初始位置的角度，為系統(tǒng)運行的正確與否提供了一個可供參考的量。另外設(shè)置初始位置是為了當(dāng)傍晚太陽落下后系統(tǒng)能返回到早晨太陽升

42、起的方向。判斷是否進行跟蹤的依據(jù)是采集環(huán)境光照，只有在白天且天氣晴朗時才進入跟蹤。夜間系統(tǒng)回到初始位置等待太陽升起，陰天時系統(tǒng)停止跟蹤等待天氣轉(zhuǎn)晴。4.2 鍵盤消抖如果不消除機械抖動，常常會出現(xiàn)異常的結(jié)果。所以消除鍵盤抖動是非常必要的。本設(shè)計所采用軟件消除抖動，軟件消除抖動的好處是不用增加硬件設(shè)備，只需進行簡單的延時程序編寫。圖4-2為鍵盤消抖程序流程圖。圖4-2 鍵盤掃描流程圖4.3 模擬量采集軟件設(shè)計設(shè)計模擬量有方位角度和俯仰角度，均通過導(dǎo)電塑料角位移傳感器WDD35D4采集后送至SPCE061A的內(nèi)部AD進行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理。模擬量采集程序流程如圖4-3所示。在采集角度時，為了保證精確度，

43、總供采集16次再求其平均值。圖4-3 AD采集流程圖4.4 電機控制程序設(shè)計根據(jù)太陽位置傳感器工作原理及跟蹤方法，當(dāng)進入自動跟蹤方式時，電機的控制流程如圖4-4所示。首先根據(jù)G1、G4的光照強度粗跟蹤太陽方位，當(dāng)G1接收到的光照強度大于G4時，驅(qū)動方位軸電機向西轉(zhuǎn)；當(dāng)G1接收到的光照強度小于G4時，驅(qū)動方位軸電機向東轉(zhuǎn)；G1、G4光照強度相同時判斷G2、G3的光照強度，精確跟蹤太陽方位，當(dāng)G2的光照強度大于G3時，驅(qū)動方位軸電機向東轉(zhuǎn)；當(dāng)G2的光照強度小于G3時，驅(qū)動方位軸電機向西轉(zhuǎn)；G1、G2、G3、G4接收到的光照強度相同后跟蹤太陽高度。驅(qū)動俯仰軸電機上下轉(zhuǎn)動來跟蹤太陽高度，跟蹤過程與跟蹤

44、太陽方位相似。圖4-4 電機控制程序流程圖第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 主要硬件的調(diào)試硬件電路的安裝與調(diào)試在整個電路的設(shè)計中占有重要位置，它是把理論付諸實踐的過程，也是把紙面設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H產(chǎn)品的必經(jīng)階段。硬件的連接每個細微之處都要細心操作，焊接硬件更需仔細的觀察，并進行多次的檢查以及測試，直到達到要求為止。5.1.1 太陽位置傳感器的調(diào)試太陽位置傳感器是本系統(tǒng)的重要部件，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到系統(tǒng)的運行狀況，所以必須對它進行嚴格的實驗，直至穩(wěn)定。太陽傳感器如圖5-1所示。通過遮擋相應(yīng)的光敏電阻，測試傳感器輸出是否正確。 圖5-1 太陽位置傳感器實物圖5.1.2 輸入顯示模塊的調(diào)試為了方便人機交互及系

45、統(tǒng)調(diào)試設(shè)計了輸入顯示模塊，如圖5-2所示，是輸入顯示模塊的實物圖。系統(tǒng)通過按鍵進行輸入，主要有四個方向鍵和一個功能選擇鍵，四個方向鍵用于手動控制方位軸電機和俯仰軸電機，功能選擇鍵用于手動、自動的切換。通過手動按下相應(yīng)按鍵后測試是否得到相應(yīng)按鍵信號以確定按鍵輸入是否運行正常。圖5-2 輸入顯示模塊實物圖5.1.3 電機驅(qū)動器的調(diào)試用L298N作為電機驅(qū)動芯片，圖5-3為焊接好的驅(qū)動電路。通過手動方式在驅(qū)動器的輸入口加驅(qū)動電平，觀察相應(yīng)電機的運行狀態(tài)，多次測試，觀察電機是否運行正常。經(jīng)調(diào)試后，系統(tǒng)主要硬件運行良好。圖5-3 電機驅(qū)動電路實物圖5.2 整體調(diào)試5.2.1 人工模擬太陽調(diào)試將所有硬件連

46、接好后，用圓頭臺燈模擬太陽，人為改變“太陽”方向觀測系統(tǒng)運行狀況。圖5-4為多方向太陽能收集控制系統(tǒng)的實物圖。主要測試項目有：太陽傳感器運行狀況，能否精確跟蹤；在運行到接近開關(guān)位置（初始位置）時，如果“太陽”位置超過此位置，是否停在初始位置；通過手動控制，驗證當(dāng)運行到初始位置時，如果還在手動輸入運行，電機是否停止。經(jīng)調(diào)試后，系統(tǒng)能精確跟蹤“太陽”，各測試項目都達到系統(tǒng)要求。5.2.2 室外測試在晴朗的天氣下，將系統(tǒng)置于室外太陽完全能照到的地方，觀測系統(tǒng)運行狀況。主要觀測能否跟蹤太陽。經(jīng)測試，在晴朗的天氣下，多方向太陽能收集控制系統(tǒng)能穩(wěn)定地跟蹤太陽。當(dāng)晚上太陽落下時，系統(tǒng)能按照要求返回到初始位置，并在第二天太陽升起時重新跟蹤太陽。圖5-4 多方向太陽能收集控制系統(tǒng)實物圖結(jié) 論采用凌陽公司的SPCE061A單片機，通過自行設(shè)計太陽位置傳感器等，設(shè)計了一款多方向太陽能收集控制系統(tǒng)。太陽位置傳感器采用兩級跟蹤方式，即由一級傳感器大致判斷太陽位置進行粗跟蹤，當(dāng)跟蹤到一定精度范圍后另一級傳感器精確檢測太陽位置進行精跟蹤。通過測試，能夠達到精確跟蹤太陽的基本要求。在夜間時能返回到初始位置，等待太陽升起。在多元天氣或者陰雨天氣時系統(tǒng)停止跟蹤，等待天氣轉(zhuǎn)晴后繼續(xù)跟蹤。當(dāng)遇到大風(fēng)天氣時為了防風(fēng)使太陽