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作者：山东科技大学 李超 王丹丹

指导老师：郝建军

作品简介：

　　随着现代农业、工业和国防、科技等方面的快速发展，各国对能源的需求量不断增加。年增长率达到5%-6%，就是说10多年能源的需求量就要翻一番。20世纪之后，世界能源需求量在不断的增加，进入21世纪以来，能源的供需关系更加紧张。加之，世界能源资源分布不均衡，必然会导致能源危机的发生。面对日趋严重的能源需要危机问题，最好的解决方法就是开发和利用新能源，而太阳能无疑是新性能源的首选。太阳能比起煤石等能源具有很多优点，具有可再生性，分布范围广，安全，无污染，可谓取之不尽，用之不竭。在使用过程中能够全面保护生态平衡与气候温度平衡。

　　国内外现有的太阳跟踪系统，按不同的标准分类，有很多种跟踪控制方式。但从总体上看，不外乎包括以下三种：(1)光电跟踪方式;(2)视日运动轨迹跟踪方式;(3)光电和视日运动轨迹混合跟踪方式。

　　本作品采用光电和视日运动轨迹混合跟踪方式，具有可靠性高，精度准确，抗干扰能力强的特点。

　　本作品采用开环(日轨迹跟踪)和闭环(光电传感器跟踪)两种设计方案。由光敏电阻接收太阳光，将光信号转换成电压信号，通过比较四个方向输出的电压的高低来判断方位。若电压偏向于西方向，则西方向上的光敏电阻的阻值变小，电阻有变化就会有相应的电压输出变化。把这种电压变化信号输入IAP15F2K61S2单片机中，经过IAP15F2K61S2单片机的处理，最终控制直流电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线，从而达到最高效率的利用太阳能。在传感器受遮挡或阴天下，可根据，时钟芯片读取此时的日期时间，根据内置在IAP15F2K61S2单片机中太阳轨迹信息，开环控制太阳能电池面与入射光线垂直，达到最高效率的接受太阳光。本作品另外设置了用户控制按键，可以手动控制电机的转动，以满足用户对设备的实时操作。

　　将作品置于室外，正对南方，打开电源，即可自动工作。

　　本作品可以正常跟踪太阳，提高了太阳能的转换效率，精度高，抗干扰能力强。

平台选型说明：

　　宏晶公司STC15系列IAP15F2K61S2开发板

设计说明：

　　设计方案：

　　本作品采用闭环(光电传感器跟踪)设计方案相结合的方式实现日光的实时跟踪。

　　主原理图：

　　主流程图：

　　光电传感器跟踪设计方案：

　　方位检测的原理是，光敏电阻接收太阳光，将光信号转换成电压信号，通过比较四个方向输出的电压的高低来判断方位。若电压偏向于西方向，则西方向上的光敏电阻的阻值变小，电阻有变化就会有相应的电压输出变化。把这种变化经过一系列的处理最终控制直流电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线，从而达到最高效率的利用太阳能。本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个参数相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东、西方向。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。

　　系统采用光敏电阻光强比较法，设计一种全新的光电转换装置，很好地实现了光电转换。它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位检测。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，WEST、EAST或UP、DOWN四个光电管中必有一个受阳光照射强，这样就可确认电机的转动方向，直到四个光敏电阻接受到的光强一样为止,即四个光敏电阻的阻值相等。WEST、EAST、UP、DOWN的放置如图1所示。

　　为了确保太阳位置传感器的精确性，避免传感器受到其他外界条件的干扰。同时为了降低制造成本，本系统设计的太阳位置传感器采用光筒式结构，在圆筒内部，上、下、东、西四个方向上分别布置4个光敏器件。只留下上方一个光斑孔来接收太阳光线。太阳光照射到光筒内部时为一个光斑，光斑在光敏电阻上的位置不同则会引起输出的不同。光敏电阻外侧选用黑色圆柱形不透光材料来遮挡外部的太阳光，在圆筒的上方正中心处开一个微小的圆孔。选择透光性极强的玻璃覆盖在圆筒上，以保证光线通过圆孔后在圆筒内部留下光斑。其结构原理如图2 所示。

　　传感器固定到太阳能电池上，并保证传感器与太阳能电池相对位置水平且传感器上方不受其他物体的遮挡。这样当太阳能电池转动后，太阳光在传感器内留下的光斑也随之移动引起光敏器件输出的变化处理器在根据其不同情况控制步进电机执行运转。光筒式太阳位置光电传感器结构比较简单，另外，因为有光筒结构来保护，外界干扰光对其影响比较小，对系统的稳定性有很大的作用。但是就是因为其屏蔽性好，它的有效检测角度比较小，这是它的缺点。

　　由光敏电阻得到的是电压信号，电压信号经过LM339 四路电压比较器，对模拟信号初步处理，以便送入单片机。

　　LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

　　1)失调电压小，典型值为2mV;

　　2)电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V;

　　3)对比较信号源的内阻限制较宽;

　　4)共模范围很大，为0~(Ucc-1.5V)Vo;

　　5)差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压;

　　6)输出端电位可灵活方便地选用。

　　设置电位器的位置使A点的电压( )与RV1点的电压(RV1)即参考电压相等，同样设计电位器的位置使B点电压( )与RV2点的电压相等。当太阳光正对太阳能板的时候A点电压和B点电压分别与其参考电压相等，电机不转动。如果太阳光向西南方向移动了一定角度，这就会使得A点和B点的电压增大，而电压比较器LM339内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。因此当A点和B点电压比参考电压高时，就有1IN+(同相输入端电平)大于1IN-(反相输入端电平)则1OUT(运算放大器1的输出端电平)为高电平，而2IN+<2IN-则2OUT为低电平，把1OUT和2OUT的电平值输入电机控制模块控制，驱动电机向相应方向转动，在此处电机会向西转动。

　　同理3OUT输出高电平，4OUT输出低电平，电机向南转动。太阳方位检测是闭环电路，会有信号的反馈，当电机转动最终停止位置超过了实际位置，光电传感器会检测到位置的偏移，电机控制模块驱动电机转动到相应位置。

　　日轨迹跟踪方案

　　在光敏电阻被遮挡的时候，此时为使设备正常工作可以采用日轨迹跟踪方式，由时钟芯片DS1302 提供精准的日期和时间信息，通过比较单片机中太阳轨迹数据调整太阳能电池板的位置，进行太阳跟踪。由于单片机的计算速度有限，很难由日轨迹公式实时计算太阳位置，所以将青岛地区太阳轨迹的大体轨迹数据写入单片机ROM中，通过数据比较得到太阳轨迹信息。

　　时钟电路：

　　图 5 时钟电路

　　DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。

　　本设计通过24V直流开关电源供电，24V同时为电机和整版供电，由于单片机等为5V供电，所以由LM2596 提供5V电压供应。LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150KHZ)和基准稳压器(1.23v)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供的有：3.3V、5V、12V及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。本设计采用5V固定电压输出产品。

　　主控芯片模块

　　本设计使用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠性/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

　　IAP15F2K61S2有如下特色：

　　1)采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。

　　2)增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12倍。

　　3)61K字节片内片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上。

　　4)片内大容量2048字节的SRAM。

　　5)大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上。

　　6)共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用。

　　7)共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)。

　　8)内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路。

　　9)内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选，相当于普通8051的60MHz～420MHz。

　　10)两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用。

　　11)一组高速异步串行通信端口SPI。

　　12)一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能。

　　电路采用四个继电器作为电机的电源开关，控制电机转动。单片机引脚输出电流有限，无法驱动继电器的闭合，本设计采用高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003,驱动继电器闭合。

　　ULN2003的特点如下：

　　1)ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

　　2)ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

　　四个不同颜色的LED等，可以实时指示电机的转动方向。

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