毕业论文-太阳自动追踪系统设计.doc

目 录中文摘要3英文摘要41 引言51.1 课题研究的背景和意义51.2 课题研究的现状51.3 课题研究的主要内容62 系统的总体设计方案72.1 跟踪方法82.1.1太阳轨迹跟踪方法的设计82.1.2 光电跟踪方法的设计102.2 机械结构的设计132.3 充电模块的设计142.3.1 充电策略的选择142.3.2 充电控制器的选择173 系统的硬件设计183.1 电源模块的设计193.1.1 24V到5V的转化213.1.1 24V到负15V的转化223.1.1 24V到15V的转化223.1.1 24V到12V的转化233.1.1 24V到-12V的转化233.2 光电检测模块的设计243.2.1 太阳方位检测模块243.2.2 太阳光强检测模块263.3 单片机控制模块283.3.1 单片机的选择283.3.2 外部时钟电路293.3.3 步进电机驱动电路293.4 蓄电池充电模块313.4.1 DC/DC变换电路313.4.2 MOSFET驱动电路333.4.3 电压采样电路343.4.4 电流采样电路353.4.5 蓄电池温度检测电路353.4.6 PWM方波设计364 电路仿真374.1 降压（BUCK）电路的仿真374.2 太阳光强和方位检测电路的放大电路的仿真37结论38致谢39参考文献40附件1：41附件2：42太阳自动追踪系统设计摘要：人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。本文研究了基于太阳自动跟踪的独立光伏发电系统。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔。目前，光伏发电系统多采用固定安装的形式，这种发电系统具有发电效率低、成本高、不宜推广等缺点。在光伏发电系统中使用太阳自动跟踪，能有效地提高太阳能的利用率。因此，本文的研究对提高光伏发电效率、促进光伏发电的推广应用具有重要的意义。本文首先提出了一种将光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式相结合的全天候太阳自动跟踪方法。分析并确定了晴天、多云和阴雨三种天气条件下，应分别采取的跟踪模式；给出了光电跟踪方式的具体设计思路和实现方法；分析并确定了太阳运动轨迹的计算方法。根据提出的跟踪方法，设计了一套自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统。该系统为小型光伏发电系统，在太阳自动跟踪的基础上，全天候、高效率地独立运行，将尽可能多的太阳能转换为电能，储存在蓄电池中。整个系统分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统两个子系统。分别进行了两个子系统的硬件设计和软件设计。硬件设计包括太阳方位检测、光强检测、单片机控制、数据采集、外部时钟、光伏电源等模块；而软件部分设计了太阳自动跟踪系统的软件体系，实现了各个硬件模块的功能、光电检测数据的处理以及跟踪机构的驱动控制。本课题设计的自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统，实现了对太阳的自动跟踪，使太阳能电池板基本对准太阳垂直入射的方向，并实现了连续稳定的电能输出，保证蓄电池的正常充电。关键词：太阳能，光伏发电，光电跟踪，太阳运动轨迹跟踪，蓄电池充电Abstract: An stand-alone PV(photovoltaic) generation system based on automatic solar tracking was researched. As an important way of utilizing solar energy, PV power generation has a broad prospect. Now many PV power generation systems use fixed-mounted solar panels. These systems have the disadvantages of low efficiency of electricity generation, high costs and difficult to promote. By using solar automatic tracking, PV power generation systems can effectively improve the utilization of solar energy. So the study of this paper has an important significance to improve the efficiency of PV power generation and promote its application. Firstly, an all-weather automatic solar tracking method combining the photoelectric detection and the solar trajectory tracking modes was proposed. Different tracking models taken in sunny, cloudy and rainy days were analyzed and identified. Specific design ideas and methods of photoelectric tracking was proposed. The sun trajectory calculation method was analyzed and determined to verify the feasibility. Then a PV power generation system based on above solar tracking methods was designed. The system is a small-scale PV power generation system, which can track the sun all-weather and charging the battery as much as much as possible. The systems hardware and software were designed. The hardware design included solar orientation and light intensity detection, computer control, data acquisition, external clock, PV power and so on. The software design realized the function of every hardware modules, data processing of photoelectric detection and drive control of tracking device. The PV generation system can automatic track the sun, make solar light roughly exposure to the solar panels perpendicularly, achieve a continuous and stable power output.Keywords: solar energy, PV power generation, photoelectric tracking, solar trajectory tracking, battery charging1 引 言1.1 课题研究的背景和意义随着常规能源的不断消耗，人类赖以生存的不可再生能源即将面临枯竭。为此各国纷纷进军新能能源领域，为人类的发展寻找动力的支持。其中太阳能作为新能能源与可再生能源的重要组成部分，有着煤炭、石油、天然气等常规能源无法比拟的优点：1，储量丰富；2，应用广泛；3，绿色环保；4，经济性。基于以上优点，太阳能的开发利用具有巨大的市场前景，不仅能带来很好的社会和环境效益，还具有明显的经济效益。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔，并成为未来解决能源危机的重要途径。但太阳光伏发电存在的一个瓶颈问题是发电效率低，大大限制了太阳能光伏发电的应用和发展。目前，在太阳能利用领域中，如何最大限度的提高光伏发电效率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题的一种重要可行的途径是进行太阳自动跟踪。太阳自动跟踪就是根据一天中不同时刻太阳在天空中方位的变化，调整太阳能电池板的偏转角度，从而跟踪太阳的运行轨迹，使太阳入射光线垂直照射到太阳能电池板上，充分地接受太阳辐射能量。据测定，相同条件下，自动跟踪式太阳能光伏发电系统比固定式太阳能光伏发电系统的发电量提高35左右。因此，太阳自动跟踪对提高太阳能的利用率有着重大意义。1.2 课题研究的现状对太阳能光伏发电系统的研究还处在发展的初期，因此还存在着诸多的问题。其中要有光伏电池板转换效率低且价格高，逆变器效率低等。太阳能光伏发电系统中，用于实现太阳跟踪的方法主要有光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪和两者的结合。光电跟踪通过使用光敏二极管、光敏电阻、硅光电池等光敏元件，来检测太阳的运动方向，并控制跟踪装置追踪太阳的运行。该跟踪方式是一种基于闭环控制的跟踪方法。太阳运动轨迹跟踪通过使用天文学公式，计算出太阳运动轨迹的理论值来控制跟踪装置进行太阳跟踪。该跟踪方式是一种基于开环控制的跟踪方法。光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的跟踪方法首先通过太阳运动轨迹对太阳进行粗略的跟踪然后启动光电跟踪系统进行精确地跟踪。根据跟踪系统使用的轴数，该跟踪方法可分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪分为三种方式：1，倾斜布置东西追踪；2，焦线南北水平布置，东西跟踪；3，焦线东西水平布置，南北跟踪。他们跟踪原理是相同的，即电池阵列绕单一轴转动，其转动方向为自东向西或南北方向，驱动电池阵列转动使电池阵列方位角与太阳方位角相同。双轴跟踪是一种全方位的跟踪技术，它弥补了单轴跟踪的不足之处，目前视日运动轨迹的双轴跟踪主要分为两种方式：极轴跟踪方式，高度-方位角太阳轨迹跟踪方式。1.3 课题研究的主要内容本课题的设计方案采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制方法进行跟踪控制。首先应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪，然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械结构采用的是双轴跟踪装置。并设计了充电控制模块把电池板转换的电能存储在蓄电池中。主要设计的内容如下所示：（1） 光电检测模块（2） 二维机械结构（3） 蓄电池充电模块（4） 单片机控制模块2 系统的总体设计方案蓄电池充电控制模块（三阶段充电）A/D转化单片机控制模块A/D转化充电电流电压检测太阳能电池板光电检测模块太阳方位和光强检测步进电机驱动二维机械跟踪装置外部时钟本课题的整体设计方案如上图所示采用太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的控制方法进行跟踪控制。首先应用太阳运动轨迹跟踪模块进行粗略的跟踪，然后启动光电跟踪模块进行精确跟踪。机械结构采用的是双轴跟踪装置实现二维运动。并设计了充电控制模块把电池板转换的电能存储在蓄电池中。2.1 跟踪方法太阳自动追踪系统采用的是光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪相结合的跟踪方法。根据不同的天气使用不同的跟踪模式。晴天使用太阳运动轨迹粗调和光电跟踪精调相结合的跟踪模式。多云天气主要使用的是太阳运动轨迹的跟踪。阴雨天气关闭太阳跟踪保持机械装置的初始位置。2.1.1太阳轨迹跟踪方法的设计太阳每天东升西落, 站在地球表面的人能够观测到太阳有规律地运动。视日运动轨迹跟踪就是利用单片机控制单元根据相应的公式和参数, 计算出白天太阳的实时位置, 再转化为相应的脉冲发送给伺服驱动器, 驱动伺服电机实时跟踪太阳, 以达到对太阳进行实时跟踪的目的。太阳在天球上的位置可由太阳高度角和太阳方位角确定。太阳高度角又称为太阳高度或太阳仰俯角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角（090），可由下式计算得出： (1) (2)公式中：各角度单位均为。其中为当地的纬度角；为太阳赤纬角，春分和秋分时=0，夏至时=23.5，冬至时=-23.5；为时角，是用角度表示的时间；为1年中的日期序号，从1月1 日开始，=1，每往后加一天，即=+1。太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角，即： （3）式（1）（3）中的赤纬角和时角的计算需要通过时间确定。由于太阳在一年中的时角运动很复杂, 日常生活中的钟表时间采用平均太阳时(简称平太阳时, ), 即太阳沿着周年运动的平均速率。真太阳时(即太阳时, )与平太阳时之差即称为时差, 在工程计算中就会存在时差问题。因此, 必须采用真太阳时, 以达到实际计算中的精度要求。为了得到准确的真太阳时, 可以根据定时标准来校正时差值, 我国区域的时差确定如下： (4) (5) (6)式中：为光伏发电地点的地理经度，中国地区的北京标准时间的经度为；为北京时间。因为地球每24h自传1圈，所以每15为1h；且正午时，时角=0，上午时0，下午时0，则可由下式计算得到，即： （7）当太阳在正南方向时,式( 3)中的方位角=0；正南以西时，0；正南以东时，0。为有效跟踪太阳的位置,除了要计算出太阳的实时位置外,还需要知道具体某天的日出时角和日落时角。由于日出日落时,太阳高度角=0,因此, 由式( 1)可计算出: （8）且根据时角（上午时0，下午时0），得到日出时角和日落时角的表达式为： （9） （10）计算出日出时角和日落时角后，由式（7）可得出日出时间和日落时间即： （11） （12）2.1.2 光电跟踪方法的设计光电跟踪主要是通过固定在太阳能电池板上，且与板面平行的太阳方位检测传感器和光强检测传感器来分别检测太阳的方位变化和光强变化，进而驱动跟踪装置进行太阳自动跟踪。2.1.2.1 太阳方位检测传感器在光电跟踪中，通常将若干个光电特性相近的某种光敏器件（如光电二极管、光敏电阻、硅光电池等）以一定的位置关系对称放置，并与相应的运放电路相连，构成太阳方位检测传感器。这种传感器利用光敏器件在光照下产生的光电流与光照面积和光照强度成正比，且随着太阳方位变化而改变的原理，间接地确定太阳的偏转方向，进行太阳跟踪。在实际应用中，这种形式的太阳方位检测传感器中的各光敏器件的光电转换效率往往不一致，导致检测误差比较大，很难保证光电跟踪的准确性。为提高光电跟踪的准确性和稳定性，本系统采用一种光电集成器件四象限光电探测器作为太阳方位检测传感器。四象限光电探测器是一种灵敏度很高的光电探测器件，由四个光电一致性较好的、相互独立的探测器封装而成，每个探测器又由光敏器件构成。四象限光电探测器是基于四象限定位法进行光电探测的，它的每个探测器分别对应直角坐标系的一个象限，相应的四象限定位原理如图2.1 所示。太阳直射光线通过图2.2 所示的透镜在四象限探测器的圆形光敏面上形成入射光斑，当太阳垂直入射时，光斑在四个象限A、B、C、D 上的分布面积相等，相应地四个象限上探测器输出的光电信号幅值相等；当太阳移动时，光斑在四个象限上的分布发生变化，四个象限上探测器输出的光电信号幅值也相应变化。根据光斑在各象限上能量分布的比例，能够计算出入射光斑的中心位置，从而确定太阳的空间方位，以便跟踪太阳的方位变化。Y X 南 A B 西 东 D C 北 图 2.1图 2.2理论上，镜筒越长，光电池的灵敏度愈高，但是镜筒长度和透镜的参数也有关系，不可能无限制增长，通常镜筒长度，以取10-30cm为宜。用于计算光斑在四象限光电探测器上位置偏移的方法中，比较经典的是四象限加减算法，计算公式如式（13）和（14）所示。 (13) (14)其中，、分别代表光斑在四象限探测器四个象限上的分布面积。和分别代表光斑在x轴和y轴上的偏移分量。为消除光线强度的影响，进行归一化处理： (15) （16）对于本系统而言，图2.1中的x轴和y轴分别对应太阳的方位角方向和高度角方向。0时,代表太阳在方位角方向上向西偏移，反之向东；0时，代表太阳在高度角方向上向北偏移，反之向南。因此，计算机可以根据和的大小和符号，控制跟踪装置中的步进电机旋转，拖动太阳能电池板自动调整，进行太阳方位跟踪。2.1.2.2 光强检测传感器光强检测传感器通过检测太阳入射光强，确定当前环境中的天气状况。光强检测传感器也主要由光敏器件构成，利用光敏器件在光照条件下输出的光电流信号幅度与光照强度成正比的原理来检测太阳光强。本系统选用线性响应好、性能稳定、光谱响应范围宽、光谱灵敏度接近人眼灵敏度的硅光电池作为光强检测传感器。2.2 机械结构的设计图2.31，太阳能电池板；2，小步进电机；3、4、6、7，齿轮；5，大步进电机；8，电池板支架；9，太阳方位、光强检测传感器；10，底座；11，小轴；12，大轴；13，推力球轴承。机械结构的原理如图2.3所示。大齿轮安装在大轴上，大轴及其支撑轴承安装在底座上面(大轴相对于底座可以转动)，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接大马达的输出轴。大马达固定在固定架上，固定架以及支架固定安装在主轴上，太阳能电池板、小马达安装在支架上面(太阳能电池板相对于支架可以转动)，小马达的输出轴连接在电池板上。二维机械结构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动大马达带动小齿轮转动，从而带动大齿轮转动，因此带动支架以及固定在支架上的小轴、小马达以及电池板转动；同时控制信号驱动小马达带动电池板相对与支架转动，通过小马达、大马达的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传动，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本。整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。传动装置设置在转动架下。受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。2.3 充电模块的设计2.3.1 充电策略的选择蓄电池是整个太阳自动跟踪系统能量的存储设备，通过合理的充电控制尽可能延长其使用寿命是光伏充电控制器最主要的目的之一。选择合适的充电策略有利于提高太阳能的利用率和蓄电池的充电效率，延长蓄电池的使用寿命。蓄电池的常规充电方法包括：1，恒流充电法；2，恒压充电法；3，阶段充电法。（1）恒流充电法恒流充电将流入蓄电池的充电流控制在一个恒定值上为蓄电池充电，在充电过程中，要不断的调整蓄电池的电压使之恒定不变，此种方法适合于小电流长时间的充电模式。不足之处是在充电初期充电电流偏小，后期偏大，在后期析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率低。恒流充电方法如图2.4所示。 图 2.4（2）恒压充电法恒压充电法是指始终用恒定的电压对蓄电池进行充电，因此在充电初期蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的升高，电流逐渐减小，在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中不必调整电流。与恒流充电法相比，虽然这种方法不会浪费过多的充电功率，但在恒压充电初期充电电流过大，可能会严重影响蓄电池寿命，甚至使蓄电池极板弯曲，造成报废。恒压充电方法如图2.5所示。 图 2.5（3）阶段充电法蓄电池的阶段充电法包括两阶段充电方法和三阶段充电方法，这是以克服恒流与恒压缺点而结合的一种充电策略。充电初期使用恒流充电，到达一定容量后改为恒压充电。这种方式在充电初期不会出现很大的电流，在后期也不会出现过高的电压，使蓄电池产生析气。两阶段充电完毕后，蓄电池的容量基本达到额定值，改用涓流充电以弥补蓄电池的自放电，这种小电流的充电方式成为浮充，电压比恒压的电压要低大约200 mV 300 mV。三阶段充电法如图2.6所示。本系统实现的是PWM 三阶段充电方式，通过调节MOSFET 开关管的通断时间来控制信号的D( 占空比) ，从而实现对输出电压的调整。 图 2.6对于额定电压12V容量为C的蓄电池三阶段充电电压、电流曲线如图2.7所示 图 2.7恒流充电：当蓄电池端电压低于14.5V时，采用恒流充电。该阶段充电电流值为I，因蓄电池容量而异，一般为I为0.1C左右，C为蓄电池组的容量，在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压14.5V，恒流充电状态终止。蓄电池进入恒压充电阶段。恒压充电：当蓄电池端电压高于13.8V时，低于14.5V时，采用恒压充电。该阶段充电电压值为14.5。在恒压充电过程中，随着蓄电池内部的电化学反应，充电电流逐渐减小，即恒压充电时，保持充电电压不变，充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10约0.01C时，终止恒压充电。蓄电池进入浮充阶段。浮充电：以一个小于恒压充电的电压13.8V对蓄电池进行浮充电，该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此时标志着充电过程结束。三段充电方式优点是，充电电流较为理想的逼近理想的充电电流曲线，充电器只需要三种状态的切换，软硬件设计相对简单。2.3.2 充电控制器的选择本文应用的是基于DC/DC变化的光伏充放电控制器。基于DC/DC变换电路的光伏充放电控制器的工作过程为：光伏电池输出的能量送入DC/DC变换电路，电路控制电路根据对蓄电池充电的设计需求控制DC/DC变换输出一定的电压或电流，对蓄电池充电。以上控制电路的实现方式可借助单片机监控整个系统运行状态，结合内部程序的控制算法，通过软硬件协作完成，从而保护了蓄电池，实现对光伏电池电能的优化控制输出。通过合理的设计外围辅助，一个完备的DC/DC光伏充电控制器可以具备光伏充电控制器要求的所有功能要求。虽然增加了电路设计的复杂度，但就目前的技术来说，此方案较早期充电电路与基本充电控制器对蓄电池的保护上具有十分明显的优势。3 系统的硬件设计整个系统的硬件设计分为太阳自动跟踪系统和蓄电池充电系统的硬件设计两大部分。图3.1为整个系统的硬件框图，图中以太阳能电池板为界，上半部分为太阳自动跟踪系统的硬件构成，下半部分为蓄电池充电系统的硬件构成。光强检测传感器和光强检测电路 太阳方位检测传感器和方位检测电路 外部时钟 A/D A/D单片机 A/D步进电机驱动电路方位角电机 高度角电机 充电电流、电压检测 太阳能电池板蓄电池 蓄电池充电控制器图 3.13.1 电源模块的设计众所周知，电源电路的设计，乃是在整体电路设计的中最基础的必备功夫。电源模块设计的好坏直接影响整个系统的性能。电源是硬件系统正常工作非常重要的部分，电源在满足要求的情况下尽可能的稳定，并且要具有监控和管理的功能，另外电路中有数字信号和模拟信号，要解决好信号和电源间的干扰可以有效地减少整个电路的干扰，在元件布局和电路布线时候要对地线与其他信号线的有所区别，并且要对电源电路本身进行抗干扰设计，如在输出时对电路进行滤波处理等。本课题主要应用的是MC34063（MC33063）集成芯片设计的电源电路。MC34063A（MC33063）集成电路芯片器件简介:该器件本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。由外部提供的24V直流电源通过MC34063转化为5V,正负15V,正负12V的直流电源。此系统包括5个电源转化模块：24V到5V的转化;24V到15V的转化;24V到负15V的转化;24V到12V的转化;24V到负12V的转化。MC34063的工作原理：（1）比较器的反相输入端(脚5)通过外接分压电阻R1、R2输出电压。其中，输出电压U。=1.25(1+ R2/R1)由公式可知输出电压 。仅与R1、R2数值有关，因1.25V为基准电压，恒定不变。若R1、R2阻值稳定，U。亦稳定。（2）脚5电压与内部基准电压1.25V同时送人内部比较器进行电压比较。当脚5的电压值低于内部基准电压(1.25V)时，比较器输出为跳变电压，开启RS触发器的S脚控制门，RS触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态(高电平)，驱动管T2导通，开关管T1亦导通，使输入电压Ui向输出滤波器电容Co充电以提高U。，达到自动控制U。稳定的作用。（3）当脚5的电压值高于内部基准电压(1.25V)时，RS触发器的S脚控制门被封锁，Q端为“0”状态(低电平)，T2截止，T1亦截止。4. 振荡器的Ipk 输入(脚7)用于开关管T1的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到RS触发器的Q端。5. 脚3外接振荡器所需要的定时电容Co电容值的大小决定振荡器频率的高低，亦决定开关管T1的通断时间。典型应用电路如图3.2所示： 图 3.2外围元件的计算，包括（定时电容）、（限流电阻）、（电感）、（滤波电容）。主要计算公式如图3.3。图 3.33.1.1 24V到5V的转化3.1.1 24V到负15V的转化3.1.1 24V到15V的转化3.1.1 24V到12V的转化 3.1.1 24V到-12V的转化3.2 光电检测模块的设计3.2.1 太阳方位检测模块本系统采用美国Pacific Silicon Sensor公司的QP50-6型四象限光电二极管探测器进行太阳方位检测，其实物如图3.4所示。该探测器的直径为14mm，光敏区域是一个直径为7.8mm、面积为50mm2的圆面，该圆面由4个面积为11.78mm2的象限组成，每个象限对应一个光电二极管，4个象限的一致性误差小于1%。如图3.5所示，探测器共有6个管脚，其中1、3、4、6号管脚各连接一个光电二极管的阳极，2号管脚悬空，5号管脚为4个光电二极管的公共阴极。图 3.4 图 3.5太阳方位检测电路主要用于检测太阳高度角和方位角的变化，该电路主要由QP50-6型四象限光电探测器和LF444CN型集成运算放大器构成。其中，LF444CN是四运放集成电路，具有低功耗、高输入阻抗、高共模抑制比的特点，适用于对微弱信号进行放大的场合。太阳方位检测电路连接如图3.6所示，四象限光电探测器中象限A、B、C、D 对应的4个光电二极管的公共阴极与直流电源相连，阳极分别与LF444CN中的4个运算放大器A1、A2、A3、A4的反向输入端相连。探测器中4个光电二极管在光照下产生的光电流IA、IB、IC、ID，分别经前级运放A1、A2、A3、A4进行I/V变换，转换为与太阳光照面积和光照强度成正比的电压信号，这些电压信号又分别通过后级运放A5、A6、A7、A8 进行同向电压放大，得到正的电压信号UA、UB、UC、UD。另外，探测器4个象限对应的运放电路是完全对称的，即R1=R2=R3=R4=R5、R6=R8=R10=R12、R7=R9=R11=R13。输出电压信号UA、UB、UC、UD将分别通过LF444CN的4个输出端接A/D转换器的输入端。计算机通过A/D转换器读取这些电压信号，然后利用3.1.1 节中提出的四象限加减法计算出太阳在方位角和高度角方向的偏移信号，进而控制跟踪机构进行太阳方位跟踪。 图 3,6四象限加减法的计算公式如式(15)和(16)所示，式中代表太阳入射光斑在探测器四个象限上分布面积的、分别与太阳方位检测电路的输出电压、的幅值成正比，故式(15)和(16)可分别等价为式(17)和(18)。为消除光线强度的影响，式中已进行了归一化处理,其中和分别反映了太阳在方位角方向和高度角方向的偏移情况。 (17) (18)单片机根据和的数值和符号，分别控制二维机械结构带动太阳能电池板在水平方向（即太阳方位角方向）和垂直方向（即太阳高度角方向）旋转，以闭环反馈控制的形式减小太阳运动轨迹跟踪的积累误差，使光线尽可能的垂直照射到太阳能电池板上。3.2.2 太阳光强检测模块本系统采用2DU6的硅光电池作为光强检测传感器，其实物如图3.7所示。SP0606 适用于工作在300nm到1000nm光谱范围内的各种光学仪器，对紫蓝光有较高的灵敏度，可用于伪钞鉴别、紫蓝光探测电器、电子仪器、光学仪表、自控设备、光纤通讯等方面。 图 3.7 光强检测电路将太阳光线的辐射强度信息转化为电压信号的形式输出，主要由2DU6型硅光电池和LF44CN型集成运算放大器组成，电路连接如图3.8所示。图 3.8在光强检测电路中，硅光电池的正端与前级运放的正向输入端相连后接地，负端与前级运放的反向输入端相连，硅光电池处于零偏状态。硅光电池在光照条件下产生的光电流IG 经反馈电阻R14 转换为电压信号，即前级运放实现了光电流的I/V 变换。后级运放主要进行电压的同向放大，输出电压UG与光电流IG存在如下关系： (19)由式（19）可知，与呈正比例关系，且与光照强度成正比，故光强检测电路的输出信号也与光照强度成正比。后级放大器的输出直接与单片机的A/D转换的输入端相连，计算机通过A/D获取光强检测电路的输出信号。3.3 单片机控制模块3.3.1 单片机的选择控制方面选择的是PIC16F877A单片机作为中心控制器。其抗干扰的性能突出，工作性受到环境的影响较小，即使在外界环境较差的情况下，单片机仍然能够稳定工作。而且，这款单片机的指令周期是属于单周期指令，这更加有利于提高控制器的控制性能。自身带有8路10位的A/D方便信息的输入，减少外围电路的设计。其应用电路如图3.9所示。 图 3.93.3.2 外部时钟电路DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行实时时钟/日历电路。提供秒、分、时、日日期。月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行的方式进行通信，仅需要用到三个口线：1，RES 复位；2，I/O数据线；3，SCLK串行时钟。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302是由DS1202改进而来,增加了以下的特性。双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1，为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器。它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。DS1302的应用电路图如图3.10。 图 3.103.3.3 步进电机驱动电路步进电机驱动的驱动采用的是THB6064步进电机驱动芯片。THB6064AH是一款整合逻辑模块和功率模块于一身的高性能两相混合式步进电机驱动芯片。配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的步进电机驱动。因其驱动噪音低、震动小，性能可靠、性价比高的特点，适用于各行业的自动化设备。图3.11是典型的步进电机驱动电路。控制信号端加入光耦隔离，提高抗干扰能力。由于驱动芯片CLK频率最高支持200KHZ以上，为了保证脉冲信号耦合后的质量，选择用高速光耦。8种细分和4种衰减模式通过拔码开关选择。斩波频率由 27K160K的电阻来设定，对应的斩波频率是1565KHZ。衰减模式和斩波频率的设定，以步进电机运行平稳、噪音低、震动小为佳。ALERT指示信号通过发光二极管LED显示（芯片出现过流、过温、短路启动等，ALERT会输出低电平，并且强制关闭输出。正常工作时ALERT是高阻状态），方便用户实时了解驱动器的是否异常。当芯片检测CLK输入频率低于2 Hz时，DOWN脚输出低电平，R5连接在DOWN和Vref两端，就是通过这个功能来实现自动降低芯片输出电流，减小电机锁相时发热。输出端RV1RV4的接入，一定程度上限制了步进电机工作中产生的尖峰电压，保护驱动芯片不被尖峰电压损坏（RV阻值设定：RV=VM/5MA）。输出电流通过公式 Io(100%) = Vref x 1/3 x 1/Rs 计算，Vref取值范围：0.5V3.0V ，RS为检测电阻（图5中的R-NFA与R-NFB），建议用无感电阻，推荐阻值为0.22/2W。 图 3.113.4 蓄电池充电模块基于DC/DC变换的蓄电池充电原理图如图3.12所示： 图 3.12主控芯片选用的是PIC16F877A单片机，负责监控和管理整个充电过程。单片机根据反馈采样得到的充电电压、电流的信息判断蓄电池的充电状态，以此作为依据，发送各种控制指令如给定的充电电压、电流值等，保证系统按设计要求正常工作。光伏电池输出的直流电压通过功率回路中DC/DC变换器按单片机控制给定的要求输出相应的直流电压、电流，完成能量的变换传递。3.4.1 DC/DC变换电路DC/DC闭环变换电路有升压（BOOST）型、降压（BUCK）、升降压（BUCK-BOOST或CUCK）型。因为光电池的输出电压大于蓄电池的电压所以采用降压(BUCK)电路，且电流较小，可以相应的降低开关管导通时的电流，减少开关管的导通损耗和因此产生的热量。其工作原理如图3.13所示。 图 3.13以一定占空比PWM信号控制开关管T(MOSFET)的通断。当T接通时，电容C通过互电感被充电，电感也吸收了能量。当T断开时，电感L特性决定其要保持电流不能跳变，从而导致电流流过二极管D，电感L，电容C，负载尺，这是一个BUCK变换器的工作周期。如果减少占空比，开通时间减少，断开时间增加，则输出电压也将下降。反之输出电压增加。在占空比为50时，BUCK变换器的效率最高。BUCK变换器的缺点是电源的电流输出的断续的，为了克服这个不足，光伏电池两端并上电容G，稳定光伏电池的工作点。BUCK变换器在电感电流连续时，输出表达式为： (20)式中，为开关控制周期，为开光管导通时间；为开关管的通断的占空比；为光伏电池送入到BUCK变换器电压；为BUCK变换器输出电压。各主要元件参数的计算:（1） 输出滤波电感：电感的选择应保证输出到额定电流的1/10时，电感电流仍然保持连续。=20KHZ，=5A。 (21)(2) 输出滤波电容：大的电容可以抑制输出的波纹，但选择过大会影响到系统的响应速度。本设计取C=100uF。3.4.2 MOSFET驱动电路BUCK变换电路要正常工作，对其中的MOSFET驱动的好坏，直接关系到整个BUCK变换器的性能。本设计中BUCK变换器采用P沟道的MOSFET作为功率开关。MOSFET驱动电路如图3.14。 图 3.14PWM端低电平时，作为射级输出器导通, =，MOSFET关断。PWM为高电平时，由于之前栅极电压，则的发射结正偏，集电结也正偏，所以导通，MOSFET栅极通过迅速放电直到，此时只需设计就可以使得MOSFET迅速关断。由于采用了电平移位电路交替驱动、构成的推免电路，对栅源级电容的放电电流都比较大，所以驱动MOSFET的动作是很迅速的。3.4.3 电压采样电路电压采样电路通过电阻分压间接测量串联电阻上的电压得到，然后将放大器的输出接在PIC单片机的A/D转换接口进行信息传输。实际应用的电路如图3.15。 图 3.153.4.4 电流采样电路对电流检测采用电流传感器ACS712来测量，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。具有低噪声，响应时间快，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点，主要应用于电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护等, 采用单电源5V供电。其电流检测电路如图3.16所示。 图 3.163.4.5 蓄电池温度检测电路相关研究表明：当蓄电池温度低于25时，蓄电池的充满电压应适当提高，相反，高于该温度时蓄电池的充满电压应适当降低，否则会损坏蓄电池。故需对蓄电池的温度进行监测。本文采用的温度传感器为DSl8B20，它将地址线、数据线、控制线合为一根双向串行传输数据的信号线，CPU只需一根端口线就能与DSl8B20通信，能直接将环境温度转化成数字信号，以数码信号与单片器传输，简化了传感器与单片机的接口电路，电源电压范围为3.0V-5.5V。温度测量范围为-55 125。测温分辨率可达0.0625。检测电路如图3.17。图 3.173.4.6 PWM方波设计由于驱动MOSFET的PWM方波频率非常高，一般的单片机无法进行软件编程实现，所以本课题采用了一种专门的PWM产生芯片进行PWM的产生设计。设计电路图如图3.18所示。 图 3.184 电路仿真设计的电路部分应用Multisim 12进行了部分电路的仿真，包括降压（BUCK）电路的仿真和太阳光强和方位检测电路的放大电路的仿真。4.1 降压（BUCK）电路的仿真 图 4.1仿真电路如图4.1，改变PWM方波的占空比使输出的电压发生变化。4.2 太阳光强和方位检测电路的放大电路的仿真结论为了完成本次毕业设计，参考了大量文献，其中包括博士、硕士毕业设计论文和期刊文献等，初步完成了整体的设计方案。在后续的设计中不断修正设计方案使其更合理和完善。主要完成的设计任务如下：（1） 二维机械结构的设计和工程图的绘制。（2） 太阳自动跟踪系统的设计和硬件电路图的绘制。（3） 蓄电池充电系统的设计和硬件电路图的绘制。 太阳自动跟踪系统的理论设计基本完成但是由于时间问题没有及时的完成软件部分的的编程，不能进行实际操作的调试，所以本设计主要停留在理论层面的设计。但是基本要求的功能和指标基本完成。致谢非常感谢王标老师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，王老师给了我耐心的指导和无私的帮助。为