光源跟踪控制系统的设计.docx

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光源跟踪控制系统的设计

1绪论

1.1概述

该设计采用Intel公司的超低功耗的AT89C51单片机作为整个系统的核心，主要由电机驱动，光源检测，采集信号等组成。

利用4路光敏传感器来检测光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制AT89C51单片机，经过单片机的运算和处理来确定光源的运动趋势，并将运算的控制信号传给两台步进电机，使其跟随光源运动。

当水平方向上的2路光敏传感器测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏传感器测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向光源。

同时将光敏传感器检测的信号显示在LCD液晶屏幕上。

本系统可以扩展为以后的太阳的跟踪。

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔。

然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。

据实验，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的。

本文给出一种基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案，该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。

本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。

该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低,而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能的利用率,可以推广具有很实用的价值。

1.2太阳能的应用

据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史了。

周代，咱们的祖先就能利用凹面镜的聚光焦点向日取火，太阳能在医学方面也有应用，在《黄帝内经》和《本草纲目》中记载着我们祖先在公元前3～5世纪就掌握了日光疗法。

在近代，太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯发明第一台太阳能驱动的发电机算起。

之后又出现太阳能动力装置。

渐渐的出现了实用型硅太阳电池、太阳能热水器等。

这些都为我们的合理的利用太阳能这宝贵资源打下了结实的基础。

太阳能的利用途径：

1.直接利用太阳光照射，直接获取太阳光的热量，使水分蒸发。

2.光合作用。

3.通过光热转换，把太阳光转换成热能嫁衣利用。

4.进行光电转换，把太阳光转换成电能加以利用。

如今太阳能应用在各种不同领域，在我们的生活中太阳能的运用几乎随处可见，如热水器、开水器、干燥器、路灯、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具等。

1.3光源跟踪系统发展现状

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、具有极大开发潜能的清洁能源。

对人类缓解能源危机有现实意义。

在太阳能电池、太阳能热水器等这些领域都要对光源进行跟踪。

研究提高太阳能发电系统的太阳能利用率、降低发电系统建造成本，并采用相关电力电子装置实施这些技术，是太阳能应用领域面临的主要难题。

牵着可以通过采用太阳光源跟踪技术提高太阳能的接受效率和利用率；后者可以在组建实物系统之前，通过仿真来发现问题，避免由于设计不当所带来的较大浪费，进而一定程度上降低系统建造成本。

国内外实现太阳能跟踪的方法很多，按照跟踪自由度的多少，太阳光源跟踪伺服系统可以分为两类：

单轴和双轴。

单轴跟踪是在一根轴上做简单的旋转，在一天的时间内，方位角从东向西运移，其实现方式简单，但跟踪误差较大；双轴跟踪可以从东西以及垂直方向旋转，结构相对比较复杂，但跟踪精度明显优于单轴跟踪，现已被普遍采用。

下图1.1是双轴太阳能跟踪系统：

图1.1双轴太阳能跟踪系统

而且，现在太阳能开发利用工作正处于前所未有的大发展时期，各国都加强了对太阳能研究工作的计划性，不少国家还制定了近期和远期的阳光计划。

开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。

国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家也开始积极参与太阳能开发利用工作去。

等到太阳能技术的突破，将会有大量消费者去购置。

1.4本文主要内容

太阳能跟踪系统的目的是在太阳有阳光的天气时，全天候使太阳能电池板垂直于太阳，这样大大提高了太阳能电池板的发电量。

本文采用了独特设计的太阳光跟踪定位传感器、跟踪控制器及传动执行机构。

当阳光照射到太阳能电池板上，电池板就会产生电能。

阳光越充足，电池板产生的电能也就越大，但是太阳东升西落，其位置在一天内并不是固定的，因此太阳能电池板需要尽可能地跟随太阳运动才能获得充足的阳光。

本文以基于步进电机的双轴跟踪系统为基础，对其进行仿真分析，明确系统参数对跟踪性能的影响，为太阳光源跟踪系统的进一步优化设计提供了理论依据，具有很好的使用价值。

其主要内容如下：

1.系统设计要求，方案比较；

2.硬件电路设计；

3.软件设计以及流程图的绘制；

4.系统调试和结果分析。

2系统设计

2.1系统设计要求

2.1.1跟踪光源设计

本设计是一个光源跟踪系统，主要由传感器来对光照检测与处理，控制器分析与处理，运行和显示这几个部分构成。

整个系统是以单片机为控制核心，通过四个光敏传感器来检测光照，依据光照度的变化、大小来判断出点光源的位置与运动趋势，并将光源运动分解为水平和竖直方向的二维运动，借以来控制水平电机与竖直电机的旋转角度。

当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近，同时竖直方向上的两传感器的测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向光源。

太阳跟随系统常常用在太阳能发电站里。

当阳光照射到太阳能电池板上，电池板就会产生电能。

阳光越充足，电池板产生的电能也就越大，但是太阳东升西落，其位置在一天内并不是固定的，因此太阳能电池板需要尽可能地跟随太阳运动才能获得充足的阳光。

根据图2.1.1的系统框图，可以设计一个太阳跟随系统的模拟，电路中四个光敏器件A,A'和B,B'构成两组，用于检测光线，经过NE555构成的单稳对信号整形后分别送到单片机的P3.0和P3.1。

如果光线变暗，则光敏器件阻值增大，达到翻转阈值后单稳输出端出现高电平，单片机的P3.0和P3.1接收到这个高电平就知道太阳能电池板光线不足。

图2.1.1系统框图

当检测到太阳能电池板上的光线不足时，单片机将通过L298驱动X轴和Y轴电动机MX和MY正转和反转，形成支架的组合运动直到两个轴的光敏传感器都获得最大的太阳光为止。

2.1.2太阳光角度的计算

太阳光入射角∮产生的余弦效应和解决措施由于存在一个约23.5度的黄赤交角,并且随着地球的自转与公转，便产生了太阳每天时角和四季赤纬角的变化，如果用固定式光伏组件收集太阳能，只有在每一年的某个瞬间，太阳的光线才真正垂直地照射在太阳能收集器上，此时光伏组件接收太阳能的效率才是最高，其它时间太阳的光线与光伏组件的法线都存在一个小于90°的太阳光入射夹角∮（在跟踪装置的设计中定义为跟踪角）。

如下图2.1.2所示，设OCFG平面为光伏组件的表面，OZ为其法线，EO为太阳的入射光线，∮角为入射角，α和β角分别是光线入射角∮在东西立面OADG和南北立面OABC上的投影角,把α和β角分别定义为东西入射角和南北入射角，这里将∮角分解为α和β角，对简化双轴跟踪装置的设计具有一定的意义。

图2.1.2跟踪角

已知α和β角求得∮角为：

因所以

①

如图2.1.3，太阳光倾斜照射在M面上的能量只相当于垂直照射在其投影面M′上的能量，而Sm′=Smcos准，所以当光线倾斜照射时的能量只有垂直照射在相同面积的cos∮倍，造成收集太阳能的效率降低，这就是有关太阳能收集中的“余弦效应”。

图2.1.3余弦效应

如果设计一装置使东西入射角α和南北入射角β接近于0，则光线入射角∮也接近于0，光伏组件接收太阳能效率就能得到提高，以下的双轴跟踪方式都能实现这一目的。

跟踪装置的类型主要有单轴跟踪和双轴跟踪两大类别。

其中双轴自动跟踪装置按机械结构可以概括分类为固定的方位轴旋转及仰角跟踪、随仰角转动的方位轴旋转及仰角跟踪、立式旋转及仰角跟踪、纬度方向自旋及仰角跟踪四种类型，按自动控制可以分为主动控制和被动控制，其中被动控制方式的设计较多，设计是利用光电效应控制电机运转，他们是属于被动跟踪方式，这种控制方式易受多变天气的影响。

一种新型双轴自动跟踪装置设计的控制部分是采用主动与被动相结合的方式，方位角为时间控制的主动跟踪方式，而仰角是采用光电控制的被动跟踪方式。

这种跟踪方式不需要步进电机和复杂的电路，跟踪时也不受多变天气的影响。

固定式太阳能光伏组件全年累计接收的能量由于太阳在东西向方位角和南北方向仰角时刻在发生变化，同时由于角度的变化而使太阳辐射所穿越地球大气层的厚度不一样，部分太阳能被大气层吸收、散射和反射掉，由此使得到达地面的太阳能也时刻发生着变化。

所以如果要较准确地计算出地球上太阳能光伏组件接收的能量的多少就很复杂，但可以近似计算出太阳能光伏发电系统因自动跟踪太阳而增效的百分比。

由于①式中的α角和β角的变化是独立的，因而计算时将它们依次作不跟踪的假设，利用积分逐步求出两个方向都不跟踪时全年能量的累积，和有自动跟踪的光伏组件全年收集的太阳能量比较，可求出自动跟踪增效的百分比。

图2.1.4方位角

假设南北向（仰角）太阳能光伏组件已有自动跟踪装置，全年跟随太阳运动，即β=0，而光伏组件东西向（方位角固定在正午的位置）没有自动跟踪，计算光伏组件每天接收的能量∑Qd。

设太阳辐射能量为Mcal/m2.h,东西向由于太阳入射角的变化，在某天的某个很短的时间段Δt内，1m2太阳能光伏组件接收的太阳能量:

Q=MΔtcosα②

如图2.1.4，设每天太阳能光伏组件接收的日照时间为10小时，时间t1在中午12：

00时，入射角α约为0度，根据地球的日运动规律，时间t和日运动角α的关系式为：

α=π12t-π（7

所以①式中量：

④

则在一天的10小时内，固定式太阳能光伏组件接收太阳能累计为：

⑤

一天接收能量的累积为：

⑥

两个方向都不跟踪的情况下，太阳能光伏组件全年接收能量的累计由于极轴与黄道面不是垂直相交，而是呈66.5°角，这是造成每天太阳高低角不相同的原因。

全年太阳赤纬角（日地中心的连线与赤道面之间的夹角）的变化在夏至和冬至时刻出现极值，分别为正负23.5°，这就造成太阳全年南北入射角的变化约为47°，因而在南北方向太阳能的收集也存在余弦效应。

图2.1.5极限位置

以下按赤纬角在365天内均匀变化时收集能量的近似计算，则每天南北入射角的变化为：

2×47°365天=0.258°=0.00143π

设南北入射角为0°时的那个时刻为第0天，则当南北入射角β为0.1306π时，是第91天，也就是图2.1.5中的上极限位置，所以南北入射角β和天数N的关系式是：

β=0.00143π

所以在某几天的时段ΔN里收集的太阳能量为：

Q=7.38MΔNcos0.00143πVN

一年中1m2固定的光伏组件收集的总能量为：

2.1.3太阳光强度检测系统

由于检测系统由传感器和各个环节组成，为了保证检测过程中能够忠实地把所需信息从信号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程中不失真且不受干扰。

因此对传感器和检测系统的基本要求如下：

1）精度、灵敏度和分辨率高；

2）线性、稳定性和重复性好，工作可靠；

3）静动态特性好，测量范围大；

4）抗干扰能力强；

5）体积小，质量轻，操作简便，价格便宜。

各方位检测

由于微型光电池的短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。

在光信号断续变化的