基于52单片机 太阳能自动跟踪系统设计综述.docx
《基于52单片机 太阳能自动跟踪系统设计综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于52单片机 太阳能自动跟踪系统设计综述.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于52单片机太阳能自动跟踪系统设计综述
摘要
太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。
但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及。
太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。
本设计采用光电跟踪的方法，利用步进电机双轴驱动，由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理器。
微机处理器运行程序，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。
采用单片机来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。
关键词：
太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机；步进电机
Abstract
Solarenergyisknownasthemostprimitiveenergy,anditisclean,renewable,rich,andwidedistributionandhaswideprospectsofuse.Butthesolarenergyutilizationefficiencyislow;theproblemhasbeeninfluencingandhinderingthepopularityofsolarenergytechnology.Solarenergytobeautomatictrackingsystemdesignedtosolvetheproblemprovidethenewway，whichgreatlyimprovetheefficiencyintheuseofsolarenergy.Thisdesignusesthephotoelectrictrackingmethod,andusethesteppingmotordriver,byphotoelectricsensorincident,thenthestrengthofthelight’schangesproducefeedbacksignalstothecomputerprocessor,andcomputerprocessorwillruntheprogram,throughthehorizontaltrackingmechanismandpitchtwodegreesoffreedomcontroltoadjusttheangleofsolarpanelstoachievethetrackingofthesun.Solartrackingsystembysinglechipmicrocomputertoachievecanimprovetheefficiencyofconversionofphotoelectricsolarpanels,andhasabroadprospectofapplication.
Keywords:
Solarenergy；Tracking；Photosensitivediode；SCM；Steppingmotor
1绪论
1.1课题背景
1.1.1能源现状及发展
众所周之，人类进入21世纪发展的快车道，而能源是人类发展的根本动力。
同时，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。
当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。
随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。
虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。
据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长l%，而太阳能发电每年增长达20%，风力发电的年增长率更是高达26%。
预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。
相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。
而太阳能具有其他能源不具备的优势[1,2]。
1.1.2我国太阳能资源
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。
据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm2·a，中值为586kJ/cm2·a。
我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×104km，占世界总面积的7%，居世界第三位。
从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。
尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。
例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ/cm2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。
全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。
例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26%，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。
其它地区的太阳年辐射总量居中[3,4]。
1.1.3目前太阳能的开发和利用
人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。
太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、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。
1.1.4太阳能的特点
太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：
第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。
第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。
第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。
太阳能的利用有它的缺点：
第一：
能量密度较低，日照较好时，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。
往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置占地面积大、用料多，成本增加。
第二：
天气影响较大，到达某一地面的太阳辐射强度，因受地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响，时强时弱，时有时无给使用带来不少困难，为了克服推广应用中的困难，人们对水箱保温从选择合适的材料和最佳厚度方面作了很大改进，可以做到在短期内使水温降低控制在最小范围。
另外，增加辅助热源使太阳热水器在任何情况下均可应用，成为全天候太阳热水器[6]。
1.1.5太阳能的应用领域
人类利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化转换，此外，还有储能技术。
太阳光化学转换包括：
光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。
太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。
太阳电池是把太阳光直接转换成电能的一种器件。
太阳电池的光电效率约为10-14%，其产品类型主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅。
国内产品（指光电装置全部费用）价格约60-80%元/峰瓦。
太阳电池的应用范围很广。
例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯。
太阳光热转换技术的产品最多。
如热水器、开水器、干燥器、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[7]。
1.2课题研究的目的和意义
1.2.1课题研究的目的
本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。
1.2.2研究课题的意义
1.新环保能源
长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。
据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。
这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。
能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。
据联合国环境规划署资料，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%，且其使用在世界范围内以每10年20%的速度增长。
这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。
因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。
其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。
日本经济企划厅和三泽公司合作研究认为，到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。
基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。
同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。
2.提高太阳能的利用率
太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。
尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。
就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。
解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。
太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。
不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。
但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。
香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明:
太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域[8]。
1.3太阳追踪系统的国内外研究现状
在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。
1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。
2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。
在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。
目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：
一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统[9]。
1.4论文的主要研究内容
本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。
论文的主要工作包括:
（l）分析太阳运行规律，以及四季气候变化，提出合理的跟踪策略。
（2）分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，还要设计光电转换电路。
（3）选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。
（4）设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。
2系统总体设计
2.1系统总体设计要求
本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。
对太阳能的利用一般都是采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用，在本研究中，确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能。
对太阳能进行电能转换的时候，由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的，如果采用固定式的太阳能接收装置，此装置的位置无法随太阳改变，只能在固定时段有效的吸收太阳能，在其他时段的吸收效率就十分低下，因此，要使太阳能的吸收效率提高，采用太阳跟踪系统对太阳进行实时跟踪是可行和有效的。
在本课题中采用的是双轴跟踪的方法对太阳进行即时跟踪，使太阳能接收装置能够始终正对太阳，从而提高吸收效率。
本系统的整体研发要求是经济、结构简单、性能可靠。
根据本系统的整体要求，装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性.在结构设计中，要使系统机构尽量简洁，避免过于复杂和昂贵，要便于安装和维护。
在控制部分的设计中，要考虑到系统的全天候性要求，选用耐用和抗干扰性强的执行元件，避免频繁发生系统故障。
设计要求如下：
1.系统能根据天气条件进行选择性工作，晴天自动跟踪，阴天或黑夜停止跟踪，避免电能消耗。
2.晴天时系统能保证太阳能电池板与太阳光垂直。
充分吸收光能。
3.系统设计的硬件部分和软件部分能够无故障、准确、合理地运行。
4.为了减少电能过多消耗，系统每十分钟跟踪一次太阳光，误差不超过3度。
2.2系统总体设计分析
本设计主要包过光电转换电路，AD转换电路，单片机控制电路，电机驱动电路的设计，该部分主要从整体上进行系统的总体设计分析。
本部分首先主要介绍各个模块的硬件电路，以及机械设计部分原理简介，然后再从整体上分析。
太阳能自动跟踪总体框图如下：
图2-1太阳能自动跟踪总体框图
硬件设计流程图如下：
图2-2硬件设计流程图
图2-2是本太阳能自动跟踪装置的原理框图,太阳能自动跟踪装置设计成双轴跟踪系统,同时在方位角和高度角两个方向上跟踪,由传感器、信号处理及控制电路、方位角及高度角调整机构组成。
传感器把接收到的光信号转换成电信号,电信号经过信号处理及控制电路后,由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。
3系统的硬件设计
3.1器件的选型
3.1.1AT89C51单片机的特点及工作原理
为了使用方便，系统要求可以进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源，同时使系统使用尽可能少的外围扩展芯片，提高系统运行的可靠性，要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器，基于以上原因，选用AT89C51单片机。
AT89C51单片机是ATMEL公司推出的一种新型的低功耗、高性能并且内含8k字节闪电存储器（FlashMemory）的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS-51指令系列和引脚完全兼容[43,44]。
它除了具有256字节的RAM、32条I/O线、两个16位定时器/计数器、一个五源两级的中断结构、一个双工的串行口、0.5Hz～12MHz的全静态工作方式、片上振荡器与时钟电路等一般标准特性外，还具有以下特点：
AT89C51完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能，并且本身带有2K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，具体如下：
AT89C51单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位单片机。
它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与Intel80C3X单片机完全相同。
在应用中可直接替换。
在AT89C51内部有FLASH程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。
编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。
AT89C5x系列可认为是Intel80C3X的内核与AtmelFLASH技术的结合体。
它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。
1．主要性能
与MCS-51产品指令系统完全兼容；片内集成4KB的FLASH存储器，可反复编程／擦除1000次；
（1）数据保留时间：
10年；
（2）全静态设计，时钟频率范围为0～24MHz、33MHz；
（3）三个程序存储器保密位；
（4）128×8字节的内部RAM；
（5）32条可编程的I／O口线；
（6）2个可工作于4种模式的16位定时／计数器；
（7）5个中断源／2个中断优先级；
（8）可编程串行通道；
（9）具有4种工作模式的全双工串行口；
（10）低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；
（11）片内振荡器和时钟电路；
2．管脚说明
图3-1AT89C51管脚封装图
Vcc：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I／O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
当Pl口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据／地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I／O口，P1口缓冲器能接收输出个4TTL门电流。
Pl口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I／O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能：
P3．0RXO（串行输入口）；
P3．1TXD（串行输出口）；
P3．2INTO（外部中断0）；
P3．3INTI（外部中断1）；
P3．4TO（计时器O外部输入）；
P3．5T1（计时器1外部输入）：
P3．6WR（外部数据存储器写选通）；
P3．7RD（外部数据存储器读选通）；
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低八位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1／6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器读取指令期间，每个机器周期两次丽有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的丽信号将不出现。
EA／VPP：
当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H—FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTALl：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3．振荡器特性
XTALI和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4．芯片擦除
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平lOms来完成。
在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
5．编程算法
（1）地址线上输入欲编程的存储单元地址；
（2）在数据线上输入编程数据：
（3）加正确的控制信号组合；
（4）在“高压”模式下使VPP为12V；
（5）在ALE引脚上加一次负脉冲，可对FLASH存储器的一个字节或保密位进行编程。
编程一个字节的周期是内部自定时的，典型时间不会超过1．5ms。
改变编程的存储单元地址和编程数据重复步骤
（1）～（5），直到编程文件最后。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.1.2ADC0808芯片的选用及简介
ADC0808和ADC0809除精度略有差别外（前者精度为8位、后者精度为7位），其余各方面完全相同。
它们都是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。
利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
所以本设计采用ADC0808作为转换电路的处理芯片。
1.ADC0808的简单介绍
ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。
一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。
2.ADC0808的引脚功能
图3-2ADC0808引脚图
ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。
各引脚功能如下：
1～5和26～28（IN0～IN7）：
8路模拟量输入端。
8、14、15和17～21：
8位数字量输出端。
22（ALE）：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
6（START）：
A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0808复位，下降沿启动A/D转换）。
7（EOC）：
A/D转换结束信号，输出，当A/
升级会员 