太阳能电池板自动跟踪系统研究.docx

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太阳能电池板自动跟踪系统研究

太阳能电池板自动跟踪系统研究

ResearchoftheAutomaticTrackingSystemforSolarCell

【摘要】本系统以单片机技术为核心，通过模数转换芯片对电池板发电电压进行采样。

由软件对采样信号进行分析，给出指令，驱动直流电机转动电池板，实现追踪太阳的效果，达到提高发电效率的目的。

关键词：

太阳能电池四象限光电池模数转换自动跟踪正交轴

【Abstract】Thesystemisbasedonchipmicrocomputer,samplingthevoltagesignalsofsillionbytheCOMSshipofmodulus.Thesoftwareisusedtoanalyzethesesignalsandgivesinstructionstocontroltheelectromotorsandmakethebattreyboardrevolve,sothatthesystemcantrackthesunandimprovethepowerefficiency.

Keywords:

solarcell,photovoltaiccells,A/Dconversion，automatictrackcontrolsystem，OrthogonalAxis

第一章绪论

引言

随着社会经济的发展，能源和资源的消耗速度越来越快。

节约能源，保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件，人们的注意力正转向再生能源的利用和开发，太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展情景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。

国内外目前已有了很多光伏电站，这些光伏电站的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，制约了大规模电站的发展。

太阳能在我国多采用弹簧储能跟踪式，传感器跟踪式的系统，发电成本还很高，不利于跟踪系统的推广与发展。

提高发电效率是降低成本的捷径，我们开发的太阳能电池自动跟踪系统，使太阳能电池板始终对着太阳，保持最大的发电效率，具有成本低，免维护等优点，有较好的推广应用价值。

论文研究的目的与意义

太阳能的电池板自动跟踪系统的开发与研究，提高了太阳能电池板的发电效率，达到了低成本，高精度，使用灵活的要求，为大规模使用太阳能发电，合理利用能源进行了有益的探索。

第二章太阳能电池发电的原理以及应用

概述

太阳能并不是一种“替代能源”，而是原始能源和一直以来的资源能源。

所有的生命和文明一直由太阳能提供能量。

扩展太阳能及其派生的其它可再生能源的技术应用以推进文明向前发展，不仅仅是其历史角色的合理延伸，而且也是人类社会可持续发展的关键。

被地球和大气吸收的太阳能驱动大气和海洋流动的大循环，并在地球表面分配能量。

太阳能是蒸发的动力所在，将水汽从其降落的地方上升到大气中，然后把清洁的淡水带给植物，充满池塘，湖泊，地下水含水层，小溪，河流和海洋，哺育和支持所有形式的生命。

太阳能通过植物的光合作用进行输送，直接和间接的为地球上所有生命的生长提供能量。

储存在木材和木质作物中的太阳能通过在火中燃烧释放出来，从而再生野生生态系统。

最近，人类通过被控燃烧将储存的太阳能释放进行采暖和做饭，以便在寒冷气候下为人类提供温暖。

当人类聚居地进化为城市时，太阳继续通过其能量的延伸使用支持生活和商业活动。

由太阳提供动力的水成为河流，成为大城市的运输工具和所在地。

由太阳提供动力的风能被用在大磨房中用来碾米，为海洋上运载探险家，定居者以及商业物品的帆船提供动力，从而进行文明间交流。

落在水轮上的水将太阳蒸发能转化为机械用能，例如，早期印刷机和轧棉机，然后驱动早期（水电）发电机将电力输送给城市。

太阳能电池发电的原理

太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。

能产生光伏效应的材料有许多种，如：

单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。

它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。

P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

这个过程的实质是：

光子能量转换成电能的过程。

太阳能电池的应用

上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。

如：

太阳能庭院灯、太阳能发电用户系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。

欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。

太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。

第三章系统的构成及工作原理

系统的构成

光伏系统的本质就是太阳能发电系统，主要由太阳能电池板阵列，计算机控制系统，全自动跟踪控制器，蓄电池组等组成。

其核心是计算机控制系统和全自动跟踪控制器。

3.1.1全自动跟踪控制器主要几个功能

1.实时控制太阳能电池板的方向与仰角，实现对太阳的跟踪；

2.根据外界的信息，对整个系统进行监控，适时作出调整，以保证系统的正常运行；

3.协调太阳能电池板，蓄电池等设备，取代计算机控制系统的工作，构成光伏系统的核心。

太阳能电池自动追踪系统主要分为机械部分和控制部分。

机械部分主要由电池板支架，底座和直流电机构成，机械装置由电机驱动，可以使电池板在水平方向上的360度和垂直方向上的0~90度之间自由旋转；控制部分主要由单片机系统构成。

系统的工作原理

3.2.1工作原理

系统进入工作状态后，控制水平方向的电机将处于旋转状态，单片机将对采样进来的电压信号进行判断。

电池板可能朝向太阳旋转，也可能背向太阳旋转，所以电压也有增大和减小两种可能。

如果电池板朝向太阳旋转，采样电压必然增大，程序将给出继续转动的指令，转动过程中，单片机一旦发现电压减小，将立即发出指令，让电池板反转。

为防止机械抖动，当电池板电压再次减小时，电机将停止转动，此时电池板正对着太阳。

如果电池板一开始就背向太阳旋转，采样电压必然会减小，电池板自然会反转，这时就朝向太阳方向旋转了，当电压第二次减小时，也就说明此时电池板正对着太阳了，电池板停止，水平方向的追踪完成。

在垂直方向上的追踪原理和步骤与水平方向的完全一致，只是电池板可能转到尽头而锁死，此时采样电压保持不变，只要在程序中加入当采样电压不变时，电池板反转的指令即可。

采样后要有一延时，延时在秒左右比较合适，太大会影响精度，太小则会造成采样电压不变，程序误以为电池板锁死，不在跟踪太阳。

两个方向的追踪都完成后，电池板将停止运动，这个停止时间可以自由设定，实际系统设定在30分钟左右比较合适，这样即可以保持较高的发电效率又可以防止过多的电能消耗在电机上。

如果遇到阴天，因尚未存储正确的位置数据，程序将无法定位，这时应用手电筒模拟太阳予以定位。

有了初始数据后，程序就可以自动调整。

在光线正常时，程序每隔20分钟进行一次校正，这样既可以保持较高的发电效率又可以防止过多的电能消耗在电机上。

当晴天校正后，将时和分组成一个字节来表示时间，方位角和高度角合用2个字节，其中水平方位角占9位，高度角占7位，最大可分别表示512和128，故足以达到10的精度，将这三个字节存储到89C51的指定的RAM中。

如果阴天调整不成功，则不予存储，改为调用前次在同一时间调整成功的位置。

这样既可以在阴天时，调用已存储的晴天时的太阳位置，也可以在晴天时自动校正，清楚因不同季节太阳位置的变化而产生的积累误差。

第四章部分的结构和设计

概述

太阳能电池板自动跟踪系统的研究主要以单片机技术为核心，通过模数转换芯片对电池板发电电压进行采样，由软件对采样信号进行分析，给出指令，驱动支流电机转动电池板，实现追踪太阳的效果。

本章将介绍系统中主要几个部件的结构和设计。

光电检测电路

太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。

图4-1是太阳光电定位装置，即利用四象限光电探测器。

图4-1太阳光电定位装置图

4.2.1象限探测器

象限探测器有二象限和四象限探测器,又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器.象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器,中间有沟道将它们隔开,因而这两或四个探测器有完全相同性能参数.当被测体位置发生变化时,来自目标的辐射量使象限间产生差异,这种差异会引起象限间信号输出变化,从而确定目标方位,同时可起制导,跟踪,搜索,定位等作用.

4.2.2四象限光电探测器原理

四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像（如图4-2）。

一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。

当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。

半导体四象限探测器通常是由四个光电池排列形成直角坐标制作在共同的衬底上，彼此电绝缘有单独的信号输出端，在有光斑投射表面时，各象限光电池的输出信号与所接收的光能量成正比，因此能用以测出光斑的光亮度中心。

若光斑形状是规则和已知时，则可借以确定它的几何位置。

根据四象限探测器坐标轴线和测量系统基准线间安装角度的不同，可将它的应用方法分作和差电路和直差电路两种方式。

（1）和差电路式，图4-2给出了和差电路的联接方法。

这种方式器件的坐标线和基准线成水平安装。

电路的连接是先计算相邻象限的和，再计算和信号的差。

设光斑形状为弥散圆，在探测器四象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ上所占的面积分别是

、

、

、

，光斑直径为r，光斑中心为

。

光斑的光密度均匀，光斑相对探测器中心

的偏移

=e可用直角坐标xy表示。

测量范围

。

将探测器各象限的输出信号按图连接，得到输出信号电压的表达式为：

（式4-1）

式中

（式4-2）

其中，式4-1中的K是和光束的直径和功率有关的变换系数。

图4-3给出了

的特性曲线，可以看出，在小偏移情况下输出信号与输入偏移量成正比，当

时输出信号饱和。

和差电路的特点是测量灵敏度较高，非线性影响较小，对的不均匀性适应性较强，适用于高精度的定位测量。

但信号处理电路复杂，需要进行多次和差运算。

各环节性能的差异会引起测量误差。

图4-2四象限探测器的和差连接

图4-3

的特性曲线

（2）直差电路式。

图4-4给出了直差电路的连接方法。

器件象限坐标线和基准线间成

角安装。

各象限间的连接按对角线方向相减，测量装置输出信号的表达式为

（式4-3）

该种方式的电路简单，但非线性和灵敏度相对较低。

图4-4四象限探测器的直接连接

4.2.3四象限方位探测器原理框图

图4-5方位探测器原理

信号通过放大和调理后由A/D转换器采样转换成数字量送入单片机，由单片机处理后得到目标的方位，并根据实际系统的需要输出方位控制指令。

控制系统

4.3.1概述

单片机是在一块芯片上集成了CPU、存储器、输入/输出部件、时钟电路及各种应用系统所需的部件，如A/D转换器、D/A转换器等。

它具有体积小，使用灵活方便、成本低、易于产品化、抗干扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠地工作等特点。

特别是它强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用。

4.3.2单片机的应用

1.测控系统中的应用

控制系统特别是工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰也强，而且往往要求实时控制，故要求控制系统工作稳定、可靠、抗干扰能力强。

单片机是最适宜用于控制领域，如数控机床，电镀生产线自动控制等。

2.智能仪表应用

用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化方向发现，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于携带和使用，同时其成本低也提高了性能/价格比，如数字式RLC测量仪、智能转速表、计时器等。

3.智能产品

单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新型的机、电、仪一体化产品。

如数控车床、电脑空调机、各种家用电器和通信设备等。

4.在计算机外设中应用

在计算机应用系统中，除通用外部设备（键盘，显示器，打印机）外，还有许多用于外部通信。

如数据采集，多路分配管理，驱动控制接口等。

在接口中采用单片机进行控制和管理后，主机和单片机就能并行工作，这不仅大大提高了系统的运算速度，而且单片机还可对接口信息进行预处理，以减少主机和接口的通信密度，提高了接口控制管理的水平，如绘图仪控制器，打印机控制器等。

4.3.3单片机应用系统设计

单片机应用系统一般分为两大类，一类用于科学计算，数据处理，企业管理；另一类用于过程控制。

对于前一类，通常由微型计算机，屏幕显示器，键盘，打印机和系统所配置的系统软件所组成。

后一类是微型计算机用于过程控制。

单片机用于控制系统的特点是：

●控制系统的精度高

●功能强

●可靠性高，抗干扰能力强

●系统的数据记录，处理方便

●体积小，重量轻，功耗省，投资少，见效快。

因此，以微型计算机为核心的控制系统广泛地应用于各个领域。

4.3.4单片机控制系统设计与调试的一般原则

单片机控制系统的设计，由于控制对象的不同，其硬件和软件结构有很大差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是基本相同的。

在设计控制系统时，一般需要做以下几个方面的考虑：

1）确定系统设计的任务

在进行系统设计之前，首先必须进行设计方案的调研，包括查找资料，进行调查，分析研究。

要充分了解技术要求，使用的环境状况以及技术水平。

明确任务，确定系统的技术指标，包括系统必须具有哪些功能。

2）系统方案设计

在系统设计任务和技术指标确定以后，即可进行系统的总体方案设计，一般包括：

（1）机型以及支持芯片的选择

（2）综合考虑软，硬件的分工与配合

（3）系统的硬件和软件设计

当然，硬件的分工明确后，引见和软件的设计工作可以同时进行。

但由于微型计算机应用系统的硬件与软件设计关系密切，在设计过程中，还需要经常取得协调，才能设计出较满意的应用系统。

（一）系统的硬件设计

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：

一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

 系统的扩展和配置应遵循以下原则：

 1、尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。

为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

 2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

 3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：

软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。

但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。

 4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

 5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

 6、单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。

驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

 7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。

系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。

随着单片机片内集成的功能越来越强，真正的片上系统SOC已经可以实现，如ST公司新近推出的μPSD32××系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等等。

（二）系统的软件设计

系统的软件是根据系统功能要求设计的，应可靠地实现系统的各种功能。

一个应用系统的工作程序实际上就是该系统的监控程序。

对用于控制系统的应用程序一般是用汇编语言编写的，编写程序时常常与输入，输出接口设计和存储器的扩展交织在一起。

通常在编制程序前先画出流程框图，使编制的各功能程序实现模块化，子程序化。

这不仅便于调试，链接，还便于修改和移植。

合理地划分程序存储区和数据存储区，既能节省内存容量，也使操作方便。

电机的选择

4.4.1概述

本设计系统要求太阳能电池板始终跟着太阳的方向，这就需要有两个电机来控制电池板在水平（电机A）和垂直（电机B）的方向。

通过直流电机的控制就可以达到系统的要求。

使用直流电源的电机叫做直流电机。

因此，只要把直流电机的端子接到直流电源上就可以简单地使其运转。

直流电机是一种具有优良控制特性的电机。

作为控制用电机，直流电机具有起动转矩大，体积小，重量轻，转矩和转速容易控制以及效率高等十分优良的特性。

4.4.2直流电机的结构及工作原理

图4-5所示为直流电机的机构。

可以看出，直流电机由永磁钢构成的定子，绕有线圈的转子以及换向器和电刷等构成。

当电流通过电刷和换向器流过线圈时产生转子磁场，这时转子成为一个电磁铁，在转子与定子之间产生吸引力或排斥力使转子旋转。

由电刷和换向器来切换电流

方向，使电机按同一方向旋转从而带动负载做功。

图4-6直流电机机构

第三章直流电机的工作原理及特性

直流电机的基本结构和

工作原理

⏹3.1.1直流电机的基本结构

（定子剖面图）

主磁极

换向极

磁极数－主磁极的个数

磁极对数=磁极数/2

直流电机的工作原理：

图4-7（a）导体处于N极下

图4-7（b）导体处于S极下

给两个电刷加上直流电源，如上图4-7（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。

如果转子转到如上图4-7（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。

这就是直流电机的工作原理。

外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

实用中的直流电机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。

将直流电机的工作原理归结如下：

1：

将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。

2：

电机内部有磁场存在。

3：

载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用f=Blia（左手定则）

4：

所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n（转/分）旋转，以便拖动机械负载。

4.4.3直流电机的PWM控制

系统中，由单片机的I/O接口产生PWM信号来控制电机转速进行控制，同时又要求电机正，反转运行，则采用微型计算机的PWM控制。

单片机的I/O接口产生PWM信号，用该信号来驱动大功率晶体的开关，从而控制直流电机的转速。

在任何情况下，都需要设置续流二极管，以便在晶体三极管OFF期间电机电流能够继续流通而使惦记平滑地旋转。

4.5A/D转换

4.5.1概述

当用计算机来构成数据采集或者过程控制等系统时，所要采集的外部信号或被控制对象的参数，往往是温度、压力、流量、声音和位移等连续变化的模拟量。

但是，计算机只能处理不连续的数字量，即离散的有限值。

因此，必须用模数转换器即A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter,ADC），将模拟信号变成数字量后，才能送入计算机进行处理。

4.5.2模/数转换器原理

A/D转换器的转换原理是建立在逐次逼近的基础上的，即把输入电压Vi和一组从参考电压分层得到的量化电压进行比较，比较从最大的量化电压开始，有粗到细逐次进行，由每次比较的结果来确定相应的位是1还是0。

不断比较，不断逼近，知道两者的差别小于某一误差范围时即完成了一次转换。

电路设计

根据实际系统的需要，A/D转换器使用ADS7864，单片机使用最常见的89C51。

4.6.1ADS7864特征

●6通道同时采样

●马达控制

●全差分输入

●3相功率控制

●每通道数据吞吐时间只需2μS,保证无丢失码

●多轴定位系统

●有效采样速率为1MHz

●并行接口

●低功耗:

50mW

●工作温度:

–40℃~+85℃/TQFP-48封装

●6个FIFO

ADS7864是TI公司生产的12bit高性能模数转换器，片上带基准电压源，可用作ADS7864的参考电压。

每片ADS7864实际由2个转换速率为500ksps的ADC构成，每个ADC有3个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器，2个ADC组成3对模拟输入端，可同时对其中的1～3对输入信号同时采样保持，然后逐个转换。

由于6个通道可以同时采样，很适合用来转换四象限光电探测器的4路光电信号，剩下2个通道作系统扩展用。

4.6.2ADS7864前端调理电路

模数转换器的前端调理电路缩放和平移要采样的信号，通过调理后的信号适合A/D转换器的模拟输入要求。

图4-8是ADS7864一个输入通道的前端调理电路，ADS7864模拟输入通道的+IN和-IN的最大电压输入范围为～+（ADS7864+5V供电）。

图4-8ADS7864前端调理电路

图4-8的电路中使用了2个运放，A1用作跟随器，用来缓冲ADS7864输出的基准电压源；A2和四个电阻构成了信号调理网络，适当配置R1～R4电阻可以实现对输入信号Vi的缩放和平移以适合ADS7864模拟通道的输入要求。

+IN端的输入电压表示如下：

其中

，取

，则上面式子变为：

。

这样，在保证

的前提下，

可以是双极信号，调整R4，R3的比例使

有合适的输入范围。

4.6.3ADS7864与单片机连接电路

ADS786转换后的结果通过DB0～DB15输出，若将BYTE引脚接高电平，则每个结果分两个字节从DB0～DB7读出，用8位的单片机读取非常的方便。

为了避免89C51对ADS7864的干扰，用一片74HC244缓冲器来连接89C51的P0口和ADS7864的DB0～DB7，控制ADS7864的信号/HOLDA～/HOLDC、A0～A2也是通过89C51的P0口输出，用一片74HC373来锁存这些控制信号。

图4是89C51与ADS7864的连接电路图，其中略去了其它的一些电路连接。

系统采用89C51的寻址ADS7864，地址为8000H，同时用这个地址信号配合89C51的/WR和/RD信号作74HC244和74HC373的使能信号。

要求当89C51的/RD=0,=1时才开启74HC244，读取ADS7864的转换结果