基于单片机的太阳能自动对光跟踪系统学士学位论文设计.docx

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基于单片机的太阳能自动对光跟踪系统学士学位论文设计

学士学位论文（设计）

基于单片机的太阳能电池板自动对光跟踪系统

摘要：

本文是以AT89C52单片机为核心，设计了一个太阳能电池板自动对光跟踪系统。

系统主要包括光敏传感器、模数转换部分、单片机微处理器、步进电机和电机的驱动电路等，传感器采用光敏二极管作为光-电转换器件，将三个完全相同的光敏二极管分别放置于电池板三个方向分别对光照强度采集，然后由光敏传感器电路将光照强度转换为电压信号，再由ADC0809将电压信号转换为数字信号送入单片机，最后单片机将数字信号进行对比控制电机转动。

该系统精度为4°，系统结构简单、操作方便、测量精度高、速度快。

关键词：

太阳能自动跟踪；A/D转换；光敏二极管；单片机微处理器；步进电机

SolarPanelAutomaticallyTrackingSystemBasedonMicrocontroller

Abstract:

SolarPanelAutomaticallyTrackingSystemisdesignedbasedonAT89C52microcontrollerinthispaper.Thesystemincludesphotosensitivesensor,A/Dconverter,SCM,steppingmotor,drivecircuitofmotorandsoon.Photodiodeasalightsensor-powerconversiondevices,thethreeidenticalphotodiodeswereplacedinthreedirectionspanelswerecollectedonthelightintensity,thenthelightintensitywillbeconvertedtoVoltagesignalbythelightsensorcircuit,VoltagesignalisputintoSCMbytheADC0809toconvertdigitalsignals,theSCMcomparedigitalsignalswithdigitalsignalstocontrolmotorrotation.Thesystemaccuracyof4°,thesystemissimple,easyoperation,highaccuracy,highspeed.

Keywords：

Automatictrackingsolar;A/Dconversion;Photodiode;SCM;Steppingmotor

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1能源现伏及发展

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。

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[1]。

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。

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，但人们对新能源的开发和利用日益重视特别是核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。

据统计[2]，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%。

随着科学技术的发展和新能源技术的发展可再生能源的将在未来的时代与不可再生能源抗衡甚至超过，从而结束矿物燃料垄断能源的局面。

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和发展方向。

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。

我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。

我国的国领土总面积达960×104km，居世界第三位，占世界总面积的7%。

据估算[3]，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2·A，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×1018KJ。

从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、新疆、青海、内蒙古南部、陕西北部、山西、河北、山东、吉林西部、辽宁、云南中部和西南部、福建东南部、广东东南部、西部以及台湾省的西南部和海南岛东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，日照时间长，纬度低，透明度好。

例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，阴天为98.8天，年平均晴天为108.5天，年平均云量为4.8，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，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，阴天达244.6天，年平均晴天为24.7天，年平均云量高达8.4年，平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％。

其它地区的太阳年辐射总量居中。

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[4]，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、采暖和制冷、干燥器、开水器，太阳灶和高温炉，温室与太阳房，海水淡化装置、热力发电装置、水泵及太阳能医疗器具。

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[5]：

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，不存在运输问题，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，尤其对交通不发达的边远地区、海岛和农村更具有利用的价值。

第三，太阳能是一种干净洁净无污染的能源，在开发和利用时，不会产生废气、废水、废渣和噪音，更不会破坏生态平衡。

太阳能的利用有它的缺点：

第一，能流密度较低，日照较好的，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，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。

第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。

1.2课题研究的目的

本课题研究一种基于光影传感器的太阳光线自动跟踪系统，该系统能自动定位太阳位置和跟踪太阳光线，保证太阳能电池板平面始终与太阳光线垂直，提高太阳能转换的效率。

1.3课题研究的意义

1.3.1新环保能源

长期以来[6]，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地生态环境恶化、球气温升高，而且这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限。

据国际能源机构预测，随着社会的发展能源消耗持续增长，在不久的将来人类将面临矿物燃料枯竭的严重威胁。

这种全球性的能源危机下，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，特别是太阳能、核能等。

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{7}，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[8]。

1.3.2提高太阳能的利用率

太阳能是一种低密度、空间分布不断变化、间歇性的能源[9]，这就对太阳能的收集和利用开成了巨大的阻碍。

尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能电池、太阳能干燥器、太阳能热水器等等，由于利用率不高，所以太阳能的利用还远远不够。

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，仍是各国学者的研究热点。

解决这一问题应从两个方面入手[10]，一是提高太阳能的接收效率，二是提高太阳能装置的能量转换率，前者利用现有的技术则可解决，而后者属于能量转换领域，还有待研究。

太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。

不管哪类太阳能利用设备，如果太阳光能始终保持与它的集热装置垂直，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。

但是太阳在不停运动运动着，集热装置若想收集更多的太阳光，那就必须对太阳光线跟踪。

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[11]:

太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，所以我们应该在天之灵更精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。

1.4太阳能光伏发电国内外的现状

太阳能光伏产业是世界发展速度最快的行业之一，之所以世界各国均将太阳能光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点是为了实现能源和环境的可持续性发展。

在各国政府的大力支持下，世界太阳能光伏产业发展迅猛。

根据截止到2006年的计算[12]：

最近10年太阳能电池及组件的年均增长率达33%，最近5年的年均增长率达43%。

2007年世界太阳能电池年产量达到3733MW，较2006年的2473.8MW增长1259.2MW，增幅高达50.9%。

截止到2007年底，世界太阳能电池累计装机容量达到12300MW。

2007年世界太阳能电池产量排名为：

日本920MW，居第1位；中国821MW，居第2位；德国810MW，居第3位；中国台湾地区368MW，居第4位；美国266.1MW，居第5位。

2007年世界太阳能电池厂产量的前3名为；德国Q-Cell为389.2MW，居第1位；日本夏普为363MW，居第2位；中国无锡尚德为327MW，居第3位。

晶体硅光伏电池技术持续进步，薄膜光伏电池技术加快研发。

主要表现在以下几个方面：

（1）晶体硅光伏电池效率不断提高。

商业化单晶硅电池效率已提高到16%~20%，商用化多硅电池效率已提高到15%~18%。

（2）晶体硅光伏电池硅片厚度持续降低。

已从20世纪90年代的350~400um，降到目前的180~280um.

（3）晶体硅光伏电池生产厂的单厂规模不断扩大。

生产规模的不断扩大和自动化程度的持续提高，将使电池的生产成本大为降低。

（4）薄膜光伏电池研发取得新的进展，并开始积极推进生产线和示范项目的建设。

光伏电池和组件的生产本过高是影响太阳能光伏发电进入大规模商业化应用的主要障碍，致使光伏发电的度电成本比火力发电的度电成本竟高达8~10倍。

几十年来，在技术进步和生产规模扩大等因素的推动与引领下，光伏组件的生产成本大幅底下降，从20世纪60年代第一个地面用光伏组件售价1500美元/Wp下降到300美元/Wp，到21世纪初已下降为3美元/Wp左右。

到2003年，世界光伏公司光伏组件的生产成本已降到2~2.5美元/Wp。

对于光伏组件和系统未来的降价趋势，国外许多机构做了预测，光伏发电的电价在2020年前是有可能降低到与火力发电的电价相竞争的水平。

1.5太阳能追踪系统国内外研究现状

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，虽然南北方向通过手动调节，但是接收器的接收效率大大提高了。

1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器[13]，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，该装置采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，利用控制电机完成跟踪，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[14]，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：

一种是根据视日运动轨迹追踪另一种是光电追踪方式，；前者是开环的程控系统，后者是闭环的随机系统。

1.6论文的研究内容

本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光影跟踪踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。

论文的主要工作包括:

（1）分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方案，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。

1.7论文结构

第一章,绪论主要阐述了课题的研究背景、目的及意义，以及国内外太阳能的利用现状、太阳追踪方式的发展现状。

第二章,主要是对太阳自动追踪系统进行了总体设计，确定了系统的追踪方式。

第三章,自动跟踪系统总体结构,光电转换器,单片机及其外围电路,步进电动机以及驱动电路。

第四章,对自动对光跟踪系统软件进行设计。

第五章,课题总结及展望。

第2章太阳能自动跟踪系统总体设计

2.1太阳运行的规律

由于地球的绕太阳的公转及地球自转，导致了地面静止物体相对于太阳运动。

这种相对运动是周期性的可以预见。

黄道天球极轴和地球极轴存在一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。

冬至时赤纬角为23度27分，然后开始减小，到春分时变为0度并继续增大，夏至时赤纬角最大为23度27分，并逐渐减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续增大，直到冬至，另一个变化周期开始[15]。

2.2跟踪器机械执行部分

根据分析以前的跟踪器机械执行部分的优缺点以及成本等各个方面考虑，现列举以下几种常用跟踪器：

2.2.1立柱转动式要跟踪器

图2-1立柱转动式跟踪器

跟踪器的结构[16]：

大齿轮固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面（主轴相对于底座可以转动），小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接马达1的输出轴。

马达1固定在转动架上，转动架以及支架固定安装在主轴上，接收器、马达2安装在支架上面（接收器相对于支架可以转动），马达2的输出轴连接在接收器上。

跟踪器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马达1带动小齿轮转动，由于大齿轮固定。

使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达2带动接收器相对与支架转动，通过马达1、马达2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。

2.2.2陀螺仪式跟踪器

图2-2陀螺仪式跟踪器

跟踪器的结构[17]：

传动箱1固定安装在支架上，马达1安装在传动箱1上，传动箱1的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1的输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面（环形支架相对于支架可以转动），传动箱1的输出轴连接环形支架，传动箱2固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱2上，传动箱2内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。

马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面（接收器相对于环形支架可以转动），传动箱2的输出轴连接接收器。

该跟踪器可以选择不同朝向安装，当按照上图的朝向进行安装时，跟踪器跟踪的实现原理如下：

当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号驱动马达2带动传动箱2中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，跟踪太阳由东向西的运动；同时控制部分也发出信号驱动由马达1带动传动箱1中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动环形支架和接收器转动，跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。

系统优点：

该跟踪机构结构简单。

对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆、蜗轮副传动，在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功率小的马达降低了其能源成本和制造成本；蜗杆、蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨。

结构紧凑，运动空间大。

传动装置设置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。

2.2.3齿圈转动式跟踪器

机械结构[18]：

马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与齿圈1啮合。

齿圈1连接着主轴上，主轴安装在支架上（主轴相对于支架可以转动），马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈2啮合，齿圈2连接着转动架，转动架安装在主轴上（转动架相对于主轴可以转动）。

机构实现自动跟踪的原理：

当太阳光线发生偏离时。

控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动齿圈1和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。

小齿轮2带动齿圈2和转动架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

图2-3齿圈转动跟踪器

系统特点：

该跟踪机构结构简单，造价低。

两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力，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；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。

结构紧凑，运动空间大。

2.2.4本课题的机械设计方案

机构结构：

马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮啮合。

把齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上（主轴相对于支架可以转动），马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈啮合，齿圈连接着太阳能板，转动架安装在主轴上。

机构实现自动跟踪的原理：

当太阳光线发生偏离时。

控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。

小齿轮2带

图2-4本课题的机械设计方案

动齿圈和太阳能板转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

2.3太阳能跟踪设计

2.3.1常用太阳能跟踪方案

太阳能跟踪传感器的方案有很多种，其中最常用的方案是天文日立法、光电跟踪法和光影跟踪方法：

（1）天文日立法

根据安放点的经纬度等信息计算出一年中的每一天的不同时刻太阳高度度，将一年中每个时刻太阳相对于安放点的太阳光线角度存储到控制器存储机构中，使用时根据安放点时间对比出存储在控制器中的太阳光线角度信息调整太阳能电池板的角度，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。

优点：

跟踪准确、可靠。

缺点：

采用的是电脑数据理论，需要根据当地经纬度的数据而设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定经纬度数据和调整各个参数；电路原理、控制技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。

（2）光电跟踪法

传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统由三大部件组成:

位置传感器、控制器、跟踪执行机构。

位置传感器主要由性能经过挑选的光敏元件或光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。

控制组件主要接受从位置传感器来的微弱信号，经放大后送控制器，然后由控制器对传感器传来的信号做处理并产生控制信号给执行机构实现对太阳光线的跟踪

优点：

定位准确。

缺点：

主动搜寻的不确定性，有时容易捕捉到云层边缘的耀斑，阴天和晴天的过渡不好捕捉。

（3）光影跟踪方法

由于太阳运动时的角度变化会引起的地面物体的投影长度发生变化，根据光线的影子变化去计算太阳的位置通过投影长度去计算太阳光线角度变化，根据计算的太阳光线角度变化来调整太阳能电池板的空间姿态。

优点：

跟踪准确度高，干扰小。

缺点：

跟踪有一定的滞后性，阴雨天可能失效。

2.3.2太阳能跟踪方案的确定

通过三个方案的比较，可以看出在太阳能自动跟踪的跟踪精度上，以上三个方案都可以达到对太阳高度角的准确定位和良好的跟踪精度。

结合本课题的设计目的以及太阳能自动跟踪实用性考虑，本设计采用光影跟踪法。

通过设计新型的光影跟踪传感器，提高了光影的传感器的跟踪精度，及时跟踪太阳的角度变化，同时把变化的太阳高度角度度数字化，把数字化后的数字信号送入单片机，由单片机编程整理数据，将数据做比较再根据比较结果执行控制指令产生控制信号调整小型的或大型的太阳能发电的太阳能电池板角度，达到实时自动跟踪的目的，但由于较重的阴雨天时光影不明显所以光影跟踪可能会出现的失效。

由于较重的阴雨天时光照强度较低，光电转换的效率极低，所以电池板角度的调整也不会对对太阳能电池板光电转换的效率影响太大。

2.4太阳能跟踪传感器的设计

2.4.1光线和影子的关系

太阳的辐射由太阳光线的传播到达地球的。

而太阳光线是以直线的形式传播的。

地球和太阳的距离大约在1.5亿公里，而地球的直径只有将近1.3万公里，所以可以认为地球相对太阳是一个质点，太阳的光线是以平行线的方式到达地球表面的。

当光线被不透光物体遮住时，在物体的背面将形成光影，光影的长度不紧与物体高度有关而且和光线的角度也相关。

地球每天不停自东向西自转，同时地球也围绕太阳沿轨道作公转，所以地球上的物体相对于太阳是运动的。

由于光线的直线传播使得静止在地面上的物体会产生光影，由于地球的自转和公转使得光影的长度会随便时间的变化而变化[19-21]。

由图2-1可以看出，光线的影子和太阳的照射角度有密切关系，如果把光线和地平线的夹角定义为太阳的高角度，在图2-1中，a就是太阳的高度角。

物体的影子也随太阳高度角的变化下发生变化，影子的变化也和物体的高度有关。

三个参数的关系是：

（2-1）

式中，d——影子长度；

H——物体高度；

a——表示太阳高度角。

从这个公式可以看出，影子的长短和太阳的高度角及产生影子的物体高度有关。

用这个公式也可以推导用影子的长短和物体的高度来计算太阳高角度的公式:

（2-2）

可见太阳的方位角变化、高度角、影子的长度相关的，影子的长度和每天的时刻也是相关的，因此影子也可以用来测定时间，我国古代就是利用日影特性来得时刻的，通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。

不同的时刻指针的影子在石制圆盘上的位置不同，通过多次反复试验，将不同时刻的影子位置刻在石盘上，当太阳光线射在石盘上时，那么就可以知道这时的时刻了。

这就是古人利用影子特性来制作的时刻表。

在跟踪传感器的设计中，可以制作高度恒定的遮光物体，通过测量遮光物体在太阳光照射时所形成的影子长度来计算出太阳的高度角。

2.4.2跟踪传感器的跟踪精度

通过以上的分析和结论，可以建立太阳能自动跟踪传感器的模型，如图2-4所示，如果把物体和地面的交点看作物体的中心，分析这个中心和太阳位置关系：

当太阳的位置处于物体的正上方时，d的长度为0，a的角度为90度。

此时，可以认为太阳光线和这个物体的中心重合，而且这条直线垂直于地平线。

如果把H的值确定为一个固定值，那么当物体影子的长短发生变化时，太阳高度角a就会相应的发生变化。

物体影子的越长，高度角越小，反之，当物体影子长度越短，高度角越大，如图2-5所示。

图2-4太阳高度角与光线影子计算图

图2-5影子长度和物体高度之间的关系

图2-5中，可以看出高度角和遮光物体的高度以及影子的长度之间的关系，古人就是利用影子特性来计时的[17-24]。