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太阳能板指向控制毕业论文
本科毕业（设计）论文
（二○一二届）
题目：
太阳能板指向控制
分院系部：
计算机与信息学院
专业：
电子信息工程
姓名：
导师：
导师职称：
太阳能板指向控制
摘要：
面对目前的能源困境，太阳能成为了大势所趋，如何解决太阳能利用率成了一个重要的研究课题。
当太阳能电池板与太阳的照射方向垂直时，太阳能电池板单位时间接收到的能量最多，光电转换效率最高，而因为固有的地球绕日运动规律和自转规律，严格说来，在一年中的每一个白昼的每一时刻，地球上任一个地点到太阳的方位角和高度角都是不同的，所以，要确保太阳能电池板的效率最高，就要频繁地调整太阳能电池板的姿态，因此，有必要研制一种自动控制装置，使太阳能电池板的姿态在指定时段能自动地跟踪太阳位置，始终垂直于太阳的直射方向。
本文提出两中解决问题提高太阳能利用率：
一种是根据公知的地球自转和地球绕日公转规律，来确定地球的某一点在白昼的某一时刻太阳的方位角和高度角，换言之，可以确定地球上的某一点太阳的方位角和高度角与当地的经、纬度和当地时间的存在的固定的函数关系。
然后通过AT89C51利用这种函数关系定时定点的控制高度和方位两个步进电机来控制太阳能板得转向；另外一种是直接通过传感器来感应在太阳能板上四个方位的受热程度，然后通过AT89C51对四个方位的受热程度进行采集，再通过AD转换进行比较来控制高度和方位两个步进电机来控制太阳板的指向。
关键字：
AT89C51单片机，ADC0808，四相步进电机，LXD4526光敏电阻
SolarpanelspointtoControl
XXX
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
Abstract:
Facedwiththecurrentenergydifficulties,solarenergyhasbecomethetrendofthetimesandhowtosolvethesolarenergyutilizationhasbecomeanimportantresearchtopic.Energyperpendiculartothedirectionofsolarpanelsandsunexposure,solarcellpanelsperunittimereceiveduptothehighestphotoelectricconversionefficiency,becauseinherentintheeartharoundthelawofmotionandrotationofthelaw,strictlyspeaking,intheyeareverymomentofeveryday,theearthtookofficeoneplacetothesun'sazimuthandelevationaredifferent,toensurethehighestefficiencyofsolarpanels,itisnecessarytofrequentlyadjusttheattitudeofthesolarpanels,sonecessarytodevelopanautomaticcontroldevice,theattitudeofthesolarpanelstoautomaticallytrackthepositionofthesunduringthespecifiedtime,alwaysperpendiculartothedirectdirectionofthesun.
Thispaperpresentstwoproblem-solvingtoimprovesolarenergyutilization:
oneisbasedonpublicknowledgeoftheEarth'srotationandtheEarthrevolutionaroundtheSunlaws,todetermineapointoftheearthatacertainhourinthedaythesun'sazimuthandelevationangle,inotherwords,youcandetermineapointonEarththesun'sazimuthandelevationanglelocallatitudeandlocaltime,theexistenceofafixedfunctionrelationship.ByAT89C51timingpointofsuchafunctionofcontroltheheightandorientationoftwosteppermotorstocontrolthesolarpanelshavetoturnto;anotherdirectlythroughthesensortosenseinthefourcardinalsolarpanelheat,andthenbytheAT89C51theheatofthefourcardinalacquisition,comparedtocontrolheightandorientationoftwosteppermotorstocontrolthesolarpanelspointtotheADconverter.
Keywords:
AT89C51microcontroller,ADC0808,four-phasesteppermotor,LXD4526photosensitiveresistor
1前言
1.1研究背景和意义
随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视，发展前景非常广阔,太阳能产业已成为全球发展速度最快的技术。
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。
目前很多太阳能板阵列基本上都是固定的,没有充分利用太阳能资源,利用率较低。
据实验,在太阳能光发电中,一样条件下,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，在一样条件下，光照强度越大，太阳能的利用率就越高。
因而增大太阳能受光面的光照强度，就可增大太阳能的利用率。
1.2开发工具
此次设计主要采用KeiluVision2进行程序的编写然后通过MicrosoftVisualC++6.0进行调试，在通过Proteus7Professional进行仿真，下面对KeiluVision2、MicrosoftVisualC++6.0和Proteus7Professional进行简要介绍。
1.2.1KeiluVision2
KeiluVision2是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。
KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。
C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，与其它的衍生产品。
C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：
编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。
uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。
系统功能KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，使您能在很短的时间就能学会使用keilc51来开发您的单片机应用程序。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
1.2.2MicrosoftVisualC++6.0
VisualC++6.0，简称VC或者VC6.0，是微软推出的一款C++编译器，将“高级语言”翻译为“机器语言（低级语言）”的程序。
VisualC++是一个功能强大的可视化软件开发工具。
自1993年Microsoft公司推出VisualC++1.0后，随着其新版本的不断问世，VisualC++已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。
虽然微软公司推出了VisualC++.NET（VisualC++7.0），但它的应用有很大的局限性，只适用于Windows2000、WindowsXP和WindowsNT4.0。
所以实际中，更多的是以VisualC++6.0为平台。
VisualC++6.0由Microsoft开发,它不仅是一个C++编译器，而且是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境（integrateddevelopmentenvironment，IDE）。
VisualC++6.0由许多组件组成，包括编辑器、调试器以与程序向导AppWizard、类向导ClassWizard等开发工具。
这些组件通过一个名为DeveloperStudio的组件集成为和谐的开发环境。
Microsoft的主力软件产品。
VisualC++是一个功能强大的可视化软件开发工具。
自1993年Microsoft公司推出VisualC++1.0后，随着其新版本的不断问世，VisualC++已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。
虽然微软公司推出了VisualC++.NET（VisualC++7.0），但它的应用的很大的局限性，只适用于Windows2000,WindowsXP和WindowsNT4.0。
所以实际中，更多的是以VisualC++6.0为平台。
1.2.3Proteus7Professional
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为风标电子技术）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机与外围器件。
它是目前最好的仿真单片机与外围器件的工具。
虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
1前言
功能特点Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
1．原理布图
2．PCB自动或人工布线
3．SPICE电路仿真
革命性的特点
1．互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
2．仿真处理器与其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示与输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
2系统设计与其实现
（一）
2.1自动跟踪系统实现的原理
首先，根据公知的地球自转和地球绕日公转规律，可以确定地球的某一点在白昼的某一时刻太阳的方位角和高度角，换言之，可以确定地球上的某一点太阳的方位角和高度角与当地的经、纬度和当地时间的存在固定的函数关系。
然后通过AT89C51利用这种函数关系定时定点的控制高度角和方位角两个步进电机来控制太阳能板得转向从而达到自动跟踪的目的。
2.2系统结构与其组成
控制系统结构如下图所示,单片机小系统由AT89C51、电源、复位电路、数字显示屏、高度角步进电机和方位角两个步进电机，实时时钟等组成.采用基于单片机小系统加外围设备构成的系统.按键输入主要采用中断方式，用于定时时间长短的控制。
图2-1系统结构基本框图
2.3系统重要元器件简介
2.3.1AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图2-2AT89C51芯片
1．主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片振荡器和时钟电路
2．管脚说明：
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8TTL门电流。
当P1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FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH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4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被部上拉为高，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，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（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。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
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地位字节。
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指令是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取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN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），不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入与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：
XTAL1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振荡器。
石晶振荡和瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至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。
2.3.2步进电机
在工业控制系统里步进电动机是主要的控制元件之一。
步进电机具有快速启动停止，精确定位和能够使用数字信号进行控制，能够实现脉冲-角度转换的特点，因此得到广泛的应用。
在使用步进电机的控制系统里，脉冲分配器产生周期的控制脉冲序列，步进电机驱动器每接收一个脉冲就控制步进电机沿给定方向步进一步。
本文采用四相八拍控制方式工作,每步进一次度数为9°。
步进电机的转角和转动方向取决于各相电脉冲的个数和顺序。
计算机将表1－1所示的各种通电方式转换成相应的状态控制字，通过计算机将各种状态字依次送到接口电路，并根据速度的要求作相应的延时处理。
由接口电路输出所需的控制脉冲通过驱动电路路使步进电机按要求动作。
表2-1步进电机四相八拍相序表
步序
相序
通电相
对应P0口的输出值
（状态字）
P03
P02
P01
P00
1
0
0
0
1
A
01H
2
0
0
1
1
AB
03H
3
0
0
1
0
B
02H
4
0
1
1
0
BC
06H
5
0
1
0
0
C
04H
6
1
1
0
0
CD
0CH
7
1
0
0
0
D
08H
8
1
0
0
1
DA
09H
2.4函数关系的研究
2.4.1赤纬角和时角
要研究方位角和高度角与当地的经、纬度和当地时间的存在固定的函数关系。
我们就必须算出该地方不同时段的太阳高度角。
要计算出任意时段某地区的太阳高度角，我们必须来认识一下赤纬角和时角：
赤纬角又称太阳赤纬，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。
赤纬角是由于地球绕太阳运行造成的现象，它随时间而变，因为地轴方向不变，所以赤纬角随地球在运行轨道上的不同点具有不同的数值。
赤纬角以年为周期，在+23°27′与-23°27′的围移动，成为季节的标志。
每年6月21日或22日赤纬达到最大值+23°27′称为夏至，该日中午太阳位于地球北回归线正上空，是北半球日照时间最长、南半球日照时间最短的一天。
在南极圈中整天见不到太阳，而在北极圈整体太阳不落，这样北半球就出现相对较热的天气，而南半球出现较冷的气候。
随后赤纬角逐渐减少至9月21日或22日等于零时全球的昼夜时间均相等为秋分。
至12月21日或22日赤纬减至最小值-23°27′为冬至，此时斜射北半球，昼短夜长而南半球则相反。
当赤纬角又回到零度时为春分即3月21日或22日，如此周而复始形成四季。
因赤纬值日变化很小，一年任何一天的赤纬角δ可用下式计算：
sinδ=0.39795cos[0.98563（N-173）]或δ=23.45sin[360×（284+n）/365]。
式中N为日数，自1月1日开始计算。
时角是指OP线在地球赤道平面上的投影与当地时间12点时、地中心连线在赤道平面上的投影之间的夹角。
当地时间12点时的时角为零，前后每隔一小时，增加360/24=15，如10点和14点均为15×2=30。
2.4.2Spss数据统计软件
SPSS是世界上最早的统计分析软件，由美国斯坦福大学的三位研究生于20世纪60年代末研制，同时成立了SPSS公司，并于1975年在芝加哥组建了SPSS总部。
1984年SPSS总部首先推出了世界上第一个统计分析软件微机版本SPSS/PC+，开创了SPSS微机系列产品的开发方向，极扩充了它的应用围，并使其能很快地应用于自然科学、技术科学、社会科学的各个领域，世界上许多有影响的报刊杂志纷纷就SPSS的自动统计绘图、数据的深入分析、使用方便、功能齐全等方面给予了高度的评价与称赞。
迄今SPSS软件已有40余年的成长历史。
全球约有25万家产品用户，它们分布于通讯、医疗、财会、银行、证券、保险、制造、商业、市场研究、科研教育等多个领域和行业，是世界上应用最广泛的专业统计软件。
接下来我们将利用它对计算出来不同时段的太阳高度角，进行数据分析。
2.4.3高度角的计算
太阳高度角简称太阳高度，太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的最重要的因素。
我们用h来表示这个角度，它在数值上等于太阳在天球地平坐标系中的地平高度。
太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。
太阳赤纬（与太阳直射点纬度相等）以δ表示，观测地理纬度用φ表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负），地方时（时角）以t表示，有太阳高度角的计算公式：
sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost
通过计算我们得出不同时段的高度角为：
表2-2不同月份不同时段的高度角表
时段
月份
6时
7时
8时
9时
10时
11时
12时
13时
14时
15时
16时
17时
18时
1月
19.2
23.3
27.4
31.5
35.6
39.7
43.8
38
32.2
26.4
20.6
14.8
9
2月
22.2
27.2
32.2
37.2
42.2
47.2
52.2
45.5
38.8
32.1
25.4
18.7
12
3月
24.9
31.2
37.5
43.8
50.1
56.4
62.7
54.6
46.5
38.4
30.3
22.2
14.1
4月
24
32.4
40.8
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