1、自动寻光太阳能发电系统自动寻光太阳能发电系统（技术说明） 一 设计要求.2二 系统设计.2三 设计原理与模块实现.3 3.1 智能采光的设计. .3 3.2 信号调理与差动转换电路.3 3.3开关量输入电路.4 3.4步进电机驱动电路.5 3.5 双轴机械跟踪定位系统.6 3.6电源模块.6 3.7 时钟电路.7四 单片机控制电路.8五 系统电路图与工作原理.85.1 系统的电原理图.95.2 主程序框图图.95.3 自动调整子程序框图.105.4 时间较正子程序框图.115.5 全自动调整子程序框图.12六 结论.13七 参考文献.13八 性能指标.14一、设计要求1、设计具有一定承载能力和
2、机械强度的太阳能电池板的载体。2、设计能够从太阳升起时自启动，按太阳的运动规律，自动对焦，并自动追踪太阳光，实现将太阳能转换为电能的装置。3、该系统能适应不同的环境。4、具备自我保护功能。5、能够接受自动完成转换。6、其他附加功能。二 系统设计2.1 系统整体设计本系统主要由中央处理单元、智能采光、电源管理和上位机软件4个部分组成。系统主要实现利用率的提高，太阳能的转换和存储。本设计还提供了对系统的检测和管理。如图1所示，系统包括控制处理单元、电源管理单元、供电和输电单元(包括太阳能电池板、蓄电池、市电、电能输出接口)、接口单元、显示单元、按键、指示和报警单元、步进电机驱动单元和采光单元。控制
3、系统硬件选用AtmeL公司的At89C51(与Intel公司MCS-51系列兼容)作为控制核心来控制机构的执行部件步进电动机。完成了单片机外围硬件电路的设计和相应的软件的设计。系统驱动器采用了与步进电机配套的专用集成模块，具有强抗干扰性、高频性能好、结构简单、运行平稳等特点。电源管理单元与供电和输电单元实现蓄电池充供电切换、市电供电和蓄电池供电切换、太阳能充供电切换、电能变换输出。2.2驱动控制器硬件总体设计方案硬件总体方案如图1。太阳跟踪与驱动控制器以单片机89C51为核心建立应用系统。光电传感器输出的误差信号经过调理输入到差动转换电路,为跟踪提供依据。外部时钟为系统提供准确的时间，以便阴天
4、采用定时跟踪。当跟踪装置转到极限位置时，为了保护设备同时为第二天跟踪做好准备和避免电缆缠绕，需返回初始位置。可以采用限位开关来复位，当机械设备转到极限位置时，限位开关向单片机系统发送个脉冲，单片机响应此操作，进行中断处理，跟踪装置归位。图1三、设计原理与模块实现3.1 智能采光的设计传感器主要是由8 只经过挑选的性能优良的光敏元件和8 只电阻组成，其结构见图2。设置一个暗筒（不透明），暗筒内侧为圆形，外侧为方形，暗筒对外界环境的散射光线及其他干扰光线进行屏蔽，使得外界干扰光线对跟踪效果的影响降到最低。在暗筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置 4 片光敏元件；其中一对光敏元件(E、 G)东西对
5、称安装在暗筒外侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角；另一对光敏元件(F、H )南北对称安装在暗筒外侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角；在暗筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置 4 只光敏元件；其中一对光敏元件(A、B)东西对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度；另一对光敏元件(C、D )南北对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度。图2太阳位置探测单元的工作原理：以东西方向（即方位角）为例，假设太阳的高度角是不变的，即假设暗筒在高度方向始终对准太阳。当早上太阳从东方升起的时候，光敏元件E接受到的光强（阳面）大于G接受到的光强（阴面），因此输出
6、一个正的差动信号给窗口形成电路，经过处理后驱动电机使跟踪平台向东转动。当转动到一定的精度范围内，太阳偏离不太远时，与E并联的A（暗筒屏蔽了环境散射光干扰）开始起主导作用，使暗筒精确对准太阳。当太阳向西偏移时，G和B分别起作用使平台向西跟踪太阳，当遇到云层遮住太阳或者下雨等其它原因导致太阳偏离较远时，G起主导作用进行较大范围的搜索跟踪，到一定精度后A慢慢起主导作用进行精确跟踪。高度角的跟踪基本原理及工作方式与之类似。3.2 信号调理与差动转换电路光敏电阻将阳光强度的变化转变为电阻阻值的变化，信号处理电路处理的是电阻的变化。由跟踪原理知，当两个光敏电阻的照度差（有正有负）较小或为零时（精度范围之外
7、），信号处理电路是不会输出信号的；当相应的两个光敏电阻的照度差（有正有负）达到一定数值的时候（精度范围内），信号处理电路应输出信号驱动平台跟踪。此部分电路包括东西方向和南北方向两路，原理相同，以东西方向为例说明电路的工作原理和过程，电路如图3所示。图3首先，将光敏电阻的阻值变化转变成电压信号的变化，其中暗筒内部的两个光敏电阻A和E并联，暗筒外部的两个光敏电阻G和B并联，太阳从东边升起后，暗筒外的光敏电阻A和E首先起作用，当暗筒基本对正太阳时，内部的光敏电阻G和B开始起到主要作用。转变后的电压U1和U2分别输入到差动转换电路的正负两个输入端，经过第一级运放电路，将两路电压信号的电压差放大20倍。
8、经过放大后的信号为正电压，则经过第一路电压比较后，输出正向旋转信号，若放大后的信号为负电压，则先经过反相器，将其1：1反向输出，然后再经过另一路电压比较，输出让电机反向转动的信号。电压比较器的参考电压Vref1和Vref2可以通过电路进行调节，以设定跟踪的精度范围。3.3开关量输入电路为了是跟踪平台在方位角方向上夜间归位，安装一个行程开关（限位开关），用于控制机械设备的行程及限位保护。每当方位轴转向正西方向的时候，便会撞击行程开关，将此机械信号转化为电信号，输入到单片机，单片机根据此信号发出回转 180 度指令，是系统在方位角方向回到东方，等待第二天太阳升起。在高度角方向上不存在夜间归位的问题
9、。因为高度角在中午的时候最大，早晚的高度角相差不大。本跟踪系统方位角转动范围是90，高度角是 090。行程开关的连接电路图如4所示，S1 表示行程开关，它处在常开状态。本系统采用光电隔离耦合器，实现行程开关和单片机电路的电气互连。使用光耦主要是基于以下考虑：响应速度加快。电磁继电器响应延迟时间要几毫秒，而光电隔离藕合器的响应延迟时间只有左右。抗干扰能力加强，稳定性得到提高。光电隔离藕合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻却很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电隔离耦合器馈送到另一边去，从而被有效的抑制了。图4行程开关 S1 处于常开状态，机
10、械装置的方位轴在正常的工作范围内时，发光二极管不发光，三极管处于截止状态，因而输入单片机/INT0 端口的是高电平；当机械装置的方位轴转到极限状态时，行程开关 S1 的机械触头动作，使常开状态的行程开关闭合，发光二极管导通发光，从而使得三级管导通，/INT0 变为低电平。可以看出，方位轴在正常的工作范围到极限位置时，单片机/INT0 端口会接受到一个负脉冲。正好把单片机的外部中断 0（/INT0）设置成下降沿触发输入，并且中断优先级设置成高级。每当单片机/INT0 口扑捉到下降沿，系统便立刻响应最高级外部中断，调用中断处理程序，使跟踪平台向东方，回归初始位置。3.4步进电机驱动电路步进电机是纯
11、粹的数字控制电机，它是一个将电脉冲信号转变成角位移（或直线位移）的执行机械，即给定一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。用户可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到准确定位的目的。步进电机的驱动控制器主要是由脉冲发生器，脉冲分配器和功率放大器等环节组成，如图5所示。脉冲发生器产生某些频段连续变化的脉冲信号。图53.5 双轴机械跟踪定位系统机械部分主要由电池板支架、底座、两转动轴和直流电机构成, 整个电池板及检测装置安装在图5中上部的电池板支架上, 光电二极管检测平面和电池板面应平行。太阳能器自动跟踪装置设计成双轴机械跟踪定位系统, 即可同时在方位角和高度角两个方向上跟踪。机械装置由电机驱动
12、, 可以使电池板在水平方向上的360和垂直方向上的090之间自由旋转。2个转动轴的转动部位都安装轴承,使摩擦力减小, 以降低方位角和高度角两直流电机的调整功率。在转动轴上各固定一较大的齿轮, 电机可通过传送带与小齿轮连接, 并进行一定的转速比调整, 以降低大齿轮转速和电机的调整功率。在两小齿轮的对称放置上各安装2 块小磁铁, 在小齿轮旁边适当位置安装一个干簧管(干簧继电器) ,并调整其位置使小齿轮上的磁铁在经过干簧管时, 干簧管能闭合。将此信号送由单片机进行判断, 就能检测到转动的角度。单片机送出方位角和高度角电机的正反转控制信号, 经两路三级管和继电器分别加在方位角和高度角这2 个电机上,
13、这样就构成了方位角和高度角的跟踪机构。另外, 在两个大齿轮边宜安装一锁定装置, 在方位角和高度角没有调整时, 该锁定装置通过安装在弹簧上(弹簧的另一端固定在大齿轮的轴心位置) 的铁片, 锁定齿轮, 以防因系统自重和外界因素导致方位角和高度角自行移动。在单片机发出正反转调整信号时, 同时也驱动接通电磁阀, 拉动该铁片, 以解除锁定。3.6电源模块由于本系统需要电池供电，且内部各电路工作电压差别较大，我们考虑了如下方案为系统供电。（1）电池 采用12V蓄电池为步进电机供电。将12V电压降压、稳压后给电路各系统和芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大，
14、在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低，是我们使用该方案的原因。（2）稳压电路由于，系统中各部分工作电压不同，主要分为电机驱动电路电源，单片机控制电路电源2部分。5 V电源（单片机控制系统）电路原理图如图6，图中，JI2是12V（交流电）输入接头，经过整流桥D2和滤波电容C5、C6后, 到达U2三端稳压管7805，他将12V电池电压稳定在5V，供给信号拾取电路及信号放大电路使用，D6v是为了防止外接电源接反而设的保护二极管。7805输出的5V电压经过C7-C8进一步滤波后，通过JO2输出。在调试、演示时采用外接12 V直流电源, 以节省调试
15、、演示时用电的费用与充电时间， 比赛时采用一体化大容量高能量可充电电池, 保证工作时电源供电的可靠性。图6 5V电源原理图3.7 时钟电路 由于系统中要进行时间的控制，因此需要使用时钟电路。若使用单片机计时，则时间长了会引起较大的误差，需要使用串行实时时钟芯片。我们选择 DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片 DS1302，它虽然没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果好，同时体积小，连线少，外围只有一32.768KHz 晶振，使用灵活。DS1302 实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数，具有 318RAM ，可供保存有用数据。用于时钟或RA
16、M 数据的读/写具有单字节或多字节(也称脉冲方式)数据传送方式。采用双电源(主电源和备用电源) 供电。图7DS1302 慢速充电时钟芯片包括实时时钟/日历和 31 字节的静态 RAM，经过一个简单的串行接口与单片机通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、月和年等信息，对小于 31 天的月末的日期进行调整，还包括闰年的校正功能。时钟的运行可采用 24 小时或带上午和下午的 12 小时格式。DS1302 与单片机的通信仅需三根线即 SCLK（串行时钟线）、I/O（数据线）、RST（复位线）。数据可以按每次一个字节或多达 31 个字节的形式传送到时钟 RAM 或从中送出。DS1302 还有另外的功能
17、：即用于主电源和备用电源相连接的双电源引脚 VC1和 VC2。DS1302 由 VC1 和 VC2 两者中较大者供电，当 VC2 大于 VC1+0.2 时，VC2 给 DS1302 供电。当 VC2 小于 VC1 时，VC1 给 DS1302 供电，使系统在没有主电源的情况下也能保持时钟的连续运行。此外，它还提供可编程的 VC1 慢速充电功能，从而对备用电池进行充电。DS1302 主要引脚有：X1，X2 连接 32.768kHz 晶振。GND：电源地。RST：复位，用于对芯片操作。I/O：数据输入、输出引脚。SCLK：串行时钟输入 VCC1，VCC2：后备电源和主电源。电路图如7所示，才用 B
18、T1 电池供电，当单片机断电时，能启动后备电池对 DS1302 供电，需保证时钟能正常运行，所以采用了双电源技术。四、单片机控制电路单片机选用低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器AT89C51, 片内有8k 字节的可擦写存储器, 4组IPO 口。若要求的存储量较多, 则可改用STC89 系列高性能单片机。五、系统电路图与工作原理电原理图图8为整个系统的电原理图。电源部分和部分重复的光电检测单元、高度角的三级管和继电器(和图中方位角的相同) 没有画出。图中D0 为置于外部环境中的光电二极管, 通过调整R20 , 可使在外界没有光线时, 单片机P17 脚检测到低电位, 以判断昼夜。D1 为置于圆
19、柱体中央的光电二极管。适当调整R0 和R1 的值, 使当圆柱体中的光电二极管D1 在受到光照时运放A1 能输出高电平(1) ,而D1 在没有受到光照时输出低电平(0) 。其他各路也同样处理。K1、K2 为行程开关, 用于检测的方位角和高度角的初始位置。继电器的两组触点一缓步用于控制电机的转动, 另一组同时接通电磁阀,解除锁定。图8 系统的电原理图工作原理系统的框图如下: 开机后先进行时间校正, 调用全自动调整子程序, 在开机后的第一次调整时,图9 主程序框图图图10 自动调整子程序框图在光线正常时, 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
20、。当晴天校正成功后, 将时(1 - 24) 和分(用1、2、3 表示0、20 、40 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89C52 的指定的RAM区中。如阴天调整不成功, 则不予存储, 改为调用前次在同一时间调整成功时的位置。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, 清除因不同季节太阳位置的变化而产生的积累误差。一个校正点要用3 个字节, 若1 个小时校正4 个点(间隔20 分钟) , 一天假定调整14
21、个小时, 则共要用到126 个字节。而AT89C52 片内有256 字节RAM, 足可视需要将时间间隔改为10 分钟。 图11 时间校正子程序框图图12 全自动调整子程序框图六 结论该太阳光跟踪系统的最主要特点是单片机对步进电机的控制实现了数字化，因此有很高的精度，而且步进电机的速度也可以控制，可以在短时间中，调整系统的采光面准确对准太阳，一般情况下其跟踪精度可以达到0.01 度。由于其结构简单，价格低廉，所以有发展潜力，在实验室里人造光源下，该跟踪系统已经能十分准确地跟踪，但是考虑到太阳光是平行光，可以在采光板前安装一个聚光装置，效果会更好。七 参考文献1 孙迎光廉价高精度光源跟踪探测器与太
22、阳能利用能源工程，1999（6） 2 杨代华单片机原理及应用武汉：中国地质大学出版社，2000 3 张耀明采集太阳光的照明系统研究中国工程科学，2002，4（9） 4 安毓英，曾小东光学传感与测量北京：电子工业出版社，2001 5 曹承志电机、拖动与控制北京：机械工业出版社，2000 6 蔡惟铮常用电子元器件手册哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998 八 性能指标表1：电池性能蓄电池型号HS120-12电池标准标准电压12V标准容量120Ah外形尺寸长400mm宽170mm高210mm重量38Kg外壳材料ABS端子L型电池特性容量20hr（6A）120Ah充电方式（25）浮充13.650.12V（-18mV/）24Ah循环14.70.18V（-24mV/）1624Ah最大充电电流（A）0.1C0.25C适用温度-1550最佳适用温度1535放电电流计放电终止电压放电电流放电终止电压0.2C未满1.75V/cell0.2C以上，0.5C未满1.70V/cell0.5C以上，1.0C未满1.55V/cell1.0C以上1.30V/cell表2：电机性能电机型号HF-TGA-5电机标准标准电压DC12V电流0.2-3A电机特性转速30转/分速度4-40mm/s噪音60分贝负载75Kg
