中心議題：

• 太陽能自動跟蹤係統的設計

解決方案：

• 跟蹤係統驅動器接口電路
• 步進電機驅動電路
• 限位信號采集電路

太陽能是已知的最原始的能源

，它幹淨、可再生、fengfu
，erqiefenbufanweiguang，juyoufeichangguangkuodeliyongqianjing。dantaiyangnengliyongxiaolvdi

，zheyiwentiyizhiyingxianghezuaizhetaiyangnengjishudepuji，ruhetigaotaiyangnengliyongzhuangzhidexiaolv，shizhongshirenmenguanxindehuati，taiyangnengzidonggenzongxitongdeshejiweijiejuezheyiwentitigonglexintujing，congerdadatigaoletaiyangnengdeliyongxiaolv。

跟蹤太陽的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件jian根gen據ju入ru射she光guang線xian的de強qiang弱ruo變bian化hua產chan生sheng反fan饋kui信xin號hao到dao計ji算suan機ji，計ji算suan機ji運yun行xing程cheng序xu調tiao整zheng采cai光guang板ban的de角jiao度du實shi現xian對dui太tai陽yang的de跟gen蹤zong。光guang電dian跟gen蹤zong的de優you點dian是shi靈ling敏min度du高gao，結jie構gou設she計ji較jiao為wei方fang便bian
；缺que點dian是shi受shou天tian氣qi的de影ying響xiang很hen大da，如ru果guo在zai稍shao長chang時shi間jian段duan裏li出chu現xian烏wu雲yun遮zhe住zhu太tai陽yang的de情qing況kuang
，會hui導dao致zhi跟gen蹤zong裝zhuang置zhi無wu法fa跟gen蹤zong太tai陽yang
，甚shen至zhi引yin起qi執zhi行xing機ji構gou的de誤wu動dong作zuo。

ershiriyundongguijigenzongdeyoudianshinenggouquantianhoushishigenzong，suoyibenshejicaiyongshiriyundongguijigenzongfangfaheshuangzhougenzongdebanfa，liyongbujindianjishuangzhouqudong，tongguoduigenzongjigoujinxingshuiping、fuyanglianggeziyoududekongzhi，shixianduitaiyangdequantianhougenzong。gaixitongshiyongyugezhongxuyaogenzongtaiyangdezhuangzhi。gaiwenzhuyaocongyingjianheruanjianfangmianfenxitaiyangzidonggenzongxitongdeshejiyushixian。

係統總體設計

本文介紹的是一種基於單片機控製的雙軸太陽自動跟蹤係統
，係統主要由平麵鏡反光裝置
、調整執行機構、控製電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤係統電路控製結構框圖如圖1所示
，係統機械結構示意圖如圖2所示。



任(ren)意(yi)時(shi)刻(ke)太(tai)陽(yang)的(de)位(wei)置(zhi)可(ke)以(yi)用(yong)太(tai)陽(yang)視(shi)位(wei)置(zhi)精(jing)確(que)表(biao)示(shi)。太(tai)陽(yang)視(shi)位(wei)置(zhi)用(yong)太(tai)陽(yang)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)太(tai)陽(yang)方(fang)位(wei)角(jiao)兩(liang)個(ge)角(jiao)度(du)作(zuo)為(wei)坐(zuo)標(biao)表(biao)示(shi)。太(tai)陽(yang)高(gao)度(du)角(jiao)指(zhi)從(cong)太(tai)陽(yang)中(zhong)心(xin)直(zhi)射(she)到(dao)當(dang)地(di)的(de)光(guang)線(xian)與(yu)當(dang)地(di)水(shui)平(ping)麵(mian)的(de)夾(jia)角(jiao)。太(tai)陽(yang)方(fang)位(wei)角(jiao)即(ji)太(tai)陽(yang)所(suo)在(zai)的(de)方(fang)位(wei)，指(zhi)太(tai)陽(yang)光(guang)線(xian)在(zai)地(di)平(ping)麵(mian)上(shang)的(de)投(tou)影(ying)與(yu)當(dang)地(di)子(zi)午(wu)線(xian)的(de)夾(jia)角(jiao)，可(ke)近(jin)似(si)地(di)看(kan)作(zuo)是(shi)豎(shu)立(li)在(zai)地(di)麵(mian)上(shang)的(de)直(zhi)線(xian)在(zai)陽(yang)光(guang)下(xia)的(de)陰(yin)影(ying)與(yu)正(zheng)南(nan)方(fang)的(de)夾(jia)角(jiao)。係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)水(shui)平(ping)方(fang)位(wei)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)和(he)俯(fu)仰(yang)方(fang)向(xiang)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)來(lai)追(zhui)蹤(zong)太(tai)陽(yang)的(de)方(fang)位(wei)角(jiao)和(he)高(gao)度(du)角(jiao)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)實(shi)時(shi)精(jing)確(que)追(zhui)蹤(zong)太(tai)陽(yang)的(de)位(wei)置(zhi)。上(shang)位(wei)機(ji)負(fu)責(ze)任(ren)意(yi)時(shi)刻(ke)太(tai)陽(yang)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)方(fang)位(wei)角(jiao)的(de)計(ji)算(suan)，並(bing)運(yun)用(yong)軟(ruan)件(jian)計(ji)算(suan)出(chu)當(dang)前(qian)狀(zhuang)況(kuang)下(xia)俯(fu)仰(yang)與(yu)水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)的(de)步(bu)進(jin)電(dian)動(dong)機(ji)運(yun)行(xing)的(de)步(bu)數(shu)，將(jiang)數(shu)據(ju)送(song)給(gei)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)驅(qu)動(dong)器(qi)，單(dan)片(pian)機(ji)接(jie)收(shou)上(shang)位(wei)機(ji)送(song)來(lai)的(de)數(shu)據(ju)，驅(qu)動(dong)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)運(yun)行(xing)。係(xi)統(tong)具(ju)有(you)實(shi)現(xian)複(fu)位(wei)、水平方位的調整，俯仰方向的調整，太陽的跟蹤及手動校準等功能。[page]

硬件電路設計

1跟蹤係統驅動器接口電路

跟蹤係統中微處理器選用89係列性價比高和功耗低的89C52。74HC14芯片是6非門施密特觸發器
，與P1．1和P1．2口相連
，控製方位限位信號。74HC240芯片，八反相三態緩衝器／線驅動器，用於數據緩衝及總線驅動。係統使用兩片74HC240芯片，通過P0口引腳控製，兩片74HC240的16個輸出引腳作為步進電機驅動電路的輸入控製信號，分別控製步進電機俯仰方向和水平方位的正反轉。係統與上位機的通信選用MAX485接口芯片
，由P1．0口控製其收發狀態。驅動器接口電路如圖3所示。



2步進電機驅動電路

步進電動機是一種用電脈衝信號進行控製，並將電脈衝信號轉換成相應角位移的執行器。在跟蹤係統中
，以74HC240的16個輸出信號作為步進電機驅動器的輸入控製信號
，用以控製步進電機俯仰方向和水平方位的正反轉。圖4所示的是步進電機一路驅動電路圖
，係統共有四路驅動電路
，分別驅動步進電機俯仰方向和水平方位的正反轉。

其中
，水平方位電機由D7，D6，D5

，D4驅動；俯仰方向電機由D3，D2，D1
，D0驅動。跟蹤裝置中步進電機選用42BYG250C型

，步矩角1．8°。水平俯仰方向步進電機運行的最大角度是360°，共需運行20000步。減速器的傳動比為1：100
，即電機轉動100°時水平轉台相應轉動1°。以步進電機1．8°的步距角計算，當鏡麵裝置的水平轉台轉動1°時，步進電機發出100／1．8個脈衝，由此可以計算平麵鏡法向量的方位角為a時步進電機發出的脈衝數為100α／1．8個。步進電機動作頻率可手動設置
，默認情況下
，步進電機每隔15s動作一次。[page]



3限位信號采集電路

采用光電耦合器與電壓比較器電路組成的微機步進電機限位電路

，其電路圖如圖5所示。



限位電路中利用雙三態門來控製步進電機的脈衝通路。工作原理是：在到達限位位置之前，光耦導通，電壓比較器LM393的反向輸入端有信號，允許步進電機控製脈衝從此通過。當限位杆到達限位位置時，擋住了光耦的光通路
，使LM393的反向輸入端無信號，步進電機就停止。

軟件設計

taiyangzidonggenzongxitongderuanjianfenweiliangbufen，yishibujindianjikongzhibufen，zhuyaoyoudanpianjiwancheng。danpianjideruanjianshejicaiyongmokuaihuashejidefangfa


，zhuyaofenweiruxiajigeruanjianmokuai：主程序模塊
、串行口中斷處理模塊、正常跟蹤處理模塊
、串行口中斷複位處理模塊等。單片機主程序流程圖如圖6所示。

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軟件的另一部分為PC機部分
，PCjiruanjianbufenzhuyaoshifuzerenyishiketaiyangweizhidejisuanbingyunyongruanjianjisuanchudangqianzhuangkuangxiafuyangyushuipingfangxiangbujindianjiyunxingdebushu
，bingjiangshujusonggeigenzongxitongqudongqi。yudanpianjitongxindebufenshiyongVC++中的MSComm控件來編譯串口通訊的應用程序，采用MSComm32．OCX控件。使用控件的屬性進行串口設置，使用控件的事件驅動進行串口響應
，使用控件的方法完成串行口接收和發送數據。PC機通信流程圖如圖7所示。

上位機控製係統具有實現複位、水平方位的調整
，俯仰方向的調整
，太陽位置的跟蹤、手動校準及計算當日數據等功能。其中“設置”按鈕，可進行地方經緯度
、波特率、步進電機動作頻率等的設置。上位機可執行程序控製界麵如圖8所示，圖9所示的是控製主界麵下“設置”按鈕的對話框。

試驗觀察數據分析

由於影響跟蹤精度的因素很多，不僅跟當地緯度、太陽赤緯角、taiyangshijiaodequzhiyouguan，haigenbujindianjidejingduyijigenzongzhuantaidejixiejiegouyouguan
，yinerxuyaoduigenzongguijidechengxujinxingxiaozheng。xiaozhengcaiyongshoudongcaozuo

，tongguokongzhishuipingfuyangfangweibujindianji，shilianggezhoudaidongpingmianjingfanguangzhuangzhizhuandong，tongshibuduanguanchapingmianjingfanshetaiyangguangdeyingzi，dangyingzizhongxinganghaojuzaizhidingdianshiweizuijia，jiluxiacongyuandiandaogaidianliangzhoudebujindianjigezizouguodebushu，genjushijiyunxingbushuyulilunyunxingbushuzhicha，kejisuandedaojiaoduzhicha，jiushigaodujiaohefangweijiaodexiuzhengzhi。xiaozhengkeyixuanzerenyitianzhongjigebutongshikejinxing。xitongzaishijiyunxingshi，guanchadaotaiyangzaizhengwuzhixiawu3點期間，高度角方位角變化曲線存在明顯拐點，變化比較顯著
，在此期間內係統對太陽位置的跟蹤存在誤差。

表1中列出了2009年1月12日中午至下午三時左右的理論數據
，並用係統的手動校準功能，記錄下不同時刻的步進電機實際運行步數。



為wei了le更geng準zhun確que地di得de到dao太tai陽yang實shi際ji位wei置zhi的de參can數shu修xiu正zheng值zhi，應ying在zai春chun夏xia秋qiu冬dong四si季ji中zhong不bu同tong時shi刻ke分fen別bie觀guan測ce記ji錄lu數shu據ju，將jiang得de到dao的de一yi組zu高gao度du角jiao和he方fang位wei角jiao的de校xiao正zheng值zhi，擬ni合he其qi曲qu線xian。用yong校xiao正zheng係xi數shu校xiao正zheng理li論lun值zhi存cun入ru控kong製zhi程cheng序xu，可ke以yi提ti高gao跟gen蹤zong精jing度du。

本文介紹的太陽自動跟蹤裝置可以有效地提高太陽能利用率，適用於各種需要跟蹤太陽的裝置。經過試驗
、ceshiheshijishiyong，gexiangzhibiaojundadaoleshejiyaoqiu。benwenshejidetaiyangzidonggenzongzhuangzhishijiyushiriyundongguilv，weishixitongjuyougenggaodegenzongjingdu

，kecaiyongguangdianchuanganqigenzongxiaozheng，gouchengyoushiriyundongguilvgenzonghechuanganqigenzongdehunhegenzongxitong。suizhetaiyangnengzidonggenzongzhuangzhideguangfanyingyong，tadinghuiyouzhuyutigaolvsenengyuanliyongdejincheng，weihuanjingbaohuhetigaorenmindeshenghuozhiliangzuochugengdadegongxian。