基于52单片机 太阳能自动跟踪系统设计

摘要

太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及。太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。本设计采用光电跟踪的方法，利用步进电机双轴驱动，由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理器。微机处理器运行程序，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。采用单片机来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。 关键词： 太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机；步进电机

I

Abstract

Solar energy is known as the most primitive energy, and it is clean, renewable, rich, and wide distribution and has wide prospects of use. But the solar energy utilization efficiency is low; the problem has been influencing and hindering the popularity of solar energy technology. Solar energy to be automatic tracking system designed to solve the problem provide the new way，which greatly improve the efficiency in the use of solar energy. This design uses the photoelectric tracking method, and use the stepping motor driver, by photoelectric sensor incident, then the strength of the light’s changes produce feedback signals to the computer processor, and computer processor will run the program, through the horizontal tracking mechanism and pitch two degrees of freedom control to adjust the angle of solar panels to achieve the tracking of the sun. Solar tracking system by single chip microcomputer to achieve can improve the efficiency of conversion of photoelectric solar panels, and has a broad prospect of application.

Key words: Solar energy；Tracking；Photosensitive diode ；SCM；Stepping motor

II

目录

1 绪论 ........................................................................................................................................................................1 1.1课题背景 ........................................................................................................................................................1 1.1.1 能源现状及发展...............................................................................................................................1 1.1.2 我国太阳能资源...............................................................................................................................1 1.1.3 目前太阳能的开发和利用.............................................................................................................2 1.1.4 太阳能的特点 ...................................................................................................................................2 1.1.5 太阳能的应用领域 ..........................................................................................................................2 1.2 课题研究的目的和意义.............................................................................................................................3 1.2.1 课题研究的目的...............................................................................................................................3 1.2.2 研究课题的意义...............................................................................................................................3 1.3 太阳追踪系统的国内外研究现状 ...........................................................................................................4 1.4论文的主要研究内容 ..................................................................................................................................4 2 系统总体设计 ......................................................................................................................................................6 2.1系统总体设计要求 ......................................................................................................................................6 2.2 系统总体设计分析......................................................................................................................................6 3系统的硬件设计 ...................................................................................................................................................8 3.1器件的选型....................................................................................................................................................8 3.1.1 AT89C51 单片机的特点及工作原理.........................................................................................8 3.1.2 ADC0808芯片的选用及简介....................................................................................................11 3.1.3 74LS373芯片的选用及简介......................................................................................................13 3.1.4 ULN2003芯片的选用及简介 .....................................................................................................14 3.2 光电转换电路设计....................................................................................................................................16 3.3 AD转换模块电路设计 ..............................................................................................................................18 3.4 电机驱动电路设计....................................................................................................................................20 3.5 系统硬件电路及机械部分设计 .............................................................................................................21 4 系统的软件设计 ................................................................................................................................................27 4.1程序算法的简单介绍 ................................................................................................................................27 4.2系统软件程序设计 ....................................................................................................................................27 4.3 软件调用子程序 ........................................................................................................................................30 5 结论 ......................................................................................................................................................................34 致谢...........................................................................................................................................................................35 参考文献..................................................................................................................................................................36

III

1 绪论

1.1课题背景

1.1.1 能源现状及发展

众所周之，人类进入21世纪发展的快车道，而能源是人类发展的根本动力。同时，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。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。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。

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，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，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%。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。

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。而太阳能具有其他能源不具备的优势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。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm2·a，中值为586kJ/cm2·a。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×104km，占世界总面积的7%，居世界第三位。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南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，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，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

[1,2]

。

1

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，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26%，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中[3,4]。 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，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、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。

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：

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

第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。 太阳能的利用有它的缺点：

第一：能量密度较低，日照较好时，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，从而使装置占地面积大、用料多，成本增加。第二：天气影响较大，到达某一地面的太阳辐射强度，因受地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响，时强时弱，时有时无给使用带来不少困难，为了克服推广应用中的困难，人们对水箱保温从选择合适的材料和最佳厚度方面作了很大改进，可以做到在短期内使水温降低控制在最小范围。另外，增加辅助热源使太阳热水器在任何情况下均可应用，成为全天候太阳热水器[6]。

1.1.5 太阳能的应用领域

人类利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化转换，此外，

还有储能技术。太阳光化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。太阳光电转换，主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。太阳电池是把太阳光直接转换成电能的一

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种器件。太阳电池的光电效率约为10-14%，其产品类型主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅。国内产品（指光电装置全部费用）价格约60-80%元/峰瓦。太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯。

太阳光热转换技术的产品最多。如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具[7]。

1.2 课题研究的目的和意义

1.2.1 课题研究的目的

本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。 1.2.2 研究课题的意义

1.新环保能源

长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。

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，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。

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2.提高太阳能的利用率

太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。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，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，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。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。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:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域[8]。

1.3 太阳追踪系统的国内外研究现状

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，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，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，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，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，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：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。

[9]

1.4论文的主要研究内容

本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括:

4

(l)分析太阳运行规律，以及四季气候变化，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。

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2 系统总体设计

2.1系统总体设计要求

本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。对太阳能的利用一般都是采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用，在本研究中，确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能。对太阳能进行电能转换的时候，由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的，如果采用固定式的太阳能接收装置，此装置的位置无法随太阳改变，只能在固定时段有效的吸收太阳能，在其他时段的吸收效率就十分低下，因此，要使太阳能的吸收效率提高，采用太阳跟踪系统对太阳进行实时跟踪是可行和有效的。在本课题中采用的是双轴跟踪的方法对太阳进行即时跟踪，使太阳能接收装置能够始终正对太阳，从而提高吸收效率。

本系统的整体研发要求是经济、结构简单、性能可靠。根据本系统的整体要求，装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性.在结构设计中，要使系统机构尽量简洁，避免过于复杂和昂贵，要便于安装和维护。在控制部分的设计中，要考虑到系统的全天候性要求，选用耐用和抗干扰性强的执行元件，避免频繁发生系统故障。

设计要求如下：

1.系统能根据天气条件进行选择性工作，晴天自动跟踪，阴天或黑夜停止跟踪，避免电能消耗。

2.晴天时系统能保证太阳能电池板与太阳光垂直。充分吸收光能。 3.系统设计的硬件部分和软件部分能够无故障、准确、合理地运行。 4.为了减少电能过多消耗，系统每十分钟跟踪一次太阳光，误差不超过3度。

2.2 系统总体设计分析

本设计主要包过光电转换电路，AD转换电路，单片机控制电路，电机驱动

电路的设计，该部分主要从整体上进行系统的总体设计分析。本部分首先主要介绍各个模块的硬件电路，以及机械设计部分原理简介，然后再从整体上分析。

太阳能自动跟踪总体框图如下：

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比较偏差太阳实际位置电控单元电机传动装置光电传感器图2-1 太阳能自动跟踪总体框图

太阳能利用装置 硬件设计流程图如下：

光电转换AD模数转换51单片机图2-2 硬件设计流程图

电机驱动步进电机 图2-2是本太阳能自动跟踪装置的原理框图,太阳能自动跟踪装置设计成双轴跟踪系统 ,同时在方位角和高度角两个方向上跟踪 ,由传感器、信号处理及控制电路、方位角及高度角调整机构组成。传感器把接收到的光信号转换成电信号 ,电信号经过信号处理及控制电路后,由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。

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表3-1 ADC0808 8通道选择表 地址码

23(ADDA)

0 0 0 0 1 1 1 1 对应的输入通道

25(ADDC)

0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 24(ADDB)

0 0 1 1 0 0 1 1 电源电压（Vcc）：6.5V 控制端输入电压：-0.3V～15V 其它输入和输出端电压：-0.3V～Vcc+0.3V 贮存温度：-65℃～+150℃ 功耗（T=+25℃）：875mW 引线焊接温度：①气相焊接（60s）：215℃；②红外焊接(15s)：220℃ 抗静电强度：400V 3.输出端注意

out7为最低位-out0为最高位，out7-out0分别接单片机的P0.0到P0.7

端。

3.1.3 74LS373芯片的选用及简介

由于51系列单片机的P0口和P2口在读片外存储器时分别是地址线的低8位和高8位，同时P0口还是数据线。为了能够使单片机的接口能达到地址数据复用的目的，必须选择合适的地址锁存器。而74LS373是比较常用的一个地址锁存器芯片，使用较为广泛，所以本设计中采用了该芯片。

1.简要说明

74LS373是一个八 D 锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)。373为三态输出的八 D 透明锁存器，共有 54S373 和 74LS373 两种线路 结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别)：

型号 TPD PD 54S373/74S373 7ns 525mW

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54LS373/74LS373 17ns 120mW

373 的输出端 O0～O7 可直接与总线相连。

当三态允许控制端 OE 为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，Q0～Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端 LE 为高电平时，Q 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，D 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。

2.74LS373的内部引脚

图3-3 74LS373引脚图

引出端符号： D0～D7 数据输入端

OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 Q0～Q7 输出端

3.1.4 ULN2003芯片的选用及简介

ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。由于用此芯片设计驱动电路较为简单实用，有很多优点，所以本系统驱动电路设计部分就采用了此芯片。

1.功能简单介绍

ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的

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工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

2.ULN2003芯片引脚介绍

图3-4 ULN2003芯片引脚图

引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2：CPU脉冲输入端。 引脚3：CPU脉冲输入端。 引脚4：CPU脉冲输入端。 引脚5：CPU脉冲输入端。 引脚6：CPU脉冲输入端。 引脚7：CPU脉冲输入端。 引脚8：接地。

引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。

引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。 引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。

引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。

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3.2 光电转换电路设计

光电转换电路由八个相同基本电路组成，每个基本电路由光敏二极管，电阻（含可变电阻），电容，运算放大器组成。运用运放放大光敏二极管采集到的光电流并将其转换成0~5V的电压信号输入到ADC0808的模拟信号输入端。

1. 光敏二极管的分布设计

在这个设计电路中，光敏二极管的分布起到了不可或缺的作用，只有合理

的分布光敏二极管，才能有效采集光强信号，并将东西南北四个方向的微小信号放大，将信号处理后，才能精确控制电机的转动，从而实现太阳能电池板和太阳光线呈垂直方向。

其中光敏二极管的分布图如下：

B电池板D1D5TD:光敏二极管D4D8D6D2T:空心圆筒B：电池板D7D3光敏二极管分布图

图3-5 光敏二极管分布图

光敏二极管D1，D2，D3，D4分别分布在圆筒的外侧主要用于初步对准，其中D1，D3分布在南北两侧，D2，D4分布在东西两侧；D5，D6，D7，D8分别分布在圆筒的内侧主要用于精确校准，其中D5，D7分布在圆筒内部南北两侧，D6，D8分布在圆筒内部东西两侧。

光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把

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能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

2. 光电转换电路设计

如下图所示，我们采用光敏二级管即可准确采集光照强度，并通过这个电路

来得到所需要的模拟电压信号，并将模拟电压信号送到AD转换电路。

图3-6 光电转换基本电路

光敏二极管光电流与照度的关系曲线如下图：

光电流（mA）0.050.040.030.020.01020040060080010001200照度（Lx）

图 3-7 光敏二极管光电流与照度的关系曲线

根据太阳光光照强度和特性曲线可知光敏二极管的光电流大约在0~100uA;电路中的LM324是个四集成运算放大器，工作在负反馈状态。

由电路可推得其1端(AD输入）电压为：

Uin2?id1*(R1?R2) （3-1）

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id1:光敏二极管D1产生的光电流。

R1:50K

可调电阻。

R2：50K定值电阻。

通过调节可调电阻R1使得随着光照强度的变化输出电压控制在0~5V，其中并联电容C1是防止由于外界影响而导致输出电压持续变化。

3.3 AD转换模块电路设计

针对由光强检测电路得到的模拟电压信号，我们采用了ADC0808转换器，将模拟电压信号转换成数字信号，然后通过单片机进行处理。AD转换电路包括电压信号输入部分，74LS373锁存器部分，AD转换器部分和单片机处理电路组成。由于AD转换精度较高，保证了太阳能自动跟踪系统的流畅运行。

1.AD转换的原理

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。 模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。A/D转换器的工作原理,主要有三种方法：逐次逼近法、 双积分法和电压频率转换法。A/D转换主要有四个步骤：采样、保持、量化、编码。而本次设计中用到的是逐次逼近型的ADC0808芯片，ADC0808非常适用于过程控制、微控制器输入通道的接口电路、智能仪器和机床控制等。

2.AD转换模块电路设计

本部分通过ADC0808和74LS373完成从检测电路检测到的电压模拟信号转化成八位二进制编码的数字信号，然后把数字信号通过单片机的P0口送人到单片机中并进行处理。如图所示：

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ADC0808CLK

图3-8 AD转换模块电路设计图

的 Di 引脚相连能使在读写片外存储器时，74LS373 能够输出低8位地址。

址。通过将单片机中ALE引脚和74LS373的LE引脚相连和单片机中P0 和74LS373

从光强检测电路得到的电压信号通过ADC0808的IN0～IN7送入ADC0808芯

在程序运行时，利用P3.2检测ADC0808的EOC接口，判断ADC0808是否转换结

的写信号WR和P2.7通过与非门（74LS02）连接到ADC0808的ALE端，来启动模

上的时钟频率为500kHz。为了得到此频率，AT89C51采用12MHz

束。若EOC输出一个正脉冲，则申请中断，此时取出转换地址里面的转换数据进

口提供，即P0口作为地址/数据复用口，提供低8位地址；P2口提供高8位地

以选通ADC0808 采集通道IN0～IN7的一个通道。ADC0808的地址由P0口和P2

片中，P2.7（地址总线最高位）作为片选信号，在启动A/D转换时，由微控制器

P0.1和P0.2通过74Ls373地址锁存器与ADC0808 的ADDA、ADDB和ADDC相连接，

的时钟频率，然后经过74LS74芯片4分频得到500kHz，此时的转换速度为128us。

数转换。由微控制器的读信号RD和P2.7控制ADC的数据输出。将单片机的P0.0、

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行处理控制。

3.4 电机驱动电路设计

前面介绍了光电转换电路，AD转换电路，和单片机电路设计部分，其最终目的也就是要控制电机的正反转。本系统用到的是四相步进电动机，四相步进电动机是将电信号转变成角位移或线位移的开关控制元件，其转速、停止位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关，具有误差小，易控制等特点，广泛用于仪器设计。

1.电机基本原理及介绍

布距角：每给一个电脉冲信号电动机转子所应所转过的角度理论值。 布角距：?b?360m1zr? 。式中 zr为转子齿数；m1运行拍数，通常等于相数或相数

的整数倍。即m1?km。m为电动机相数。齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。齿距角：?s?360zr?。

步进电机通常采用单双八拍工作方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A(即一个脉冲信号转3.75度)，使太阳能电池板能够在最合适的位置采集最大光照强度。五线式步进电机，以脉冲电流来驱动，若每旋转一圈以20个激励信号来计算，ULN2003驱动一个5V的直流电机,ULN2003的8脚接地,9脚接5V.1-7为七路输入，假如用第一路,那么1脚就是输入,16脚是输出.将直流电机电源一端接5V,另一端接

16脚.这样1脚接5V高电平时电机就转了.1脚接地时,电机就无工作电流。 ULN2003是反向的芯片，管脚1-7作为输入，接单片机引脚，8脚接地，16-10作为输出，9脚接12V电源，基本工作原理：如果1脚输入高电平1，则16脚输出低电平0，反之一样！一般来说，步进电动机的工作电压是5V，对应芯片的9脚接步进电动机的工作电压5V。输入接上拉。输入接单片机引脚。引脚输入低电平，ULN2003就输出高电平，正反转跟输入电平有关。

2.单片机驱动电机电路设计 步进电机接口单片机电路图如下。

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控制电机1.主板电路原理图

逻辑电路

3.5 系统硬件电路及机械部分设计

电路用电源电机用直流电源图3-9 单片机驱动电机电路原理图

在电机的驱动芯片ULN2003A上外加5V电压，使电机正常工作。

采用74hc14用6路施密特触发反相器，将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无

改变P0口电平的高低和变化时间来控制步进电机的正反转、转角和转速。如图

由上图可知，由单片机的I/O接口p1.0-p1.7输出数字信号，在信号的传输

抖动的输出信号。用p端口的p1.0-p1.3接电机A，p1.4-p1.7接电机B。通过

中可能产生各种干扰，或输出的信号不稳定，所以为使电机工作在稳定的状态，

图3-10 步进电动机系统框图

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驱动电路M步进电动机

图3-11 光电转换电路

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2.机械设计部分

能电池板, 实现对其高度角和方位角的调节控制。

图3-12 系统信号处理电路

太阳自动跟踪装置结构示意图如图3-13所示, 其主要功能是固定支撑太阳

图3-13 太阳自动跟踪装置结构示意图

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B电池板D1D5TD:光敏二极管D4D8D6D2T:空心圆筒B：电池板D7D3光敏二极管分布图

图3-14 光敏二极管分布图

太阳能电池板高度角的调节是由步进电机A带动丝杠转动, 改变与螺母之间的有效丝杠长度完成的。有效丝杠长度与高度角之间的关系如图3-14所示。

E太阳能板C’高度角h有效丝杆C@当前位置支撑架复位位置螺母B

图3-15 有效丝杠长度与太阳能电池板高度角关系示意图

横轴DA在调节太阳能电池板高度角时, 可根据勾股定理和余弦定理得出有效丝杠长度公式，将当前高度角算得有效丝杠长度,再换算成步进电机A转轴转动的圈数, 从而达到调节太阳能电池板高度角的目的。选取太阳能电池板与地面平行, 即高度角为90%时, 作为系统高度角的复位基准, 由光电门开关控制。太阳能电池板方位角的调节是由步进电机B带动齿轮转动, 改变太阳能电池板的方位角。太阳能电池板方位角如图3-16所示。选取太阳能电池板朝向东北方向, 即方位角为-

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135%,作为系统方位角的复位基准。

北西A方位角东复位位置当前位置南

图3-16 太阳能电池板方位角示意图

3.系统原理分析

图3-14是传感器光敏二极管的分布结构图:设置一个圆筒形的外壳 ,在圆筒外部东、 南、 西、 北四个方向上分别布置 4 个光敏二极管 ,其中光敏二极管 D2 、 D4 东西对称安装在圆筒的外侧 ,用来粗略的检测太阳由东向西运动的偏转角度即方位角;另一对光电二极管 D1 、D3南北对称安装在圆筒的外侧 ,用来粗略检测太阳的南北方向的偏转角度即高度角。光敏二极管D6、D8，D5、D7则安装在内侧用于精确校准，在内侧装有一片滤光片防止夏天时日照强度过大使光敏二极管饱和。

从8个光敏二极管输出的信号经过预处理后 ,分别得到电压信号 U1 、U2 、U3 、U4 、U5 、U6 、U7、U8 ，将放大后的8路信号送入到ADC0808中 ,把模拟信号转换成数字信号 ,然后再送入微处理器 AT89C51 中 ,在 AT89C51中 ,先判断各路信号的值来确定天气状况，如果是阴天或黑夜则停止跟踪 ,如果有阳光则由软件计算出南北方向初步跟踪控制信号Ux=U1-U3，东西方向初步控制信号Uy=U2-U4,以及南北方向精确跟踪控制信号Upx=U5-U7，东西方向精确跟踪控制信号Upy=U6-U8;

对于方位角跟踪而言 ,当太阳光与电池板垂直的方向照射到传感器上时 , D2 、D4接受到的光照度相同 , D6、D8接受到的光照度也相同 ,则Ux=0,Upx=0;对于高度角跟踪而言 ,当太阳光与电池板垂直的方向照射到传感器上时 , D1 、D3接受到的光照度相同 , D5、D7接受到的光照度也相同 ,则Uy=0,Upy=0;而当太阳光偏离电池板垂直方向一个小角度时 ,D2 、D4可能受到环境光强的影响 ,

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不会反映出太阳光线的变化;而由于内侧光敏二极管D6和D8产生的光电流不一样，单片机算出差值信号 ,将该差值信号送入控制单元 ,控制太阳能自动跟踪装置调整太阳能电池板的角度 ,直到太阳能电池板与太阳光垂直为止。而当太阳光偏离一个较大角度时 ,筒内的光敏二极管可能接受不到太阳光 ,而筒外的光电二极管 D2、D4能反映出照度差值 ,该信号经运算放大器后送入控制单元 ,控制太阳能自动跟踪装置调整太阳能电池板的角度 ,当达到太阳光偏离电池板垂直方向一个小角度时 ,系统自动切换到D4和D6进行探测跟踪。高度角跟踪原理与方位角跟踪原理类似。从而保证太阳能电池板与太阳光线垂直。

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4 系统的软件设计

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本设计采用的是89C51单片机，它是控制这个系统的核心部分，软件程序也是由单片机来操作，其最终目的就是正确控制电机的正反转。本部分以单片机的控制为中心来将各个模块电路连接起来，使读者更明白本设计的思想。

4.1程序算法的简单介绍

本部分主要介绍软件的流程设计部分，软件程序是整个太阳能自动跟踪系统的核心部分，如果程序算法不好的话，将会从整体上大大限制本设计的可用性和科学严谨性。程序算法是对特定问题求解过程的描述，是指令的有限序列，每条指令完成一个或多个操作。通俗地讲，就是为解决某一特定问题而采取的具体有限的操作步骤。程序算法具有以下特性：

（1）有穷性：在有限的操作步骤内完成。有穷性是算法的重要特性，任何一个问题的解决不论其采取什么样的算法，其终归是要把问题解决好。如果一种算法的执行时间是无限的，或在期望的时间内没有完成，那么这种算法就是无用和徒劳的，我们不能称其为算法。

（2）确定性：每个步骤确定，步骤的结果确定。算法中的每一个步骤其目的应该是明确的，对问题的解决是有贡献的。如果采取了一系列步骤而问题没有得到彻底的解决，也就达不到目的，则该步骤是无意义的。

（3）可行性：每个步骤有效执行，得到确定的结果。每一个具体步骤在通过计算机实现时应能够使计算机完成，如果这一步骤在计算机上无法实现，也就达不到预期的目的，那么这一步骤是不完善的和不正确的，是不可行的。

（4）零个或多个输入：从外界获得信息。算法的过程可以无数据输入，也可以有多种类型的多个数据输入，需根据具体的问题加以分析。

（5）一个或多个输出：算法得到的结果就是算法的输出（不一定就是打印输出）。算法的目的是为解决一个具体问题，一旦问题得以解决，就说明采取的算法是正确的，而结果的输出正是验证这一目的的最好方式。

4.2系统软件程序设计

本系统设计软件程序流程图如下图所示：

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开始初始化读U1，U2，U3，U4U<设定值YN黑夜:等待算Ux,UyUx=0且Uy=0YN读并算UpxUpx=0Ux=0YYNNUpx>0YN步进电机B停止步进电机B停止步进电机A停止读并算Upy步进电机B正转步进电机B反转Upy=0YUy>0YY步进电机A停止NNUx>0NUpy>0步进电机A正转N步进电机A反转步进电机A反转步进电机B正转步进电机B反转延时10分钟步进电机A正转Y软件流程图 图4-1 软件流程图

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本部分主要介绍该系统的软件部分，上图为软件运行流程图，其主要完成以下工作:

(1) 控制A/ D转换的启停,ADC0808的A/ D转换控制信号由AT89C51提供,采用中断方式传送数据;

(2) 在 AT89C51 中 ,对 A/ D 转换后的光敏二极管输出的信号进行处理。步骤如下:

第1步:判断 U1，U2，U3，U4与设定值比较 ,如果差值小于零 ,则表示已经到了傍晚或者是阴雨天气 ,停止跟踪，等待阳光照射 。

第2步:如果差值大于零，则表示有阳光照射。然后再判断方位角初步控制信号Ux（U2-U4），高度角初步控制信号Uy(U3-U5)是否同时为零。

第3步:如果不同时为零，然后判断Ux是否为零。如果Ux=0，则控制高度角调整步进电机A停止。再判断Ux，如果Ux>0，51单片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机B正转适当角度，然后再返回继续判断直至Ux=0；如果Ux<0,51单片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机B反转适当角度,然后返回继续判断直至Ux=0；如果Ux=0,51单片机则控制方位角调整步进电机B停止。再判断Uy,如果Uy>0,51单片机则发出控制脉冲信号控制高度角调整步进电机A正转适当角度，然后再返回继续判断直至Uy=0;如果Uy<0，51单片机则发出控制脉冲信号控制高度角调整步进电机A反转适当角度，然后再返回继续判断直至Uy=0；执行完第3步则完成电池板与太阳光垂直的初步校准。然后返回。

第4步:如果同时为零，然后判断方位角精确调整信号Upx是否为零。如果Upx≠0，再判断。如果Upx>0，51单片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机B正转一个微小角度，然后返回继续判断直至Upx=0；如果Upx<0，51单片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机B反转一个微小角度，然后返回继续判断直至Upx=0；执行完第4步则实现了方位角的精确对准。

第5步:如果Upx=0,则方位角精确调整步进电机B停止。然后判断高度角精确调整信号Upy是否为零。如果Upy≠0，再判断。如果Upy>0,51单片机则发出控制脉冲信号控制高度角调整步进电机A正转一个微小角度，然后再返回继续判断直至Upy=0；如果Upx<0，51单片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机A反转一个微小角度，然后返回继续判断直至Upy=0；执行完第5步则实现了方位角，和高度角的精确校准，此时太阳光光线与电池板保持垂直。由于太阳平均每小时旋转15°，为了防止电机持续工作消耗过多电能，本系统设计采用了

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每十分钟跟踪太阳光一次。

4.3 软件调用子程序

主程序电压比较Ux>0YNUy>0YNYUpx>0NYUpy>0N步进电机B调用正转大角度子程序步进电机B调用反转大角度子程序步进电机A调用正转大角度子程序步进电机A调用反转大角度子程序步进电机B调用正转小角度子程序步进电机B调用反转小角度子程序步进电机A调用正转小角度子程序步进电机A调用正转小角度子程序电机旋转子程序调用规则

图4-2电机控制流程

上图为步进电机程序调用流程。对于方位角的调节，当圆筒外侧东西方向光敏二极管产生光电流不同，转换后的电压也不同，如果初步校准信号Ux>0则控制步进电机B顺时针旋转一个较大的角度，如果Ux<0则控制步进电机B逆时针旋转一个较大角度。直至Ux=0。然后判断Upx，如果精确校准信号Upx>0则控制步进电机B顺时针旋转一个较小的角度，如果Upx<0则控制步进电机B逆时针旋转一个较小角度。直至Upx=0。对于高度角调节同理。 步进正转子程序：

void motor1Rrun() //步进电机正转一周子程序 {//Motor

sbit A = P1^0; //定义管脚 sbit b = P1^1;

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sbit C = P1^2; sbit D = P1^3;

/////////////////////////////////////// //步进电机驱动

unsigned char MotorStep=0; unsigned int MotorTimer = 0;

unsigned int MotorDelay,Speed=1,TIM,CT,CONT=5;

#define speed 8 // 调整速度 数值不要设的太低 低了会引起震动。 void InitMotor() {

A = 1; b = 1; C = 1; D = 1; }

void SetMotor()

{ // if(Speed == 0) return; MotorDelay=Speed; //调整速度 switch(MotorStep) {case 0:

if(TIM) // A

{ A = 0; //0xf1 b = 1; C = 1; D = 1;

MotorStep = 1; TIM=0; } break;

case 1: // AB

if(TIM) {

A = 0; //0xf3 b = 0; C = 1;

D = 1;

MotorStep = 2; TIM=0; } break;

case 2: //B

if(TIM) {

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A = 1;

b = 0; //0xf2 C = 1; D = 1;

MotorStep = 3;

TIM=0; } break;

case 3: //BC

if(TIM) { A = 1;

b = 0; //0xf6 C = 0; D = 1;

MotorStep = 4; TIM=0; } break;

case 4: //C if(TIM) {

A = 1;

b = 1; //0xf4 C = 0; D = 1;

MotorStep = 5; TIM=0; } break;

case 5: //CD if(TIM) { A = 1;

b = 1; //0xfc C = 0; D = 0;

MotorStep = 6; TIM=0; } break;

case 6: //D if(TIM)

{ A = 1;

b = 1; //0xf8 C = 1;

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D = 0;

MotorStep = 7; TIM=0; } break;

case 7: //DA if(TIM) { A = 0;

b = 1; //0xf9 C = 1; D = 0;

MotorStep = 0; TIM=0; CONT--; } break; } }

void system_Ini() {

TMOD|= 0x11;

TH0=0xDC; //11.0592M TL0=0x00; IE = 0x8A; TR0 = 1; }

system_Ini(); InitMotor(); while(1)

{ SetMotor();

If(CONT==0)break;

}

void Tzd(void) interrupt 1 {TH0 = 0xfe; //11.0592 TL0 = 0x33; if( CT++==speed) {TIM=1; CT=0; } } }

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5 结论

本太阳能自动跟踪系统设计采取了传统的硬件和软件相结合的开发方法，使用了AT89C51单片机作为整个系统的控制处理中心，而AT89C51单片机具有硬件设计方便，资源丰富，程序指令快速简单，驱动能力强等优点，所以保证了该系统反应的快速性和灵敏性。

本设计的光强信号检测转换电路设计较为巧妙，主要是在8个光敏二极管的分布设计很巧妙，即采用了内外各4个光敏二极管来粗略检测和精确检测光照强度，使系统的可靠性强。东西南北方向各2个光敏二极管来分布确定太阳能电池板转动的方向角和高度角，保证了系统的精确性。然后通过光电检测电路把光强信号转换成模拟电压信号，送给AD转换电路的输入端。AD转换电路使用了经典的芯片ADC0808，其转换精度较高，保证了所转换成的数字电压信号的精确。而接下来把数字电压信号送给单片机进行处理、分析、控制并发出指令，来控制四相步进电机的运动，从而使太阳能电池板能够在方向和高度两个方面精确跟踪太阳，即使太阳能电池板尽可能的和太阳光照强度最强的方向保持垂直。

这次设计的太阳能自动跟踪系统在软件设计上也较为巧妙，每隔10分钟跟踪调整一次，这样就可以大大降低系统的能耗。在夜间，系统将自动停机，以减少不必要的损耗。除此之外，在阴天或雨天这样特殊的天气条件下，系统也将自动停机，处于休眠状态。所以，本次设计的太阳能自动跟踪系统比较理想化、个性化，充分考虑到了各种各样的情况，以保证系统整体方面的优良。

当然，此次设计的系统也存在很多的不足之处，比如程序算法的设计不太完善，各样器件的参数不太准确等等，还有一些未发现的瑕疵之处，都需要在调试和实践之后进行许多的改进。

最后，本太阳能自动跟踪系统基本能满足设计的要求，能实现按照所预先设计的思想运转，各个模块电路也都运行正常，但是由于本组成员的知识和水平的有限，在机械设计部分知识的欠缺，使得本系统在这方面有很大的不足。如果此系统能够在机械设计上有较多改进，能够加上液晶显示模块的话，相信本系统将会有很大的改进，在性能上会有很大的提高。

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致谢

经过几个月的查考资料、整理材料、设计和写论文，我们小组终于要完成了这次SRTP的项目了，感觉一路走来，虽然经历了这么多的坎坷，但心中挺充实的，也挺有成就感的。本次设计得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢刘景艳老师，因为论文是在刘老师的指导下完成的。本设计从选题到完成，每一步都是在张刘老师的指导下完成的，倾注了刘老师大量的心血。

在此，谨向刘老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢刘老师在我们小组设计的过程中给与我们的指导和帮助，使得我们的设计得以不断的完善，直至论文的完成。同时也感谢学校能给我们这样一次展示我们自己平台的机会，使我们自己的能力得到锻炼和提高。

当然，本次设计的顺利完成，离不开其他各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的设计中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是设计得以完成的基础。

通过此次的设计，我们学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在设计过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过这次设计，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ejk7.html