太阳能跟踪系统

全自动太阳能跟踪系统

题目：基于沙市职业大学

论文设计

51单片机全自动太阳能跟踪

系统

姓名： 董志刚 学号： 200941033 系部： 信息工程系 专业： 电气自动化技术 班级： 电气自动化一班 指导老师：

2011年1月20号- 1 -

沙市职业大学

摘要

人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。

第一，机械部分设计：

机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈，太阳能电池板上的布局等。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪；同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动，通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。

第二，控制部分设计：

主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。

关键词 太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机

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前言

随着我们生活水平的不断提高，人们对节能环保的意识现在也越累越强了，很多节能环保的小举措在日常生活中是存出不穷啊，例如：生活上，废纸回收利用，水反复使用；工程上，风力发电、天阳能发电、乙醇汽油、电汽车??这些都是节能环保好成功实例，虽然在节能环保方面做出了很大的贡献，但是我们的节能环保的装置的对能源的利用率到底有多高？其实我们可以举一个实例，就是天阳能电池板它对太阳的利用率肯定不高，因为当太阳光直射太阳能电池板时太阳能电池板对太阳的利用率才最高，发电才最稳定。所以我们不仅要节能环保，而且我们要尽可能的将节能环保的利用率提高到最大。

我的这个全自动太阳能跟踪系统就是将太阳能电池板随太阳的运动而运动，使太阳始终与太阳能电池板保持垂直的，这样就确保了利用率达到最大。本装置主要是利用单片机对太阳能电池板进行智能控制，光敏二极管对光进行实时监测，确保太阳光始终与太阳能电池板垂直。

本文所要介绍的是太阳能跟踪系统，正是在智能化住宅节能环保的技术蓬勃发展的背景下，为了更好的解决节能利用率进一步提高而设计并开发的。系统的首要任务是根据供电设备的类型、使用功能及外围环境等要求，通过运用多传感器探测、及单片机控制，数据通讯等技术形成智能太阳能跟踪系统，达到我们太阳能电池板发电量达到最高的目的。

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题目.... ...................................................................................................................... 1 摘要及关键词.... ....................................................................................... 2 前言 ........................................................................................................................... 3 目录 ........................................................................................................................... 4 一、设计目的 ................................................................................................................... 5

1.1.1设计要求 .......................................................................................................... 5 1.1.2设计意义 ........................................................................................................... 5 二、设计方案 ................................................................................................................... 6

2.1.1方案比较 .......................................................................................................... 6 2.1.2系统工作过程 ................................................................................................... 7 三、自动跟踪系统设计.... .................................................................................. 8

3.1.1系统总体结构 .................................................................................................. 8 3.1.2 光电转换器 ..................................................................................................... 8 3.1.3光电转换电路 ................................................................................................... 8 3.1.4 AT89C51单片机 ......................................................................................... - 9 - 3.1.5外围电路 ......................................................................................................... 11 3.1.6步进电动机介绍 ........................................................................................ - 12 - 3.1.7 步进电机的主要特性 .................................................................................... 12 3.2.1 步进电机的选择 ............................................................................................ 13 3.2.2系统的实现 .................................................................................................... 14 3.2.3光敏电阻光强比较法 ..................................................................................... 14 四、机械部分外部示意图级说明 ................................................................................. 16

4.1.1机械部分器件分布情况 ................................................................................. 16 五、系统的流程图 ......................................................................................................... 17 六、课题总结 ................................................................................................................... 20 七、参考文献 ................................................................................................................... 21

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一、设计目的

1.1.1 设计要求

本文设计的系统是一种新型的太阳能跟踪系统，该系统的设计是将电子探测与智能控制相结合，通过对住宅、路灯等各个不同环境，不同部位的不同类太阳能电池板太阳跟踪系统，对太阳进行实时跟踪，并实现智能化无人操作，也为小区智能化添上一道美丽的风景线。

本住宅防、路灯太阳能跟踪系统具有以下特点和功能:系统采用模块化设计；太阳能电池板上的传感器能够快速、准确地检测到现场的太阳直射状态。并能够可靠地进行太阳跟踪、发电并储备。当检测到太阳与太阳能电池板是垂直，就停止搜索，等待下一次太阳的偏移再检测再实时跟踪以此确保太阳能电池板发挥最大的作用；用户端可以对其跟踪的时间段进行手动设置；用户设备内提供备用电源，确保系统在蓄电量全部用完时也能继续工作。

1.1.2 设计意义

本课题根据节能环保、智能化方面的发展现状及其发展趋势，研究并设计了一个比较完整的基于单片机的太阳能跟踪系统。该太阳跟踪系统主要包括用探测器、转向电机、太阳能电池板发电电路、蓄电电路、电源自动切换、智能控制部分（51单片机）等组成部分，并引入模块化思想，从而使系统整体更简洁、完善。提高节能环保的利用率和智能化是我国未来智能住宅建筑、城市建设的重点发展方向，而太阳能系统又是当前智能节能环保应用的升华，虽然节能环保的项目很多，但是只能实现单纯的节能环保功能，并没有重视其设备的效率。因此，开发一套功能和结构合理、包含多种技术和功能的高性价比的新型节能环保的太阳跟踪系统具有重要的现实意义。

二、设计方案

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2.1.1方案的比较及确定

方案1：

根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块:传感器、转向电机、智能控制部分，蓄电电路，供电电路等。

传感部分：选择光敏二极管，价格低，性能稳定；转向电机：可选用步进电机，也可以选用普通电机，智能控制：选择AT89S52单片机。蓄电、供电部分要用稳压电路，输出设备：包括蓄电池、按钮或开关、各类指示灯等。

方案2：

系统总体构成包括阴影法跟踪太阳，单片机控制，蓄电、供电等几个模块。 阴影法跟踪太阳：本方案选择的是将太阳能电池板一整块从中间分成四块，然后在分割线上插上3厘米的硬纸板，再在四小块的太阳能电池板上安装传感器（尽量贴着纸板）组成的四鉴探测器，较以往的单个光敏传感器跟踪或单筒光敏传感器探测器，其跟踪效果精确而又稳定，曾强了其跟踪的可靠性，蓄电电路、和供电电路都是基本的稳压电路。多传感器设计思想解决了传统的单个探测器一直存在的错误率高的问题，灵敏度低的缺点，增强了太阳能跟踪系统的可靠性。

根据本次设计的要求，以及两个方案的元器件对比，选择方案2。系统组成框如图2-1所示。

AD转换电路 转向电机太阳电池板电路切换 供电电路 蓄电池 传感器按键设置太阳能电池板布局的特色展示

- 6 - AT89S52 图2-1太阳能跟踪系统总体框图

全自动太阳能跟踪系统

阴影法跟踪装置的示意图：

分割板 太阳能电池板2.1.2系统的工作过程

本装置主要是跟踪太阳让太阳能电池板与太阳保持垂直的，一旦太阳又偏移或是突然变天（雷雨）情况时，与至相应的四个探测器(四快太阳能电池板上各一个)根据分割板的阴影来判断其太阳的方向，将四个传感器检测的信号传给单片机，在进行比较，然后作出相应的正转或者反转，电机就向太阳所在的方向转去。若检测到每个传感器都是很暗的特征，并且持续一段时间则就启动供电电路对用电器进行供电，反之当四个传感器检测的结果差异很大就单开蓄电电路，关闭供电电路。当太阳能电池板发的电不够用时就可以自动切换成市电给用电器供电（多个供电模式可供选择防止出现故障）。

传感器四个

2-1局部图

阴影法跟踪装置（特色）

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三、自动跟踪系统设计

3.1.1系统总体结构

本系统包括光电转换器、步进电机、89C51系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个自由度。控制机构将分别对X、Y方向与Z方向进行调整。单片机加电复位后，X、Y方向将处于旋转状态，单片机将对采样进来的电压信号进行判断，电压有增大和减小两种可能，如电压增大，则让电池板继续转动，一旦电压减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，实现电池板对太阳的跟踪。

传感器 光电转 单片机 驱动步进电电源 图4-1系统总体结构

3.1.2 光电转换器

光电转换器接收太阳光，将光信号转换成电信号，单片机根据采集来的信号进行分析比较，得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线，从而达到最高效率的利用太阳能。本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。

3.1.3光电转换电路

下图中光电转换电路是其中的一组，另一组电路与此相同。当阳光正对太阳能板时，光敏电阻R1、R2都是高电阻， A、B两点电压相等。四运放LM124的输出的电压相同，单片机收到的信号差为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使Rl被阳光射中呈低电阻，则A点电位比B点高。运算放大器U2A

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的作用是一个电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，保持采样信号的稳定。U3A是减法器，其输出为A与B的电压差值。因为A与B的电压差值可正可负，而单片机的输入端不能为负的电压值，所以U3A正的输入端接了个偏置电压电路，使U3的输出始终为正值。

3.1.4 AT89C51单片机

控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C5l型单片机。[29]AT89C5l是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有4KB的Flash可编程可擦除只读存贮器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。AT89C5l是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

三级程序存贮器保密；128字节内部RMA；32条可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程全双工串行通道；片内时钟震荡器 。

AT89C5是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到OHz，并提供两种可用软件选择的省电方式，即空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保持内部RAM的内容，直到下一次硬件复位为止。

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二、AT89C51的引脚[31]：

AT8C951引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。

图4-4 AT89C51的引脚

1.主电源引脚 (1)Vcc:电源端。 (2)GND:接地端。

2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2：

(1)XTAL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

(2)XTAL2:接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡信号源源时，此引脚应悬浮不连接。

3 控制或与其它电源复位引脚RTS。

RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。在对Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。

4.输入/输出引脚P0.0-P0.7、Pl.O-P1.7、P2.0-P2.7

(1)P0端口(PO.0-PO.7):P0是一个8位漏极开路型双向I/0端口。作为输入口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8位TTL输入，对端口锁存器写“1”时，又可作为高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据时，它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在对Flash编程时，PO端口接收指令字节;而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。

(2)P1端口(P1.0-P1.7):P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。Pl的输出可驱动4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把

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端口拉到高电位，这时可用作输入口。作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

(3)P2端口(P2.0-P2.7):P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

3.1.5外围电路

电源管理部分电路。

电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统能否正常运行起着至关重要的作用。电源设计应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题。电源功率必须能满足整个系统的需要。

在系统电路中，除单片机系统需要+5V直流电源外，步进电机和驱动器还需要一个模拟电源12V。选用印刷线路板焊接式电源变压器PKB05将220V交流电压变换成正负12V的电压。这种变压器结构紧凑、坚固、抗震、防潮、阻燃，外型美观，使用方便，抗电强度高。它的初级是220V，50HZ/60Hz，次级既可以是单路输出，也可以双路输出。由于这种变压器变出的电压仍是交流电压，且又不十分准确和稳定，所以再利用全桥整流，电容滤波电压稳定后，分别用三端稳压电源模块7812，7912，输出正负12V。电路在7812和7912的输入端分别接上0.33uF的CBB电容、2000uF/25V的电解电容和2.2uF的CBB电容、2000uF/25V的电解电容。CBB电容可以滤掉高频干扰，电解电容组合可以滤掉低频干扰。在输出端接上104瓷片（0.1uF）电容，对输出的+5V电源再次进行滤波，以得到干净的电源。

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图4-5电源管理部分电路

3.1.6步进电动机介绍

步进电机其功用是将脉冲电信号变换相应的角位脉电号电动机就转动一个角度或前进一步。因此非常适合单片机控制，推动了步进电动机的发展，步进电动机的应用开辟了广阔的前景。

按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类[32]：

(1)反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。

(2)永磁式步进电功机

永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的。转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。移或直线位移，即给一个冲信。

(3)混合式步进电动机

混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩，动态性能好，步距角小，是一种很有发展前途的步进电动机。

3.1.7 步进电机的主要特性

1.步距角

步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。典型的混合式步进电机是四相200步的电机，

。

步距角为1.9选择步进电机时，步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度。

2.矩角特性

矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。

3.响应频率

在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率

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称为响应频率。通常用启动频率f作为衡量的指标。它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率或突跳频率。

3.2.1步进电机的选择

1.式步进电机１选择

估计步进电机1所需要的最大静力矩不大于200N，故选用57BYGH1001混合式步进电机。

表4-1 57BYGH1001混合式步进电机

型号 57BYGH1001 电压(V) 5 电流(A) 3 电阻 (Ω) 1.4 最大静机身长力矩 (mm) (N.cm) 200 100 输出轴直径 (mm) 10 转动惯量(g.cm2) 1.5 重量(kg) 650 接线图 4.6 2.步进电机2选择

估计步进电机2所需要的最大推力不大于2000N，故选用8700系列螺杆轴混合式步进电机。技术参数如下：

1)线圈双极性， 2)最大推力 2270 N， 3）位移分辨率0.127mm，4）工作电压 5 V， 5）相电流 3.12 Amps ， 6）相电阻1.6 ， 7）相电感 8.8 mH ， 9）功耗 31.2 W, 10)最高温度 130°C， 11）重量 2.3 Kg，12）绝缘电阻 20

电源 驱动电路

（1） B L- 240 1BL-240型驱动模块 ○

步 进 电 机 步进电机驱动器 1)适用电压范围宽 (12-40V)； 2)恒流斩波,双极性全桥式驱动； 3)运行特性良好； 4)自动半流锁定； 5)可靠性高； 6)适配4A以下两相和四相混合式步

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进电机

2技术数据: ○

1）输入电压: 12-40V 单电压供电； 2)相电流:本模块相电流可在0-4A之间调节； 3)驱动模式∶全桥驱动； 4)运行方式∶半步(0.9°)； 5)运行特性:优于原电机出厂指标； 6)保护方式:过热保护,锁定自动半流； 7)外形尺寸:126 mm×73mm×32mm； 8)重量∶<300g； 9)运行环境:温度-15-40℃ 湿度<90%。

3接线端子:(I/O PORTS) ○

1)VCC:供电电源12-40V 注:切忌超过40V,以免损坏模块； 2)GND:VCC对应地线； 3)B＋； 4)A＋； 5)CP IN＋:时钟脉冲输入端，光藕输入端，上升沿有效； 6)CP IN－:光藕输入负端； 7)CW/CCW＋:电机运转方向控制，光藕输入端； 8)CW/CCW－:光藕输入负端； 9)FREE＋:脱机电平； 10)FREE－:脱机电平。

注:输入信号共有三路，它们是步进电机脉冲信号CP IN＋，CP IN－；方向电平信号CW/CCW＋，CW/CCW－；脱机信号FREE＋，FREE－。它们在驱动器内部的接口电路相同，相互独立。用户可根据需要采用共阳极接法或共阴极接法。

(a)共阳接法:分别将CP IN＋，CW/CCW＋，FREE＋连接到同一外部系统的VDD上，如果VDD是＋5V则可直接接入，如果VCC大于＋5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8-15mA的驱动电流。输入信号通过CP IN－，CW/CCW－，FREE－加入，在低电平时起作用。

(b)共阴接法:分别将CP IN－，CW/CCW－，FREE－连接到同一外部系统的地端（SGND，与电源地隔离），输入信号通过CP IN＋，CW/CCW＋，FREE＋加入，在高电平时起作用。限流电阻R的解释和共阳极接法相同。

注意事项∶

1)电机连接:本驱动模块适用于额定电流4A以下的二相、四相混合式步进电机。请注意电机线不要错接，以免烧坏驱动模块，接线图、接口图见下图。

2)电流调整: 启动电机，频率大于100Hz，调节电位器，逆时针减小，顺时针增大，即可使线包中相电流在0-4A之间调整。

3.2.2系统的实现

3.2.3 光敏电阻光强比较法

利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分

[33]如果太阳光垂直照射太阳能电池别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。

板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻

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阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。

其控制主要由以下三部分来完成[34]: a)信号采集部分

用光敏电阻实现信号采集的电路原理为桥式电路，电路的输出信号只与照射在两个光敏电阻上光强的相对值有关，不受外界环境的影响，增加了装置的抗干扰能力。

b)数据处理部分

采用非倒向放大接法，由运算放大器及其外围电阻组成线性放大单元。零电位调整单元以抵消零点漂移的直流信号。因调零后包含一定量的负脉冲信号，用反相单元为下一级电路提供正电压信号。对输入信号进行判断，当输出信号的强度大于一定值时，给下一级一个高电平信号；反之，提供低电平信号，这样能屏蔽一些微小信号的扰动，使系统的工作更稳定。

c)控制单元

根据前一级送出的触发信号，控制电动机的工作状态。由于继电器在实现逻辑过程中需要的吸合电流较大，会造成整体电路的耗电增大；另外，继电器的反应速度很慢，灵敏度不高，会造成设备整体灵敏度及精确度下降

系统采用光敏电阻光强比较法，设计出一种全新的光电转换装置，很好的实现了光电转换。它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位跟踪，晚上便自动复位。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，R1、R2或R3、R4(另一组控制电路)四个光电管中必有一个受阳光照射，这样就可确认太阳运动的方向了。R1、R2、R3、R4放置见图4-9。

控制电路有两组，电路图中是其中的一组（图-2），另一组电路与此相同。光电管是直接与控制电路连接的，当太阳能板正对太阳时，R1、R2都是高电阻，A、B两点电压相等。四运放LM124的A1、A2输出的电压相同，单片机收到的信号差为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使Rl被阳光射中呈低电阻，则A点电位比B点高，信号经过放大和转换，则单片机使得电机得电转动并拖动太阳能板转动，使太阳能板重新对准太阳。当R1、R2重新转为高电阻时，电机停转。若阳光偏转时使R2被阳光射中则电机反转。不论哪种情况，电机运动的方向和太阳运动的方向总是一致的．从而达到了跟踪的目的。到太阳西坠之时光线减弱，光电管R5(水平、垂直复位共用)的电阻升高。BG5导通，电机反转。回到原位时，限位开关断开，电机停转。当光敏电阻对准阳光时，采用微凋W1、W2使得A、B两点的电位相等，以提高系统的准确度。

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3 1 4 2 太阳能板 图4-9光敏电阻放置

机械部分结构示意图及说明

4.1.1机械部分器件分布情况

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。

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4.1.1 本课题的机械设计方案

图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。

五、系统的流程图

开机之后，上电复位，系统进行初始化，初始化之后，系统首先判断当时是白天还是黑夜，若是黑夜，则系统启用中断处理程序，进入等待状态，系统进入光电追踪模式。 系统主流程图

开始 系统初始化

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N 日出？

Y

N 传感器跟踪 电机要驱动吗？ Y Y N N 图4-10系统主流程图

步进电机驱动 光敏电阻光强比较法流程图

这部分的程序设计很简单，只需要单片机检测4个光敏电阻所对应的单片机的4个引脚的电位的高低，就可以判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相应的命令，程序流程图如图4-11示：

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图4-11光敏电阻光强比较法流程图

开始 电机 反转 R1是否小于N N Y R2？ 电机 正转 R3是否小于Y 电机 NR4？ 反转 返回

图4-11光敏电阻光强比较法流程图

电机 正转

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5 课题总结

5.1结论

本文的主要研究内容是太阳自动系统。本系统是基于单片机的自动控制系统，采用光电检测追踪模式，配合机械装置使系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。 （1）详细分析了国内外目前的太阳追踪方式，比较之后，选择了以单片机为控制核心的自动控制系统，由于光电检测追踪模式和太阳角度追踪都有各自的优缺点，因此，经过比较用光电检测追踪模式。

（2）选择AT89C51单片机，通过比较选择了光敏电阻作为光电传感器，用4个光敏电阻连接成2组比较电路，实现判断太阳所在位置的功能，这样可以大大简化电路。

（3）机械部分零件图，装配图的绘制，按照各部分电路的设计将电路元件焊接到电路板上。联合硬件、软件、机械装置来调试电路。

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参考文献

[1]徐文灿，袁俊等．太阳能自动跟踪系统的探索与实验[J]．物理实验，2003，23(9)：45-48. [2]郭廷玮．太阳能的利用[M]．科学技术文献出版社，1984:31-33.

[3]胡勋良，强建科，余招阳等．太阳光跟踪器及其在采光中的应用[J]．电子技术(上海)，2003，30(12)：8-10.

[4]余海．太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J]．能源研究与利用，2004，(03):2-7. [5]李建庚，吕文华， 晓雷等．一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计[J]．太阳能学报，2003，24(03)：330-333．

[6]范志刚．光电测试技术[M]．北京：电子工业出版社，2004:24-26.

[7]陈维，李戬洪．太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J]．能源工程，2OO3，(03)：18-21． [8]徐文灿．太阳能自动追踪系统的探索与试验[J]．物理实验，2002，23（09）：45-48. [9]薛建国．基于单片机的太阳能电池自动追踪系统的设计[J]．长春师范学院学报，2005，24（3）:26-30.

[10]邱宣怀．机械设计[M]．高等教育出版社[M]，2006:100-360.

[11]孙俊逸，盛秋林．单片机原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，2006:88-100. [12]余永权．ATMEL89系列(MCS-51兼容)Flash单片机原理及应用[M]．北京：电子工业出版社,2000:55-60．

[13]朱定华．单片机原理及接口技术[M]．北京：电子工业出版社，2001:25-27. [14]胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术[M].高等教育出版社，2007：237-259. [15]史延龄，李汉军．光导效应与光敏器件[J]．现代物理知识，9（4）:31-32.

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全自动太阳能跟踪系统

参考文献

[1]徐文灿，袁俊等．太阳能自动跟踪系统的探索与实验[J]．物理实验，2003，23(9)：45-48. [2]郭廷玮．太阳能的利用[M]．科学技术文献出版社，1984:31-33.

[3]胡勋良，强建科，余招阳等．太阳光跟踪器及其在采光中的应用[J]．电子技术(上海)，2003，30(12)：8-10.

[4]余海．太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J]．能源研究与利用，2004，(03):2-7. [5]李建庚，吕文华， 晓雷等．一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计[J]．太阳能学报，2003，24(03)：330-333．

[6]范志刚．光电测试技术[M]．北京：电子工业出版社，2004:24-26.

[7]陈维，李戬洪．太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J]．能源工程，2OO3，(03)：18-21． [8]徐文灿．太阳能自动追踪系统的探索与试验[J]．物理实验，2002，23（09）：45-48. [9]薛建国．基于单片机的太阳能电池自动追踪系统的设计[J]．长春师范学院学报，2005，24（3）:26-30.

[10]邱宣怀．机械设计[M]．高等教育出版社[M]，2006:100-360.

[11]孙俊逸，盛秋林．单片机原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，2006:88-100. [12]余永权．ATMEL89系列(MCS-51兼容)Flash单片机原理及应用[M]．北京：电子工业出版社,2000:55-60．

[13]朱定华．单片机原理及接口技术[M]．北京：电子工业出版社，2001:25-27. [14]胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术[M].高等教育出版社，2007：237-259. [15]史延龄，李汉军．光导效应与光敏器件[J]．现代物理知识，9（4）:31-32.

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