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、豐(feng)富(fu)，而(er)且(qie)分(fen)布(bu)範(fan)圍(wei)廣(guang)，具(ju)有(you)非(fei)常(chang)廣(guang)闊(kuo)的(de)利(li)用(yong)前(qian)景(jing)。但(dan)太(tai)陽(yang)能(neng)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)低(di)，這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)一(yi)直(zhi)影(ying)響(xiang)和(he)阻(zu)礙(ai)著(zhe)太(tai)陽(yang)能(neng)技(ji)術(shu)的(de)普(pu)及(ji)，如(ru)何(he)提(ti)高(gao)太(tai)陽(yang)能(neng)利(li)用(yong)裝(zhuang)置(zhi)的(de)效(xiao)率(lv)
，始(shi)終(zhong)是(shi)人(ren)們(men)關(guan)心(xin)的(de)話(hua)題(ti)
，太(tai)陽(yang)能(neng)自(zi)動(dong)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)為(wei)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)途(tu)徑(jing)
，從(cong)而(er)大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)。

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。

而(er)視(shi)日(ri)運(yun)動(dong)軌(gui)跡(ji)跟(gen)蹤(zong)的(de)優(you)點(dian)是(shi)能(neng)夠(gou)全(quan)天(tian)候(hou)實(shi)時(shi)跟(gen)蹤(zong)，所(suo)以(yi)本(ben)設(she)計(ji)采(cai)用(yong)視(shi)日(ri)運(yun)動(dong)軌(gui)跡(ji)跟(gen)蹤(zong)方(fang)法(fa)和(he)雙(shuang)軸(zhou)跟(gen)蹤(zong)的(de)辦(ban)法(fa)
，利(li)用(yong)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)雙(shuang)軸(zhou)驅(qu)動(dong)，通(tong)過(guo)對(dui)跟(gen)蹤(zong)機(ji)構(gou)進(jin)行(xing)水(shui)平(ping)、俯(fu)仰(yang)兩(liang)個(ge)自(zi)由(you)度(du)的(de)控(kong)製(zhi)
，實(shi)現(xian)對(dui)太(tai)陽(yang)的(de)全(quan)天(tian)候(hou)跟(gen)蹤(zong)。該(gai)係(xi)統(tong)適(shi)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)需(xu)要(yao)跟(gen)蹤(zong)太(tai)陽(yang)的(de)裝(zhuang)置(zhi)。該(gai)文(wen)主(zhu)要(yao)從(cong)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)方(fang)麵(mian)分(fen)析(xi)太(tai)陽(yang)自(zi)動(dong)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)與(yu)實(shi)現(xian)。

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。



renyishiketaiyangdeweizhikeyiyongtaiyangshiweizhijingquebiaoshi。taiyangshiweizhiyongtaiyanggaodujiaohetaiyangfangweijiaolianggejiaoduzuoweizuobiaobiaoshi。taiyanggaodujiaozhicongtaiyangzhongxinzhishedaodangdideguangxianyudangdishuipingmiandejiajiao。taiyangfangweijiaojitaiyangsuozaidefangwei，zhitaiyangguangxianzaidipingmianshangdetouyingyudangdiziwuxiandejiajiao，kejinsidikanzuoshishulizaidimianshangdezhixianzaiyangguangxiadeyinyingyuzhengnanfangdejiajiao。xitongcaiyongshuipingfangweibujindianjihefuyangfangxiangbujindianjilaizhuizongtaiyangdefangweijiaohegaodujiao，congerkeyishishijingquezhuizongtaiyangdeweizhi。shangweijifuzerenyishiketaiyanggaodujiaohefangweijiaodejisuan
，bingyunyongruanjianjisuanchudangqianzhuangkuangxiafuyangyushuipingfangxiangdebujindiandongjiyunxingdebushu，jiangshujusonggeigenzongxitongqudongqi，danpianjijieshoushangweijisonglaideshuju，qudongbujindianjideyunxing。xitongjuyoushixianfuwei、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。

[page]

軟件的另一部分為PC機部分，PC機ji軟ruan件jian部bu分fen主zhu要yao是shi負fu責ze任ren意yi時shi刻ke太tai陽yang位wei置zhi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步bu進jin電dian機ji運yun行xing的de步bu數shu，並bing將jiang數shu據ju送song給gei跟gen蹤zong係xi統tong驅qu動dong器qi。與yu單dan片pian機ji通tong信xin的de部bu分fen使shi用yongVC++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、太(tai)陽(yang)時(shi)角(jiao)的(de)取(qu)值(zhi)有(you)關(guan)，還(hai)跟(gen)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)精(jing)度(du)以(yi)及(ji)跟(gen)蹤(zong)轉(zhuan)台(tai)的(de)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)有(you)關(guan)，因(yin)而(er)需(xu)要(yao)對(dui)跟(gen)蹤(zong)軌(gui)跡(ji)的(de)程(cheng)序(xu)進(jin)行(xing)校(xiao)正(zheng)。校(xiao)正(zheng)采(cai)用(yong)手(shou)動(dong)操(cao)作(zuo)，通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)水(shui)平(ping)俯(fu)仰(yang)方(fang)位(wei)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)，使(shi)兩(liang)個(ge)軸(zhou)帶(dai)動(dong)平(ping)麵(mian)鏡(jing)反(fan)光(guang)裝(zhuang)置(zhi)轉(zhuan)動(dong)，同(tong)時(shi)不(bu)斷(duan)觀(guan)察(cha)平(ping)麵(mian)鏡(jing)反(fan)射(she)太(tai)陽(yang)光(guang)的(de)影(ying)子(zi)
，當(dang)影(ying)子(zi)中(zhong)心(xin)剛(gang)好(hao)聚(ju)在(zai)指(zhi)定(ding)點(dian)時(shi)為(wei)最(zui)佳(jia)，記(ji)錄(lu)下(xia)從(cong)原(yuan)點(dian)到(dao)該(gai)點(dian)兩(liang)軸(zhou)的(de)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)各(ge)自(zi)走(zou)過(guo)的(de)步(bu)數(shu)，根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)步(bu)數(shu)與(yu)理(li)論(lun)運(yun)行(xing)步(bu)數(shu)之(zhi)差(cha)，可(ke)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)角(jiao)度(du)之(zhi)差(cha)
，就(jiu)是(shi)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)方(fang)位(wei)角(jiao)的(de)修(xiu)正(zheng)值(zhi)。校(xiao)正(zheng)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)任(ren)一(yi)天(tian)中(zhong)幾(ji)個(ge)不(bu)同(tong)時(shi)刻(ke)進(jin)行(xing)。係(xi)統(tong)在(zai)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)時(shi)，觀(guan)察(cha)到(dao)太(tai)陽(yang)在(zai)正(zheng)午(wu)至(zhi)下(xia)午(wu)3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。



weilegengzhunquedidedaotaiyangshijiweizhidecanshuxiuzhengzhi，yingzaichunxiaqiudongsijizhongbutongshikefenbieguancejilushuju
，jiangdedaodeyizugaodujiaohefangweijiaodexiaozhengzhi，niheqiquxian。yongxiaozhengxishuxiaozhenglilunzhicunrukongzhichengxu
，keyitigaogenzongjingdu。

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、測ce試shi和he實shi際ji使shi用yong

，各ge項xiang指zhi標biao均jun達da到dao了le設she計ji要yao求qiu。本ben文wen設she計ji的de太tai陽yang自zi動dong跟gen蹤zong裝zhuang置zhi是shi基ji於yu視shi日ri運yun動dong規gui律lv
，為wei使shi係xi統tong具ju有you更geng高gao的de跟gen蹤zong精jing度du
，可ke采cai用yong光guang電dian傳chuan感gan器qi跟gen蹤zong校xiao正zheng
，構gou成cheng由you視shi日ri運yun動dong規gui律lv跟gen蹤zong和he傳chuan感gan器qi跟gen蹤zong的de混hun合he跟gen蹤zong係xi統tong。隨sui著zhe太tai陽yang能neng自zi動dong跟gen蹤zong裝zhuang置zhi的de廣guang泛fan應ying用yong
，它ta定ding會hui有you助zhu於yu提ti高gao綠lv色se能neng源yuan利li用yong的de進jin程cheng，為wei環huan境jing保bao護hu和he提ti高gao人ren民min的de生sheng活huo質zhi量liang做zuo出chu更geng大da的de貢gong獻xian。