向日葵式太阳能电池板控制器设计.docx

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向日葵式太阳能电池板控制器设计

WEIJI

成绩评定表

设计课题向日葵式太阳能电池板控制器设计

学院名称：

电气工程学院

专业班级：

自动F0902

学生某某：

学号：

指导教师：

设计地点：

设计时间：

1引言

进入21世纪以来，环保问题日益突出，新能源的研究也越来越多的被关注。

太阳能的利用是现阶段利用最多的新型能源。

比拟成熟的产品包括：

太阳能热水器、太阳能汽车、卫星太阳能供电装置等等。

所有的这些产品最重要的环节是太阳能电池板吸收阳光产生电能。

一般太阳能电池板朝向是固定的,而太阳的位置在变化,无法保证太阳光始终垂直于太阳能电池板,使得转换效率降低,造成所需的电池板面积增大,设备本钱增加,不利于推广与应用。

我的课程设计：

向日葵式太阳能电池板控制器设计，主要的功能是使太阳能电池板能够自动跟踪太阳的方位，即太阳光线始终垂直照射在太阳能电池板上。

这样太阳能电池板就能产生更多的电能，提高了转换效率。

能够进一步扩大太阳能的应用X围。

由于专业知识的限制，我只设计了控制局部，所以假设机械执行机构能够实现所预定的功能，即能够让太阳能电池板按照预定的控制输出方向移动，实现控制功能。

2总体方案设计

图2.1硬件方框图

硬件方框图如图2.1所示。

按照向日葵式太阳能电池板控制器的工作原理，控制系统的硬件应包括以下几局部：

〔1〕控制器。

作为控制系统的核心，可采用工控机、DCS或微控制器，控制AD转换器的转换，对输入的数字信号按照预定的程序进展处理以与根据处理结果输出控制信号。

〔2〕光强传感器。

通过自制的光强传感器，将四个方向的光强信号转换为电压信号。

〔3〕A/D转换器。

将光强传感器的电压信号转换为数字信号。

〔4〕直流电机与驱动模块。

控制器输出的控制信号控制直流电机的运转，再经过设计好的机械传动系统改变太阳能电池板的朝向。

2.2方案论证

〔1〕控制器

由于太阳能电池板工作的灵活性，以与为了让向日葵式太阳能电池板控制系统能够被广泛的使用，控制器采用STC89C51单片机。

因为单片机具有程序可变，可靠性高，功能强，体积小，功耗低以与价格廉价等优点，且能够满足系统的要求。

〔2〕光强传感器

由于需要采集四个方位的光强信号，且以电压的方式传输给A/D转换器，考虑到功能结构的特殊性和价格因素。

可根据原理用电阻和光敏电阻自己制作。

〔3〕A/D转换器

A/D转换电路按照与计算机的接口方式可分为并行接口和串行接口两种方式。

并行接口的A/D转换器与计算机接口时需要占用较多的I/O口线，且实现光电隔离时电路复杂，但价格较低。

串行接口的A/D转换器与计算机接口时占用的I/O口线少，一般只需要3条，易于实现光电隔离，但价格较贵。

A/D转换器按转换原理可分为逐次逼近型、双积分型、并行型、V/F转换等几种形式，其特点分别如下：

①逐次逼近型：

转换速度较高，分辨率高的价格较贵，抗干扰能力较差。

②双积分型：

转换速度慢，价格较廉价，转换精度高，抗工频干扰能力强。

③并行型：

转换速度极高，电路规模大，价格昂贵。

④V/F转换型：

价格低廉，精度高，与计算机接口简单，易于实现光电隔离，缺点是需要较多的外围元件。

综合考虑分辨率、精度、转换速度、价格等诸多因素，经上述比拟，确定采用逐次逼近型A/D转换器ADC0809。

〔4〕直流电机与驱动模块

执行机构是直流电动机，需要通过直流电机常用驱动电路对其进展控制，因此，本模块主要由直流电机驱动控制电路、直流电机组成。

2.3总体方案

按照上述方案论证的结果，向日葵式太阳能电池板控制器的总体方案框图如图2.2所示。

图2.2总体方案框图

图2.2中，光强传感器按照预定的位置安放在太阳能电池板上，感受东南西北四个方位的光强信号并转换为预定X围的电压信号；电压跟随器的作用是稳定输出电压，防止传感器输出电压因后续电路发生变化；逐次逼近型A/D传感器，接收光强传感器传过来的电压信号，并通过相应的转换变为单片机可处理的数字信号；单片机控制A/D转换器的转换并读取A/D的输出信号，经过预定的算法处理四个方位的数据，输出控制信号；直流电机驱动电路接收单片机的控制信号，控制直流电机的运行；直流电机〔两台〕分别控制太阳能电池板两个相对方向的运动，自动跟踪太阳的移动，使太阳能电池板平面始终垂直于太阳光线，达到控制目的。

3硬件电路设计

3.1单片机与其外围电路

向日葵式太阳能电池板控制器采用MC9S08AW60。

MC9S08AW60是首个能支持5v而基于高性能HCS08核系列成员。

它包含众多有价值的特性，灵活而又无需外部元件的内部时钟发生器、低压检测、高性能、模数转换器、串行通信模块等。

特点：

1、采用48脚QFN封装、44脚LQFP封装、64脚QFP封装和64引脚LQFP封装。

2、MC9S08AW60采用Freescale公司的高性能处理器MC9S08AW60。

MC9S08AW60是Freescale公司一款基于S08内核的高度节能型处理器，是第一款认可用于汽车市场的微控制器。

可应用在家电、汽车、工业控制等场合，具有业内最优的性能。

3、MC9S08AW60是首个能支持5V而基于高性能HCS08核系列成员。

它包含众多有价值的特性--60Kflash存储器、2KRAM、灵活而无需外部元件的内部时钟发生器、低压检测、高性能、模数转换器〔ADC〕、串行通信模块等。

4、即使在各类恶劣环境下,9S08AW系列亦达到极佳的EMC性能。

它提供了不同的引脚数（64,48或44）、封装选项（QFP,LQFP或QFN）与温度X围（-40至85和-40至125摄氏度）。

MC9S08AW60单片机特性：

8位的HCS08中央处理器〔CPU〕的内部总线频率具有模块保护与安全选项功能的60KB片选上在线可编程FLASH存储器2KB片选上的RAM可选的看门狗〔COP〕复位具有自动比拟功能的16通道，10位模数转换器两个具有可选的13位断点的串行通信接口模块串行外设接口模块一个2通道和一个6通道，16位定时器/脉宽法器8引脚键盘中断模输入/输出复位时，IRQ与BKGD/MS引脚处的内部上拉可缩减系统本钱

3.2光强传感器与其电路

〔1〕光强传感器

由于需要感受四个方向的光强，所以需要自制光强传感器用以追踪传感来判定太阳光源的方位所在。

根本组成元件

光强传感器的根本组成元件是：

光敏电阻、电阻。

光敏电阻又称光导管，常的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻具有以下特性：

1.光敏电阻是属于无极性（奥姆结构），故使用上简易方便；

2.光敏电阻会随著光能强度使内阻抗改变的光可变也阻；

3.光敏电阻于周围环境光变亮时，内电阻阻会下降；

4.光敏电阻对于光的敏感性（即光谱特性）约在0.4-0.8mm和太阳光的可见光X围波长0.38-0.76mm的响应很接近。

光强传感器原理

光强传感器主要经由四颗特性相近光敏电阻构成，负责侦测东南西北四个方向的光源强度，各方向均有一个光敏电阻，并以45度角朝向光源处，并将该方向设置基座以将该方向以外的光线隔离，以达到快速判别太阳位置。

四个传感器分为两组，一组是两个光敏电阻作为东西向的传感器，用以比拟东西方向受光强度的差异。

当东西方向的传感器承受到的光源强度不一致时，系统会依据东西方向两传感器输出的电压信号，使用A/D转换器转换为相应的数字信号，再经过单片机的比拟处理判断哪个方向的光线最强，并且驱动直流电机朝向该方前进，当东西向传感器输出只相等时，如此输出的差值为0，直流电机的驱动电压也为0。

即追踪到太阳目前的位置。

即保持太阳光线垂直于太阳能电池板照射。

另一组的南北向传感器，如此是相似的原理，用来追踪太阳在南北向的位置。

光强传感器电路图

图3.2光强传感器电路图

如图3.2所示，光敏电阻Q1、电阻R1串联与电压跟随器AR1组成东向光强传感器；光敏电阻Q2、电阻R2串联与电压跟随器AR2组成西向光强传感器；光敏电阻Q3、电阻R3串联与电压跟随器AR3组成南向光强传感器；光敏电阻Q4、电阻R4串联与电压跟随器AR4组成北向光强传感器。

光强照射在光敏电阻上，随着光强的变化，输出的电压值也会产生变化：

光强越强，光敏电阻阻值越小，输出电压越大，反之。

东西南北方向的电压模拟信号分别经IN0、IN1、IN2、IN3连接到AD转换器的模拟量输入端口。

A/D转换器〔ADC0809〕与其与MC9S08AW60的接口电路

〔1〕ADC0809

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进展A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

主要特性：

8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；具有转换起停控制端；转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs〔时钟为500kHz时〕；单个+5V电源供电；模拟输入电压X围0～+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度X围为-40～+85摄氏度；低功耗，约15mW。

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如下列图。

下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端；

2EXP1～2EXP8：

8位数字量输出端；

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路　　ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲〔至少100ns宽〕使其启动〔脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换〕。

EOC：

A/D转换完毕信号，输出，当A/D转换完毕时，此端输出一个高电平〔转换期间一直为低电平〕。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换完毕时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF〔+〕、REF〔-〕：

基准电压。

Vcc：

电源，单一+5V。

GND：

地。

端口P1.4接收单片机给出的时钟信号，P1.1~P1.3接收单片机给出的模拟端口选择信号，按顺序分别转换IN0、IN1、IN2、IN3的模拟量，P1.0接收单片机给出的控制信号，来启动、控制AD转换器。

单片机通过P1.5给出读信号，通过端口P0.0~P0.7将AD转换器输出的数字信号传送给单片机。

图3.3ADC0809与单片机硬件连接图

3.4直流电机驱动电路

〔1〕直流电机驱动芯片L298N硬件电路

恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N是SGS公司的产品，比拟常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比拟方便。

如图3.4中的L298N可承受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压X围VIH为＋2.5～4.6V。

输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

图3.4中，D1~D7肖特基二极管在电路中起续流保护作用即电机由正转变为反转时防止电机电流过大烧毁电机。

由于不需要控制直流电机的转速，将1和15端短接接+5V电源让直流电机以最大转速运转。

单片机根据输入的各个方向的光强信号，经过程序处理后，通过P2.0~P2.3控制直流电机的运转。

以P2.0~P2.1为例，输出信号为：

10时直流电机正转；输出信号为：

01时直流电机反转；输出信号为：

00时直流电机停止转动。

图3.4直流电机驱动芯片L298N与单片机的硬件连接图

向日葵式太阳能电池板控制器原理图如图3.5所示。

东西南北方向光强传感器分别感受相应方向的光强，转化为电压信号，经电压跟随器东西南北方向的电压模拟信号分别经IN0、IN1、IN2、IN3连接到ADC0809转换器的模拟量输入端口。

ADC0809由单片机STC89C51控制，端口P1.4接收单片机给出的时钟信号，P1.1~P1.3接收单片机给出的模拟端口选择信号，按顺序分别转换IN0、IN1、IN2、IN3的模拟量，P1.0接收单片机给出的控制信号，来启动、控制AD转换器。

单片机通过P1.5给出读信号，通过端口P0.0~P0.7将AD转换器输出的数字信号传送给单片机。

单片机根据输入的各个方向的光强信号，经过程序处理后，通过P2.0-P2.3分别输出给调节东西方向和南北方向的直流电机。

以P2.0，P2.1为例，输出信号为：

10时直流电机正转；输出信号为：

01时直流电机反转；输出信号为：

00时直流电机停止转动。

通过控制直流电机，达到追踪太阳的控制目的，使太阳光线始终与太阳能电池板垂直。

图3.5向日葵式太阳能电池板控制器原理图

4系统软件设计

系统流程图如图4.1所示。

东西方向光强传感器分别感受相应方向的光强，转化为电压信号，经电压跟随器传给A/D转换器ADC0809。

ADC0809由单片机STC89C51控制，首先送第一通道的地址，AD转换器第一通道打开，然后通道地址锁存。

经过单片机控制开启转换，延时0.5s后由单片机控制读取转换后的值并判断四个通道是否都已经转换完毕。

如果没有，如此取下一通道地址开始新的转换。

如果四个通道转换都已经完毕，如此开始处理数据。

图4.1系统流程图

单片机STC89C51分别将东西方向、南北方向反映光强的数字信号。

如果东方向的数字量大于西方向的数字量，如此电动机正转；如果东方向的数字量小于西方向的数字量，如此电动机反转；如果东方向的数字量等于西方向的数字量，如此电动机停止转动。

电动机转动目的是使太阳能电池板始终与光线垂直。

南北方向的过程与东西方向一样。

控制电机程序执行完以后，重新读取四个方向的光强信号循环此过程，达到实时准确控制的目的，使太阳能电池板始终与太阳光线垂直。

5总结

向日葵式太阳能电池板控制器设计，主要的功能是使太阳能电池板能够自动跟踪太阳的方位，即太阳光线始终垂直照射在太阳能电池板上。

这样太阳能电池板就能产生更多的电能，提高了转换效率。

能够进一步扩大太阳能的应用X围。

通过本次课程设计，我懂得了控制系统设计的一般步骤和格式，明白了一些根本控制算法的应用，为以后毕业设计和工作打下了良好的根底。

参考文献

[1]郭天祥．51单片机C语言教程[M]．：

电子工业，2009

[2]朱玉玺，X如春，邝小磊．计算机控制技术〔第2版〕[M]．：

电子工业，2010

[3]陈杰，黄鸿．传感器与检测技术[M]，：

高等教育，2010

[4]STC宏晶科技官网.stcmcu.

[5]中国电子网.21IC.

附录A系统原理图