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成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）

基于单片机的太阳能电池板自动对光跟踪系统

摘要：本文是以AT89C52单片机为核心，设计了一个太阳能电池板自动对光跟踪系统。系统主要包括光敏传感器、

模数转换部分、单片机微处理器、步进电机和电机的驱动电路等，传感器采用光敏二极管作为光-电转换器件，将三个完全相同的光敏二极管分别放置于电池板三个方向分别对光照强度采集，然后由光敏传感器电路将光照强度转换为电压信号，再由ADC0809将电压信号转换为数字信号送入单片机，最后单片机将数字信号进行对比控制电机转动。该系统精度为4°，系统结构简单、操作方便、测量精度高、速度快。

关键词：太阳能自动跟踪；A/D转换；光敏二极管；单片机微处理器；步进电机

Solar Panel Automatically Tracking System Based on

Microcontroller

Abstract: Solar Panel Automatically Tracking System is designed based on AT89C52 microcontroller in this paper.The system includes photosensitive sensor, A/D converter, SCM,stepping motor , drive circuit of motor and so on. Photodiode as a light sensor - power conversion devices, the three identical photodiodes were placed in three directions panels were collected on the light intensity, then the light intensity will be converted to Voltage signal by the light sensor circuit, Voltage signal is put into SCM by the ADC0809 to convert digital signals,the SCM compare digital signals with digital signals to control motor rotation. The system accuracy of 4 °, the system is simple , easy operation , high accuracy, high speed. Keywords：Automatic tracking solar ; A / D conversion; Photodiode ;SCM;Stepping motor

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目 录

第1章 绪论 .................................................................. 1

1.1 课题背景.............................................................. 1

1.1.1 能源现伏及发展 .................................................. 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 .......................................... 1 1.1.4 太阳能的特点 .................................................... 2 1.2 课题研究的目的........................................................ 2 1.3 课题研究的意义........................................................ 2

1.3.1 新环保能源 ...................................................... 2

1.3.2 提高太阳能的利用率 .............................................. 3 1.4 太阳能光伏发电国内外的现状............................................ 3 1.5 太阳能追踪系统国内外研究现状.......................................... 4 1.6 论文的研究内容........................................................ 4 1.7 论文结构.............................................................. 4 第2章 太阳能自动跟踪系统总体设计 ............................................ 5

2.1 太阳运行的规律........................................................ 5 2.2 跟踪器机械执行部分.................................................... 5

2.2.1 立柱转动式要跟踪器 .............................................. 5

2.2.2 陀螺仪式跟踪器 .................................................. 6 2.2.3 齿圈转动式跟踪器 ................................................ 6 2.3 太阳能跟踪设计........................................................ 8

2.3.1 常用太阳能跟踪方案 .............................................. 8 2.3.2 太阳能跟踪方案的确定 ............................................ 8 2.4 太阳能跟踪传感器的设计................................................ 9

2.4.1 光线和影子的关系 ................................................ 9

2.4.2 跟踪传感器的跟踪精度 ............................................ 9 2.4.3 太阳跟踪方案的确定 ............................................. 11 2.4.4 太阳光照强度的检测 ............................................. 13 2.4.5 太阳能跟踪传感器的设计制作 ..................................... 13 2.4.6 太阳能传感器电路设计 ........................................... 17

第3章 系统硬件设计 ......................................................... 19

3.1 太阳能自动跟踪控制................................................... 19 3.2 电源................................................................. 19 3.3 信号采集电路......................................................... 20 3.4 控制器............................................................... 22

3.4.1 单片机简介 ..................................................... 22 3.4.2 单片机外围电路设计 ............................................. 22 3.5 模数转换............................................................. 23

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3.5.1 ADC0809说明.................................................... 24 3.6 步进电机及驱动....................................................... 26

3.6.1 驱动电路 ....................................................... 26 3.6.2 步进电机 ....................................................... 26

第4章 系统软件设计 ......................................................... 29

4.1 A/D转换部分 ......................................................... 29 4.2 光敏二极管比较法..................................................... 30 4.3 系统流程图........................................................... 31 第5章 总结 ................................................................. 34

5.1 结论................................................................. 34 5.2 展望................................................................. 34 致谢 ........................................................................ 35 参考文献 .................................................................... 36 附录1 系统硬件电路图 ....................................................... 38 附录2 程序清单 ............................................................. 39

III

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 能源现伏及发展

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。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。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。

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，但人们对新能源的开发和利用日益重视特别是核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计[2]，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%。随着科学技术的发展和新能源技术的发展可再生能源的将在未来的时代与不可再生能源抗衡甚至超过，从而结束矿物燃料垄断能源的局面。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和发展方向。

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。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国领土总面积达960×10km，居世界第三位，占世界总面积的7%。据估算，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2·A，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×1018KJ。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、新疆、青海、内蒙古南部、陕西北部、山西、河北、山东、吉林西部、辽宁、云南中部和西南部、福建东南部、广东东南部、西部以及台湾省的西南部和海南岛东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，日照时间长，纬度低，透明度好。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，阴天为98.8天，年平均晴天为108.5天，年平均云量为4.8，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，太阳总辐射为816KJ/cm·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，阴天达244.6天，年平均晴天为24.7天，年平均云量高达8.4年，平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％。其它地区的太阳年辐射总量居中。

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、采暖和制冷、干燥器、开水器，太阳灶和高温炉，温室与太阳房，海水淡化装置、热力发电装置、水泵及太阳能医疗器具。

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

第三，太阳能是一种干净洁净无污染的能源，在开发和利用时，不会产生废气、废水、废渣和噪音，更不会破坏生态平衡。 太阳能的利用有它的缺点：

第一，能流密度较低，日照较好的，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，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。 第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。

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1.2 课题研究的目的

本课题研究一种基于光影传感器的太阳光线自动跟踪系统，该系统能自动定位太阳位置和跟踪太阳光线，保证太阳能电池板平面始终与太阳光线垂直，提高太阳能转换的效率。

1.3 课题研究的意义

1.3.1 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，燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地生态环境恶化、球气温升高，而且这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限。据国际能源机构预测，随着社会的发展能源消耗持续增长，在不久的将来人类将面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机下，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，特别是太阳能、核能等。

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{7}，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[8]。

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