光伏发电自动向日双轴跟踪系统设计

实验题目：光伏发电自动向日双轴跟踪系统设计

课程简要信息

课程名称：控制系统课程设计；学时：32学时；专业：电气工程、自动化等专业；开课时间：三年级。

实验内容与任务（限500字）

设计一个光伏发电自动向日双轴跟踪系统，系统主要包括光敏传感器、模数转换电路、单片机微处理器、电机驱动电路和步进电机等，传感器采用光敏二极管作为光-电转换器件，将四个光敏传感器置于电池板四个方向采集光照强度，将光照强度转换为电压信号，再将电压信号转换为数字信号送入单片机，最后由电机驱动电路输出信号控制电机转动，实现太阳能电池板自动对光跟踪。

实验过程及要求（限300字）

1. 了解光伏发电自动向日双轴跟踪系统，分析合理的太阳跟踪策略；

2. 开展自动跟踪系统控制总体设计，合理选择元器件；

3. 根据电路整体结构要求，设计各单元电路，设计光电转换电路、数模转化电路、单片机控制电路、步进电动机以及驱动电路等；

4. 完成整个硬件电路的制作，并编写相关控制程序，软、硬件综合调试通过；

5. 撰写设计总结报告，开展设计答辩。

相关知识及背景（限150字）

在太阳能发电中，太阳板受光面与太阳光线的角度是决定太阳能发电效率的关键因素之一，传统太阳能板方向固定不变导致发电效率低。本实验设计了一种光伏发电自动向日双轴跟踪系统，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。

教学目标与目的（限100字）

通过本实验使学生掌握单片机及其外围硬件电路设计、程序设计和电机控制知识，培养学生的综合设计能力以及创新精神和实践能力，调动学生的学习主动性，开拓了专业思维。

教学设计与引导

本实验是一个系统的工程设计项目，需提前给学生一些设计思路的启发，并在设计过程中给予适当指导。在教学过程中，应在以下几个方面对学生加强指导：

1. 收集查阅太阳能自动追踪的相关资料，熟悉单片机的应用设计；

2. 介绍自动追踪系统原理和功能，引导学生了解系统各个模块的构成；

3. 要求学生主动学习光传感器、单片机控制电路，光电转换电路，AD转换电路，电机驱动电路的工作原理；

4. 引导学生掌握主要元器件的知识；

5. 根据太阳能自动追踪所要实现的功能，编写完整的C语言程序，并进行调试，检查功能的实现程度；

6. 对各个模块进行测试，组装为成品后再进行测试，检查是否满足预先所设想的效果；

7. 在实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流。

整个实验过程中注意学生设计的规范性，包括设计方法、电路绘制、电路搭建和调测等方面；注意方式方法的指导，调试过程中要引导学生观察光强、光照角度等对系统指标的影响，对电路稳定性和可靠性的影响。

实验原理及方案

1）系统总体结构

图1是系统的总体设计方案，主要模块包括：单片机控制电路，光电转换电路，AD转换电路，电机驱动电路。具体方案是阳光照在光敏传感器上，通过光电转换变成电压值，输入AD转换电路，进行转换，然后进行AD电压采样，输入单片机，经处理后通过驱动芯片控制步进电机的正反转，使太阳板始终与太阳光线垂直。

图1 系统总体设计方案

2）实现方案

（1）光电转换电路

图2为光敏传感器分布图，其中光敏传感器A对左方光线进行检测，当光线集中于光敏传感器A时，单片机控制驱动芯片驱动电机M1转动，使得电池板跟随光线左转。光敏传感器B对右方光线进行检测，当光线集中于光敏传感器B时，单片机控制驱动芯片驱动电机M1转动，使得电池板跟随光线右转。光敏传感器C与D对太阳垂直角度的变化进行检测，并将检测到的光线变化信号传输给单片机，单片机进行进一步处理后控制驱动芯片驱动电机M2的正反转，从而实现电池板垂直角度的调整。光电转换电路如图3所示。

图2光敏传感器布置

图3 光电转换电路

（2）模数转换电路

图4 为模数转换电路，光电转换电路所得到的信号为模拟信号，采用模数转换器，将其转换为数字信号。模数转换电路包括信号输入部分，模数转换部分、模数电压采样和信号输出部分。

图4 模数转换电路

（3)单片机控制电路

图5为单片机最小系统。选用STC89C51单片机，LED1、LED2是两个指示灯分别代表自动模式和手动模式；TX、RX是指串口通讯接口即程序下载接口；KEY1-KEY5是代表五个按键，其中一个是手动和自动模式之间的切换，另外四个是手动模式下，手动控制电机的上下左右四个方向的转动。

图5 单片机最小系统

（4）步进电机

本系统选用28BYJ-48型电机，电压为DC5V～DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。

（5）步进电机驱动电路 {#步进电机驱动电路}

驱动芯片采用的是ULN2803，ULN2803与步进电机的电路原理图如图6所示。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。

图6 步进电机驱动电路

（6）单片机外围电路

a.按键电路

图7为按键电路。S1是手动和自动模式之间的切换，默认为自动模式，S2，S3，S4，S5是手动模式下，利用手动按键来控制步进电机的正反转。

图7按键电路

b.指示灯电路

图8为指示灯电路，系统默认为自动模式，接通电源后LED1亮，当按下S1按键时，切换成手动模式，LED2亮。

图8指示灯电路

（7）系统软件设计

a.主程序模数转换 {#a.主程序模数转换}

光电转换的电压值输入到AD模块后，经过PCF8951芯片里的电压采样，最后输出数字信号，再把信息传送给单片机，从而控制步进电机正反转。流程图如图9所示。

图9 AD模块流程图

b.驱动电路子程序 {#b.驱动电路子程序}

图10为驱动电路程序流程图。本设计共上下左右四个光敏传感器，在光照下就会产生电压，上边电压大于下边电压，或者手动模式下按下向下的按键，水平电机反转，若下边电压大于上边电压，或者手动模式下按下向上的按键，水平电机正转。同理，左边电压大于右边电压，或者手动模式下按下向右的按键，方位电机右转，若右边电压大于左边，或者手动模式下按下向左的按键，方位电机左转。

图10 驱动电路程序流程图

（8）系统实物平台搭建

机械部分主要由电池板支架，转动轴，底座和步进电机构成，机械装置由电机驱动，可使电池板在水平方向和垂直方向上自由旋转。控制部分主要由单片机控制电路，光电转换电路，AD转换电路，电机驱动电路等构成。跟踪系统机械结构用螺丝把一个控制方位的步进电机固定在底座上，然后在步进电机上安装转动轴和固定水平方向步进电机，步进电机的转轴上安装太阳板和光敏传感器等部件。

教学实施进程

1. 介绍实验内容，布置设计任务。

2. 查阅资料、理解单片机电路硬件及程序设计知识。

3. 完成各个模块电路设计及程序设计。

4. 讲述装配、焊接方法、调试要求。

5. 焊接电路板，完成相关电路及程序调试。

6. 验收。

7. 撰写报告、演讲答辩、讲评。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验目的和意义

2. 实验任务

3. 总体方案设计

4. 各个模块电路图设计

5. 系统程序设计

6. 实验结果总结

考核要求与方法（限300字）

1. 实验报告：报告内容的规范性、实验报告与实验结果的一致性

2. 实物功能：实物各电路模块功能的实现程度

3. 实物质量：元器件的布局，焊接质量、布线美观

4. 实验成本：实验耗材和元器件的成本

5. 自主创新：电路和程序设计的创新性，自主思考与独立实践能力

6. 演讲答辩：PPT内容展示、表达能力、应变能力和回答的准确性

项目特色或创新（可空缺，限150字）

为了解决能源危机，太阳自动追踪系统已经成为世界范围内的研究热点。本实验涉及到较多的相关光电传感器、单片机、模拟电路、数字电路、电机控制、C语言知识，锻炼和学生综合应用知识的能力。

实验案例信息表