太阳能自动跟踪装置控制新版系统标准设计.doc

本科生毕业论文

题 目
太阳能自动跟踪装置控制系统设计

系 别
机械交通学院

班 级
机 制 122

姓 名
李鹏万

学 号

答辩时间 5月

新疆农业大学机械交通学院

目 录

摘要 1
1 设计研究背景及意义 3
2 关键研究内容 3
2.1 系统设计目标 3
2.2 设计关键内容 3
3 系统总体设计 4
3.1 太阳自动跟踪方法确实定 4
3.2 本设计设计思想 4
4 太阳能充电控制器设计 5
4.1 太阳能电池选型 5
4.2 蓄电池选型 7
4.2.1 铅酸蓄电池基础概念 7
4.2.2 本系统蓄电池选型 8
4.3 太阳能充电控制器设计 8
4.3.1 UC3906芯片介绍 9
4.3.2 BUCK电路设计 9
4.4 充电控制器外围电路设计 11
5 跟踪系统传感器检测装置设计 13
5.1 阴天检测装置设计 13
5.2 白天黑夜检测装置 14
5.3 太阳位置传感器介绍 15
5.3.1 传感器检测部分设计 15
5.3.2 光敏二极管介绍 17
5.3.3 LM324芯片介绍 17
6 视日运动轨迹模块设计 18
6.1 太阳赤纬角计算 18
6.2 太阳高度角计算 18
6.3 太阳方位角计算 18
6.4 日出日落时间计算 19
7 实施器件选型 19
7.1 步进电机选型 19
7.2 步进电机驱动器选型 20
7.3 实施器件连接方法 21
8 控制系统设计 21
8.1 单片机电源模块设计 22
8.2 驱动器电源模块设计 23
8.2.1 GS3660芯片介绍 23
8.2.2 Boost电路基础拓扑设计 25
8.2.3 驱动器电源模块硬件设计 26
8.3 单片机硬件系统设计 27
8.3.1单片机介绍 27

8.3.2 单片机特点 27
8.3.3 AT89C51单片机特征 28
8.4 单片机软件系统设计 28
8.4.1 主程序设计 28
8.4.2 光电追踪模块 30
8.4.3 视日跟踪模块 30
9 结论 31
参考文件： 33
谢 辞 34
附 录 35

太阳能自动跟踪装置控制系统设计

李鹏万 指导老师：杨宛章、张静
摘要：太阳能作为一个新型清洁能源，受到了世界各国广泛重视。现阶段影响太阳能普及关键原因是太阳能电池成木较高而光电转化效率却较低。所以，怎样提升太阳能利用效率是太阳能行业发展关键问题。在中国，大多数太阳能电池阵列全部是固定安装，无法确保太阳光实时垂直照射造成太阳能资源不能得到充足利用。自动太阳跟踪控制系统在跟踪太阳旋转情况下可接收到更多太阳辐射能量，从而提升太阳能电池板输出功率，该技术在多种太阳跟踪装置中能够广泛应用。
整个系统不需要任何外部电源供电，完全依靠本身太阳能电池板发电供电。在光线充足天气条件下，系统确保太阳能电池自动跟踪太阳旋转并一直保持太阳光垂直照射在太阳能电池表面，以提升太阳能电池发电效率。系统带有光电检测装置，在天气情况不佳时候切换跟踪方法。以提升太阳吸收效率。
关键字：太阳能电池；自动跟踪；太阳位置传感器；光电检测

Design of control system for solar automatic tracking devic
Li Pengwan Instructor: Yang Wanzhang、Zhang Jing
Abstract: Solar energy as a new type of clean energy, received wide attention of all over the world, the main reason for the stage of the popularization of solar energy is solar cells into wood higher and photoelectric conversion efficiency is low. Therefore, how to improve the utilization efficiency of solar energy is the key problem of the solar energy industry development. In China, most of the solar cell array is fixed, there is no guarantee that the sun light of real-time vertical irradiation, resulting in solar energy resources can not be fully utilized. Automatic sun tracking control system in tracking solar rotation can receive more solar radiation energy, so as to improve the output power of the solar battery board, the Technology can be widely used in various solar tracking devices.
The system does not require any external power sources, completely rely on their own solar panels for electricity power supply. In the sunny weather conditions, the system to ensure that the solar automatic tracking solar rotation and keep perpendicular irradiation of the sun light on the solar cell surface and to improve the efficiency of the solar cell power generation. System with photoelectric detection device, in poor weather conditions when switching tracking mode.In order to improve the absorption efficiency of the sun.
Keywords: solar cell; automatic tracking; solar position sensor;Photoelectric detection

1 设计研究背景及意义
在能源消耗量越来越大，传统能源日益枯竭今天，人类对于新能源渴求变得越来越强烈。寻求一个可再生而且环境保护新能源来满足社会经济发展需要成为世界范围关注关键问题。
太阳能受到了世界各国广泛重视关键原因为太阳能是一个新型清洁能源，而且取之不尽用之不竭。当今世界在“阳光地带”国家人口数量占世界总人口数量75%，这些人口拥有全球40%电力需求。另外，估计在未来20年时间里，全球大约80%电力能源需求未起源于“阳光地带”地域。所以这些地域和国际光伏能源含有得天独厚竞争潜力。欧洲光伏协会(EPIA)估计太阳能将在前成为世界范围主流能源，并在2030年前成为关键电力起源[1]。由此可见，光伏产业在未来拥有很宽广应用前景。所以，太阳能利用对于满足大家对于能源需求，保持世界经济增加含有至关关键作用，研究和利用光伏能源含有十分关键意义[1]。
2 关键研究内容
2.1 系统设计目标
依据现在太阳能技术发展特点和中国外光伏发电系统发展情况，针对现阶段太阳能光伏发电系统普遍存在效率偏低现实。本文研究并设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统。具体设计思绪以下:
（1）双轴:系统采取两个步进电机来控制太阳能电池水平方向和竖直方向移动。
(2) 独立:系统不需要外部电源提供能源，其工作所需能源完全来自于本身太阳能电池发电和蓄电池储能。
(3) 自动跟踪:系统运行过程是自动化，利用视日跟踪方法和光电跟踪相互自动转化实现对太阳跟踪工作。
2.2 设计关键内容
本文所研究太阳能自动追踪装置是由单片机为控制关键自动控制控制系统，整个装置是经过软件控制系统控制硬件结构部分完成。但本文关键包含内容是控制部分，所以在这里关键讲系统硬件和软件两部分。
(1)系统硬件部分关键包含芯片和多种电子元器件、电路图连接。电路关键包含以下几部分：
1)太阳能充电控制器设计：这部分内容关键就是为了合理给蓄电池充电，确保蓄电池使用寿命。
2)光电检测电路设计：这部分内容关键作用就是经过光电二极管来判别太阳方位。
3)系统检测电路设计：单片机经过接收光电检测电路发出电信号控制电机转动，达成跟踪太阳目标。
4)辅助电路设计：复位电路。
(2)软件部分程序编写：在硬件电路基础上用C51单片机语言编写配套软件，对软硬件联合调试，直到系统稳定运行。
3 系统总体设计
3.1 太阳自动跟踪方法确实定
现在，太阳跟踪方法有很多，但关键还是光电检测跟踪方法和视日跟踪方法。光电跟踪易受天气条件影响，而长时间使用视日跟踪系统会产生误差，所以经过分析两种跟踪方法优缺点，决定采取两种跟踪方法结合。
通常工作过程是，开机后，检测系统检测当初是在白天或晚上，这是由一个光电检测电路检测，当系统检测到夜间，然后系统停止运行；假如系统检测到是白天，那么系统首先根据光电检测追踪方法进行对太阳跟踪，当碰到阴天时，系统会自动转到视日追踪模式下，当日气转晴时，系统又会自动转到光电追踪模式下进行追踪。这么，将二者结合起来，并对二者跟踪方法进行了补充，使系统愈加稳定，提升了系统跟踪精度。
3.2 本设计设计思想
（1） 系统选择AT89C51单片机作为控制电路关键。
（2）利用光电二极管作为传感器检测装置，每两光电二极管组成比较电路，光电二极管导通和停止产生相位差，经过放大器将发出一个信号给单片机I/O，用来控制电机运行。
（3）利用由光电二极管组成比较电路来判定是白天还是黑夜，若是黑夜就系统停止运行，进入等候状态，若是白天则程序继续运行。
4)利用光电二极管来判定晴天还是阴天，晴天系统采取光电检测追踪模式，假如天气情况发生改变系统则采取视日追踪模式。
(5)时钟采取是单片机控制。
（6软件部分用c语言编写程序。图3-1所表示是系统整体框图：

图3-1 系统整体框图
4 太阳能充电控制器设计
蓄电池存放太阳能电池发出电能是确保系统在不一样天气条件下长时间正常运转关键。所以，本系统首先设计能够为蓄电池充电中间控制部分电路。即在太阳能电池和蓄电池中间加入一个充电控制器。充电控制器选择智能电池充电控制芯片，该芯片能够自动检测电池端子电压和电流，依据电池输出电压和电流值，选择不一样充电模式。这么能够保护蓄电池，有效延长蓄电池使用寿命。
4.1 太阳能电池选型
太阳能电池是经过光电效应直接把光能转化成电能装置，在本系统设计中太阳能电池为整体系统运转提供能量。一般太阳能电池在一定条件下能够等效为一个电流源模型[2]。太阳能电池内部等效电路图4-1所表示:

图4-1 太阳内部等效电路图
从太阳内部等效电路图能够得出：
（4.1）
又有以下公式成立：
（4.2）
（4.3）
综合（4.1）（4.2）（4.3）可得出：
（4.4）
太阳能电池效率通常为太阳能电池输出功率和照射到太阳能电池表面光能量功率Ps之比[3]，即如式4.5所表示:
(4.5)

其中μMPP是指最大功率点太阳能电池效率，即当调整负载电阻RL时，当RL阻值和太阳能电池内阻阻值相等时，此时对应VM*IM为最大值，这一个负载电阻RL值所对应M点称为太阳能电池最大功率点MPP(Maximum Power Point)。此时所对应电流IM为最大功率点电流，电压VM为最大功率点电压，PM为太阳能电池最大输出功率。
本系统选择太阳能电池体积是450*540*25。型号为SM-30P30W太阳能电池。该款太阳能电池具体技术参数如表4-2所表示：
表4-2 SM-30P型太阳能电池技术参数
规格型号
功率
最大电压
最大电流
开路电压
短路电流
尺寸
最大系统电压
SM-30P
30W
18V
1.66A
23.0V
1.70A
450*540*25
1000V
光照强度和太阳能电池输出功率成正比关系，即光照强度越强，则太阳能电池输出功率越大。
4.2 蓄电池选型
4.2.1 铅酸蓄电池基础概念
蓄电池就是把电能转化为化学能来进行存放，在应用时候再把化学能转化成电能释放出来装置。铅酸蓄电池电极关键由铅和铅氧化物组成，电解液关键为硫酸溶液。一般铅酸蓄电池结构关键由正负电极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等部分组成[4]。一般蓄电池内部结构图4-3所表示:

图4-3 蓄电池结构
蓄电池放电时化学反应式：
正极反应式： （4.6）
负极反应式： （4.7）
铅酸蓄电池按电压等级能够分为2.4V, 4V, 6V, 8V, 12V, 24V等系列，容量从200mAH到3000AH不等[5]。铅酸蓄电池关键用于运输工具开启照明，通讯设备和自动控制系统备用电源和多种发电设备发电和用电储能等。
4.2.2 本系统蓄电池选型
和一般铅蓄电池相比，免维护蓄电池关键是在极板栅架材料上做了重大改善。其结构含有以下多个特点:
(1)隔板采取袋式微孔聚氯乙烯隔板将正极板包住；
(2)通气孔采取新型安全通气装置和气体搜集器；
(3)单体电池间连接采取穿壁式贯通连接，同时采取聚丙烯塑料热压外壳和整体式电池盖；
(4)免维护蓄电池顶上通常常装有一只小型密度计[6]；
在本系统蓄电池充电过程中，既要以最大效率吸收光伏电能，提升系统能量转换效率，又要保护蓄电池，延长使用寿命。另外系统本身运行时需要长时间存放和消耗电能，对蓄电池要求较高。所以本系统选择深圳市万家好太阳能生产12V20AH阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)做储能元件。该型号蓄电池为太阳能专用铅酸蓄电池，其具体电气参数如表4-4所表示:

表4-4 蓄电池电气参数
规格型号
过充电压(V)
浮充电压(V)
初始电流（A）
外形尺寸(mm)
重量(kg)
12V20AH
14.4V-15V
13.6-13.8V
6A
180*75*165
5.20kg
4.3 太阳能充电控制器设计
因为太阳能电池输出受到温度和光照强度等因索影响其输出含有非线性，不能直接用来给铅酸蓄电池充电，不然将影响蓄电池使用寿命。所以太阳能电池必需经过一个充电控制电路来为蓄电池充电[7]。依据选择太阳能电池和免维护铅酸蓄电池型号及特征，本系统设计以智能型蓄电池充电控制芯片UC3906为关键制作光伏充电控制器[8]。光伏充电控制器系统框图图4-5所表示:

图4-5 充电控制器结构框图
4.3.1 UC3906芯片介绍
UC3906是密封免维护铅酸蓄电池充电专用芯片，含有控制和检测免维护铅酸蓄电池充电功效。该芯片工作功耗低，只需要1.7mA输入电流即可工作。同时UC3906还其有温度赔偿功效，即充电器输出充电电压随蓄电池电压温度系数改变而改变，这么就能使免维护铅酸蓄电池在不一样温度范围内进行最好充电状态充电。能够确保蓄电池充足电又不会被严重过充电[9]。
UC3906含有简单易用，工作可靠稳定，性能优越等优点。它只需要极少外部电路元件就能够在很宽温度范围内实现对蓄电池正确快速充电[10]，所以采取UC3906智能芯片将简化蓄电池充电过程。
4.3.2 BUCK电路设计
太阳能电池给蓄电池充电需要一个DC/DC变换电路。本系统太阳能电池正常工作条件下输出电压为+20V左右，系统选择+12V免维护铅酸蓄电池。所以使用基础Buck型降压斩波变换电路完全符合系统对于蓄电池充电技术要求。
Buck电路关键由功率开关管、续流二极管和稳压电容和电感组成。经过控制电子开关元件通/断电时间比，将输入直流电能变换为脉冲状态交流电能，然后经过储能元件对变换后脉冲交流电能幅度根据需求进行变换，再经平滑滤波器变为先要直流电能。通常电感中电流是否连续，取决于开关管开关频率f,滤波电感L和稳压电容C数值[11]。木系统中为了预防当太阳能电池输入电压降低后造成回流电流流入太阳能电池而造成太阳能电池寿命降低甚至损坏，本设计中还要加入一个防回流二极管。Buck电路基础拓扑图4-6所表示:

图4-6 Buck电路拓补图
Buck电路驱动信号由PWM波形式周期性控制开关管导通和截止，当开关管导通时，电源输入端开始为负载电阻R进行供电，负载两端电压等于输入端电压E，流经负载电流将以指数型曲线上升。当开关管断开后，二极管起到续流功效，负载电压降低，电流一样以指数型曲线下降。本系统中为了保持电路输出电流连续，需要设计一个较大电感L。 Buck电路若忽略开关管饱和压降，那么电路输出电压U0等于输入电压E；当开关管处于截止状态时，若忽略开关管漏电流影响，那么Buck电路输出电压为0。Buck电路等效模型图4-7所表示:

图4-7 Buck电路等效模型
Buck电路工作再稳定状态下，假设电路中器件均为理想型器件，开关管导通时间ton，开关管截止时间为toff,则占空比D为开关管导通时间ton和周期ton + toff比值。即公式4.8所表示。
（4.8）
输入电压和输出电压关系如公式4.9所表示：
(4.9)
4.4 充电控制器外围电路设计
本设计为采取基于UC3906铅酸电池开关型快速充电器，UC3906是为一对铅酸蓄电池而设计专用充电控制芯片。能够提供四个不一样充电状态:涓流充电、大电流充电、可控过充充电、浮充充电[12]。对于UC3906设计关键是对其外围电路器件参数选择进行合理配置。
本系统设计选择12V2OAh免维护铅酸蓄电池，C代表免维护铅酸蓄电池容量安时数，本系统选择免维护铅酸蓄电池容量C=20。芯片控制过程中关键参数分别取值为:护栏电流ID=505A。浮充电压VF=13.8V，过充电压VOC=15V,最大充电电流Ibulk=0.2C=4A。浮充电流IT= 0.05C = 1A。充电器门槛电压VT=10.5V。为了达成理想充电效果,对UC3906外围电路器件参数依据确定公式进行计算。具体公式以下:
(4.10)
(4.11)
(4.12)
(4.13)
(4.14)
（4.15）
（4.16）
依据上述外围电路设计公式关系，可得本设计中各电路元件基础参数为：

总结各个部分元器件参数为, , , ,, ,, , , , 。结合Buck电路设计所确定开关管和防回流二极管参数，木设计中应用UC3906和Buck电路结合设计充电控制器原理图4-8所表示[9]。

图4-8 充电控制器电路原理图
本系统中太阳能电池输出电压最大值Vmax=23V，选择开关管耐压值必需要大于23V才能够确保控制器正常工作而不会烧毁，同时考虑到要尽可能提升太阳能电池充电效率，降低开关管导通电阻阻值过大而产生较大损耗。本系统选择IRF840型N沟道MOSFET管作为开关管，该型号功率开关管工作频率高，功率损耗小，额定电压值达500V,电流为8A，导通阻值小于。完全符合本系统充电控制器设计，而且有一定预留值，能够在未来配置多块太阳能电池而不需要重新更换开关管。
因为太阳能电池输出电压受到光照强度和温度等原因影响其输出电压可能会低于免维护铅酸蓄电池输出电压，为了预防当太阳能电池输出电压低于蓄电池电压而产生回流电流损坏太阳能电池，在Buck电路输出端加入防回流二极管。同时当充电器进入浮充状态时，UC3906第10引脚会输出高电平信号，表示此时蓄电池以处于饱和状态，这么将第10引脚输出接比较器LM339比较后接LED指示灯，当指示灯亮起时就表示蓄电池充满电。
5 跟踪系统传感器检测装置设计

5.1 阴天检测装置设计
整个系统由两种追踪模式组成，那就是光电追踪模式和视日追踪模式。当太阳光比较弱时候光电追踪模式会表现不灵敏，甚至使系统紊乱。而太阳视日追踪模式是经过计算太阳高度角和太阳方位角来进行追踪，视日追踪模式会依据单片机时钟控制计算方位。所以，系统将采取光电追踪模式和视日追踪模式相合作追踪方法，系统经过天气情况自动选择跟踪方法。这也是软硬件结合来控制，电路中用了一个光电二极管来检测太阳光强弱，用了一组运放来做比较电路，运放输出端接到了单片机引脚P0.4上，电路需要实现这么功效:当太阳光强度不足以使电路中光电二极管导通时，经过比较电路以后，运放输出低电平，这时单片机引脚P0.4检测到低电平，系统进入视日追踪模式。图5-1所表示，是阴晴检测电路图示。

图5-1阴晴检测电路
电路连接图5-1所表示，将光电二极管正极接到了运放ALO同相输入端,而运放AL0反相输入端和一个固定电压相连，经过数次试验确定了RO, R1, R2, R3值，使电路达成这么效果:晴天时，光电二极管受到光照强度足以使其导通，这时运放同相输入端电位高于其反相输入端电位，组成了一个比较电路，运放输出高电位，所以引脚P0.4检测到高电位，程序继续运行。经过光电追踪模式进行追踪；而出现阴天时，光电二极管所受到光照不能使其导通，光电二极管截止，这时运放反相输入端电位要高于其同相输入端电位，一样经过比较以后，放大器输出低电位，然后引脚P0.4检测到低电位，然后利用软件控制系统使太阳角度跟踪模式。这么就处理了阴天时光电追踪模式不能正常追踪问题，而阴天过后，出现晴天时，光电二极管导通。光敏电路输出高电平，软件查询到引脚P0.4出现高电平，系统就由太阳角度追踪模式下跳出，回到主程序，继续在光电追踪模式下追踪。
5.2 白天黑夜检测装置
白天黑夜检测装置原理和阴天检测装置是一样，全部是利用运放电路实现，不一样是电路中电阻大小不一样，还有检测白天还是黑夜电路要接到中止0上。此电路功效是:白天时,运放输出高电位，中止0检测到高电位，系统没有中止请求，程序继续运行，开始检测是阴天还是晴天:黑夜时，运放输出低电位，检测到低电位，外部中止0是低电平有效引脚，所以当检测到低电平时，即，向单片机发出中止请求，单片机接到中止请求后外部中止0被激活，进入外部中止0处理程序，从而进入等候状态。如5-2是白天黑夜检测电路：

图5-2白天黑夜检测电路
5.3 太阳位置传感器介绍
太阳位置传感器是跟踪装置很关键部件之一，它关键作用是经过实时监测太阳光线来判定太阳具体方位，同时将太阳方位信息传送给控制器件进行信息处理。
5.3.1 传感器检测部分设计
为了确保太阳位置传感器正确性，避免传感器受到其它外界条件干扰。同时为了降低制造成本，本系统设计太阳位置传感器采取光筒式结构，在圆筒内部，上、下、左、右、中五个方向上分别部署5个光电二极管。只留下上方一个光斑孔来接收太阳光线。传感器固定到太阳能电池上，并确保传感器和太阳能电池相对位置水平且传感器上方不受其它物体遮挡。图5-3是检测部分结构图

俯视图

主视图

图5-3 传感器结构图
下面简单叙述一下电路工作，电路中包含元件以下:光敏二极管(DO-D4)、电阻ROR4、LM324芯片(包含四组运算放大器AL1AL4)。电路中光敏二极管负端连在一起接在电源上，正端分别连接到放大器LM3244个输入端，其中D0分布在中央位置，其正极和LM3244个同相输入端相连，D1D4正极分别接LM3244个反相输入端，这么D1D4就和DO分别组成了比较电路，而LM3244个输出端分别接到单片机AT89C51四个端口P2.OP2.3。这么就能够经过P2.OP2.3高低电位来判定太阳光线方向了。检测电路图5-4所表示：

图5-4 光电检测电路
5.3.2 光敏二极管介绍
光敏二极管结构和通常二极管相同，其敏感元件是一个含有光敏特征PN结，符号图5-5所表示，PN结通常处于反向工作状态，光敏二极管在没有光照射时，反向电阻大，反向电流(又称暗电流)很小，处于截止状态。当光照在PN结上，使PN结周围产生光电子—空穴对时，使少数载流子(电子)浓度增加，所以经过PN结光电流也增加。经过外电路光电流强度随入射光照度改变，光敏二极管将光信号转换为电信号输出[13]。

图5-5光敏二极管符号

图5-6 光敏二极管接法

光敏二极管接法图5-6所表示，光敏二极管负极接到电源正极，光敏二极管正极接到电源负极，这么当光敏二极管受到光照时导通，当光敏二极管没有受到光照而截止。光电检测电路中正是利用了光敏二极管这个特征来对电路进行控制。
5.3.3 LM324芯片介绍
LM324是四运放集成电路，它采取14脚双列直插塑料封装，它内部包含四组形式完全相同运算放大器。除电源共用外，四组运放之间相互独立。每一组运算放大器可用图5-7所表示符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”，“-”为两个信号输入端，“V+”，V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。两个信号入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端V0信号和该输入端位相；Vi+ (+)为同相输入端，表示运放输出端V0信号和该输入端相位相同。 在光电检测电路中，用LM324四组运算放大器来比较每组运算放大器同向输入端和其反向输入端电信号强弱[14]。LM324引脚排列见图5-8所表示。

图5-7 运算放大器符号
图5-8 LM324引脚图
6 视日运动轨迹模块设计
6.1 太阳赤纬角计算
太阳光线和地球赤道面交角就是太阳赤纬角，以δ表示，在十二个月当中，太阳赤纬角天天全部在改变。但不超出范围。夏天最大改变到夏至日；冬天最小改变到冬至日。太阳赤纬随季节改变，根据库伯方程[15]，由下式计算:

n-十二个月中日期序号
6.2 太阳高度角计算
太阳高度角是指从太阳中心直射到当地光线和当地水平面夹角，以h表示，其值在之间改变，日出日落为，太阳在正天顶时为，计算太阳高度角公式是：
sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδcost
其中Φ:当地纬度；δ：太阳赤纬；t：时角
地球自转一周为360度，所用时间是二十四小时，所以每小时对应t为15度，从中午开始算，中午为零，早晨为负，下午为正，t值是距离中午时间乘以15。日出日落时角度最大。
6.3 太阳方位角计算
太阳方位角指太阳光线在地平面上投影和当地子午线夹角，可近似地看作是竖立在地面上直线在阳光下阴影和正南方夹角，用γ表示[16]。方位角以正南方向为，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为，在正东北方时，方位为，在正西方时方位角为，在正北方时为。太阳方位角按下式计算：

因为太阳相对地球位置是相对于地面而言，通常见高度角和方位角两个坐标表示。
6.4 日出日落时间计算
日出、日落时间晨线上各地同时日出，昏线上各地同时日落。依据某地昼夜长短计算日出日落时刻，可遵照以下公式[17]：
日出时间，日落时间；为昼长时间。
7 实施器件选型
7.1 步进电机选型
要达成使太阳能电池自动跟踪太阳方位转动目标，实施器件是必不可少关键部分。系统控制部分所发出控制指令全部要传达成实施器件来实施。为了达成正确跟踪目标，本系统选择步进电机作为实施器件，利用步进电机来控制太阳能电池方位角度。步进电机不像一般直流电机那样在常规下使用。所以系统必需同时配置了步进电机驱动器来配合步进电机共同完成自动跟踪工作[18]。
因为自动跟踪控制系统对于实施器件工作精度要求较高，而且双轴跟踪需要两个实施器件来配合工作才能完成预期目标。所以本系统选择两个型号相同步进电机来做实施器件。基于对整个系统框架设计和对太阳能电池重量考虑，最终选择由KYSAN企业生产四相六线制85BYG11450A型步进电机。这款步进电机电气技术参数如表7-1所表示:

表7-1 步进电机电气技术参数

规格
步矩角
绝缘等级
相数
电压（V）
电流/相(A)
电感/相(mH)
电阻/相(Ω)
最大静扭矩(N.m)
85BYGH450A

B级
4
4.4
2
8.3
2.2
2.1
85BYGH450A型步进电机特点是运行稳定、噪声低、静扭矩大、步距角误差小。且连接安装起来较为方便可靠。这款步进电机广泛应用在多种自动化控制系统中，其外型尺寸图7-2所表示:

图7-2 步进电机外形图
7.2 步进电机驱动器选型
步进电机驱动器是控制电机关键部件之一，其性能好坏直接影响系统可靠性和连续性。本系统选择和步进电机同厂家匹配型号CW-250AC这款驱动器工作输入电压为20V-40V交流输入或24V-60V直流输入，相电流为可调整1.5-5A。工作温度范围-15-40℃，工作湿度小于90%。转动模式能够经过拨码开关进行选择。同时含有过热，过压和过流保护装置，能够有效保护系统运行稳定。驱动器I/O口功效如表7-3所表示:

表7-3 步进电机驱动器接口功效
驱动器接口
AC+,AC-
A+,A-
B+,B-
CP+,CP-
CW+,CW-
EN+,EN-
接口功效
电源输入端
步进电机其中一端接口
步进电机另一端接口
步进电机脉冲输入端
步进电机方向控制端
输入使能端（不使用时悬空）
7.3 实施器件连接方法
步进电机和步进电机驱动器需要配合在一起才能正常使用。驱动器端口B+, B-，A+, A-连接到步进电机连线上，需要注意是本系统选择步进电机为四相六线制步进电机，在连接之前需要用万用表测量出步进电机两条中线，在连线时直接把两条中线悬空即可。驱动器工作电源选择+24V直流供电。CP+和CW+直接连接到单片机+5V供电模块输出端。CP-为步进电机脉冲信号输入端，直接连接到单片机脉冲控制信号引脚上。CW-为步进电机方向控制信号输入端，连接到单片机方向控制信号引脚上。EN+和EN-为输入使能端，在本系统中并不需要使用，直接悬空即可。步进电机和驱动器具体连接方法图7-4所表示:

图7-4 驱动器连线图
8 控制系统设计
系统控制部分以AT89C51型单片机为控制关键进行设计。AT89C51型单片机首先接收来自太阳位置传感发出信号，然后经过一定编程算法来判定太阳具体方位，同时将计算出位置经过控制信号输出给步进电机驱动器，最终步进电机驱动器在依据接收到指令控制步进电机来带动太阳能电池转动，从而达成跟踪太阳目标。整个系统自动跟踪控制部分关键由单片机最小系统、升压变换电路、降压变换电路组成[19]。系统框图图8-1所表示:

图8-1 控制系统框图
因为整体系统设计目标为独立式系统，即系统运行过程不需要外部电源供电，而是经过系统本身太阳能电池发电和蓄电池存放电能来维持运转。这么要使系统各个部件正常工作就需要加入电源变换电路，具体就是需要将免维护铅酸蓄电池升压到+24V为步进电机驱动器做工作电源，同时还要将免维护铅酸蓄电池电压降到+5V来为单片机做供电电源。
8.1 单片机电源模块设计
单片机电源模块需要设计一个降压电路，前文提到系统免维护铅酸蓄电池为+12V输出，就需要将+12V免维护铅酸蓄电池输出电压降至+5V来为单片机供电。AT89C51型单片机为低功耗、高性能微处理器，正常模式功耗为10-30mW，工作消耗功率低。本系统选择电路较为简单降压电路，该电路以LM7805集成稳压电路为