向日葵式太阳能电池板控制器设计解析

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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

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计地点：

设计时间：

目录

1 引言 (2)

2 总体方案设计 (2)

2.1硬件组成 (2)

2.2 方案论证 (3)

2.3 总体方案 (4)

3 硬件电路设计 (4)

3.1 单片机及其外围电路 (4)

3.2 光强传感器及其电路 (5)

3.3 A/D转换器（ADC0809）及其与MC9S08AW60接口电路 (7)

3.4 直流电机驱动电路 (8)

3.5向日葵式太阳能电池板控制器总电路设计 (9)

4 系统软件设计 (12)

5总结 (13)

参考文献 (13)

附录A 系统原理图 (14)

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。比较成熟的产品包括：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,设备成本增加,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范围。由于专业知识的限制，我只设计了控制部分，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

2.1硬件组成

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部分：

（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行处理以及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）直流电机及驱动模块。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，以及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，功耗低以及价格便宜等优点，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，价格较便宜，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。

④ V/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，经上述比较，确定采用逐次逼近型A/D转换器ADC0809。

（4）直流电机及驱动模块

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行控制，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范围的电压信号；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 单片机及其外围电路

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