光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計-畢業(yè)論文

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-PAGEII--PAGEII-光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計摘要太陽能作為一種可以永續(xù)使用的綠色可再生能源，有著巨大的開發(fā)應(yīng)用潛力。但由于光伏電池的輸出特性與外界環(huán)境因素的變化有很大關(guān)系，目前大規(guī)模量產(chǎn)的光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率仍然不高且價格昂貴。光伏發(fā)電自動跟蹤裝置是提高太陽能利用率，降低光伏發(fā)電成本的有效途徑。研究精確的太陽跟蹤裝置，可使光伏電池板接收到更多的太陽輻射能量，增加發(fā)電量。本文實現(xiàn)了用廉價的光敏元件和單片機電路進行太陽跟蹤的功能。本文首先分析了太陽運行規(guī)律，在對比目前常用跟蹤方法的基礎(chǔ)上，采用光電檢測方式為主，并與視日運動軌跡追蹤方式相結(jié)合的跟蹤策略，改進了以往的跟蹤方式。使系統(tǒng)不僅能在晴天下追蹤太陽，陰天情況下也能正常追蹤。此外，為了確保跟蹤的結(jié)果準(zhǔn)確，在方位角和高度角調(diào)整之后，增加了一組傳感器電路進行跟蹤結(jié)果的驗證。通過對控制系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能分析，論文完成了跟蹤系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。主要內(nèi)容包括：單片機接口電路設(shè)計、顯示電路、光強檢測電路設(shè)計、控制執(zhí)行部件設(shè)計以及光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤模塊的軟件設(shè)計。最后還根據(jù)實際情況提出了改進方案和處理快云遮問題的新方法。本文所設(shè)計的光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，運行穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)和離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。關(guān)鍵詞光伏發(fā)電；跟蹤系統(tǒng)；光電檢測；單片機DesignofPhotovoltaicAutomaticTrackingSystemAbstractThesolarenergyhasanenormousdevelopingapplicationcapacityasonekindofgreenrenewableenergysourcewhichcanbecontinuouslyusedforever.But

there

is

tremendous

relationship

between

photovoltaic

cells

output

characteristicsand

the

change

of

external

environmental

factors,currentlytheefficiencyofPVcellsisnotonlylowbutalsoexpensiveon

a

large

scale

ofproduction.Thephotovoltaicautomaticallytrackingdevicecanraisethesolarenergyutilizationrateandbringdownthecostofthesolarelectricalenergygeneration.Precisesolartrackingmechanismcanmakesolarpanelreceivemoreradiantenergyandincreasegeneratingcapacity.ThispapermakesuseofcheapphotosensorsandMCUcircuittorealizethefunctionofsuntracking.Analyzedthelawofthesun,comparedthecurrenttrackingmethods,Proposedelectro-opticaltrackingasthemajortrackingmodewhilethesuntrajectorytrackingmodeasadditionaltrackingmodeonunusualweatherconditions，improvedtheprevioustrackingmodeinthepaper.Throughtwocomplementarytrackingmodes,ontheonehand,electro-opticaltrackingcangivefullplaytotheadvantagesofhighaccuracy;ontheotherhand,thesystemcanstillachievetrackingoncloudyweatherconditions.Inaddition,Inordertoguaranteethatthetrackresultisaccurate,afterazimuthandelevationangleadjustment,increasedagroupofsensorelectriccircuittocarryonthetrackresultconfirmation.Throughtheimplementationoffunctionalanalysisofcontrolsystem,thethesiscompletedhardwareandsoftwaredesignofthetrackingdevice.Include:MCUinterfacecircuitdesign,displaycircuitdesign,opticaldetectorcircuitdesign,controlandimplementationcomponentdesignandthesoftwaredesignofelectro-opticaltrackingandsuntrajectorytrackingmodule.Finally,proposedimprovementprogramandnewmethodtotreatfastcloudaccordingtothetrackingeffectofthetrial.Inthispaper,thedesignsofphotovoltaicautomatictrackingdevicehavesimplestructure,lowcostandstableoperation.Thedevicecanbewidelyappliedtogridandoff-gridPVpowersystem.KeywordsPhotovoltaic；Tracksystem；Photoelectricityexamination；MCUPAGEII---PAGEIV-目錄摘要…… =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 1HYPERLINK\l"_Toc233940434"1.1課題背景 11.2光伏發(fā)電的特點 21.2.1光伏發(fā)電的優(yōu)點 21.2.2光伏發(fā)電存在的問題 21.3光伏發(fā)電自動跟蹤技術(shù)的發(fā)展 31.3.1光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀 31.3.2光伏發(fā)電自動跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 41.4論文的研究內(nèi)容 6第2章太陽跟蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計 72.1日照時間和太陽位置的計算 PAGEREF_Toc233940443\h72.2太陽運行軌跡的跟蹤方式 82.2.1視日運動軌跡跟蹤 82.2.2光電跟蹤 6\h102.2.3視日運動軌跡跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合 102.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計 122.3.1控制系統(tǒng)開發(fā)流程 122.3.2系統(tǒng)的總體設(shè)計 122.4本章小結(jié) 13第3章單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計 14HYPERLINK\l"_Toc233940453"3.1控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 143.2控制系統(tǒng)核心部件的選擇 153.3單片機接口電路設(shè)計 153.3.1電源電路 153.3.2串口通訊電路 163.3.3系統(tǒng)抗干擾設(shè)計 173.3.4實時時鐘電路 193.4顯示電路設(shè)計 203.5光強檢測電路設(shè)計 213.5.1光敏傳感器的選擇 PAGEREF_Toc233940462\h213.5.2光強檢測電路設(shè)計 223.6控制執(zhí)行部件設(shè)計 253.6.1步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng) 3940465\h253.6.2本系統(tǒng)所采用的步進電機及驅(qū)動模塊 263.7本章小結(jié) 27第4章系統(tǒng)軟件流程及調(diào)試 h284.1主控制模塊的軟件設(shè)計 284.2光電跟蹤模塊 294.3視日運動軌跡跟蹤模塊 30HYPERLINK\l"_Toc233940472"4.4試驗參數(shù)設(shè)定 324.5改進方案 334.5.1關(guān)于提高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性 334.5.2快云遮問題的處理 334.6本章小結(jié) 34結(jié)論 35致謝 233940478\h36參考文獻 37附錄A 39附錄B 46附錄C 52附錄D 53-PAGE10--PAGE54-緒論課題背景自十九世紀(jì)工業(yè)革命以來，人類所利用的能源主要是石油、天然氣和煤炭等一次性能源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加和社會生活水平的提高，能源消費量的增長，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的能源危機。據(jù)本世紀(jì)初進行的關(guān)于世界能源儲量數(shù)據(jù)的調(diào)查結(jié)果顯示：煤炭可開采量為227年，石油可開采量為39.9年，天然氣可開采量為61年，鈾可開采量為71年，如果再考慮到世界能源消費量的增長，化石能源將會在未來的某一天達到極限。由于傳統(tǒng)化石能源枯竭，新的能源供應(yīng)體系尚未建立而在與能源有關(guān)的各方面造成一系列問題，世界工業(yè)將大幅萎縮，將直接阻礙人類社會的發(fā)展。與世界其他國家相比，中國的能源狀況更不容樂觀。近幾年我國出現(xiàn)的“電荒”、“油荒”、“煤荒”以及近幾年出現(xiàn)的國際市場的高油價發(fā)出了能源危機的信號，加重了人們對能源問題的擔(dān)心。中國人均能源資源特別是優(yōu)質(zhì)能源資源嚴重不足，中國能源資源探明儲量中，96%是煤炭，油氣資源僅占總量的4%左右，中國現(xiàn)有煤炭剩余探明可開采儲量僅為2000多億噸，石油探明可采儲量僅24億噸，人均僅為1.82噸，天然氣剩余探明可采儲量僅有2.38萬億立方米，從人均角度來看，中國的資源十分有限。近幾年，由于中國的經(jīng)濟增長速度超出預(yù)期，并且工業(yè)結(jié)構(gòu)進一步趨重的趨勢較為明顯，導(dǎo)致國內(nèi)能源需求量急劇上升?？傊?，我國能源儲量不足，且化石燃料的國內(nèi)生產(chǎn)能力增長難度大，成本高，總量也難以滿足需求的持續(xù)增長，必須開發(fā)有效的替代能源，實現(xiàn)能源供應(yīng)的多元化。由于化石能源的大量開發(fā)利用，同時也造成了地球環(huán)境的污染和生態(tài)環(huán)境的破壞。如何在開發(fā)利用能源的同時，保護好人類賴以生存的自然環(huán)境，已經(jīng)成為全人類普遍關(guān)注的問題。具權(quán)威部門統(tǒng)計，由于化石能源的大量使用，全世界每天產(chǎn)生1億噸溫室效應(yīng)氣體，這將會導(dǎo)致全球氣候變暖，南極冰川融化加速。在我國形式更加嚴峻：燃煤造成的二氧化硫和煙塵排放量約占排放總量的70%～80%，二氧化硫排放形成的酸雨面積已占國土面積的1/3，環(huán)境質(zhì)量的總體水平不斷惡化，世界十大污染城市我國一直占多數(shù)。環(huán)境污染給我國社會經(jīng)濟發(fā)展和人民健康帶來了嚴重影響。世界銀行估計2020年中國由于空氣污染造成的環(huán)境和健康損失將達GDP總量的13%。在這樣的情況下，開發(fā)利用能夠替代傳統(tǒng)能源的可再生能源是人類社會能夠持續(xù)發(fā)展所要采取的必要措施。在新能源中，太陽能以其特殊的優(yōu)勢，無疑是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，必將成為21世紀(jì)最重要的能源之一。光伏發(fā)電的特點光伏發(fā)電的優(yōu)點太陽是個巨大的能源。地球上絕大部分能源歸根究底是來自太陽的。煤炭、石油都是古時候由動物或植物存儲下來的太陽能。太陽每秒鐘發(fā)出的能量有3.865×J，相當(dāng)于每秒鐘燃燒1.32×t標(biāo)準(zhǔn)煤所發(fā)出的能量。太陽是以輻射的方式向四周傳播它的能量的。太陽發(fā)出的能量中約有22億分之一到達了地球，約1.73×KW。這些能量經(jīng)過地球大氣層的吸收與反射，最終到達地球表面的約有8.1×KW。全世界人們一年所用的各種能量之和也只有到達地球表面的太陽能的數(shù)萬分之一，利用太陽能的潛力是十分巨大的。光伏發(fā)電技術(shù)(Photovoltaic)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其核心是可釋放電子的半導(dǎo)體物質(zhì)。最常用的半導(dǎo)體材料是在地殼中儲量豐富的硅。太陽能光伏電池有兩層半導(dǎo)體，一層為正極，一層為負極。陽光照射在半導(dǎo)體上時，兩極交界處產(chǎn)生電流。陽光強度越大，電流就越強。太陽能光伏系統(tǒng)不僅只在強烈陽光下運作，在陰天也能發(fā)電。由于反射陽光，少云的天氣甚至比晴天發(fā)電效果更好[1]。與傳統(tǒng)的煤炭、石油、核能等化石能源相比，光伏發(fā)電具有獨特優(yōu)點：（1）儲量及其豐富：太陽每秒鐘放射的能量相當(dāng)于1.6×1023kW，其中大約每分鐘輻射達到地球表面的能量高達8×1013kW，相當(dāng)于6×109噸的標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。德國太陽能專家伯爾特說，只需開發(fā)非洲部分地區(qū)的太陽能發(fā)電，便能滿足全世界的電力需求，而且太陽輻射可以源源不斷的供給地球，取之不盡，用之不竭。（2）普遍性：太陽能不像其它的能源那樣具有分布的偏集性，它處處都可就地利用，有利于緩解能源供需矛盾，緩解運輸壓力，對解決偏僻邊遠地區(qū)及交通不便的農(nóng)村，海島的能源供應(yīng)，更有其巨大的優(yōu)越性。（3）無污染性：利用太陽能作能源，沒有廢渣、廢氣、廢水排出、無噪聲、不產(chǎn)生有害物質(zhì)，這在環(huán)境污染日趨嚴重的今天顯得尤為可貴。（4）經(jīng)濟性：隨著太陽能利用技術(shù)的發(fā)展，太陽能利用的成本已經(jīng)大大下降。而利用太陽能發(fā)電，既不會污染環(huán)境，又取之不盡，無處不在。因此從長期來看，其發(fā)電成本更小的多，專家們的預(yù)測和研究一致認為：21世紀(jì)人類最清潔，最廉價的能源就是太陽能[3]。光伏發(fā)電存在的問題雖然光伏發(fā)電有很多突出的優(yōu)點，但同時也存在著一些有待考慮的問題：1.光電轉(zhuǎn)換效率不高由于光伏電池的特點，在選取光伏電池原材料時必須考慮到材料的光導(dǎo)效應(yīng)和光導(dǎo)效果，目前光電轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率在20%左右，同時由于對光電效率轉(zhuǎn)換控制不當(dāng)，真正的光電轉(zhuǎn)換效率還會降低。2.受氣候影響大如果在陽光不充足的多云或陰雨天氣，隨著光照強度的降低，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率會大幅度降低，因此，光伏系統(tǒng)不適合應(yīng)用于陰雨天氣較多的地區(qū)。另外，由于空氣中的塵埃會落到電池板上，長時間沉積會阻礙光線的照射，也會對轉(zhuǎn)換效率造成影響。3.光伏發(fā)電成本較高晶體硅太陽電池主要原料是高純硅，其純度高達99.9999%，雖然硅是地殼中含量僅次于氧的元素，但是要從石英砂中提煉出高純度的硅需要消耗大量的能量，成本較高，這就使得硅原料的價格一直居高不下，制約了光伏市場的快速發(fā)展。另外，由于硅提純技術(shù)被德國、日本、美國等國家壟斷，目前我國生產(chǎn)晶體硅電池需要的原料大多依賴進口，導(dǎo)致生產(chǎn)成本進一步升高[4,5]。光伏發(fā)電自動跟蹤技術(shù)的發(fā)展光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀上個世紀(jì)的70年代，由于兩次石油危機的影響，光伏發(fā)電在發(fā)達國家受到高度重視，發(fā)展較快。隨著全球性的化石資源過度開發(fā)與消耗，環(huán)境的污染和破壞，1992年聯(lián)合國召開了環(huán)境與發(fā)展“世界首腦會議”，通過了《里約宣言》和《21世紀(jì)議程》，走可持續(xù)發(fā)展道路成為各國長期共同的發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新能源和可再生能源己成為非常緊迫的任務(wù)，特別是光伏發(fā)電更受到各國政府的重視，美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃，1997年又提出“百萬屋頂”計劃表1-1歐洲、日本和美國制定的光伏發(fā)展計劃（GW）年份2005年2010年2020年2030年歐洲2.13.041200日本1.54.830205美國1.02.136200世界5.4512125920能源部和有關(guān)州政府制定了光伏發(fā)電的財政補貼政策，總光伏安裝量已達到3000MW以上，美國連續(xù)3年光伏產(chǎn)業(yè)均以高于30%的年增長率上升，其主要原因是光伏組件并網(wǎng)應(yīng)用和政策激勵引起的瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進程，1990年德國提出1000屋頂發(fā)電計劃，1998年進一步提出10萬屋頂計劃。1999年德國光伏上網(wǎng)電價為每千瓦時0.99馬克，極大地刺激了德國乃至世界的光伏市場；印度、馬來西亞等東南亞國家，也制定了國家的光伏發(fā)展計劃。澳大利亞一家名為nItgearlEnergy的公司己開始銷售適合于家庭和辦公樓使用的、可與大電網(wǎng)聯(lián)接的太陽能成套設(shè)備。最小的太陽能成套設(shè)備發(fā)電出力為150W，包括安裝費在內(nèi)的零售價是290美元，占澳大利亞普通家庭每年耗電量的5%，每年可減少溫室氣體排放350kg。更大的太陽能發(fā)電設(shè)備出力為2.5kW，零售價為20000美元，完全能滿足澳大利亞一般家庭的用電需求。表1-2過去十年世界光伏電池的年生產(chǎn)量和累計量年份199819992000200120022003200420052006年產(chǎn)量(GWP)0.1550.2010.2870.3910.5610.7441.21.762.5年增長率(%)23.13042.935.74432.561.246.742累計量(GWP)0.9461.1471.4351.8252.3873.1314.3316.098.59目前，最大的太陽能發(fā)電裝置出力已達到10MW。1kW的太陽能發(fā)電裝置每年發(fā)電量為1670kWh，這意味著在澳大利亞每年可節(jié)省160美元的電費。由于環(huán)保和能源持續(xù)供應(yīng)的需要，太陽能光伏發(fā)電(即光伏電池)近年來始終保持30%一40%的年增長量，因而被譽為全世界增長最快的能源。1999年世界光池總產(chǎn)量為202MW，2001年增為375MW，隨著美國“百萬個太陽屋頂計劃”、“歐洲可再生能源白皮書”和“日本新陽光計劃”的實施，到2010年世界光伏電池容量將達20000MW。目前全球20億無電人口將從中得益[6]。我國于1958年開始研究太陽能電池，1959年第一塊有實用價值的太陽能電池誕生。1971年太陽能電池首次成功應(yīng)用于中國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上。1973年首次將太陽能電池用于地面一天津港的浮標(biāo)上。我國的光伏工業(yè)在80年代以前尚處于雛形，太陽能電池的年產(chǎn)量一直徘徊在10kwp以下，價格昂貴。在80年代國家加大對光伏產(chǎn)業(yè)的投入，先后從國外引進了多條太陽能電池生產(chǎn)線，使得我國太陽能電池的生產(chǎn)能力猛增到4.5MWp/年，2004年我國太陽能電池的生產(chǎn)能力達到100MWp，實際產(chǎn)量42MWp，累計裝機容量65MWp，組件售價從80元/Wp降至30～40元/Wp[7]。根據(jù)2007年國家公布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，我國對光伏發(fā)電的利用主要有如下三個方面的重點建設(shè)項目：一、在西部特別是西藏、青海、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、甘肅等偏遠地區(qū)推廣使用戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)或建設(shè)小型光伏電站，建設(shè)太陽能光伏發(fā)電約10萬千瓦，解決約100萬戶偏遠地區(qū)農(nóng)牧民生活用電問題。到2010年，偏遠農(nóng)村地區(qū)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_到15萬千瓦，到2020年達到30萬千瓦；二、在經(jīng)濟較發(fā)達的大中城市，建設(shè)與建筑物一體化的屋頂太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電設(shè)施，到2010年，全國建成1000個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘?萬千瓦。到2020年，全國建成2萬個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘?00萬千瓦；三、建設(shè)較大規(guī)模的太陽能光伏電站，到2010年，建成大型并網(wǎng)光伏電站總?cè)萘?萬千瓦，到2020年，全國太陽能光伏電站總?cè)萘窟_到20萬千瓦?？傊趪业拇罅χС窒?，光伏發(fā)電在我國將會持續(xù)高速地發(fā)展。光伏發(fā)電自動跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。然而它也存在缺點，如能量密度低，不易收集，不穩(wěn)定，隨季節(jié)氣候和天氣晝夜變化而變化等，使太陽能的利用有著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，由此對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，無法保證太陽光的垂直照射，不能充分利用太陽能資源，使其發(fā)電效率低下。據(jù)實驗得知，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動追蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，因此在太陽能利用中，有必要進行太陽追蹤[8]。目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運動軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。（一）光電追蹤目前，國內(nèi)常用的光電追蹤有重力式、電磁式和電動式。這些光電追蹤裝置利用光敏傳感器，如硅光電管進行太陽光的檢測。在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板。通過調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準(zhǔn)太陽、硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由伺服機構(gòu)調(diào)整角度使追蹤裝置對準(zhǔn)太陽完成追蹤。光電追蹤靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單；但受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照射到硅光電管上，導(dǎo)致追蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機構(gòu)的誤動[9,10]。（二）視日運動軌跡追蹤視日運動軌跡系統(tǒng)根據(jù)追蹤系統(tǒng)的軸數(shù)，可分為單軸和雙軸兩種。（1）單軸追蹤單軸追蹤一般采用：①傾斜布置東西追蹤；②焦線南北水平布置，東西追蹤；③焦線東西水平布置，南北追蹤。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向追蹤，工作原理基本相似。采用這種追蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時熱流最大；而在早上或下午太陽光線都是斜射。單軸追蹤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想[11]。（2）雙軸追蹤如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠追蹤太陽就可以獲得最多的太陽能，全追蹤即雙軸就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計的。雙軸追蹤又可以分為兩種方式：極軸式全追蹤和高度角方位角式全追蹤。極軸式全追蹤是指聚光鏡的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時反射鏡面繞極軸運轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以追蹤太陽的視日運動；反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動是為了適應(yīng)赤緯角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。這種追蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線,極軸支承裝置的設(shè)計比較困難。高度角和方位角式太陽追蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸追蹤，是指集熱器的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時集熱器根據(jù)太陽的視日運動繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變集熱器的傾斜角，從而使反射鏡面的主光軸始終與太陽光線平行。這種追蹤系統(tǒng)的特點是追蹤精度高，而且集熱器裝置的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較容易。由上文得知，目前的幾種太陽追蹤方式各有優(yōu)缺點，要想進一步提高太陽能利用率，完善太陽追蹤系統(tǒng)，需要更深一步地研究和探討。本文就是在此基礎(chǔ)上作的進一步的研究。論文的研究內(nèi)容本文所研究的是在掌握光伏電池特性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)以單片機為控制核心的自動控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)是確定跟蹤策略，通過硬件、軟件共同作用的結(jié)果，因此本論文的研究內(nèi)容在此基礎(chǔ)上包括跟蹤策略的確定、硬件電路、軟件編程三大部分內(nèi)容：1．分析太陽運行規(guī)律。對不同的跟蹤策略進行比較和分析，提出了適合本系統(tǒng)的跟蹤策略以及整體的研究流程。2．硬件部分通過三步來實現(xiàn)：選擇芯片以及電路元件、連接電路圖、制作電路板。電路主要包括單片機接口電路、顯示電路、光強檢測電路以及控制執(zhí)行部件四部分內(nèi)容。3．軟件部分程序的編寫：在硬件電路連接的基礎(chǔ)上利用單片機語言編寫配套軟件，對軟硬件聯(lián)合調(diào)試，直到系統(tǒng)穩(wěn)定運行。太陽跟蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計日照時間和太陽位置的計算1.太陽赤緯角日地中心的連線與赤道面間的夾角每天（實際是每一瞬間）均處在變化之中，這個角度稱為太陽赤緯角。按照庫伯(Cooper)方程，計算太陽赤緯角的方程為[12]：（2－1）式中，為一年中的日期序號，從每年1月1日算起。如在春分日，，則這一天的太陽赤緯角。由庫伯方程可計算出任一天的太陽赤緯角δ。太陽赤緯隨日期序號的變化見圖2.1。春分和秋分的正午時刻太陽直射地球的赤道,即天赤道的。北半球夏至的正午時刻太陽直射北回歸線，。北半球冬至的正午時刻太陽直射南回歸線，。圖2.1太陽赤緯2、太陽高度角地球上觀測點同太陽中心連線與地平面的夾角，為太陽高度角。太陽高度角的計算公式為：(2－2)式中，(2－3)式中為每日時間，時角上午為正，下午為負。如上午8時，。3、太陽方位角γs地球上觀測點同太陽中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角，就是太陽方位角。太陽方位角γs的計算式為：(2－4)4、日出、日沒角(2－5)式中，負值表示日出時角，正值表示日沒時角。(2－6)5、正午時刻：(2－7)6、理論日照時間N由下式給出：(2－8)根據(jù)地理緯度、太陽赤緯角和觀測時間，利用以上公式可計算出任何地區(qū)、任何時刻的日照時間、日出日沒角以及太陽方位角[13,14]。太陽運行軌跡的跟蹤方式目前國內(nèi)外采用的跟蹤方式很多，但主要有視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤兩種方式，下面就這兩種跟蹤方式進行分析比較，并提出適合本跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方式。視日運動軌跡跟蹤由2.1中的討論可知，太陽運行的軌跡是有規(guī)律可循的，通過計算可以得出任何時間和地點太陽的位置，從而完成對日跟蹤。視日運動軌跡跟蹤依靠計算太陽的準(zhǔn)確位置然后運行控制程序使跟蹤裝置對準(zhǔn)太陽完成跟蹤，根據(jù)跟蹤裝置的軸數(shù)，視日運動軌跡跟蹤裝置分為單軸和雙軸兩種[15,16]。1.單軸跟蹤單軸跟蹤裝置一般采用三種方式：(1)傾斜布置東西跟蹤；(2)焦線南北水平布置，東西跟蹤；(3)焦線東西水平布置，南北跟蹤。這三種方式都是南北方向或東西方向的單軸跟蹤，工作原理基本相似。以第三種跟蹤方式為例，闡述單軸跟蹤原理，如圖2-2所示。

圖2-2單軸跟蹤系統(tǒng)圖2-2中單軸跟蹤裝置的轉(zhuǎn)軸東西方向布置?？刂破饔嬎闾柦嵌鹊淖兓?，控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使太陽能電池板作俯仰運動，以跟蹤太陽。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與電池板相垂直，而在早上或下午太陽光線都是斜射。采用單軸跟蹤的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集光線的效果并不理想。2.雙軸跟蹤如果能夠同時跟蹤太陽兩個角度的變化，就能獲得更多的太陽能量，雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計的。雙軸跟蹤通?？梢苑譃閮煞N方式：極軸式全跟蹤和高度角-方位角式全跟蹤。(1)極軸式全跟蹤極軸式全跟蹤是指聚光鏡的一軸指向地球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸。另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。反射面繞極軸用與地球自轉(zhuǎn)角速度相同方向相反的固定轉(zhuǎn)速進行跟蹤，反射鏡按照季節(jié)時間的變化圍繞赤緯軸作俯仰運動以適應(yīng)赤緯角的變化。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但從力學(xué)角度分析，在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計比較困難。(2)高度角-方位角全跟蹤高度角-方位角全跟蹤建立在地平坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，如圖2-3所示，兩軸分別為方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸。根據(jù)太陽角度的計算方法，工作時反射鏡根據(jù)太陽位置的理論計算值，繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變反射鏡的傾斜角，使反射鏡的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤裝置的跟蹤準(zhǔn)確度高，而且反射鏡的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支持機構(gòu)容易設(shè)計。但是在計算太陽角的過程中容易出現(xiàn)誤差，影響跟蹤準(zhǔn)確度。圖2-3高度角-方位角全跟蹤光電跟蹤光電跟蹤是國內(nèi)外常用的跟蹤方法，使用光敏管，將兩個光敏管分別置于光伏電池陣列平面的兩個點上，當(dāng)太陽光線直射光伏陣列時，若光敏管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后的數(shù)值偏差在規(guī)定范圍內(nèi)，即兩個測試點光強信號的偏差很小，電機不轉(zhuǎn)動。但隨著太陽的位置發(fā)生變化，光敏管檢測到的電信號偏差逐漸增大而超出了規(guī)定范圍，經(jīng)放大電路將偏差信號放大，控制跟蹤裝置產(chǎn)生動作而重新使光伏陣列與太陽光線保持垂直，對準(zhǔn)太陽，完成跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)設(shè)計方便，跟蹤準(zhǔn)確度高。但有一個缺點就是受天氣的影響較大，如果在稍長一段時間內(nèi)出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，由于沒有光照，光敏管上沒有電信號產(chǎn)生，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機構(gòu)的誤操作[17]。除了采用光敏管之外，對于一個由許多塊光伏組件組成的光伏陣列，還可以直接利用陣列上兩塊輸出特性相同的光伏組件來代替光敏管，它們既可以用作光電轉(zhuǎn)換的電池，又可以用于光信號的檢測。太陽光垂直照射光伏陣列平面時，兩塊電池組件上得到太陽光的能流密度完全相同，因而產(chǎn)生的電流輸出也相同，此時控制方位的電機不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽位置發(fā)生變化時，如果兩塊光伏電池組件的輸出電流超出規(guī)定范圍，則利用偏差信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使陣列重新對準(zhǔn)太陽，完成跟蹤。其優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)更加簡單，省去了光敏管，且跟蹤準(zhǔn)確度比較高，但仍然存在由天氣原因?qū)е碌臒o法跟蹤問題。視日運動軌跡跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合視日運動跟蹤和光電跟蹤都存在一定的局限性。對于視日運動跟蹤，主要是在開始運行之前需要精確定位，太陽角度計算時容易產(chǎn)生誤差，且產(chǎn)生誤差后不能自動進行調(diào)整等，因此需要定期人為調(diào)整跟蹤裝置。而光電跟蹤經(jīng)常由于天氣問題，出現(xiàn)不跟蹤或錯誤跟蹤的情況，特別在多云的天氣會試圖跟蹤云層邊緣的亮點，電機往復(fù)運動，造成了能源的浪費和部件的額外磨損。如果將視日運動跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合，互補其短，就可以得到比較滿意的效果。在光電跟蹤的基礎(chǔ)上，同時設(shè)置視日運動軌跡跟蹤程序，當(dāng)遇到烏云遮擋或陰天等天氣狀況時，由于光強太小，光敏管上產(chǎn)生的電信號會低于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)自動跳到視日運動軌跡跟蹤程序進行執(zhí)行，天氣好轉(zhuǎn)后自動跳出，繼續(xù)進行光電跟蹤。為了更準(zhǔn)確的檢測天氣狀況，也可通過檢測方陣輸出電壓低于閾值的方式判斷天氣狀況。用視日運動跟蹤彌補光電跟蹤的缺點，能在任何氣候條件下使光伏發(fā)電系統(tǒng)得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方式跟蹤準(zhǔn)確度高，工作過程穩(wěn)定，可應(yīng)用于許多大中型光伏發(fā)電自動跟蹤裝置。因此，本文采用兩種跟蹤方式相結(jié)合的方法，同時將光電跟蹤方式作為主要跟蹤方式，視日運動軌跡跟蹤方式作為補充，這樣一方面可以發(fā)揮光電跟蹤的優(yōu)勢，使跟蹤更加準(zhǔn)確；另一方面可以在陰天等特殊天氣環(huán)境下繼續(xù)跟蹤太陽。下面以哈爾濱理工大學(xué)2號樓樓頂為例來具體介紹本控制系統(tǒng)的工作原理。當(dāng)光線較強時，系統(tǒng)采用光電跟蹤的方式，即系統(tǒng)按照規(guī)定時間間隔，如10分鐘，由傳感器和光強檢測電路對光伏電池陣列和太陽的位置偏差進行檢測，將偏差信號送到控制器進行處理，控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令控制步進電機轉(zhuǎn)動，使光伏電池陣列轉(zhuǎn)動到合適的角度。在此期間，控制器自動記錄已經(jīng)轉(zhuǎn)過的角度。時間間隔的選擇視具體情況而定，如機械機構(gòu)的準(zhǔn)確度、步進電機的步距角的選擇等。若遇到天氣突變?nèi)鐬踉普趽酰鈴姷陀陬A(yù)設(shè)值，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入視日運動跟蹤方式，根據(jù)地理位置，哈爾濱理工大學(xué)2號樓的緯度為，根據(jù)具體的時間，如在2009年6月5日上午11時，此時的太陽時角ω為，太陽赤緯角δ為，根據(jù)第2.1節(jié)中對太陽運行軌跡的介紹，系統(tǒng)程序可以準(zhǔn)確計算出此時此刻的太陽高度角和方位角γ的理論計算值分別為和，將此計算值與已經(jīng)轉(zhuǎn)過的角度進行比較，算出差值角度，控制步進電機轉(zhuǎn)動，跟蹤裝置在原來的基礎(chǔ)上繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到達到程序計算出來的角度?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)開發(fā)流程圖2-4單片機系統(tǒng)的開發(fā)流程系統(tǒng)的總體設(shè)計本次設(shè)計中要實現(xiàn)的功能是太陽自動追蹤裝置，通過大量的查閱資料以及研究世界范圍內(nèi)目前所實現(xiàn)的太陽追蹤裝置，在此基礎(chǔ)上，為了更好的實現(xiàn)自動追蹤系統(tǒng)的功能，采取了一系列措施：(1)采用STC89C52RC單片機作為控制電路的核心。(2)光電檢測部分采用光敏三極管作為傳感器，每兩個光敏三極管組成一個比較電路，光敏三極管的導(dǎo)通和截止產(chǎn)生相位差，通過放大器將信號傳給單片機的I/O口，以達到有效的控制。(3)利用由光敏三極管檢測是白天還是黑夜，若是黑夜就啟用中斷處理程序，進入等待狀態(tài)，若是白天則程序繼續(xù)運行。(4)利用光敏三極管來判斷晴天還是陰天，晴天時采用光電檢測追蹤模式，陰天時啟用太陽角度追蹤模式。(5)顯示部分采用6位LED顯示器，用來顯示時間。(6)時鐘電路采用的是串行實時時鐘芯片DS1302。(7)控制部分首先將單片機發(fā)出的信號放大，然后發(fā)送給電動機，電機獲得信號后發(fā)生動作，從而實現(xiàn)追蹤的功能。(8)軟件部分用Keil編寫程序本章小結(jié)本章首先介紹了太陽運行的運行規(guī)律及太陽高度角和方位角的計算方法。然后分別分析了視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤兩種跟蹤方式，提出了將二者結(jié)合并將光電跟蹤作為主要跟蹤方式的跟蹤策略。根據(jù)確定的跟蹤方法，完成了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計。單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計自動跟蹤裝置的控制系統(tǒng)主要由控制器、光敏管、光強檢測電路、步進電機、電機驅(qū)動等組成。根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求構(gòu)建一個以控制器為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，硬件電路的設(shè)計主要包括兩部分的內(nèi)容：一是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備。二是系統(tǒng)擴展，即當(dāng)單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM，RAM，I/O等容量不能滿足系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路。在系統(tǒng)的配置和擴展設(shè)計中，應(yīng)遵循以下三個原則：1.片外擴展時盡可能選擇典型電路，使硬件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)的配置除了滿足基本功能之外，應(yīng)留有一定余地，便于二次開發(fā)。2.系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一起考慮。3.要充分考慮可靠性及抗干擾能力，避免器件之間相互影響。單片機外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。按照以上原則并結(jié)合本控制系統(tǒng)的特點和功能，設(shè)計了系統(tǒng)硬件框圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件框圖按模塊分別對各單元電路進行電路設(shè)計，然后進行硬件合成，將各單元電路按硬件框圖中各部分所實現(xiàn)的功能組合到一起，構(gòu)成一個完整的硬件電路圖。在整個控制系統(tǒng)中，通過單片機的外圍電路采集模擬量和開關(guān)量并輸入到單片機的控制口，經(jīng)過處理后輸出到執(zhí)行部件進行相應(yīng)的動作，完成整個系統(tǒng)的控制。控制系統(tǒng)核心部件的選擇目前控制系統(tǒng)所采用的控制器種類很多，主要有工控機、可編程邏輯控制器(PLC)、單片機等。工控機是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。但采用光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)的目的就是為了節(jié)省光伏發(fā)電的成本，如果用工控機或者PLC等控制器來對系統(tǒng)進行控制，原則上系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能是能夠達到的，但由于成本問題，反而達不到降低發(fā)電成本的目的。而單片機具有高可靠性、低成本的特點，且其控制能力完全能達到本系統(tǒng)要求，故采用單片機作為控制系統(tǒng)的主控芯片既能實現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤，又可以很大程度的節(jié)省成本。通過分析和對比多種單片機，本文選擇了STC89C52RC單片機作為主控制芯片。STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，掉電模式下典型功耗低于0.1μA，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序，空閑模式下的典型功耗低于2mA，正常工作模式下功耗范圍為4mA～7mA。綜合以上特點，STC89C52RC單片機非常適合本控制系統(tǒng)。單片機接口電路設(shè)計電源電路由于STC89C52RC的工作電壓范圍為5.5V-3.4V，而蓄電池的輸出電壓要遠高于5V，因此需要設(shè)計一個能夠滿足單片機工作要求的電源電路為單片機提供穩(wěn)定的電源。電源電路除了有傳統(tǒng)的穩(wěn)壓、濾波、隔離防干擾功能外，還應(yīng)具有抗電源瞬態(tài)欠壓、防止瞬間脈沖干擾和掉電等功能，才能保證單片機在惡劣的環(huán)境中不出現(xiàn)故障。因此，采用性能穩(wěn)定的三端穩(wěn)壓集成電路H7805來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，電源電路如圖3-2所示。圖3-2+5V電源電路如圖3-2所示，三端穩(wěn)壓集成電路H7805有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用H7805來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件很少，只需要4個電容，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便。在實際應(yīng)用中，在三端穩(wěn)壓集成電路上安裝足夠大的散熱器，當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。電路的輸入為蓄電池的輸出電壓，輸出為5V，作為單片機電源。要實現(xiàn)自動跟蹤控制系統(tǒng)的功能，還需要-5V電源，采用如圖3-3所示的ICL7660芯片及外圍電路進行正負5V電壓之間的變換。圖3-3-5串口通訊電路STC89C52RC單片機具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載和燒錄用戶程序，而無須將單片機從已生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下，再用通用編程器將程序代碼燒錄進單片機內(nèi)部，這樣既方便又省去了購買通用編程器的費用。另外，由于可以將程序直接下載進單片機看程序運行結(jié)果故也可以不用仿真器。STC89C52RC單片機內(nèi)部固化有ISP系統(tǒng)引導(dǎo)程序，配合PC端的控制程序可將用戶的程序代碼，即hex文件，下載進單片機，STC提供了ISP專用下載工具STC-ISP，將其安裝于PC機上實現(xiàn)文件的導(dǎo)入，但要實現(xiàn)PC機與單片機的連接和通訊必須設(shè)計串行通訊電路。圖3-4串口通訊接口電路RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是目前最常用的一種串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)正式公布的，該標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)和數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)間的串行二進制通信，最高數(shù)據(jù)傳送速率可達19.2kbps，最長傳送電纜可達15米，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)定義了25根引線，對于一般的雙向通信，只需使用串行輸入RXD，串行輸出TXD和地線GND，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電平采用負邏輯，規(guī)定+3V～+15V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-3V～-15V之間的任意電平為邏輯“1”電平，與TTL和CMOS電平是不同的，在接口電路和計算機接口芯片中大都為TTL或CMOS電平，所以在通信時，必須進行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配，MAX232芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換這一工作[18根據(jù)MAX232芯片的特點，設(shè)計串口通訊接口電路如圖3-4所示。圖3-4中，MAX232芯片外圍需要4個電解電容分別是C1、C2、C3、C4，是內(nèi)部轉(zhuǎn)換所需要的電容，均選用10μF的電容，并盡量靠近芯片。C5為0.1μF的去耦電容。MAX232的引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳，引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS-232C電平的引腳，選擇MAX232的第二路進行發(fā)送和接受，因此TTL/CMOS電平的T2IN引腳接STC89C52RC單片機的串行發(fā)送引腳TXD；R2OUT接單片機串行接收引腳RXD，與之對應(yīng)的RS232C電平的T2OUT接PC機的接收端RD；R2IN接PC機的發(fā)送端TD。因為MAX232芯片具有驅(qū)動能力，因此不需要外加驅(qū)動電路。系統(tǒng)抗干擾設(shè)計由于跟蹤裝置的工作地點通常在野外，環(huán)境往往比較惡劣和復(fù)雜，單片機不可避免的要受到來自外部的干擾及各種電氣干擾的影響。這時單片機可能會出現(xiàn)輸入、輸出錯誤，甚至?xí)蓴_到程序指針PC，使其發(fā)生錯誤，那就有可能誤將非操作碼當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，會造成程序執(zhí)行混亂甚至進入死循環(huán)，使系統(tǒng)無法正常運行。因此如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行受到干擾，如何攔截失去控制的程序的流向，使程序納入正常軌道是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中必須解決的問題。因此利用STC89C52RC單片機的看門狗功能，防止程序在執(zhí)行時陷入死循環(huán)。MAX1232微處理器監(jiān)控電路給微處理器提供輔助功能以及電源供電監(jiān)控功能，MAX1232通過監(jiān)控微處理器系統(tǒng)電源供電及監(jiān)控軟件的執(zhí)行，來增強電路的可靠性，它提供一個反彈的（無鎖的）手動復(fù)位輸入。當(dāng)電源過壓、欠壓時，MAX1232將提供至少250ms寬度的復(fù)位脈沖，其中的容許極限能用數(shù)字式的方法來選擇5%或者10%的容限，這個復(fù)位脈沖也可以由無鎖的手動復(fù)位輸入；MAX1232有一個可編程的監(jiān)控定時器（即Watchdog）監(jiān)督軟件的執(zhí)行，該Watchdog可編程為150ms、600ms或者1.2s的超時設(shè)置。圖3.5給出了MAX1232的結(jié)構(gòu)原理圖。其中，為按鍵復(fù)位輸入。反彈式低電平有效輸入，忽略小于1ms寬度的脈沖，確保識別20ms或者更寬的輸入脈沖。為時間延遲，Watchdog時基選擇輸入。時，；懸空時，，時，。圖3.5MAX1232內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖TOL為容差輸入。TOL接地時選取5%的容差；TOL接時選取10%的容差。GND接地。RST為復(fù)位輸出（高電平有效）。RST產(chǎn)生的條件為：若下降低于所選擇的復(fù)位電壓閥值，則產(chǎn)生RST輸出；若變低，則產(chǎn)生RST輸出；若在最小暫停周期內(nèi)未選通，則產(chǎn)生RST輸出；若在加電源期間，則產(chǎn)生RST輸出。為復(fù)位輸出（低電平有效）。產(chǎn)生條件同RST。為選通輸入Watchdog定時器輸入。為+5V電源。圖3.6監(jiān)控電路MAX1232與單片機連接圖單片機用一根IO線來驅(qū)動輸入，微處理器必須在一定時間內(nèi)觸發(fā)端，以便來檢測正常的軟件執(zhí)行。如果一個硬件或者軟件的失誤導(dǎo)致沒被觸發(fā)，在一個最小超時間間隔內(nèi)，的觸發(fā)只僅僅被脈沖的下降沿作用，這時MAX1232的復(fù)位輸入至少保持250ms的寬度。如果這個中斷繼續(xù)，那么在每一個超時間間隔內(nèi)將產(chǎn)生一個新的復(fù)位脈沖，直到被觸發(fā)為止。這個超時間隔取決于TD輸入的連接，當(dāng)時，；懸空時，，時，。觸發(fā)的軟件例程是非常關(guān)鍵的，這個代碼必須是在循環(huán)執(zhí)行的軟件中，并且這個時間至少要比所定的Watchdog的時間短。一個普通的技術(shù)是從程序中的兩個部分來控制微處理器的I/O線。當(dāng)軟件工作在前臺時，可以設(shè)置I/O線為高，當(dāng)軟件工作在后臺方式或者中斷方式時，可以設(shè)置為低，如果這兩個模式都不能正確執(zhí)行，那么監(jiān)控定時器，即Watchdog就會產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號。實時時鐘電路由于系統(tǒng)中要進行時間的控制，因此需要使用時鐘電路。若使用單片機計時，則時間長了會引起較大的誤差，需要使用串行實時時鐘芯片。我們選擇DALLAS公司生產(chǎn)的串行實時時鐘芯片DS1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時序控制，且具有寫保護位，抗干擾效果好，同時體積小，連線少，外圍只有一32.768kHz晶振，使用靈活。DS1302實時時鐘，可對秒、分、時、日、周、月以及帶閏年補償?shù)哪赀M行計數(shù)，具有31×8RAM，可供保存有用數(shù)據(jù)。用于時鐘或RAM數(shù)據(jù)的讀/寫具有單字節(jié)或多字節(jié)(也稱脈沖方式)數(shù)據(jù)傳送方式。采用雙電源(主電源和備用電源)供電。圖3-7DS1302和STC89C52RC的接口電路DS1302慢速充電時鐘芯片包括實時時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，經(jīng)過一個簡單的串行接口與單片機通信。實時時鐘/日歷提供秒、分、時、日、月和年等信息，對小于31天的月末的日期進行調(diào)整，還包括閏年的校正功能。時鐘的運行可采用24小時或帶上午和下午的12小時格式。DS1302與單片機的通信僅需三根線即SCLK（串行時鐘線）、I/O（數(shù)據(jù)線）、RST（復(fù)位線）。數(shù)據(jù)可以按每次一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的形式傳送到時鐘RAM或從中送出。DS1302還有另外的功能：即用于主電源和備用電源相連接的雙電源引腳VC1和V