本设计需要在东西和南北两个方向上对太阳角度进行跟踪。具体方法是首先用光电检测电路对太阳光进行检测，之后运用计时芯片自动计算太阳光照射角度，随后运用单片机控制步进电机的驱动芯片，最后由驱动芯片控制驱动电机的运转，实现太阳能电池板的转动。

2。2 太阳光角度的跟踪和计算

    地球绕太阳公转的轨道是椭圆形的，太阳位于椭圆两焦点中的一个。由于日地距离经过数学计算是确定的，太阳到地球距离的表达式为ER=1。000423＋0。032359sinθ＋0。000086sin2θ－0。008349cosθ＋0。000115cos2θ[6]。

    地球公转的轨道平面是黄道面，自转轴称为极轴。极轴与黄道面之间的角度为66。5°。这个角度是不会变化的，因此每天正午时分的太阳高度不同。太阳赤纬角在春分和秋分时刻等于零，在夏至和冬至时刻有极值，分别为正负23。442°[7]。

图2  跟踪角度示意图

    跟踪角度示意图如图2所示。S为太阳的入射光线；N为研究表面法线；r为研究表面的跟踪轴轴线；b与跟踪轴线r相垂直，并且保持与水平面平行的直线；u是垂直于r和b所确定平面的一条直线；为太阳的入射光线与所研究的表面法线间的夹角；为绕跟踪轴r 的旋转角。规定表面法线N与竖线u重合时为零，逆时针为正，顺时针为负[8]。

3。硬件系统设计

3。1 系统机械结构

太阳能自动跟踪系统的整体结构如图3所示，分为两层平台。下层平台上有控制水平转动的步进电机B和指南针，用齿轮带动转轴转动上层平台。上层平台有控制俯仰方向的步进电机A连接着太阳能板。单片机和计时芯片来控制驱动电路，驱动电路使水平步进电机和俯仰步进电机运转，如图4。

 图3  机械结构示意图

图4  驱动部分框图

因为选用电机的体积不能过大，为了避免电机功率过小不足以驱动转动轴的转动，所以添加了减速机构来提高扭矩，使转向机构可以正常运转。

3。2 控制器设计论文网

控制器是一个串联二极管系统，用来阻止在太阳低辐射期间蓄电池向太阳能电池板放电。其原理图如图5所示。

图5  控制器原理图

太阳光线的角度每时每刻都在发生变化，为了实现太阳光自动跟踪，需要光电检测电路来检测太阳的位置。首先需要将4个光电二极管装在一个圆柱体内制作成一个光电检测装置，用来检测太阳光线。光电检测装置的外侧，即圆柱的外侧，与内侧光电二极管的对应位置处安装4个相同规格的光电二极管，用来检测环境的亮度。 光电二极管分布图如图6所示。

图6  光电二极管分布图

圆柱体内外侧的每个光电二级管都要构成一个比较电路，目的是判断光强度的变化，并把光强度变化的信息传送给单片机，用来判断系统是否需要转动。当圆柱体内的光电二极管受到光线照射时，输出高电平。此电平就是系统对光线检测的信号，圆柱体内的每个光电二级管都需要连接一个单片机的输入端。这样就可以判断太阳的位置，使控制器可以判断哪个电机需要转动，需要向哪个方向转动。光电检测电路如图7所示。

图 7  光电检测电路原理图

3。3 时钟控制电路 

时钟芯片电路是本设计的核心，是自动跟踪系统的总控制。因为单片机并不能很好的进行计时，会产生较大的误差，因此需要使用DS1302计时芯片。它具有实时时钟和31字节的静态ROM，采用串行通讯，可方便地与单片机接口[9]。图8为时钟芯片电路接线图。部分电源和一些接口没有画出。图中DS1302为时钟芯片，透过接口1、8连接电源。其中一个接通3。6v的直流电源，采用纽扣电池，便于调整。时钟芯片外部与一个12M晶振接到一起。通过连接的光电检测器件，52单片机P17脚可以检测到低电位，用来判断是否是黑夜。调整R0和 R1的值，当太阳光线同时照到光电二极管D1上时，输出高电平；如果只照到D1上时，输出高电平；只照到D2时输出低电平。K1、K2为控制开关，用于确定方位角和高度角的初始位置。继电器的其中一组触点用于控制电机的转动，另一组用来接通电磁阀。文献综述