毕业设计（论文）-自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备设计.doc

自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备设计摘 要：目前能够使用太阳能电池板发电的设备都是固定不动的，不能一直保持最大的光照强度，导致太阳能发电效率低。因此为了提高太阳能的利用率，和提高太阳能电池板发电的效率。并且设备能够将设备收到很小，方便携带，方便带到户外使用。本文设计了一套通过单片机为控制核心的太阳能自动跟随设备。本文对自动跟随太阳能调整系统进行了机械结构设计和自动跟踪系统控制设计，设计了太阳能双轴跟踪系统，对设备设计中的细节进行分析，对设备出现的问题进行了分析，同时也对传感器的使用经行了分析。该设备能够在不使用的时候收到很小的范围，并且重量轻，方便携带，方便户外使用。并且该设备能使太阳能电池板在有太阳的时候一直保持与太阳光线垂直，收到最多的太阳光照射，提高发电的效率。关键词：太阳跟踪；信号反馈；自动控制；机械传动；方便携带Design on Portable Solar Energy Supply Equipment Adjusted Automatically Following SunAbstract：Facilities that can generate electricity with the use of solar panel are stationary, which can not keep the maximum illumination intensity all the time, so that solar power generation efficiency is low. Therefore, in order to improve use ratio of solar energy and generating efficiency of solar panel and to carry the facility easily and conveniently, a set of solar energy automatic following equipment with the control core of single chip was designed in this paper. Mechanical structure design and automatic tracking system control design were conducted on automatic following solar energy adjustment system in this paper, as well as solar energy dual-axis tracking system. The author analyzed details in equipment design, equipment problems, and use of sensor. The equipment can be folded when it is not used, which is light in weight and convenient for carrying and outdoor use. With the equipment, solar panel can be vertical to solar ray all the time when it is sunny, receiving the maximum sunlight exposition and improving generating efficiency.Keywords：The sun tracking; Signal feedback; The automatic control; Mechanical transmission; Convenient to carry目 录1 前言11.1 目前太阳能能源利用的背景11.2 国内外关于自动跟随太阳调整的研究状况21.2.1 使用单轴跟随的设备21.2.2 使用双轴跟随的设备31.3 自动跟随太阳调整设备的发展趋势31.4 本设计说明的研究内容32 自动跟随太阳调整设备的机械设计52.1 资料的搜集52.1.1 太阳运行的规律分析52.1.2 自动跟随太阳调整设备性能分析52.2 太阳能自动跟随调整的设备模型建立52.2.1 太阳能电池板模块102.2.2 自动跟随的云台模块.142.2.3 起支撑作用的支架模块153 自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备相关理论及存在的问题193.1 零件加工工艺193.1.1 数控机床加工193.1.2 典型零件加工工艺203.1.3 3D打印技术223.2 电机与轴承选型233.2.1 电机233.2.2 轴承243.3 设备实物存在的问题244 硬件设计254.1 电源模块硬件设计254.1.1 STM32最小系统254.1.2 电压转换电路254.2 主控制器模块硬件设计254.3 驱动电机模块硬件设计254.3.1 PWM电机驱动部分264.4 传感器模块硬件设计264.5 本章小结305 结 论32参考文献33致 谢351太原工业学院毕业设计太原工业学院毕业设计1 前言能源问题一直是人类关心的问题，能源一直处于即将枯竭的状态，新能源的开发和可再生能源的利用有很广阔的前景。太阳能是一种无污染并且丰富的新型能源，能够高效率的利用太阳能是我们一直追求的目标。这样自动跟随太阳技术是提高效率利用太阳能的基础和前提，自动跟随太阳调整的太阳能设备是提高太阳能利用效率的支撑要件，为此，很多的专业非专业人士已经做了许多的试探。我国的太阳能资源获取途径非常的丰富，从其地域分布来看，我国的西部地区太阳能年辐射总量平均可达到以上,西藏地区更是达到了,提高太阳能利用效率对于西部的发展有非常重要的现实意义。就目前而言提高太阳能效率的关键是提高太阳能发电的效率，目前一般情况下仍是采用太阳能电池板固定安装的方式对太阳能进行采集，比较先进的也有利用太阳运动规律，定时对太阳能发电装置经行调整。但是这些方法都没有非常充分的利用太阳能资源,没有提高转换效率,并且成本也高。本次设计的自动跟随太阳调整的太阳能设备,能使太阳能电池板始终和太阳光线保持垂直,能够保持最大太阳能转换效率,具有非常好的使用价值。并且可以收到很小的空间内，可以很方便携带，可以在户外使用，目前市场上没有任何类似产品，本设计虽然不能当作产品在市场上销售，但是可以给这种想法的设备进行一次实验，在这个领域试探性的迈出一步，以此投石问路。本次设计采用单片机作为控制系统，使用传感器作为信号的输入方式，设计两轴云台结构进行太阳能电池板的水平和俯仰角度的调整。设计中在保证设备的可使用条件下，尽可能的让设备美观便携。1.1 目前太阳能能源利用的背景地球能源问题一直是我们面临的大的问题，目前石油、天然气已经逐渐变少以及因其使用石油天然气带来的环境压力越来月严重。所以开发新能源如风能、太阳能等新能源成为人类解决能源枯竭问题和保护我们的环境的主要途径。太阳能是现有新能源最主要的一部分，因为太阳能具有取之不尽、用之不竭、无污染的特点，在太阳能的开发利用有很大的前景，收到越来越多的人们的关注。目前太阳能利用率不高和成本较高是太阳能使用方面我们面临的重大问题。可以提高利用率来减少一些成本，所以提高太阳能的利用效率是全人类目前研究的热点问题。现在，解决这个问题有两个方面入手，其一是可以提高太阳能的接收效率，其二是可以提高太阳能转换为电能的转换效率。在能量转换的领域科学家还有待继续研究开发。但是，提高太阳能的接受效率可以通过太阳能电池板跟随太阳始终保持最大的太阳光线接收来解决。有研究表明太阳能接受效率不同时段相差过大，到达37.7%。由此可以知道，尽可能的保证太阳能电池板与太阳光线垂直可以很大的提高太阳能接受效率，提高太阳能的利用率。1.2 国内外关于自动跟随太阳调整的研究状况1.2.1 使用单轴跟随的设备美国Blaekaee，在1997年就对单轴太阳跟踪器进行了研究，可以实现东西方向的自动太阳能跟随调整，其南北方向通过手动经行调节，但是这样的设计已经将太阳能接收效率提过了15%1998年在美国加州也有ATM跟踪器的成功研究，并且在太阳能电池板上装有可以将太阳光线集中的透镜，这样的设计可以改收集跟多的太阳能，提过了太阳能的接收效率。JoeLH.Goodmars 研制了活动的太阳能自动识别跟随设备，这个设备是通过大直径的回转台使得整个太阳能电池板可以自东向西跟随太阳运动，这个跟随起的轨迹直径很大。增加透镜使得太阳能个接收效率提高，这样的时间还是第一次使用在太阳能收集领域。美国亚利桑那大学在2002年2月也有新的太阳能自动跟随设备推出。这个设备是利用电机驱动实现跟随。框架结构使用铝型材，并且其重量轻，大大的拓展了太阳自动跟随这个领域的发张。在德国，1994年有太阳能在厨房使用的先例，使用的是太阳能单周跟随设备。而在捷克的科学院物理研究所通过形状记忆结晶调节器，通过太阳光照温度有变化来完成太阳能单轴跟随设备，使用温度检测来识别光线是第一次。太阳能单周跟随设备结构很简单，并且成本也低。单轴跟随在太阳能接收效率方面比固定式的有比较大的提高。但是单轴跟随装置也仅仅能完成太阳东西方向的自动跟随，南北方向的倾角就不能完成跟随，所以太阳能接受效率还是比较低的。1.2.2 使用双轴跟随的设备近几年，科技不断发达，在控制技术的使用也越来月容易，控制成本也越来越低，因此研究和运用太阳能双轴跟随来实现对太阳定位跟随成为了热点。Neville已经对单轴跟随设备和双轴跟随设备和固定式设备的太阳能转换效率进行了分析和测试，研究发现，太阳能电池板使用双轴进行跟随的太阳能转换效率分别比单轴和固定设提高了5%10%和50%。近年来很多国内的学者专家也对太阳能转换效率进行研究。我国在1992年推出了太阳灶自动跟踪系统。此后国内在太阳能转换效率上的研究成果也很多，采用主流的控制技术，推出了几款单轴或双轴的自动太阳能跟随设备。中国专利CN201039038公开了一个用于光伏发电的自动跟随设备，无需控制和驱动电机用的电子元器件，结构简单、使用寿命长、可靠性高、成本低、耐气候性好。这个文献中介绍了一种使用太阳能自动给力提供动力的太阳能自动跟随设计，其伺服系统采用光、热、气压、液压、机械能的能量传递与转换，以实现控制平台对太阳进行跟随。1.3 自动跟随太阳调整设备的发展趋势未来的自动跟随太阳调整设备应使用的是全方位的自动跟随调整设备。其一是在结构设计方面，结构设计会提高钢度和提高自动跟随范围，使得太阳能电池板的转换效率提高，降低发电成本。其二是在控制系统方面，控制系统会使用关电一体化技术来完成太阳能自动跟随调整动作。并且跟踪精度高，角度范围大，并且可以自动的回到起始位置。在大型的太阳能发电设备领域可以引用计算机测控技术实现全方位的数据采集分析和处理，实现设备防风，防湿等功能，对设备经行管理控制。1.4 本设计说明的研究内容本文所介绍的自动跟随太阳调整设备采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟的跟随。论文的主要工作包括:(l)分析太阳的运行规律，同时对现有的几种方案经行比较，提出合理的自动跟随策略。 (2) 机械部分是实现灵活的自动跟随的关键，同时要设计出方便拆装携带的轻便设备主要是机械设计，装配图及其零件图。并且需要加工设计好的设备，装配经行实物测试。 (3)分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，并且设计光电转换电路。(4)选择控制芯片，并且考虑硬件的需求，搭建控制系统。并且调试达到预期目的 (5)对设备的实物在出现的问题经性分析总结问题，并且提出解决方案。2 自动跟随太阳调整设备的机械设计2.1 资料的搜集2.1.1 太阳运行的规律分析我们都知道太阳相对地面静止物体运动是应为地球自转和地球绕着太阳公转导致的，并且自转和公转周期都是我们已知的。地球的极轴和赤道有27度夹角，使得太阳的赤纬角在一年内是处于变化的状态。冬至时的角度是23度27分，随时间变化然后逐渐变小，到春分时候变为0度之后继续增大，夏至时赤纬角最大为23度27分，然后又开始变小；到秋分时赤纬角又变为0，然后变大，直到冬至完成一个周期的角度变化。2.1.2 自动跟随太阳调整设备性能分析太阳光线自动控制跟随设备需要满足以下要求:(1)方位角调整跟随范围：；高度角调整跟随范围：。同时在不跟随调整的时候要有锁紧的功能；(2)自动跟随调整的速度和加速度不需要大，电机选转速小的电机即可；(3)跟随调整角度的精度为；(4)电机自动跟随调整的能耗不能超过1 W；(5)设备要很轻便，能够很方便快捷的展开和收回，能够方便携带到户外使用；(6)同是尽可能的简化设计结构，和简化加工工艺，简单加工成本，提高制作效率。2.2 太阳能自动跟随调整的设备模型建立根据以上分析与考虑建立自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备三维模型，结构的支架要能够支撑整个结构的重量，并且要能保证灵活的自动跟随。最关键的是要能满足展开和收起的方便，保证便携的功能。调整机构有蜗轮蜗杆电机和云台调整模块组成,可以使电池板在水平方向上0到360度，垂直方向上的-60度到+60度之间自由旋转。根据需求进行结构设计，先后有三个版本的模型结构，在不断的更改和思考最终设计出如图2.1的自动跟随太阳调整并且便携设备的三维模型。装置的总体重量由装置中心的转动轴承载。模型方案决定之后，开始所有的令零件加工，并且购买所需要元件和材料。最终组装成设备实物。图2.1太阳能自动跟踪装置模型图2.2是自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备实物。图2.2自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备实物由于此自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备要实现便携的功能，所以此设备在不使用的时候要收到很小的空间内，保证携带的时候占尽可能小的空间，即使是在车内和不会占太大空间。为了达到这个目的，在设计是选择太阳能电池板可以和下面云台支架拆开的形式，并且拆装很方便，一分钟之内就可以完成。图2.3是自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备在不使用的时候拆解开太阳能电池板实物图。图2.3太阳能电池板实物图自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备在不使用的时候拆解开太阳能电池板可以经行很快的折叠，折叠成一块。图2.4是太阳能电池板折叠成一块的实物图，这样8000*10000大的太阳能电池板被收到350*500的范围内，厚度曾加4倍，但是也不影响空间效果，使其占空间更小。图2.4太阳能电池板实物图图2.5是自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备在不使用的时候支架收起来时候的实物图。同样可以收到很小的范围。并且和太阳能电池板的连接通过压板压紧，拆装方便。图2.5设备在不使用的时候支架收起来时候的实物图跟据上述便携拆解，可以将自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备可以分为三个模块。第一部分是太阳能电池板模块，第二部分是自动跟随的云台模块，第三部分是起支撑作用的支架模块。接下来经行结构的详细描述。2.2.1 太阳能电池板模块太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电电能的装置。相对于普通电池和可循环充电电池来说，太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。目前大多数的太阳能电池板的主要材料是硅，但是因为制作成本过大，所以它现在还不能被大量普遍的使用。并且使用硅制成的，无论是单质硅还是多晶硅或者非晶硅，其重量都是很重的，需要更加结实的支撑，这样不方便携带。因此需要在目前的市场上找到最轻的电池板，但是功率不能变化太大。以目前大学生的能力和精力是没有办法自己制作太阳能电池板的，所以在网上花大量的时间挑选电池板。最终找到一款比较满意的太阳能电池板。图2.6是选好并且最终使用的太阳能电池板。图2.6太阳能太阳能电池板这种太阳能电池板每块外形规格为：500mm*300mm，实际工作覆盖面积为300mm*420mm，厚度为1.2mm，其余面积为安装地方。由于材料为双面透明PET覆盖，因此质量非常轻，每块只有600g。在标准光照下负载电压为18V,功率为20W。整个太阳能电池板模块使用4块同样规格的太阳能电池板一起使用。太阳能电池板载体是15*15铝方管焊接的框架，大小为500mm*350mm。太阳能电池板和铝框架载体通过3M双面胶连接。3M双面胶是一种超强力泡沫无痕胶，具有耐水和耐高温的特性。并且有一定的缓冲作用，但太阳能电池板合在一起的时候有缓冲保护的作用。由于4块太阳能电池板在不使用的时候需要折叠在一起，因此设计了铰链结构，图2.7是所用到的铰链的三维模型图。3种铰链加工材料都为铝材。图2.7 铰链的三维模型图铰链与铝框架连接采用小间隙配合，根据太阳能电池板展开时的受力情况铰链的三个方向使用铆钉铆接，即轻便又结实。铰链之间的轴选用高强度螺杆，配合锁紧螺母使用使其不会脱落。铰链其中一面的孔设计成沉头孔，这样铆钉是沉进去的，当太阳能电池板框架收起来的时候铆钉不会相互干涉，有利于节省空间。铰链的其中之一设计有凸台，如图左面第一个。这个铰链与另外两个配合使用。太阳能电池板展开的时候铰链的凸台顶在另一个铰链的平面上面，使得四块太阳能电池板保证在一个平面上一起运动。图2.8是铰链实际使用的实物模型图。图2.8 铰链实际使用的实物模型图图2.9是太阳能电池板模块说明详图。为了方便描述，模块中各个特征经行了标注。图2.9 太阳能电池板模块说明详图从图2.9可以看出，整个太阳能电池板模块是由四个太阳能电池板框架单元组成，即图中标注单元框架1、2、3、4。太阳能电池板框架单元铰链使用情况如图说明。框架单元1和单元框架3、框架单元2和单元框架4使用相同的铰链连接。折叠的时候框架单元1和框架单元2分别绕铰链折叠到框架单元3和框架单元4。这样整个太阳能电池板模块变为原来的一半。框架单元3和框架单元4用两个铰链2连接，铰链2是一种组合铰链，有两个转动轴。这样的设计可以是，已经折叠成一半的框架单元继续折叠成四分之一。这样整个展开的太阳能电池板可以很快捷的收到最小。整个折叠过程为，先折叠框架单元1和2对齐到框架单元3和4 ，然后再折叠框架单元3和4，整个过程简单快捷。在每个太阳能电池板的框架单元的其中一个拐角都设计右45度的三角特征，如上图所示。这个特征其支撑作用，云台结构带动一个安装板，安装板支撑每个框架单元的三角特征，承受整个太阳能电池板的重量。然后另外一面即太阳能电池板框架的正面使用压板固定，压板也下面的安装板是由M12的螺栓连接。螺母使用M12蝶形螺母，方便在户外没有工具的情况下可以扭紧。整个固定太阳能电池板模块的原理为简单的杠杆原理，应用到具体为四个杠杆组合在一起的组合型杠杆。图2.10是太阳能电池板模块和云台支架安装实物图说明图2.10 太阳能电池板模块和云台支架安装实物图说明整个太阳能电池板模块安装过程为，首先将太阳能电池板展开成到同一个平面。然后取下蝶形螺母和压板。之后将已经张开的太阳能电池板安放在安装板上面，安装板设计有凸台，太阳能电池板正好可以卡到凸台上面限制位置。最后将压板盖上，拧蝶形螺母，压板也有凸台，也可以起到定位的作用，使得安装好后的太阳能电池板不会发生位置的移动。太阳能电池板的框架为15*15铝合金方管焊机，壁厚为1mm。框架所用到的铝管都是自己下料自己焊接。为了保证焊接好之后的框架的美观，要求铝管下料尺寸精度为1.5mm之内。铝管下料使用普通的铝裁机，进度很低。然后再从所有下好的料内配对，尽可能的满足同一个框架的铝管长度相同。铝管和焊机比较难把握，为了减轻框架重量，所以焊点要尽可能的小。铝及铝合金的特性是线胀系数大，熔点低，高温强度小，并且导热性强热容量大。并且焊接后很容易出现裂纹，因此焊接难度大，需要熟练的技术及采取一定的措施才能保证整体框架质量。铝焊焊机选用交流电氩弧焊，使用氩气作为保护气体经行焊接。就是在电弧焊的周围使用氩气进行保护，将空气与焊机的区域隔绝，可以防止焊区被氧化。铝合金框架选用的铝管为7075航空铝，表面有一层致密的氧化膜覆盖，这样杂质多，不利于焊接，因此，在焊接之前应该做前期工艺处理。使用磨机将需要焊接的区域经行打磨，去掉需要焊接区域表面的氧化层。这样可以是焊接效果更好。焊接夹具使用90度虎钳将需要焊接的铝管夹好，可以很好的保证焊接效果。此外使用焊接夹具也能弥补一部分的焊接热变形问题。2.2.2 自动跟随的云台模块如今生活中，云台已经是一个非常普遍的东西。常规的云台共有三轴，分别是：yaw：航向轴，将物体绕Y轴旋转； pitch：俯仰轴，将物体绕X轴旋转； roll：横滚轴，将物体绕Z轴旋转;本自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备只需要两轴即可满足需求，即yaw轴和pitch轴。yaw轴为航向轴，太阳能电池板绕Y轴做水平旋转运动，实现水平360度自由旋转。pitch：俯仰轴，太阳能电池板绕X轴旋转，太阳能电池板做俯仰运动，绕X轴旋转正负60度。图2.11是太阳能电池板自动跟随的云台模块说明详图图2.11 太阳能电池板自动跟随的云台模块说明详图太阳能电池板自动跟随的云台模块为两轴云台，两个轴都是使用相同的蜗轮蜗杆电机驱动，图中零件7为蜗轮蜗杆电机。选用蜗轮蜗杆电机是利用其有自锁的功能。能够使太阳能电池板始终保持所需要的位置。零件1是中间杆，是连接云台结构模块和支架模块的铝管，起承重作用，其上端固定零件2锥齿轮。零件2是两个相同的锥齿轮，一个固定在零件的一端，另一个固定在电机输出轴的一端。电机通电带动输出轴的锥齿轮绕这另一个固定的锥齿轮做圆周运动。实现云台yaw轴航向轴功能。yaw轴可以360度自由旋转，没有干涉。零件8、9、10通过螺栓连接，构成云台模块的框架结构。电机转动，带动其一起绕着固定不动的锥齿轮旋转。零件10为轴承套筒，里面有两个轴承，提高旋转运动的精度，是使转动更加流畅。零件8是侧支撑板，其中一个支撑板固定蜗轮蜗杆电机。并且上端有俯仰轴的轴承空，用来安装轴承。零件4为水平横轴，轴上固定零件3直齿轮和零件5，轴上固定的零件都是和轴保持相对静止的。电机带动直齿轮带动轴做俯仰运动，实现pitch轴俯仰轴功能。零件5为横轴外接间，和支撑板固定，带动太阳能电池板模块做俯仰运动。整个云台结构的所有零件都做了减重处理，使整个结构更轻，电机以及支撑结构负载变小。2.2.3 起支撑作用的支架模块支架是起支撑作用，全部的重量都压在支架上，所以要尽可能的做结实，但是不能要求很重。在满足强度要求的情况下做到最轻。图2.12是支架打开时候和收起来时候的实物图对照。图2.12 支架打开时候和收起来时候对照因为太阳能电池板需要旋转运动，所以太阳能电池板需要有中间管支撑起来。节省空间，支架的三个支撑杆需要收到中间管方向，这样就需要设计卡位结构，使得三个支撑杆打开的时候能够卡住实现支撑的作用。这个卡位结构属于原创，市场上所有的产品还没有相同的结构。图2.13是卡位结构细节图。并且下文经行详细的原理说明。图2.13是卡位结构细节图零件1: 支撑杆，三根支撑杆同时使用做为供电设备底座，用20*20*1方铝管切割制成 与零件2采用小间隙量装配，间隙使用648高强度金属胶胶接，648是一种高强度厌氧胶，可以弥补小的间隙。并且用铆钉铆接，使结构更加牢固。零件2：支架方管固定块，CMC加工完成，右图图2.6是支架方管固定块CMC加工实物图。其中与零件7使用M10*1的细牙螺纹连接。整个零件特征结构紧凑，改减重的地方也做了减重处理。零件3方管支架中间块，与零件4的配合同样是小间隙配合，并且胶接加铆钉铆接。设计有卡槽，可用来卡位。零件4中间管，使太阳能电池板立起来的承重管，使用35*31铝圆管切割而成。零件5 塑料垫片，采用白色特氟龙加工。目的是使零件3和零件4 获得摩擦阻力。使支撑杆打开和收起时的手感跟好。特氟龙英文缩写PTFE，聚四氯乙烯。这种材料摩擦系数低，有滑动性并且耐磨损，适合长时间使用。零件6支架轴，304不锈钢加工，连接零件2和零件3。右图图2.6是支架轴CMC加工实物图。支架轴设计有圆形的阶梯可以穿过零件2的圆形孔顶在零件5特氟龙垫片上面。另一端设计有M5螺纹，用螺母拧紧，由于零件一端是方形特征不会与零件2有相对转动，所以无论支撑架进行多少次都不会使螺纹松动。并且这种阶梯顶垫片使结构获得阻力的结构，使得结构设计不需要过盈，装配和加工都很轻松。这个结构属于创新结构，目前市场上很多有类似旋转运动的产品结构都会使螺丝松动。零件7：螺纹轴套，为了方便加工和装配而经行这种设计。零件8：水平卡轴，304不锈钢加工而成。可以带动零件10水平来回滑动，实现卡位效果。零件10：水平卡轴套，与零件8的配合为间隙配合，方便装配，并且使用648胶连接在一起，保证两个零件能够同时水平回来滑动。零件11：弹簧，弹簧力度比较小，目的是使零件10卡在零件3的卡槽内不掉出来。小力度弹簧使得拨动水平卡轴的力度手感舒适，并且完全满足使用。支架使用说明及原理：本结构使用的学习成本几乎为零，设计之初就考虑到使用的方便性，只要那在手里顺着思想就知道怎么操作。首先，水平卡轴的另一端是露在外面的，弹簧将水平卡轴套压在中间管固定块的卡槽内，这样起到卡位的作用。想要收起支撑杆的时候只要稍微用力按动水平卡轴突出来的一端就会使弹簧压缩水平卡轴套脱离卡槽，之后就可以将支撑杆收起。这用旋转的收起由于有小的阻力，使这用收起与打开的手感非常好，并且收起来之后也不会乱动。需要打开时，只需要抓住支撑杆转动就行，转到水平位置的时候，水平卡轴套会由于弹簧弹力的作用将其弹到卡槽内，使用方便，并且有明显的到位感，符合产品用户体验的基本需求。支撑杆共有三个，圆周360度的范围内均匀分布。都是同样的原理和机构。只需操作三次就行，本结构考虑了使用手感，并且结构设计有趣，使用是不会因为重复三次操作而感到烦躁。3 自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备相关理论及存在的问题3.1 零件加工工艺3.1.1 数控机床加工本自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备所有用到数控机床加工的零件共有21款。工作量大，为了提高加工效率，缩短加工周期，大部分的零件选择外方给供应商经行加工。供应商加工零件费用高，因此很多零件都做了简化处理，方便加工，同时也节省成本。所有的零件在在满足强度的要求下都做了重量计算，都有减重处理。图3.1是3款加工好的零件。图3.1 3款加工好的零件零件外发给供应商加工加工零件同时也锻炼了自己的作图能力。认识到了实际生产中工程图纸的标注处理问题。同时也学到很多与供应商沟通的技巧，使零件成本尽可能的低。加工的零件中主要为6061铝合金件，没有做外观处理。轴类零件在满足需求的情况下选用304不锈钢。3.1.2 典型零件加工工艺1、由于加工零件输了较多，并且大部分零件为了方便加工，特征设计都是正反两面经行设计。现选择有代表性的零件进行叙述，下图3.2是典型零件工程图。3.2 典型零件工程图这款零件是使用在安装板和轴之间的连接零件，需要和轴固定，因此设计两个90度的螺纹孔，使用螺丝拧到轴上。零件材料选用6061铝合金。8mm的孔要求精度为0到+0.08mm精度要求较低，钻孔即可。表面粗糙度不要求。加工数量4个因此加工工艺这样安排：(1) 下料，下料尺寸为25mm*170mm厚度为10mm.(2) 使用面铣刀铣一基准面。(3) 编程序加工证明所有特征，使用45度到角刀到角。(4) 将工件反过来安装在家具上，编程序加工另外一面，使用度到角刀到角，此时工件已经分成4个。(5) 分别加工每一个工件的孔，M4螺纹底孔使用3.2mm钻头加工，最后使用M4丝锥攻螺纹孔。2、铝管类需要切割的都是自己切割，并且焊接。齿轮因为不方便加工所以在设计的适合就选用市场上可以买到的齿轮。图3.3是直齿轮，参数为模数1，齿数30，厚度为8mm，安装孔为8mm。并且有连个M5顶丝孔。图3.3 直齿轮图3.3是直齿轮，参数为模数1.5，齿数20，厚度为8mm，安装孔为8mm。并且有连个M5顶丝孔。图3.3 锥齿轮齿轮的选用由于只用购买现有的齿轮，所以在参数选择上限制非常大。3.1.3 3D打印技术此自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备中使用到3d打印技术。图3.4黄色的零件为3d打印机打印的零件。图3.4 3d打印机打印的零件3d打印技术已经是一个很普遍的技术，已经不是那么的神秘。现有的3d打印机精度比较差，不过在精度能满足需求的情况下还是可以选用3d打印的。3.2 电机与轴承选型3.2.1 电机本设备选用的电机为可装编码器的蜗轮蜗杆电机，图3.5为蜗轮蜗杆电机外形尺寸图3.5 蜗轮蜗杆电机外形尺寸云台模块的两个轴都是选用相同的电机，电机选用蜗轮蜗杆是利用其可以自锁的特性，保证太阳能电池板可以停留在需要的位置。由于转动角度很小，所以选用转速及减速比最小的电机。电机参数为：电压：12V空载转速14r/min电机减速箱减速比：1：505扭矩：30kg.cm电机选型也是选用比较廉价的电机，编码器自己购买并且自己安装。3.2.2 轴承整套设备使用4个轴承，分别使用在yaw轴和pitch轴Yaw轴轴承使用61806-2Z薄壁深沟球轴承，尺寸为30mm*42mm*5mmPitch轴轴承使用688-2Z深沟球轴承，尺寸为8mm*16mm*5mm3.3 设备实物存在的问题本设备实物虽然可以实现功能，但是还是和预期想象存在很大的偏差。主要的问题有以下几点；（1）电机选 想要做一个外观看着比较满意的设备，电机选型上存在很大的困难。电机参数虽然可以选择，但是在电机的外形种类是很少的。设计的时候需要咦电机外形来设计，外观效果受到很大的影响。本设备目前效果与最初想法有差别，很大的原因是电机不能自己设计，并且只能购买廉价的电机。（2）齿轮 齿轮不能自己加工也会影响设计，最后只能舍弃外观效果还保证设备能满足使用需求。（3）虚位 本设备实物虚伪很大，原因出在齿轮啮合上，云台Yaw轴和Pitch轴需要使用齿轮传动，但是由于加工以及装配的误差使得虚位很大，再者齿轮传动本身就会有间隙导致虚伪。另为电机减速箱的虚位也很大。二者叠加起来使得整套设备产生很大的预想不到的虚位。4 硬件设计4.1 电源模块硬件设计4.1.1 STM32最小系统本设计中所有智能模块所选用的微处理器都是STM32单片机，主控制选用的是STM32F103VET6,电源模块和电机驱动模块选用的STM32F103C8T6。 4.1.2 电压转换电路电源模块的供电电源是24v左右的交流电，然后通过电压转换电路转换成12v的电压和5v的电压，产生的12v电压和5v电压再给不同的模块供电。 4.2 主控制器模块硬件设计主控制电路是整个系统的核心，它需要接受传感器模块送来的信号，然后经过处理判断太阳在什么方位，然后控制两个电机，一个是调整水平方向的，一个是水平方向与太阳的夹角，然后太阳能板跟着传感器一直转，转到传感器差不多正对着太阳的时候，传感器传过去的电压数据被主控板识别后单片机就知道太阳板是正对太阳了，不用再转了。主控板选用的STM32型号是STM32F103VET6，电源模块和电机驱动模块选用的STM32F103C8T6，这是因为STM32F103VET6他的资源比较多，而且内存也比较大，所以STM32F103VET6比较适合当主控芯片，而不选用STM32F103C8T6。该主控板的串口通信是为了和上位机相连接，上位机通过串口就可以实时监测主控板上的数据了，这样就能非常方便直观的知道主控板的现状了。串口通信模块选用的芯片是MAX3232，具有2路驱动器和2路接收器，关键的是有1uA的关断模式，这样使MAX3232功耗非常低，而且还有一个好处就是能延长便携式产品的电池的使用寿命，而本设计的太阳能就是往便携式方向设计的，而且还有蓄电池，所以这款芯片非常适合本设计的需求。4.3 驱动电机模块硬件设计4.3.1 PWM电机驱动部分本设计选用了两个直流电机，一个电机带动太阳能板在水平方向的旋转，一个电机带动太阳能板水平方向与太阳夹角的转动，这样就可以完成对太阳能板的转动然后正对着太阳。本设计种控制两个电机的技术是PWM技术，PWM的全称是脉冲宽度调制技术。第2代功率半导体器件发展的越来越快，比如4中晶体管GTR、GTO、MOSFET、IGBT，从而使得在直流电机调节速度实际运用中的非常常用的技术当中就有PWM，还有一项技术是开关功率技术。直流电机有很多好处，比如对直流电机的控制比对交流电机号控制，还有就是直流电机的线性特性，还有一项非常重要的就是其成本低，这样使得非常多的人把它使用在变速运动控制系统和闭环位置伺服控制系统，所以PWM直流电机驱动这项技术已经被很多人所使用。4.4 传感器模块硬件设计如图4.1所示，4和6位感光元件，上有3和5遮光片，通过电压采样，经过电压比较器区分出两端光的强弱。缺点：对感光元件的参数要求必须一致，因感光差异非常小，受遮光片影响也非常大，对安装精度及采样数据的要求都非常高，因两端差异的微小对电路的设计要求也非常高，在电路放大的过程中还需要尽可能的避免外界环境对感光量的影响来确保精度，尽管如此，两端相当于一个分界线式的精度控制，对实际情况的精度控制不能精确到量。虽说理论成立，实际应用带来极大麻烦。图4.1 感光原件分布图目前跟这种控制方式大同小异的还有以下几种，很多更是非常粗糙的传感器，对实际应用几乎没有什么帮助。如下图图4.2所示：图4.2 粗糙的传感器还有另外一种控制方式如图4.3所示，图中圆圈内即为传感器装置，该传感器利用四象限工作原理，上方的圆通保证了太阳光必须垂直射入才能保证四象限采样无差异，能够高精度控制太阳位置，另一方面通过控制圆通的长短可以控制传感器的灵敏度，但同时也带来了问题，必须有光进入传感器，传感器才能正常工作，实际情况是等光进入了传感器，距离追踪到太阳的目标也就不远了，剩下的只是精确控制，所以该传感器在实际应用中大部分的情况是处于致盲状态的，因为大多数时候光是进入不了传感器的。图4.3 新的控制方式为精确定位太阳位置，又能精确计算出控制误差，特将以上两种思路结合，再在以上思路中优化各个环节，将参数变化较大的光敏电阻更改为硅光电池，如上图4.4所示。图4.4 硅光电池此硅光电池的电流大小与受光亮成线性变化，可以将其电流转换成电压，再通过运算放大器放大信号，这样就便于控制，并且因为是模拟量可以人为控制其精度。对于其四象限跟前面介绍的传感器工作原理一样，四象限工作原理如下图4.5所示：图4.5 四象限工作原理图通过各个象限的硅光电池的受光量多少通过电流转换成电压再经过放大（图示中一象限的光照亮要明显大于二三四象限），通过比较可以计算出各个象限的受光量差异判断出太阳的位置，直到四象限的受光量无差异，因有其上方的圆通遮光，会将差异增大，这样在区分的时候会更加明显。实际效果图如下图图4.6所示：图4.6 传感器模块实物图选用的普通的硅光电池、四象硅光电池和搭建的电路的实物图都已经说明了，下面来具体的看下电路图，电路图如图4.7。图4.7 传感器采样电路图本设计选用的硅光电池是产生线性的电流和非线性的电压，而且其产生的不管是电流还是电压都是非常小的，我们不能直接与单片机相连，需要经过处理之后单片机才能使用。因为硅光电池的电流是线性的，所以本设计硅光电池的电流进行采集分析，但是想给单片机一个电压信号，所以电路图中一级放大电路是把电流源转换成电压源，由于三极管的输入端正极和负极存在着虚断和虚短，所以硅光电池不能直接与三极管相连接，所以串联了一个阻值为15k的电阻，二级放大电路就是把经过一级放大电路得打的电压源进行放大，最后CON1输出的最大电压稍小一点3.3v电压，最后的CON1就可以与主控相连接了。4.5 本章小结本章对本设计硬件的电路图进行了详细的介绍，包括电源模块硬件电路图、主控制模块硬件电路图、电机驱动电路硬件电路图和传感器模块硬件电路图，这就是本设计的所有电路板了，实物图如图4.8。图4.8 电路板实物图第一个图是电机驱动板实物图，第二个是电源板实物图，第三个是主控板实物图，它们之间是用排线相连接的。它们工作的基本流程是电源板给其他3块板供电，传感器采集信息给了主控板，主控板得到信息后控制电机驱动板让电机旋转起来，最后太阳能板在电机的旋转下正对太阳。5 结 论本设计的主要研究内容是自动跟随太阳调整便携式供电设备，控制系统是基于单片机。检测弄湿使用光电追踪方式。机械设计上最重要的是实现便携这一思想，在太阳能发电的使用领域向前迈进一步本文详细分析了国内外太阳能发电的应用现状，并且对太阳运动规律和国内外对自动跟随太阳调整的设备都进行了收集和分析。根据这些看，自动跟随太阳调整来提高太阳能转换效率是非常有必要的。进过反复的考虑和修改设计，进过一个月的时间的设计和修改，有了最终成型方案。紧接着是零件的加工与装配测试。本设计将整套设备分为三个模块，太阳能电池板模块、自动跟随的云台模块、起支撑作用的支架模块。并且对设计过程经行了详细的说明，包括为什么要设计成这样，以及用到的原理。将整套设备分成三个模块，有利于分析明显。本设计经行了大量的CMC零件加工，加工的零件外观漂亮，而且零件设计简单，成本低。也对典型的零件做了工