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太阳能智能追光系统的设计毕业论文目 录1 绪 论11.1 太阳追光系统的发展现状11.2 太阳能追光系统的设计思想11.3 太阳能智能追光系统的研究意义11.4 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题22 硬件设计32.1 主控制器32.1.1 主控制器的选用32.1.2 控制器的介绍32.2 驱动元件42.2.1 直流电机与步进电机的比较42.2.2 步进电机控制原理52.3 输入模块62.3.1 电压比较器62.3.2 光敏电阻62.4 硬件结构框图与原理图82.4.1 系统整体结构框图82.4.2 整体硬件原理图83 方案研究93.1 基于挡板的传感部分方案93.2 接收系统方案104 系统软件设计115 智能追光算法126 仿真与实验调试146.1 Protues仿真146.1.1 仿真原理146.1.2 软件仿真及调试146.1.3 仿真结果156.2 实验调试156.2.1 硬件调试156.2.2 解决过程166.3 PCB制版16结束语 17参考文献18致 谢 19附 录20附录A： 程序清单20附录B： 电路原理图22附录C： PCB图23附录D： 实物照片241 绪 论 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代，所以研究实现对太阳能的高效利用有重大意义。1.1 太阳能追光系统的发展现状 目前对太阳进行跟踪的仪器有：单轴太阳能自动跟踪器，步进式太阳能自动跟踪，可自动跟踪的太阳灶，五像限法太阳自动跟踪仪，单轴液压式自动跟踪，极轴式跟踪。不足之处:结构复杂，跟踪精度不高，不能全自动跟踪1。1.2 太阳能追光系统的设计思想 检测规划是追光系统的一个重要问题，它的目标是在一个光亮强度不同的环境中，为跟踪系统寻找太阳的具体位置。一个重要的解决方法就是采用象限法，象限法就是把检测系统接收板分成四个象限，太阳光线从不同角度照射到接收板，检测元件感应光线强度不同2。当考虑到元件误差时，跟踪系统与太阳实际位置可能会出现偏差。定位步进电机的步进角，是太阳跟踪系统精确定位的一个基本问题，也可以说，太阳偏移一个微小的角度，步进转动角度应该与太阳偏移角度相等，这就要求步进电机的步进角要足够小。1.3 太阳能智能追光系统的研究意义燃烧煤炭，石油等能源不仅污染环境，而且它们属于不可再生能源，照2003年的煤炭开采速度，中国的煤炭再开采80多年即将枯竭。作为能源消耗大国，如何提高对太阳能利用率是解决能源危机的可行方法之一。设计一个对太阳实现智能追光的系统，是提高太阳能利用率的根本方法。本设计是集机电、光学，计算机，控制理论为一体的，体现了自动化专业与多学科相结合，相互渗透的特点。本设计的太阳能智能追光系统充分的体现了节能的特点，所以太阳能智能追光系统是值得研究和实际运用的。本设计的研究成功，对创建能源节约型，环境友好型社会具有较大的意义，也有较好的市场发展前景。1.4 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究的目标：本设计主要是利用单片机知识，设计一个太阳能智能追光系统，其突破点在对太阳位置检测系统的设计、步进电机动作指令系统（与太阳同步偏移）的设计。研究的关键问题：本设计需要重点研究的、关键的问题及解决的思路是太阳高度角跟踪的实现、太阳方位角跟踪的实现。总体分析方案的设计：太阳控制系统总体方案的设计主要涉及到核心控制器和外围器件的选择和应用，外围零部件的选用，电源供电方案的确定等，这些因素的确定有益于系统开发初期具体方案的实施。2 硬件设计硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。在电路的设计中，在实现所要求功能的基础上，尽量使电路简单。2.1 主控制器2.1.1 主控制器的选用本系统的主要控制器件采用STC 89C52单片机。在51系列的单片机中，目前很流行一种内含flash程序存储器的单片机。因为内有flash程序存储器，可以通过编程器十分方便的写代码或擦除代码，擦除次数达10000次以上，而且还提供了禁止读写两层保密技术，其空间大小从1KB到64KB不等，有的甚至更大。这种芯片一般都提供了片上和在线修改的功能。该系列的芯片，创建的有138B或256B的片内RAM，当处理的数据不十分复杂时，一个芯片就组成了一个最小的单片机系统。80C5X型单片机既节省了数据线和存储器等外围器件，缩小了嵌如式系统的体积，又提高了工作的可靠性、开发的方便性和程序的保密性，其价格也便宜。基于以上原因和这次研究系统的实际情况，选择该系列89C52单片机作为太阳能追光系统的核心控制器件3。2.1.2 控制器的介绍目前有许多种类的微控制器，微控制器的组成与一般的计算机相同，其动作也由程序来完成。如图2.1所示的微处理器有输入、输出、存储、运算及控制功能，输入、输出仅由端口出入。在存储器以外可以追加外部存储器。如图虚线所包围的部分相当于一个微控制器。图2.1 单片机的构成Figure 2.1 the composition of SCM微控制器在太阳能追光系统中完成的主要功能是：首先，把由光传感器取得的信号通过微控制器的输入端口读入。然后，根据存储器所存储的程序进行运算、控制，再将结果作为信号从输出端输出。输出信号通过电子电路使执行机构（电机）动作。在上述过程中，微控制器与电气电路之间的桥梁被称为接口，其任务是通过输入输出端口实现信号的进出4。微控制器根据写入存储器的程序产生不同的动作，而程序则是根据微控制器内部的“0”和“1”所组合成的二进制数进行操作。在电路中，二进制数“1”表示高电压状态，“0”表示低电压。2.2 驱动元件2.2.1 直流电机与步进电机的比较直流电机是日常生活中广泛使用的一个电气产品，太阳能自动追光系统跟踪太阳这样的动作，需要能进行转动控制和立刻停止控制的电路，实际中通常采用微控制器和专用IC芯片。单独使用直流电机尚不能达到精确的定位控制，只有将它与旋转编码器组合起来，才能实现精确的位置控制和速度控制。步进电机是一种能够根据脉冲（通常为方波）控制转角和转速、并适合微控制器控制的电机。步进电机是一种跟踪给定脉冲信号转动的电机。因此，单纯向它施加电压是不会导致转动的。步进电机能根据给定的脉冲信号实现精确的定位控制，而且即使在停止时也有制动转矩，这些特性对自动跟踪系统转动控制都是很有利的。由于自动追光系统是随着太阳转动的，因为太阳离地球太远了，在很短时间内，检测系统是感觉不到太阳在移动，需过一段时间才能感觉到太阳已经偏移原来位置，所以要求电机隔一段时间转一个角度后马上停下来。综合上面对直流和步进电机的性能等进行的比较分析，我选用步进电机。2.2.2 步进电机控制原理步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。四相四拍运行方式为AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A, 八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度。图2.2 为步进电机驱动电路：图2.2 步进电机驱动电路Figure 2.2 stepper motor drive circuit 28BYJ-48电气性能： 1. 额定电压： 12VDC(另有电压：5V、6V、24V)2. 相数：43. 减速比：1/64(另有减速比：1/16、1/32)4. 步距角：5.625/645. 驱动方式：4相8拍2.3 输入模块本设计的输入模块包括：电压跟随器，电压比较器和光敏电阻。光敏电阻采集感光信号，通过电压跟随器，将信号传递到电压比较器进行比较，然后输入单片机进行处理。2.3.1 电压比较器 电压跟随器采用LM324，其显著特点是：输入阻抗高，而输出阻抗低。起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。电压比较器采用LM339，在本设计中的作用为：用作模拟电路和数字电路的接口，利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。比较器不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。LM339引脚如下：图2.3 LM339引脚图Figure 2.3 Application of LM339 pin diagram2.3.2 光敏电阻光敏电阻（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。图2.4 光敏电阻特性曲线Figure 2.4 photosensitive resistance characteristic curve表2-1为光敏电阻的参数：表2-1 几种CdS光敏电阻的参数Table 2-1 several CdS photoresistor parameters型号 参数 光谱响 应范围 m峰值 波长 m允许 功耗 mW最高工 作电压 V响应时间 光电特性 电阻温度系数/%/ （-2060）T/mStf/mS暗电阻值 M亮电阻值 K（100IX）UR-74A0.4 0.80.5450100403010.7 1.2- 0.2UR-74B0.4 0.80.5430502015101.2 4- 0.2UR-74C0.5 0.90.5750100641000.5 2- 0.52.4 硬件结构框图与原理图2.4.1 系统整体结构框图水平与垂直方向步进电机转 动AT89C52单片机四个光敏电阻感光电压比较器转换驱动电压跟随图2.4 硬件结构框图Figure 2.4 hardware block diagram2.4.2 整体硬件原理图图2.5 整体硬件原理图Figure 2.5 the overall hardware schematic3 方案研究3.1 基于挡板的传感部分方案 基于挡板的传感部分方案安装简单，对挡板的要求不高，所以选择此方案。感光部分把光敏电阻分布在不同象限，通过挡光板将象限隔离，根据每个象限光敏电阻所传回数据的大小来判定感光状态，通过调整挡光板的高度将系统追光误差降低到5以内。当太阳光移动时，挡板会把光敏电阻的一个或者几个挡住。这样，通过单片机对光敏电阻电平的采样，对电压值进行比较，根据电平的变化，使单片机控制电机转动云台，使太阳能电池板重新垂直对准太阳5。设计方案如图3.1所示：俯视图 立体图图3.1 基于挡板的传感方案效果图Figure 3.1 renderings baffle-based sensing scheme底板具体尺寸参数：56nm32nm3.2 接收系统方案接收系统主要功能是对不同强度光线进行感应，把阳光强度转化成电压伏特值，将感应的伏特值与我们设定的基准电压进行比较。如果感应的伏特值比我们设定的值大，接收系统将输出一个信号给单片机，单片机接收到该信号后进行处理，然后控制步进电机旋转接收板沿光线强烈地方转，直到四个光敏电阻感应光线强度一样。该电路中的核心元件是光敏电阻，它可以把不同强度光线转化成不同幅值的电压。四个光敏电阻R1、R2、R3、R4是两两之间互相比较的，当阳光照到光敏电阻R1比照到光敏电阻R2光强度弱时，LM339内部第四个比较器导通输出信号（高电平）给单片机P1.3口，通过单片机内部烧好的程序控制垂直方向步进电机正转。也即照到这四个光敏电阻光线强度不一样时，单片机将会控制接收板向阳光强度强的地方偏转，做到实时追光，直到它们受光强度一样。光敏电阻 R1、R2、R3、R4感应环境光度，耦合给比较器 LM339进行比较，从比较器 P1.0-P1.3 端输出比较数据。P1.0-P1.3端输出的数据送至单片机P1.0-P1.3中。单片机根据输入数据进行处理，然后通过 P0.1-P0.3和P2.0-P2.3输出控制信号，控制步进电机旋转6。接收系统的原理图如图3.2：图3.2 接收系统原理图Figure 3.2 The receiving system schematic 4 系统软件设计系统软件的设计主要是通过C语言编程实现单片机对步进电机控制,系统刚上电，首先对IO端口初始化,然后开中断，此时系统开始工作，检测当前太阳位置，直到接收板对准太阳，实现对太阳能全方位跟踪。系统自动控制接收板与大地平行，这样不管太阳在哪个位置，接收板都能检测到太阳7。主要程序流程图如图4.1所示：开始垂直电机反转水平电机反转水平电机正转保持电机不动第四组传感器未受光照第二组传感器未受光照第一组传感器未受光照 Y N Y N 第三组传感器未受光照 N垂直电机正转YN YN返回图4.1 主程序流程图Figure 4.1 The main program flow chart执行程序时先执行识别方向子程序，然后执行电机转动子程序（源程序见附录A）。一直循环直到四个光敏电阻受到的光照强度基本相同时，程序控制电机停止转动。识别方向子程序源于硬件设计，电压比较器LM339实时的将光敏传感器获得的光照结果送给单片机，四个电压比较器输出的信号分别在程序中定义，当其有效时控制步进电机按照需要的方向转动。电机控制子程序需要检测方向识别子程序给出的控制字。首先识别是否需要水平方向转动，若是则识别正转还是反转，然后移动到水平方向转动位置码开始执行程序，如果不需要水平方向转动则固定水平方向转动码。水平方向识别完后再识别垂直方向转动控制字，如果需要垂直方向转动再识别需要正转还是反转，识别完后移动到垂直方向转动位置码执行，如果不需要垂直方向转动则固定垂直方向转动码。当转动码全部确定之后分别从单片机P0口和P2口发送转动码给步进电机驱动芯片ULN2003，由驱动芯片驱动步进电机转动。每转动一步之后令转动控制字失效，以免电机一直转动。只有当光敏电阻传送有效信号时电机才转动。5 智能追光算法 要确定一天中太阳的方向需要知道太阳高度和太阳方位角两个量，对于地球上的某个地点，太阳高度是指太阳光的入射方向和地平线之间的夹角。太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的最重要的因素，用h来表示这个角度，它在数值上等于太阳在天体地平坐标系中的地平高度。太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化8。太阳赤纬以表示，观测地地理纬度用表示，地方时（时角）以t表示，有太阳高度角的计算公式： sinhsin sincos cos cos t (1) 日升日落，同一地点一天内太阳高度角是不断变化的。日出日落时角度都为零度，正午时太阳高度角最大。正午时时角为0，以上公式可以简化为： sinHsin sincos cos (2) 其中，H表示正午太阳高度角。由两角和与差的三角函数公式，可得： sinHcos() (3) 由于太阳赤纬角在周年运动中任何时刻的具体值都是严格已知的，所以它（）也可以用与式（1）相类似的表达式表述，即： =0.372323.2567sin0.1149sin20.1712sin30.758cos0.3656cos20.0201cos3 (4) 式中称日角，即 =2t365.2422 (5) 这里t又由两部分组成，即 t=NN0 (6) 式中N为积日，所谓积日，就是日期在年内的顺序号，例如：1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366，等等。N0=79.67640.2422（年份1985）INT（年份1985）4太阳方位就比较好计算了，随着地球的自转，地球上的任意地点的太阳方位每小时自东向西转15度，即每天6时，太阳方位在纬线圈的正东方，18时，太阳方位在纬线圈的正西方，以此类推9。有了太阳高度和太阳方向角就可以在单片机和程序的控制下，在水平和垂直两个自由度上分别控制两个步进电机，定时、定量的进行追光了。程序流程图如图5.1所示：开始系统初始化数据初始化电池板位置初始化判断太阳高度是否大于零 N智能追光 Y判断太阳高度是否小于零 N Y图5.1 程序流程框图Figure 5.1 Program flow diagram 根据实验数据，当太阳能设备的法线与太阳光线的夹角在15以内时，对太阳的利用效率变化不明显，根据以上特点，在智能追光过程中，程序会计算正负7.5的阀值，当电池板当前的位置滞后太阳7.5时，步进电机启动，使电池板转到超前太阳当前位置7.5的地方，如此反复10。6 仿真与实验调试在做实物之前，先在软件中仿真得到理论的结果是非常有必要的。有了仿真的基础做实物过程中还需要一步步的测试调节，最终才能实现我们想要的结果。6.1 Protues仿真6.1.1 仿真原理用滑动变阻器代替光敏电阻，通过其阻值的变化来模拟太阳光照强度。将A电阻向右滑动，接入的电阻值增大，流过的电流减小，相当于太阳光未照射到光敏电阻A，从而分出的电压也减小，第一个电压比较器同相输入端大于反相输入端，输出高电平，单片机P1.0口成为高电平，通过内部烧入的程序控制水平方向步进电机转动，方向为倒转。将B电阻向右滑动并使其阻值小于A电阻，经过电压比较器比较后，单片机 P1.0和P1.1口得到高电平，程序控制水平和垂直方向均倒转，如此反复，四个光敏电阻两两互相比较，直到太阳光直射到，使得四个光敏电阻阻值相等（误差范围内），电机停止转动。6.1.2 软件仿真及调试打开Keil uVision2，输入所编写的源程序并对程序进行编译，在软件的帮助下检查其中的错误并进行反复修改，直到编译正确后运行。打开PROTEUS软件，并画出太阳能智能追光系统整体运行电路图。检查所画电路运行图，确保没有错误以后，在PROTEUS下对原理图进行加载Keil uVision2下的源程序。加载完成后，单击电路图框下的开始按钮进行仿真，观察步进电机运行情况是否与理论相符。6.1.3 仿真结果 通过在Keil uVision2下对源程序的编译，然后运行，保证源程序的正确性。按原理图选择正确合理的电器元件，画出正确的电路图，加载源程序运行，实现了太阳能智能追光系统的功能。该太阳能追光系统的仿真效果图如图6.1： 图6.1 电路仿真图Figure 6.1 The circuit simulation6.2 实验调试6.2.1 硬件调试（1）在做PCB板之前，先在面包板上用导线连接原理图，连接好之后必须用万用表测试每个芯片的Vcc和GND是否分别为5V和0V，否则检查线路直到都过电为止11。（2）开始设计用光敏三极管作为传感器（光敏三极管具有电流放大作用），根据光敏三极管的参数：光电流2mV，暗电流0.3uV，计算得出光敏三极管发射级应接200K左右的电阻，将其输出的电流值转化为电压值输出给电压比较器LM339进行比较。连接好电路后多次调试，电机无法转动，最后通过查资料得知光敏三极管的峰值波长为880nm，而可见光的峰值波长在390nm780nm的范围内，得出光敏三极管根本无法识别可见光的光线强弱，所以只能放弃此传感方案，改用光敏电阻。（3）根据挡板的高度，以及预先设定的阳光在15度范围内能够直射到光敏电阻，得：x=h*tant7.5 （其中挡板高度h=45mm，x=5.92mm）从而确定光敏电阻在板上的具体位置。（4）给系统供5V直流电后，用万用表测光敏电阻的阻值，当太阳光直射时为0.10K左右，有阴影时为0.22K左右，完全遮光时为15K。手动将放置光敏电阻的底板移动至阳光能直射到四个光敏电阻，即电压比较器输出端均为低电平时，发现步进电机没有完全停止转动，会出现左右微震现象。查资料得到电压比较器灵敏度较高，所以在光敏电阻输出端接四个分压电阻，经多次测试接1K电阻比较合适。这样当阳光直射时，电机就可以完全停止转动了（实物照片见附录D）。6.2.2 解决过程 起初连接好电路后，光敏传感器在部分挡光情况下，电机并不转动。但步进电机发热，分析可能原因是程序延时不够，将程序中延时部分参数300改为30后，重新烧入单片机，实现了预期的转动结果。6.3 PCB制版制作 PCB版的过程：（1）根据调试好的硬件电路，画出Protel原理图，添加元件过程中有的元器件库里没有需要自己根据引脚画出来。（2）检查电器规格（3）画封装（4）生成网络表（5）建立PCB图，将绘制好的原理图导入（6）元器件布局并进行自动布线将画好的PCB板交予专门的厂家制作，制作好了以后焊接所有芯片及相关元器件，制作固定步进电机的机械结构，根据实际计算值将光电传感器固定于合适的位置，最终即可做出实物（PCB图见附录C）。结束语为了解决步进电机转动实时性和准确性问题，本文在理论和功能上实现了 “太阳能智能追光”的设计研制，提高了太阳能利用效率。在本次设计中贯彻了以下设计理念： 1. 太阳能智能追光系统的结构设计要在步进电机能准确跟踪太阳偏移的前提下兼顾结构设计的简单化，使其便于加工制造。2. 在运动控制系统设计和选择中，首先要分析制定太阳能追光系统控制运动需求，综合考虑价格性能比，使其简单易行且与系统总体相协调。3. 接收系统安装面积不是很大，我们只要安装在要控制旋转的板子上，并在板子上固定两个方便固定的隔板，步进电机工作时，只需要移动，就可以旋转控制板子转动，简单而且方便。己完成的工作主要体现在以下几个方面: 1. 在参考图书馆、网上资源的基础上，收集相关信息，提出了太阳能追光系统的设计思想和方案。2. 对步进电机的驱动电路进行了了解，对驱动部件的控制部分和信号处理的接口部分进行了分析，并绘制出驱动原理图。3. 完成了太阳能智能追光系统的软硬件设计工作，并将其和单片机系统进行了结合，以满足系统的需要。4. 在面包板上搭建的电路及机械模型实现了预先设想的功能。尚存在的问题及结论: 1. 实际在面包板上调试成功电路后，由于时间原因，没有做实际追光能力的测试，留待下步工作完成。2. 步进电机转动存在误差，不能精确对准光源。3. 智能追光部分程序有待下步研究再加入。4. 机械部分没有找到合适的材料，电机带动接收系统板时会出现脱节现象。 参考文献1 胡赛纯, 汤青云. 太阳能利用现状与趋势J. 湖南城建高等专科学校学报.2003,12(01):47-492 胖莹, 王振臣, 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