太阳能智能追光系统的设计毕业论文

太阳能智能追光系统的设计太阳能智能追光系统的设计摘 要在太阳能发电系统中，如何将太阳能电池板的发电效率调节至最大状态，并克服太阳能发电效率低、能量不连续、工作不稳定的缺点，成为当前太阳能发电系统研究的重点。太阳能的强度和方向不确定性，及光照间歇性等特点，给太阳能的收集带来了一定难度，传统的固定式太阳能残疾系统没有充分利用太阳的能量，吸收效率相对较低。因此，太阳位置的自动追踪技术的研究，智能调节方向的太阳能支架的制作，对于提高太阳能的吸收效率，高效合理的利用太阳能，具有重要的研究价值。本设计通过控制芯片对传感器的信号进行实时处理，驱动各个控制电机工作，实现对于太阳位置的实时更新，目的是为提高太阳能的收集效率，改善太阳能产品的利用程度。关键词：太阳能，光敏电阻，89C52 芯片，自动追踪技术The Design Of Solar Intelligent T racking Light System Author:Liu hai fengTutor: Bai xiao leiAbstractDuring the study of the solar power system ,the current major point is how to adjust the generating efficiency to an ultimate state and overcome the shortcomings of low efficiency,discontinuity of energy and operating instability.The uncertainty of both solar intensity and light direction as well as illumination intermittent make it more difficult to collect solar energy.Because traditional fixed solar collection system doesnt make full use of solar energy ,the absorption efficiency is low relatively.Hence,to research the technology of automatic tracking system for sun position and the pruduction of the solar holder to adjust direction intelligently is of great value for improving the absorption efficiency so as to utilize the solar energy properly and efficiently.The design of the sensor signal in real-time processing through controling chip, and to drive the control of motor wok.In order to update in real time the position of the sun for solar energy collection efficiency and improve the degree of utilization of solar energy products.key words:solar energy,photoresistance,89C52, the technology of automatic tracking system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-A