太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))第頁(yè)太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，如何將太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率調(diào)節(jié)至最大狀態(tài)，并克服太陽(yáng)能發(fā)電效率低、能量不連續(xù)、工作不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，成為當(dāng)前太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。太陽(yáng)能的強(qiáng)度和方向不確定性，及光照間歇性等特點(diǎn)，給太陽(yáng)能的收集帶來(lái)了一定難度，傳統(tǒng)的固定式太陽(yáng)能殘疾系統(tǒng)沒(méi)有充分利用太陽(yáng)的能量，吸收效率相對(duì)較低。因此，太陽(yáng)位置的自動(dòng)追蹤技術(shù)的研究，智能調(diào)節(jié)方向的太陽(yáng)能支架的制作，對(duì)于提高太陽(yáng)能的吸收效率，高效合理的利用太陽(yáng)能，具有重要的研究?jī)r(jià)值。本設(shè)計(jì)通過(guò)控制芯片對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，驅(qū)動(dòng)各個(gè)控制電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)位置的實(shí)時(shí)更新，目的是為提高太陽(yáng)能的收集效率，改善太陽(yáng)能產(chǎn)品的利用程度。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能，光敏電阻，89C52芯片，自動(dòng)追蹤技術(shù)TheDesignOfSolarIntelligentTrackingLightSystemAuthor:LiuhaifengTutor:BaixiaoleiAbstractDuring

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

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collection

system

doesn`t

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.Thedesignofthesensorsignalinreal-timeprocessingthroughcontrolingchip,andtodrivethecontrolofmotorwok.Inordertoupdateinrealtimethepositionofthesunforsolarenergycollectionefficiencyandimprovethedegreeofutilizationofsolarenergyproducts.key

words:solar

energy,photoresistance,89C52,

the

technology

of

automatic

tracking

system

目錄1緒論 11.1太陽(yáng)追光系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 11.2太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想 11.3太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的研究意義 11.4研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 22硬件設(shè)計(jì) 32.1主控制器 32.1.1主控制器的選用 32.1.2控制器的介紹 32.2驅(qū)動(dòng)元件 42.2.1直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的比較 42.2.2步進(jìn)電機(jī)控制原理 52.3輸入模塊 62.3.1電壓比較器 62.3.2光敏電阻 62.4硬件結(jié)構(gòu)框圖與原理圖 82.4.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 82.4.2整體硬件原理圖 83方案研究 93.1基于擋板的傳感部分方案 93.2接收系統(tǒng)方案 104系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 115智能追光算法 126仿真與實(shí)驗(yàn)調(diào)試 146.1Protues仿真 146.1.1仿真原理 146.1.2軟件仿真及調(diào)試 146.1.3仿真結(jié)果 156.2實(shí)驗(yàn)調(diào)試 156.2.1硬件調(diào)試 156.2.2解決過(guò)程 166.3PCB制版 16結(jié)束語(yǔ) 17參考文獻(xiàn) 18致謝 19附錄 20附錄A：程序清單 20附錄B：電路原理圖 22附錄C：PCB圖 23附錄D：實(shí)物照片 241緒論太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代，所以研究實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的高效利用有重大意義。1.1太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤的儀器有：?jiǎn)屋S太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器，步進(jìn)式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤，可自動(dòng)跟蹤的太陽(yáng)灶，五像限法太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤儀，單軸液壓式自動(dòng)跟蹤，極軸式跟蹤。不足之處:結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跟蹤精度不高，不能全自動(dòng)跟蹤[1]。1.2太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想檢測(cè)規(guī)劃是追光系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題，它的目標(biāo)是在一個(gè)光亮強(qiáng)度不同的環(huán)境中，為跟蹤系統(tǒng)尋找太陽(yáng)的具體位置。一個(gè)重要的解決方法就是采用象限法，象限法就是把檢測(cè)系統(tǒng)接收板分成四個(gè)象限，太陽(yáng)光線從不同角度照射到接收板，檢測(cè)元件感應(yīng)光線強(qiáng)度不同[2]。當(dāng)考慮到元件誤差時(shí)，跟蹤系統(tǒng)與太陽(yáng)實(shí)際位置可能會(huì)出現(xiàn)偏差。定位步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，是太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)精確定位的一個(gè)基本問(wèn)題，也可以說(shuō)，太陽(yáng)偏移一個(gè)微小的角度，步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)該與太陽(yáng)偏移角度相等，這就要求步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角要足夠小。1.3太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的研究意義燃燒煤炭，石油等能源不僅污染環(huán)境，而且它們屬于不可再生能源，照2003年的煤炭開(kāi)采速度，中國(guó)的煤炭再開(kāi)采80多年即將枯竭。作為能源消耗大國(guó)，如何提高對(duì)太陽(yáng)能利用率是解決能源危機(jī)的可行方法之一。設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)太陽(yáng)實(shí)現(xiàn)智能追光的系統(tǒng)，是提高太陽(yáng)能利用率的根本方法。本設(shè)計(jì)是集機(jī)電、光學(xué)，計(jì)算機(jī)，控制理論為一體的，體現(xiàn)了自動(dòng)化專業(yè)與多學(xué)科相結(jié)合，相互滲透的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)充分的體現(xiàn)了節(jié)能的特點(diǎn)，所以太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)是值得研究和實(shí)際運(yùn)用的。本設(shè)計(jì)的研究成功，對(duì)創(chuàng)建能源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)具有較大的意義，也有較好的市場(chǎng)發(fā)展前景。1.4研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題研究的目標(biāo)：本設(shè)計(jì)主要是利用單片機(jī)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)，其突破點(diǎn)在對(duì)太陽(yáng)位置檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作指令系統(tǒng)（與太陽(yáng)同步偏移）的設(shè)計(jì)。研究的關(guān)鍵問(wèn)題：本設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路是太陽(yáng)高度角跟蹤的實(shí)現(xiàn)、太陽(yáng)方位角跟蹤的實(shí)現(xiàn)?？傮w分析方案的設(shè)計(jì)：太陽(yáng)控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)主要涉及到核心控制器和外圍器件的選擇和應(yīng)用，外圍零部件的選用，電源供電方案的確定等，這些因素的確定有益于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期具體方案的實(shí)施。

2硬件設(shè)計(jì)硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實(shí)現(xiàn)、器件的適時(shí)性、價(jià)格和通用性等幾個(gè)方面。在電路的設(shè)計(jì)中，在實(shí)現(xiàn)所要求功能的基礎(chǔ)上，盡量使電路簡(jiǎn)單。2.1主控制器2.1.1主控制器的選用本系統(tǒng)的主要控制器件采用STC89C52單片機(jī)。在51系列的單片機(jī)中，目前很流行一種內(nèi)含flash程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)。因?yàn)閮?nèi)有flash程序存儲(chǔ)器，可以通過(guò)編程器十分方便的寫(xiě)代碼或擦除代碼，擦除次數(shù)達(dá)10000次以上，而且還提供了禁止讀寫(xiě)兩層保密技術(shù)，其空間大小從1KB到64KB不等，有的甚至更大。這種芯片一般都提供了片上和在線修改的功能。該系列的芯片，創(chuàng)建的有138B或256B的片內(nèi)RAM，當(dāng)處理的數(shù)據(jù)不十分復(fù)雜時(shí)，一個(gè)芯片就組成了一個(gè)最小的單片機(jī)系統(tǒng)。80C5X型單片機(jī)既節(jié)省了數(shù)據(jù)線和存儲(chǔ)器等外圍器件，縮小了嵌如式系統(tǒng)的體積，又提高了工作的可靠性、開(kāi)發(fā)的方便性和程序的保密性，其價(jià)格也便宜。基于以上原因和這次研究系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇該系列89C52單片機(jī)作為太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的核心控制器件[3]。2.1.2控制器的介紹目前有許多種類的微控制器，微控制器的組成與一般的計(jì)算機(jī)相同，其動(dòng)作也由程序來(lái)完成。如圖2.1所示的微處理器有輸入、輸出、存儲(chǔ)、運(yùn)算及控制功能，輸入、輸出僅由端口出入。在存儲(chǔ)器以外可以追加外部存儲(chǔ)器。如圖虛線所包圍的部分相當(dāng)于一個(gè)微控制器。圖2.1單片機(jī)的構(gòu)成Figure2.1thecompositionofSCM微控制器在太陽(yáng)能追光系統(tǒng)中完成的主要功能是：首先，把由光傳感器取得的信號(hào)通過(guò)微控制器的輸入端口讀入。然后，根據(jù)存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的程序進(jìn)行運(yùn)算、控制，再將結(jié)果作為信號(hào)從輸出端輸出。輸出信號(hào)通過(guò)電子電路使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）動(dòng)作。在上述過(guò)程中，微控制器與電氣電路之間的橋梁被稱為接口，其任務(wù)是通過(guò)輸入輸出端口實(shí)現(xiàn)信號(hào)的進(jìn)出[4]。微控制器根據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器的程序產(chǎn)生不同的動(dòng)作，而程序則是根據(jù)微控制器內(nèi)部的“0”和“1”所組合成的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行操作。在電路中，二進(jìn)制數(shù)“1”表示高電壓狀態(tài)，“0”表示低電壓。2.2驅(qū)動(dòng)元件2.2.1直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的比較直流電機(jī)是日常生活中廣泛使用的一個(gè)電氣產(chǎn)品，太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)這樣的動(dòng)作，需要能進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制和立刻停止控制的電路，實(shí)際中通常采用微控制器和專用IC芯片。單獨(dú)使用直流電機(jī)尚不能達(dá)到精確的定位控制，只有將它與旋轉(zhuǎn)編碼器組合起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)精確的位置控制和速度控制。步進(jìn)電機(jī)是一種能夠根據(jù)脈沖（通常為方波）控制轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、并適合微控制器控制的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種跟蹤給定脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)。因此，單純向它施加電壓是不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)的。步進(jìn)電機(jī)能根據(jù)給定的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確的定位控制，而且即使在停止時(shí)也有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這些特性對(duì)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)控制都是很有利的。由于自動(dòng)追光系統(tǒng)是隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的，因?yàn)樘?yáng)離地球太遠(yuǎn)了，在很短時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)系統(tǒng)是感覺(jué)不到太陽(yáng)在移動(dòng)，需過(guò)一段時(shí)間才能感覺(jué)到太陽(yáng)已經(jīng)偏移原來(lái)位置，所以要求電機(jī)隔一段時(shí)間轉(zhuǎn)一個(gè)角度后馬上停下來(lái)。綜合上面對(duì)直流和步進(jìn)電機(jī)的性能等進(jìn)行的比較分析，我選用步進(jìn)電機(jī)。2.2.2步進(jìn)電機(jī)控制原理步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說(shuō)：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。四相四拍運(yùn)行方式為AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度。圖2.2為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：圖2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Figure2.2steppermotordrivecircuit28BYJ-48電氣性能：1.額定電壓：12VDC(另有電壓：5V、6V、24V)2.相數(shù)：43.減速比：1/64(另有減速比：1/16、1/32)4.步距角：5.625°/645.驅(qū)動(dòng)方式：4相8拍2.3輸入模塊本設(shè)計(jì)的輸入模塊包括：電壓跟隨器，電壓比較器和光敏電阻。光敏電阻采集感光信號(hào)，通過(guò)電壓跟隨器，將信號(hào)傳遞到電壓比較器進(jìn)行比較，然后輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。2.3.1電壓比較器電壓跟隨器采用LM324，其顯著特點(diǎn)是：輸入阻抗高，而輸出阻抗低。起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。電壓比較器采用LM339，在本設(shè)計(jì)中的作用為：用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，利用簡(jiǎn)單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。比較器不需要反饋，直接比較兩個(gè)輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開(kāi)關(guān)（高低電平）量。LM339引腳如下：\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"圖2.3LM339引腳圖Figure2.3ApplicationofLM339pindiagram2.3.2光敏電阻光敏電阻（photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。圖2.4光敏電阻特性曲線Figure2.4photosensitiveresistancecharacteristiccurve表2-1為光敏電阻的參數(shù)：表2-1幾種CdS光敏電阻的參數(shù)Table2-1severalCdSphotoresistorparameters型號(hào)

參數(shù)光譜響

應(yīng)范圍

μm峰值

波長(zhǎng)

μm允許

功耗

mW最高工

作電壓

V響應(yīng)時(shí)間光電特性電阻溫度系數(shù)/%/℃

（-20~60℃）Tτ/mStf/mS暗電阻值

MΩ亮電阻值

KΩ（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硬件結(jié)構(gòu)框圖與原理圖2.4.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖水平與垂直方向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)水平與垂直方向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)AT89C52單片機(jī)四個(gè)光敏電阻感光電壓比較器轉(zhuǎn)換四個(gè)光敏電阻感光電壓比較器轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電壓跟隨驅(qū)動(dòng)電壓跟隨圖2.4硬件結(jié)構(gòu)框圖Figure2.4hardwareblockdiagram2.4.2整體硬件原理圖圖2.5整體硬件原理圖Figure2.5theoverallhardwareschematic

3方案研究3.1基于擋板的傳感部分方案基于擋板的傳感部分方案安裝簡(jiǎn)單，對(duì)擋板的要求不高，所以選擇此方案。感光部分把光敏電阻分布在不同象限，通過(guò)擋光板將象限隔離，根據(jù)每個(gè)象限光敏電阻所傳回?cái)?shù)據(jù)的大小來(lái)判定感光狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整擋光板的高度將系統(tǒng)追光誤差降低到5％以內(nèi)。當(dāng)太陽(yáng)光移動(dòng)時(shí)，擋板會(huì)把光敏電阻的一個(gè)或者幾個(gè)擋住。這樣，通過(guò)單片機(jī)對(duì)光敏電阻電平的采樣，對(duì)電壓值進(jìn)行比較，根據(jù)電平的變化，使單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)，使太陽(yáng)能電池板重新垂直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)[5]。設(shè)計(jì)方案如圖3.1所示：俯視圖立體圖圖3.1基于擋板的傳感方案效果圖Figure3.1renderingsbaffle-basedsensingscheme底板具體尺寸參數(shù)：56nm×32nm

3.2接收系統(tǒng)方案接收系統(tǒng)主要功能是對(duì)不同強(qiáng)度光線進(jìn)行感應(yīng)，把陽(yáng)光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電壓伏特值，將感應(yīng)的伏特值與我們?cè)O(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果感應(yīng)的伏特值比我們?cè)O(shè)定的值大，接收系統(tǒng)將輸出一個(gè)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)接收到該信號(hào)后進(jìn)行處理，然后控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)接收板沿光線強(qiáng)烈地方轉(zhuǎn)，直到四個(gè)光敏電阻感應(yīng)光線強(qiáng)度一樣。該電路中的核心元件是光敏電阻，它可以把不同強(qiáng)度光線轉(zhuǎn)化成不同幅值的電壓。四個(gè)光敏電阻R1、R2、R3、R4是兩兩之間互相比較的，當(dāng)陽(yáng)光照到光敏電阻R1比照到光敏電阻R2光強(qiáng)度弱時(shí)，LM339內(nèi)部第四個(gè)比較器導(dǎo)通輸出信號(hào)（高電平）給單片機(jī)P1.3口，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部燒好的程序控制垂直方向步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。也即照到這四個(gè)光敏電阻光線強(qiáng)度不一樣時(shí)，單片機(jī)將會(huì)控制接收板向陽(yáng)光強(qiáng)度強(qiáng)的地方偏轉(zhuǎn)，做到實(shí)時(shí)追光，直到它們受光強(qiáng)度一樣。光敏電阻R1、R2、R3、R4感應(yīng)環(huán)境光度，耦合給比較器LM339進(jìn)行比較，從比較器P1.0-P1.3端輸出比較數(shù)據(jù)。P1.0-P1.3端輸出的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)P1.0-P1.3中。單片機(jī)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)P0.1-P0.3和P2.0-P2.3輸出控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)[6]。接收系統(tǒng)的原理圖如圖3.2：圖3.2接收系統(tǒng)原理圖Figure3.2Thereceivingsystemschematic

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制,系統(tǒng)剛上電，首先對(duì)IO端口初始化,然后開(kāi)中斷，此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始工作，檢測(cè)當(dāng)前太陽(yáng)位置，直到接收板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能全方位跟蹤。系統(tǒng)自動(dòng)控制接收板與大地平行，這樣不管太陽(yáng)在哪個(gè)位置，接收板都能檢測(cè)到太陽(yáng)[7]。主要程序流程圖如圖4.1所示：開(kāi)始開(kāi)始垂直電機(jī)反轉(zhuǎn)水平電機(jī)反轉(zhuǎn)水平電機(jī)正轉(zhuǎn)保持電機(jī)不動(dòng)第四組傳感器未受光照第二組傳感器未受光照第一組傳感器未受光照垂直電機(jī)反轉(zhuǎn)水平電機(jī)反轉(zhuǎn)水平電機(jī)正轉(zhuǎn)保持電機(jī)不動(dòng)第四組傳感器未受光照第二組傳感器未受光照第一組傳感器未受光照YNYN第三組傳感器未受光照N第三組傳感器未受光照垂直電機(jī)正轉(zhuǎn)Y垂直電機(jī)正轉(zhuǎn)NYN返回返回圖4.1主程序流程圖Figure4.1Themainprogramflowchart執(zhí)行程序時(shí)先執(zhí)行識(shí)別方向子程序，然后執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)子程序（源程序見(jiàn)附錄A）。一直循環(huán)直到四個(gè)光敏電阻受到的光照強(qiáng)度基本相同時(shí)，程序控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。識(shí)別方向子程序源于硬件設(shè)計(jì)，電壓比較器LM339實(shí)時(shí)的將光敏傳感器獲得的光照結(jié)果送給單片機(jī)，四個(gè)電壓比較器輸出的信號(hào)分別在程序中定義，當(dāng)其有效時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)按照需要的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)控制子程序需要檢測(cè)方向識(shí)別子程序給出的控制字。首先識(shí)別是否需要水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，若是則識(shí)別正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，然后移動(dòng)到水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)位置碼開(kāi)始執(zhí)行程序，如果不需要水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)則固定水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)碼。水平方向識(shí)別完后再識(shí)別垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)控制字，如果需要垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)再識(shí)別需要正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，識(shí)別完后移動(dòng)到垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)位置碼執(zhí)行，如果不需要垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)則固定垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)碼。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)碼全部確定之后分別從單片機(jī)P0口和P2口發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)碼給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003，由驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一步之后令轉(zhuǎn)動(dòng)控制字失效，以免電機(jī)一直轉(zhuǎn)動(dòng)。只有當(dāng)光敏電阻傳送有效信號(hào)時(shí)電機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)。

5智能追光算法要確定一天中太陽(yáng)的方向需要知道太陽(yáng)高度和太陽(yáng)方位角兩個(gè)量，對(duì)于地球上的某個(gè)地點(diǎn)，太陽(yáng)高度是指太陽(yáng)光的入射方向和地平線之間的夾角。太陽(yáng)高度是決定地球表面獲得太陽(yáng)熱能數(shù)量的最重要的因素，用h來(lái)表示這個(gè)角度，它在數(shù)值上等于太陽(yáng)在天體地平坐標(biāo)系中的地平高度。太陽(yáng)高度角隨著地方時(shí)和太陽(yáng)的赤緯的變化而變化[8]。太陽(yáng)赤緯以δ表示，觀測(cè)地地理緯度用φ表示，地方時(shí)（時(shí)角）以t表示，有太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式：sinh＝sinφsinδ＋cosφcosδcost(1)日升日落，同一地點(diǎn)一天內(nèi)太陽(yáng)高度角是不斷變化的。日出日落時(shí)角度都為零度，正午時(shí)太陽(yáng)高度角最大。正午時(shí)時(shí)角為0，以上公式可以簡(jiǎn)化為：sinH＝sinφsinδ＋cosφcosδ(2)其中，H表示正午太陽(yáng)高度角。由兩角和與差的三角函數(shù)公式，可得：sinH＝cos(φ－δ)(3)由于太陽(yáng)赤緯角在周年運(yùn)動(dòng)中任何時(shí)刻的具體值都是嚴(yán)格已知的，所以它（δ）也可以用與式（1）相類似的表達(dá)式表述，即：δ=0.3723＋23.2567sinθ＋0.1149sin2θ－0.1712sin3θ－0.758cosθ＋0.3656cos2θ＋0.0201cos3θ(4)式中θ稱日角，即θ=2πt／365.2422(5)這里t又由兩部分組成，即t=N－N0(6)式中N為積日，所謂積日，就是日期在年內(nèi)的順序號(hào)，例如：1月1日其積日為1，平年12月31日的積日為365，閏年則為366，等等。N0=79.6764＋0.2422×（年份－1985）－INT[（年份－1985）／4]太陽(yáng)方位就比較好計(jì)算了，隨著地球的自轉(zhuǎn)，地球上的任意地點(diǎn)的太陽(yáng)方位每小時(shí)自東向西轉(zhuǎn)15度，即每天6時(shí)，太陽(yáng)方位在緯線圈的正東方，18時(shí)，太陽(yáng)方位在緯線圈的正西方，以此類推[9]。有了太陽(yáng)高度和太陽(yáng)方向角就可以在單片機(jī)和程序的控制下，在水平和垂直兩個(gè)自由度上分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，定時(shí)、定量的進(jìn)行追光了。程序流程圖如圖5.1所示：開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)初始化數(shù)據(jù)初始化電池板位置初始化電池板位置初始化判斷太陽(yáng)高度是否大于零判斷太陽(yáng)高度是否大于零N智能追光Y智能追光判斷太陽(yáng)高度是否小于零N判斷太陽(yáng)高度是否小于零Y圖5.1程序流程框圖Figure5.1Programflowdiagram根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)太陽(yáng)能設(shè)備的法線與太陽(yáng)光線的夾角在15°以內(nèi)時(shí)，對(duì)太陽(yáng)的利用效率變化不明顯，根據(jù)以上特點(diǎn)，在智能追光過(guò)程中，程序會(huì)計(jì)算正負(fù)7.5°的閥值，當(dāng)電池板當(dāng)前的位置滯后太陽(yáng)7.5°時(shí)，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，使電池板轉(zhuǎn)到超前太陽(yáng)當(dāng)前位置7.5°的地方，如此反復(fù)[10]。

6仿真與實(shí)驗(yàn)調(diào)試在做實(shí)物之前，先在軟件中仿真得到理論的結(jié)果是非常有必要的。有了仿真的基礎(chǔ)做實(shí)物過(guò)程中還需要一步步的測(cè)試調(diào)節(jié)，最終才能實(shí)現(xiàn)我們想要的結(jié)果。6.1Protues仿真6.1.1仿真原理用滑動(dòng)變阻器代替光敏電阻，通過(guò)其阻值的變化來(lái)模擬太陽(yáng)光照強(qiáng)度。將A電阻向右滑動(dòng)，接入的電阻值增大，流過(guò)的電流減小，相當(dāng)于太陽(yáng)光未照射到光敏電阻A，從而分出的電壓也減小，第一個(gè)電壓比較器同相輸入端大于反相輸入端，輸出高電平，單片機(jī)P1.0口成為高電平，通過(guò)內(nèi)部燒入的程序控制水平方向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，方向?yàn)榈罐D(zhuǎn)。將B電阻向右滑動(dòng)并使其阻值小于A電阻，經(jīng)過(guò)電壓比較器比較后，單片機(jī)P1.0和P1.1口得到高電平，程序控制水平和垂直方向均倒轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，四個(gè)光敏電阻兩兩互相比較，直到太陽(yáng)光直射到，使得四個(gè)光敏電阻阻值相等（誤差范圍內(nèi)），電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。6.1.2軟件仿真及調(diào)試打開(kāi)KeiluVision2，輸入所編寫(xiě)的源程序并對(duì)程序進(jìn)行編譯，在軟件的幫助下檢查其中的錯(cuò)誤并進(jìn)行反復(fù)修改，直到編譯正確后運(yùn)行。打開(kāi)PROTEUS軟件，并畫(huà)出太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)整體運(yùn)行電路圖。檢查所畫(huà)電路運(yùn)行圖，確保沒(méi)有錯(cuò)誤以后，在PROTEUS下對(duì)原理圖進(jìn)行加載KeiluVision2下的源程序。加載完成后，單擊電路圖框下的開(kāi)始按鈕進(jìn)行仿真，觀察步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行情況是否與理論相符。6.1.3仿真結(jié)果通過(guò)在KeiluVision2下對(duì)源程序的編譯，然后運(yùn)行，保證源程序的正確性。按原理圖選擇正確合理的電器元件，畫(huà)出正確的電路圖，加載源程序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的功能。該太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的仿真效果圖如圖6.1：圖6.1電路仿真圖Figure6.1Thecircuitsimulation6.2實(shí)驗(yàn)調(diào)試6.2.1硬件調(diào)試（1）在做PCB板之前，先在面包板上用導(dǎo)線連接原理圖，連接好之后必須用萬(wàn)用表測(cè)試每個(gè)芯片的Vcc和GND是否分別為5V和0V，否則檢查線路直到都過(guò)電為止[11]。（2）開(kāi)始設(shè)計(jì)用光敏三極管作為傳感器（光敏三極管具有電流放大作用），根據(jù)光敏三極管的參數(shù)：光電流≥2mV，暗電流≤0.3uV，計(jì)算得出光敏三極管發(fā)射級(jí)應(yīng)接200KΩ左右的電阻，將其輸出的電流值轉(zhuǎn)化為電壓值輸出給電壓比較器LM339進(jìn)行比較。連接好電路后多次調(diào)試，電機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過(guò)查資料得知光敏三極管的峰值波長(zhǎng)為880nm，而可見(jiàn)光的峰值波長(zhǎng)在390nm—780nm的范圍內(nèi)，得出光敏三極管根本無(wú)法識(shí)別可見(jiàn)光的光線強(qiáng)弱，所以只能放棄此傳感方案，改用光敏電阻。（3）根據(jù)擋板的高度，以及預(yù)先設(shè)定的陽(yáng)光在15度范圍內(nèi)能夠直射到光敏電阻，得：x=h*tant7.5（其中擋板高度h=45mm，x=5.92mm）從而確定光敏電阻在板上的具體位置。（4）給系統(tǒng)供5V直流電后，用萬(wàn)用表測(cè)光敏電阻的阻值，當(dāng)太陽(yáng)光直射時(shí)為0.10KΩ左右，有陰影時(shí)為0.22KΩ左右，完全遮光時(shí)為15KΩ。手動(dòng)將放置光敏電阻的底板移動(dòng)至陽(yáng)光能直射到四個(gè)光敏電阻，即電壓比較器輸出端均為低電平時(shí)，發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)左右微震現(xiàn)象。查資料得到電壓比較器靈敏度較高，所以在光敏電阻輸出端接四個(gè)分壓電阻，經(jīng)多次測(cè)試接1K電阻比較合適。這樣當(dāng)陽(yáng)光直射時(shí)，電機(jī)就可以完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)了（實(shí)物照片見(jiàn)附錄D）。6.2.2解決過(guò)程起初連接好電路后，光敏傳感器在部分擋光情況下，電機(jī)并不轉(zhuǎn)動(dòng)。但步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱，分析可能原因是程序延時(shí)不夠，將程序中延時(shí)部分參數(shù)300改為30后，重新燒入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果。6.3PCB制版制作PCB版的過(guò)程：（1）根據(jù)調(diào)試好的硬件電路，畫(huà)出Protel原理圖，添加元件過(guò)程中有的元器件庫(kù)里沒(méi)有需要自己根據(jù)引腳畫(huà)出來(lái)。（2）檢查電器規(guī)格（3）畫(huà)封裝（4）生成網(wǎng)絡(luò)表（5）建立PCB圖，將繪制好的原理圖導(dǎo)入（6）元器件布局并進(jìn)行自動(dòng)布線將畫(huà)好的PCB板交予專門(mén)的廠家制作，制作好了以后焊接所有芯片及相關(guān)元器件，制作固定步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際計(jì)算值將光電傳感器固定于合適的位置，最終即可做出實(shí)物（PCB圖見(jiàn)附錄C）。結(jié)束語(yǔ)為了解決步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性問(wèn)題，本文在理論和功能上實(shí)現(xiàn)了“太陽(yáng)能智能追光”的設(shè)計(jì)研制，提高了太陽(yáng)能利用效率。在本次設(shè)計(jì)中貫徹了以下設(shè)計(jì)理念：1.太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要在步進(jìn)電機(jī)能準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)偏移的前提下兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，使其便于加工制造。2.在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇中，首先要分析制定太陽(yáng)能追光系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)需求，綜合考慮價(jià)格性能比，使其簡(jiǎn)單易行且與系統(tǒng)總體相協(xié)調(diào)。3.接收系統(tǒng)安裝面積不是很大，我們只要安裝在要控制旋轉(zhuǎn)的板子上，并在板子上固定兩個(gè)方便固定的隔板，步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，只需要移動(dòng)，就可以旋轉(zhuǎn)控制板子轉(zhuǎn)動(dòng)，簡(jiǎn)單而且方便。己完成的工作主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1.在參考圖書(shū)館、網(wǎng)上資源的基礎(chǔ)上，收集相關(guān)信息，提出了太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方案。2.對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了了解，對(duì)驅(qū)動(dòng)部件的控制部分和信號(hào)處理的接口部分進(jìn)行了分析，并繪制出驅(qū)動(dòng)原理圖。3.完成了太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)工作，并將其和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)合，以滿足系統(tǒng)的需要。4.在面包板上搭建的電路及機(jī)械模型實(shí)現(xiàn)了預(yù)先設(shè)想的功能。尚存在的問(wèn)題及結(jié)論:1.實(shí)際在面包板上調(diào)試成功電路后，由于時(shí)間原因，沒(méi)有做實(shí)際追光能力的測(cè)試，留待下步工作完成。2.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)存在誤差，不能精確對(duì)準(zhǔn)光源。3.智能追光部分程序有待下步研究再加入。4.機(jī)械部分沒(méi)有找到合適的材料，電機(jī)帶動(dòng)接收系統(tǒng)板時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。

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致謝隨著時(shí)間的流逝，轉(zhuǎn)眼四年的大學(xué)生活即將結(jié)束。在此，僅已太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為自己的大學(xué)生涯劃一個(gè)圓滿的句號(hào)。這篇論文的完成與老師白曉磊的悉心指導(dǎo)是分不開(kāi)的。在整個(gè)課題的設(shè)計(jì)和論文的寫(xiě)作過(guò)程中，白曉磊老師在各個(gè)方面都給予了我極大的幫助。老師還在繁忙的工作之余給我提供了解決本設(shè)計(jì)的眾多思路并幫我尋找很多寶貴的資料，幫助我精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。并且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)，和無(wú)私的關(guān)懷給我樹(shù)立了做人的榜樣，在此衷心感謝白老師！也感謝王俊林老師在做實(shí)物期間給我提供的物資幫助，衷心感謝所有老師在我大學(xué)學(xué)習(xí)階段給予我學(xué)習(xí)和生活上的關(guān)心與支持。感謝在我大學(xué)學(xué)習(xí)階段與我一起歡笑過(guò)、奮斗過(guò)的室友、同學(xué)，與你們一起度過(guò)的快樂(lè)時(shí)光是我美好的回憶。在此，我還要特別感謝我的父母，是你們對(duì)我的關(guān)心、支持、期望和鼓勵(lì)給予我前進(jìn)的決心和力量。感謝我所熱愛(ài)的內(nèi)蒙古大學(xué)鄂爾多斯學(xué)院，在這里我度過(guò)了人生中最為燦爛的時(shí)刻，向所有幫助過(guò)我的老師，朋友表示衷心的感謝！

附錄附錄A：程序清單#include<reg52.h> //定義庫(kù)#include<intrins.h>//定義庫(kù)sbit spb=P1^0; //水平方向反轉(zhuǎn)使能端sbit czb=P1^1; //垂直方向反轉(zhuǎn)使能端sbitspa=P1^2; //水平方向正傳使能端sbitcza=P1^3; //垂直方向正傳使能端charzhuan[8]={0xf6,0xf7,0xf3,0xfb,0xf9,0xfd,0xfc,0x