基于單片機的太陽光線跟蹤系統(tǒng)的方案設(shè)計大學(xué)本科畢業(yè)論文

2014屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計說明書題目:基于單片機的太陽光線跟蹤系統(tǒng)的方案設(shè)計引言1.1 能源的重要性能源短缺在我們的想象中可能就是停電，無法看電視，沒有電話，簡單點說就是回到了20年前。然而事實卻并不像我們想象的那樣，比如2012年7月30日和7月31日的印度大停電,印度東北部六億七千萬人口也就是世界十分之一的人口一下陷入了黑暗。因停電引起的交通信號中斷使得印度一半以上的火車被困在東北部而無法正常運行，大量旅客滯留這就無法避免了。停電同樣導(dǎo)致首都新德里的地下交通完全癱瘓,公路交通同樣陷入一片混亂,跟可怕的是供水也發(fā)生了中斷。這僅僅是一次電力中斷，結(jié)果已經(jīng)讓我們一窺能源短缺對我們工作和生活的影響，如果所有的能源都供應(yīng)中斷了，社會將是一種什么畫面呢？會有什么嚴重的社會動蕩發(fā)生呢？這些想都不敢想。人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)就是能源尤其是現(xiàn)代社會,人類社會的不斷發(fā)展離不開不斷進步的能源利用方式。有了能源利用的革命才有工業(yè)革命,最終出現(xiàn)了人類社會的革命。可以說,沒有能源,就沒有現(xiàn)代文明,人類的文明發(fā)展史就是一部能源利用的發(fā)展史。第一次工業(yè)革命發(fā)生在18世紀(jì)，在1871這一年瓦特改良了蒸汽機，從而開啟了以機器代替手工勞動的時代。1859年世界第一口油井在美國賓夕法尼亞州被開發(fā)，這之后出現(xiàn)了內(nèi)燃機、汽車、飛機...第二次工業(yè)革命是因為法拉利發(fā)明了電，現(xiàn)代科技開始出現(xiàn)和快速發(fā)展。電子、通信、計算機、互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深深的影響和改變我們的生活方式了。1.2 能源形勢世界石油的總儲量在2700-6500億噸之間。同時也有7000億噸存儲在油砂和油頁巖中。但是樂觀估計也只有1750億噸可被取回利用，悲觀點估計也就1000億噸。按現(xiàn)在世界每年耗油量30億噸計算，可用130年左右。可是現(xiàn)在已查明可開采石油儲量879億噸左右，如果每年開采30億噸則29年就使用完了。天然氣的存儲量也不是很多只有石油儲量的一半左右，在天然氣儲量上各國專家有不同的說法，大致可分為兩派：保守主義者認為可以用儲量只有70立方米；樂觀主義者認為有281億立方米。我們就按281億來計算也僅僅滿足170年的需求。煤炭的儲量為14000億噸上下，按現(xiàn)在世界每年煤炭消耗煤炭的量估算能夠使用500年?？偟膩碚f，現(xiàn)在使用的自然之源都是不可再生能源無論多少，在不久的將來都會使用完的?，F(xiàn)在就面臨著這個問題將來我么該使用什么能源？1.3 新型能源的開發(fā)和利用上一節(jié)提出的問題該如何解答，答案很簡單就是使用新型可再生能源，比如風(fēng)能、太陽能、水能、潮汐等。其中太陽能是最好的選擇應(yīng)為它具有以下優(yōu)點：普遍性：從每天清晨太陽升起到下午太陽落山，我們每時每刻都在接收太陽的照射，可以說有陽光的地方都是有能量的，陽光無處不在；利用一些技術(shù)隨時隨地都能利用；無害性：太陽光中雖然還有有害成分比如紫外線可是經(jīng)過大氣層到達地球表面的光線基本無害；能量巨大：能量是不會消失的，他只是換了一個方式呈現(xiàn)出來而已，植物知道太陽光蘊含大量能量，所以植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)換成自身需要的能量；長久：在天文學(xué)界有這樣的說法太陽消失的大概在100億年后，這里我們不用杞人憂天因為人的壽命也就80年左右跟太陽相比不值一提，在這么長的時間里人們可以無限制的利用太陽能。同時太陽能也有他的缺點，比如：分散性：地球每天都能接收到大量太陽能可是在給定的地方接收到的太陽能實際上是很低的，也就是說太陽光能量密度不高，再加上太陽能轉(zhuǎn)化效率低實際利用到的太陽能是很有限的。不穩(wěn)定性：白天有太陽而夜晚沒有，晴天有陰天沒有，赤道附近光強兩極光弱，太陽光強度隨著四季變更也發(fā)生變化。效率不高可成本高：由于現(xiàn)有科技水平的限制，很多方面在理論上是可行的可是在實際應(yīng)用中還存在技術(shù)難度過大、成本太高的問題。再利用太陽能上是有很多問題存在可是這也不能阻擋，人類對太陽利用的決心。本設(shè)計就是探討了一種提高太陽能利用率方式以及設(shè)計一個簡易模型。2方案論證和總體設(shè)計思路2.1 光線跟蹤在地球上的任意一點，隨著季節(jié)的變化太陽光的入射角都會發(fā)生變化，在每一天的不同時間段入射角也是不同的。無論太陽的入射角如何變化，要想更有效率的利用太陽能只需要保證讓太陽能電池板實時與太陽光線保持垂直就行，要想達到這樣的目的就要用到光線跟蹤系統(tǒng)。光線跟蹤方式可分為：時鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置幾種，在這里簡單介紹幾種跟蹤裝置。時鐘式可以分為單軸和雙軸，但工作原理是一樣的，就是通過測量太陽每分鐘在天空中運動的角度，從而計算出太陽跟隨器應(yīng)該轉(zhuǎn)動的角度，然后確定出電機的轉(zhuǎn)速，這樣就保證了太陽跟隨器能跟著太陽旋轉(zhuǎn)。但是他有一個致命缺點：跟蹤精度不夠。光電式太陽跟蹤裝置。光電式太陽跟蹤裝置使用的是光敏電阻構(gòu)成的光敏傳感器來測定太陽光線的方向，當(dāng)太陽光線的方向與跟蹤裝置的中心軸達到預(yù)先設(shè)定的臨界值時，動力裝置就會工作調(diào)整跟蹤裝置的位置，使太陽能電池板等更太陽光線垂直，從而實現(xiàn)對太陽光線全方位實時追蹤。跟上一種跟蹤方式相比，光電式太陽跟蹤器通過實時監(jiān)測太陽光實現(xiàn)了較精確的控制，并且電路設(shè)計不是很復(fù)雜，現(xiàn)在受到了和高的關(guān)注?，F(xiàn)在使用較多的光電式太陽跟蹤有兩種比較式和“多元化”。如圖2.1為光電式太陽跟蹤裝置的工作原理圖。太陽實際位置太陽實際位置執(zhí)行機構(gòu)集熱裝置光敏傳感器+-集熱裝置實驗位置圖2.1光電式太陽跟蹤裝置原理圖2.2比較式太陽跟蹤系統(tǒng)得傳感器外形圖比較式太陽跟蹤裝置就是用八個光敏電阻分別一個不透光圓筒的外部和內(nèi)部的上下和左右，如圖2.2所示。P1和P3分別在圓筒左右兩側(cè)，他們是用來粗略測量太陽從東向西運動過程中的偏轉(zhuǎn)角度也就是方位角。同理，位于上下兩側(cè)的P2和P4是用來粗略測量太陽的俯仰角度也即是高度角。在管內(nèi)同樣設(shè)置了兩對相對的光敏電阻，他們是用來精確測定太陽光線方向的，P5和P7精確測定方位角，P6和P8精確測定高度角。本次設(shè)計粗略定位太陽光線已足夠，在這里就對如何精確定的問題不做討論，僅討論粗略定位問題。我們先假設(shè)太陽跟蹤裝置跟太陽光線是垂直的，此時光敏電阻P1和P3都能接收到相同的光線，由光敏電阻的特性可知，當(dāng)入射光線強度相同時光敏電阻的阻值也相同，每個光線感應(yīng)模塊都輸出低電平，不同時光線弱的哪個傳感器就會輸出高電平，經(jīng)過一段時間隨著地球的自轉(zhuǎn)太陽會偏到跟蹤裝置的西側(cè)，這時光敏電阻P3還能接受到光線，然而P1由于圓筒形擋光板的遮擋而接收不到光線，這時P3輸出低電平P1低電平，證明跟蹤裝置與太陽光線方向不垂直。然后把這個信號傳給控制單元，控制跟蹤器工作，從而實現(xiàn)對方位角的實時跟蹤。同樣的原理，高度角的跟蹤也是這樣的。2.2 方案論證根據(jù)以上的論述可以確定使用光電式雙軸跟蹤方式實現(xiàn)對太陽光的實時跟蹤是可行的。本方案的太陽光跟蹤系統(tǒng)是有光電二極管、AT89c52單片機、NE555定時器、控制電路等主要模塊組成。傳感器部分采用光敏二極管，將光信號變換為電信號。經(jīng)過NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出數(shù)字信號?？刂齐娐芬詥纹瑱C為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號進行處理和判斷，使用一定的算法判斷出太陽光的方向，然后控制動力裝置實現(xiàn)對太陽的跟蹤。系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。光敏電阻光敏電阻檢測電路NE555定時器AT89C52單片機電源模塊電機控制模塊圖2.3方案設(shè)計系統(tǒng)框圖3硬件電路的設(shè)計和選擇3.1 光線傳感模塊 （1） NE555定時器圖3.1555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1這是555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他主要有比較器C1和C2、SR鎖存器和三極管V1三部分構(gòu)成。555定時器最開始的用途是作為定時器使用，不過經(jīng)過開發(fā)現(xiàn)在可以很輕松的構(gòu)成斯密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。NE555各管腳的功能圖3.2NE555封裝圖圖3.3NE555實拍圖555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖3.2所示，圖3.3為NE555實拍圖1腳為地端；2腳為比較器C2的輸入端也稱觸發(fā)輸入端（用TR’標(biāo)注）；3腳為輸出端，輸出電平受到C1比較器6管腳和C2比較器2管腳的控制； 4腳是置零輸入端。當(dāng)4管腳被接上低電平輸出端3管腳輸出低電平，且不受其他影響； 5腳是控制端。當(dāng)5腳懸空時UR1=2/3Ucc，當(dāng)5管腳連接固定電壓時UR1=Uco，UR2=1/2Uco； 6管腳是比較器C1輸入端；7腳稱放電端，他和輸出端3管腳一樣，都輸出電平不同的是3管腳還輸出電流而7管腳不輸出，可以理解為虛高；8腳就是電源輸入端。（2） NE555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 本次設(shè)計是用NE555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，來測定入射光強度。圖3.4光線檢測模塊在學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的時候我們學(xué)習(xí)了由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。NE555定時器的2引腳為脈沖信號輸入端，當(dāng)2引腳沒有脈沖信號時是處于高電平的，無論接通電源時SR鎖存器的Q端是0還是1，定時器的輸出端3引腳的輸出U0始終為零。當(dāng)有觸發(fā)脈沖輸入到NE555時并使引腳2的輸入電壓跳變到1/3Ucc一下時，輸出管腳3的電平跳變?yōu)楦唠娖郊碪0=1，此時電路在暫穩(wěn)態(tài)。如果此時輸入端觸發(fā)信號消失，輸入端2引腳再次回到高電平，同樣輸出端也會回到低電平。若不消失，輸出繼續(xù)維持高電平。這是555定時器構(gòu)成單穩(wěn)電路的工作特性。圖3.4是本次設(shè)計使用的光檢測模塊，單穩(wěn)電路的輸入端跟光敏電阻和滑動變阻器相連。這里是根據(jù)光敏電阻的特性光越強阻值越小、光越弱阻值越大，當(dāng)光線不足時滑動變阻器兩端的電壓會減小，當(dāng)減小到Ucc的1/3時，輸出端引腳3就會輸出高電平，這時單片機讀取信息并處理。P2P2P4P3P1圖3.5光檢測模塊分布示意圖（3） 如何判斷太陽光方向 雖然單片機接收到高電平知道光線不足，但是單個光線檢測器不能夠確定到底太陽光在哪個方向。這里我們用到了四個光敏電阻構(gòu)成的檢測模塊，分別分布在圓柱形擋板外側(cè)，P1和P3比較可以得出太陽的方位角，P2和P4比較可以得出太陽的高度角。四個傳感器相符配合能夠確定出太陽光線準(zhǔn)確方向。3.2 單片機處理模塊STC89C52功能簡介圖3.6單片機的DPI封裝圖關(guān)于單片機功能以及各個引腳功能的介紹已經(jīng)太多，這里只是簡單介紹一下。本次設(shè)計使用的的STC89c52RC單片機，片內(nèi)有8k的Rom滿足本次設(shè)計程序存放。需要注意的一點事本次設(shè)計中并沒誰有給單片機設(shè)置復(fù)位電路（圖3.7），因為這款單片機自帶自動上電復(fù)位電路，無需外接復(fù)位電路。圖3.7單片機的復(fù)位電路圖3.3 控制裝置的選擇（1） 各種可用于本設(shè)計電機的比較 直流電機顧名思義就是用直流電驅(qū)動的電機，能夠把電能轉(zhuǎn)化成機械能。直流電機的優(yōu)點就是轉(zhuǎn)速均勻機械強度高，缺點就是轉(zhuǎn)動角度難以控制。步進電機（圖3.8）是通過PWM波信號控制電機轉(zhuǎn)動角度來實現(xiàn)角度變化。也可以這樣說PWM波信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動給定角度，然后根據(jù)信號個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動幾次。在正常工作下步進電機轉(zhuǎn)動角度是不受外接負載影響的。圖3.8步進電機實拍圖圖3.9舵機實拍圖舵機（圖3.9）又稱伺候機，在航模和自動化中有廣泛應(yīng)用。舵機是由外殼、電路板、無核心馬達、減速齒輪組和位置判斷電路組成。他主要是接收指令，根據(jù)指令轉(zhuǎn)動到一個特定位置來達到精確控制目的。舵機工作電壓為4-6伏，一般取5伏，所以舵機不能跟單片機直接相連，因為單片機管腳的輸出電壓只有3伏，需要額外電源供電。如果供電不足舵機會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。舵機是用PWM波控制的并且這個PWM波的周期一定要是20ms（頻率為50Hz），一般情況下舵機型號不同可轉(zhuǎn)動角度不同通常情況下舵機能轉(zhuǎn)動180度，舵機在接收不同寬度脈沖時轉(zhuǎn)動角度不同，一般情況下舵機只能接收寬度為1ms-2ms的脈沖信號，如圖3.10所示圖3.10不同脈沖寬度對應(yīng)轉(zhuǎn)動角度（2） 動力裝置選擇 直流電機不易控制轉(zhuǎn)動角度，不適合本設(shè)計?，F(xiàn)在只剩舵機和步進電機，步進電機不僅能夠精確控制轉(zhuǎn)動角度，還能360度全方位旋轉(zhuǎn)，很符合本設(shè)計需要。但是如果選用步進電機就要面臨一個很棘手的問題，對于沒有學(xué)習(xí)過結(jié)構(gòu)力學(xué)的我來說動手做一個安放兩個步進電機的支架是很困難的。舵機雖然只能旋轉(zhuǎn)180度，但是舵機有云臺可以使用?，F(xiàn)初步選擇舵機作為本次設(shè)計的動力裝置。不過還有一個更重要的問題就是舵機只能旋轉(zhuǎn)180度能不能達到對太陽光的實時跟蹤？我們現(xiàn)在以北京為例（東經(jīng)116.3o，北緯39.95o）來計算一天中太陽方位角的變化，根據(jù)公式太陽方位角；h—太陽高度角；δ—太陽赤緯；Ω—太陽的時角計算出北京在6月21日這一天中太陽方位角的變化結(jié)果如表1表1太陽方位角一天中變化從表可以看出，在太陽最靠近北回歸線時太陽在一天中的方位角變化差值也只有180o左右。所以選擇舵機是能夠滿足實時跟蹤太陽光線的設(shè)計需要。最終選擇舵機作為動力裝置。4系統(tǒng)程序設(shè)計4.1 程序設(shè)計總體框圖 本次設(shè)計利用單片機讀取光線檢測器P2和P4的電平高低，如果都為高電平則跟蹤裝置回到初始位置（旋轉(zhuǎn)到最東邊，俯仰角度為90o），證明此時光線強度不足。若至少有一個為低電平，這時檢測P1和P3電平高低，先調(diào)整方位角即東西方向旋轉(zhuǎn)直到P1和P3電平都為低電平為止。然后再檢測P2和P4電平高低調(diào)整高度角，直到電平都為低。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖4.1開始開始P2=P4=1P1=P3=0P2=P4=0回初置P1=0;P3=1P1=1;P3=0向東轉(zhuǎn)向西轉(zhuǎn)P2=1;P4=0P2=0;P4=1向下轉(zhuǎn)向上轉(zhuǎn)YY

Y

N

N

N

N

圖4.1系統(tǒng)框圖4.2 程序源代碼#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitp12=P1^2;sbitp13=P1^3;sbitp32=P3^2;sbitp33=P3^3;sbitp34=P3^4;sbitp35=P3^5;voiddelay10us(uinta) //10us{uinti;for(i=0;i<a;i++){ _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); }}voidpwm(uintx,uinty){if(x<y){ p12=1; p13=1; delay10us(x); p12=0; delay10us(y-x); p13=0; delay10us(2000-y); } else{ p12=1; p13=1; delay10us(y); p13=0; delay10us(x-y); p12=0; delay10us(2000-x); }}voidmain(void){uintm=70; //p12uintn=70;while(1){pwm(m,n);if(p32==1&&p33==0&&m<=110){ m++;}if(p32==0&&p33==1&&m>=30){ m--;}pwm(m,n);if(p34==1&&p35==0&&n<=110){ n++;}if(p34==0&&p35==1&&n>=30){ n--;}if(p34==1&&p35==1){m=n=70;}}}5系統(tǒng)電路的仿真圖5.1系統(tǒng)電路在proteus中的仿真圖 本次設(shè)計使用的是舵機由于舵機沒有在proteus原件庫中，所以有一示波器測試P1.2和P1.3輸出波形。從上邊我們的介紹可知舵機的控制是受到周期為20ms的PWM波控制的，通過觀察這兩個端口輸出波形占空比的變化可以推測出舵機做了什么運動。例如P3.0端口的光線傳感器光線變?nèi)酰瑥膱D5.2可以觀察到P3.0端口接收到了高電平，而P3.1以及P3.4和P3.5都為低電平，當(dāng)單片機接收到這個信號時可以判斷出P1傳感器光線不足，這時單片機就會增大給舵機輸出PWM波的占空比（如圖5.3），當(dāng)P3傳感器光線不足時，同樣道理單片機也會輸出PWM波來改變跟蹤裝置位置，不同的是輸出的是減小占空比的信號（如圖5.5），其中圖5.4是初始位置PWM波。圖5.3占空比變大圖5.4初始占空比圖5.5占空比變小

致謝大學(xué)生活即將結(jié)束，大學(xué)期間，我的老師和同學(xué)給予我生活上的照顧以及學(xué)習(xí)上幫助。有了他們的真心幫助，我才能順利并愉快地完成本科生的學(xué)習(xí)任務(wù)。借此機會我對他們致以最誠摯的感謝和最衷心的祝福。感謝我的導(dǎo)師王珂，他學(xué)識淵博，獨具匠心，對工作認真負責(zé)。王老師嚴謹治學(xué)和精益求精的工作態(tài)度以及提出的許多富有啟發(fā)性的意見使我受益匪淺。在論文的撰寫過程中，我遇到許多困難，是王老師百忙之中幫我解惑，在王老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下，我才能順利完成自己的畢業(yè)論文。同時，從王老師身上，我學(xué)到了許多書本上難以學(xué)到的東西，使我的人生觀和價值觀更加成熟。在此，對他表示深深的感謝!另外，感謝我的家人和朋友，謝謝他們對我的理解和支持，以及無微不至的關(guān)懷。我衷心地想對你們說：謝謝你們！

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