毕业论文--基于单片机的太阳跟踪系统.doc
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1、基于单片机的太阳跟踪系统设计摘要:针对现代社会能源越来越匮乏的现状,以常规能源为基础的能源结构随资源的不断好用将愈来愈不适应可持续发展的需要。太阳能是已知的最原始的能源它干净、可再生、丰富,而且分布范围广,具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低,这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及。太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径,从而大大提高了太阳能的利用效率。本设计采用光电跟踪的方法,利用步进电机双轴驱动,由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理器。微机处理器运行程序,通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制,调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。采用单片机
2、来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率,并具有较广泛的应用前景。 关键词:太阳能;跟踪;光敏二极管;单片机;步进电机 Design of Sun Tracking System Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: According to the status that increasingly lack of energy in modernsociety, conventional energy-based energy structure with the continuousconsumption of resource
3、s will become increasingly unsuited to the needs of sustainable development. Solar energy is known as the most primitive energy, and it is clean、renewable、rich and wide distribution and has wide prospects of use. But the solar energy utilization efficiency is low; the problem has been influencing an
4、d hindering the popularity of solar energy technology. Solar energy to be automatic tracking system designed to solve the problem provide the new way which greatly improve the efficiency in the use of solar energy. This design uses the photoelectric tracking method, and use the stepping motor driver
5、, by photoelectric sensor incident, then the strength of the lights changes produce feedback signals to the computer processor, and computer processor will run the program, through the horizontal tracking mechanism and pitch two degrees of freedom control to adjust the angle of solar panels to achie
6、ve the tracking of the sun. Solar tracking system by single chip microcomputer to achieve can improve the efficiency of conversion of photoelectric Solar panels, and has a broad prospect of application.Key words: Solar energy;Tracking;Photosensitive diode ;SCM;Stepping motor 目 录1绪论11.1课题研究背景11.1.1国外
7、现状11.1.2国内现状11.1.3目前太阳能的开发和利用21.2太阳光跟踪的方法21.2.1光电跟踪21.2.2时日运动轨迹跟踪介绍21.3系统的原理叙述32方案研究与选取52.1方案一52.2方案二52.3方案的确定63硬件电路分析73.1AT89C52单片机模块73.1.1单片机的选取73.1.2 AT89C52单片机模块电路设计73.1.3单片机复位电路的设计83.2电源引入模块93.3时钟模块103.3.1 时钟分频芯片74LS74103.3.2时钟模块电路设计103.4光强度采集模块113.4.1光电器件的选择113.4.2光强度采集模块电路设计123.5 A/D转换模块133.5
8、.1 ADC0809芯片介绍133.5.2 ADC0809应用说明153.6四位一体数码管显示模块173.6.1 LED数码管介绍173.6.2数码管显示模块电路173.7太阳光跟踪控制模块183.7.1步进电机的介绍183.7.2步进电机控制电路设计193.7.3步进电机的驱动电路原理204太阳光跟踪系统的软件设计224.1主程序设计及工作原理224.2光强度检测程序设计224.3步进电机控制程序设计234.4数码管显示程序设计235硬软件调试255.1硬件调试255.2软件调试265.2.1数码管显示的调试265.2.2光强度检测和A/D转换部分的调试265.2.3电机控制部分调试265.
9、3设计中遇到的问题及其解决方法266设计结果和数据分析286.1设计结果286.2数据分析28结 论29致 谢31参考文献32附 录33附录一33附录二33附录三341绪论1.1课题研究背景1.1.1国外现状 常规能源资源的有限性和环境压力的增加,使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。近几年,国际光伏发电迅猛发展。1973年,美国制定了政府级阳光发电计划;1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划,累计投资达8亿多美元;1994年度的财政预算中,光伏发电的预算达7800多万美元,比1993年增加了234;1997年美国和欧洲相继宣布百万屋顶光伏计划,美国计划到2010年
10、安装10003000MW太阳电池。日本不甘落后,1997年补贴屋顶光伏计划的经费高达9200万美元,安装目标是7600Mw。印度计划19982002年太阳电池总产量为150MW,其中2002年为50Mw。 国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展,光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止,世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦,电池转换效率提高到15以上,系统造价和发电成本已分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;在太阳热利用方面,由于技术日趋成熟,应用规模越来越大,仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。太阳能热发电在技术上也有所突破,目前已有20余座大型太
11、阳能热发电站正在运行或建设。1.1.2国内现状 煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源,开发利用前景广阔。太阳能光伏发电应用始于70年代,真正快速发展是在80年代。在1983年一1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线,使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4.5兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无电地区,年销售约1.1兆瓦,成效显著。1.1.3目前太阳能的开发和利用 人类直接利用太阳能有三大技术领域,即光热转
12、换、光电转换和光化学转换,此外,还有储能技术。 太阳光热转换技术的产品很多,例如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具等等。可以说太阳能应用的前景十分广阔。1.2太阳光跟踪的方法 目前太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能,为了收集到尽可能多的太阳能,最好采取跟踪方式,使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。传统的跟踪方式主要采用以下这两种方式:光电跟踪和视日运动轨迹跟踪;前者是闭环的随机系统,后者是开环的程控系统。 1.2.1光电跟踪 目前,国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式,这些光电跟踪装置都使用
13、光敏传感器如硅光电管。在这些装置中,光电管的安装靠近遮光板,调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区;当太阳西移时遮光板的阴影偏移,光电管受到阳光直射输出一定值的微电流,作为偏差信号,经放大电路放大,由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高,结构设计较为方便;但受天气的影响很大,如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况,太阳光线往往不能照到硅光电管上,导致跟踪装置无法对准太阳,甚至会引起执行机构的误动作。 1.2.2时日运动轨迹跟踪介绍 根据跟踪系统的轴数,视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。 (1)双轴跟踪 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳
14、就可以获得最多的太阳能,全跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。 例如极轴式全跟踪 极轴式全跟踪原理:聚光镜的一轴指向天球北极,即与地球自转轴。工作时反射镜面绕极轴运转,其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化,常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂,但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线,极轴支承装置的设计比较困难。 (2)单轴跟踪 单轴跟踪又可分为水平单轴跟踪、不同倾角单轴跟踪、最佳倾角跟踪。 此作品跟踪原理是用光敏电阻代替传感器,在采集板上控
15、制电机转速转动一角度后采集此时的光强,继续运转电机采集,在一定时间内电机转动一圈后采集的数据通过比较来寻找光强最大的位置。这种跟踪方式相对来说比较简单实用,但是在找光强位置有可能误差有点大不精准。1.3系统的原理叙述 本控制系统采用的太阳光跟踪方式跟传统的光电跟踪和视日运动轨迹跟踪方式有所不同。从前面可以了解到两种跟踪方法的优缺点,两种方法具有很强的互补性。此次设计方案就是一个简单的一个单轴跟踪系统。 系统硬件上主要有以下几个模块组成:电源模块、单片机最小系统模块、A/D转换模块、光强度检测、步进电机控制模块和数码管显示模块。其主要以单片机AT89C52为核心,使步进电机控制模块转动的轨迹进行
16、跟踪判断,通过光强度检测模块采集数据,使它能够监测 周围光线状况,经过A/D模数转换后同时用数码管显示出当时太阳的相对光照强度。 例如,在一天内阳光充沛的时间段里系统采用这个方案的跟踪模式,在天气发生变化,阳光被云遮挡的情况下就要通过人工在外界设置一个比较亮的光源让这方案可以顺利进行。这种方法一定程度的解决了光电跟踪易受天气、环境干扰而发生系统紊乱或停止工作的问题。控制程序运行发送相应的脉冲信号到步进电机驱动器,步进电机带动运动执行机构按一定的方向转动相应的角度,角度的大小为开始设定的理论值,使采光光敏电阻跟随电机开始一个角度的转动后,然后程序再读取光电检测电路相连接的端口的信号,进而再次发送
17、脉冲控制步进电机调整太阳能采光板的角度,并将调整后的预修正量储存,一直循环跟踪动作直到转完360。完成一步跟踪动作后把前面的所有数值进行一个比较,找出光照最强的位置然后通过控制程序控制步进电机反转到光强最大的位置位置。如此循环太阳实际位置电控单元电机传动装置太阳能利用装置光电传感器往复,实现对太阳光的跟踪。其跟踪的系统原理图如图1所示。图1太阳能自动跟踪总体框图光电转换A/D模数转换52单片机电机驱动数码管显示步进电机其硬件设计流程图如图2所示。图2硬件设计结构框图2方案研究与选取 由前面可以知道,传方法有两种:光电跟踪和视日轨迹跟踪;跟踪装置也可以选择单轴跟踪或者双轴跟踪;轨迹坐标计算也可以
18、选择地平坐标或者赤道坐标。但是结合了本设计的要求以及从前面中了解到的各类方法的优缺点后,本设计系统方案做了以下方案分析:2.1方案一 本方案的太阳光跟踪系统是有光电二极管、AT89C52单片机、时钟电路、A/D转换、多位数码管显示电路、控制电路等主要模块组成。传感器部分采用光敏二极管,将光信号变换为电信号。经过A/D转换将其转化离散的数字信号。控制电路以单片机为核心1,能够对采集的数字信号进行处理和判断,运用一定的算法计算出相应的太阳相对的角度值送到七段数码管LED显示出来,太阳光控制电路光敏二极管检测电路A/D转换AT89C52电源模块时钟模块电机控制电路模块多位数码管显示根据太阳的位置移动
19、。系统框图如图3所示。图3方案一系统框图2.2方案二本方案的太阳光跟踪系统采用以单片机STC12C5A60S2为核心,光强度检测模块,时钟模块,步进电机控制电路模块和12864液晶显示等主要模块组成。传感器采用光敏电阻,STC12C5A6S2单片机自带10位A/D,能够识别模拟信号,并内部实现模/数转换得到数字信号输出到LCD显示。控制电路以单片机为核心,能够对采集的模拟信号进行处理和判断,应用一定的算法计算出太阳相对的位光强度检测电路STC12C5A60S2电源模块时钟模块步进电机控制电路模块12864液晶显示模块置,送到LCD显示出来。并对步进电机实现控制。系统框图如图4所示。图4方案二系
20、统框图2.3方案的确定比较以上两方案可知,系统的工作原理是一致的,都是通过传感器采集太阳光并间接或直接将其转化成单片机能够识别的信号2,通过单片机的处理将其实时显示出来,步进电机控制电路根据单片机传出的信号转动。所不同的是采用元器件差异,但从单片机方面考虑,方案一所使用的传统的单片机器件较方案二所使用的系列成本低,LED七段数码管也比LCD低廉。根据实际情况方案一的元器件基本都是自己比较熟悉的器件,运用起来比较灵活,原理简单容易理解方便写程序代码。综合考虑,最后确定选择方案一。系统组成及工作原理以单片机为控制核心,采用光强度检测电路测量,以光敏电阻传感器作为测量元件,构成光电测量模块。该系统可
21、分为电源控制模块电路、光电测量电路、时钟电路、步进电机控制电路、单片机、LED显示电路、A/D转换电路。选用的主要器件有:光敏电阻,时钟芯片74LS74,AT89C52,LED数码管,步进电机与转换芯片ADC0809等。3硬件电路分析3.1AT89C52单片机模块3.1.1单片机的选取 AT89C52是一个低功耗高性能单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外部中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地
22、降低开发成本3。 AT89C52引脚图4如图5所示。图5 AT89C52封装管脚分布图3.1.2 AT89C52单片机模块电路设计系统的时钟电路设计是采用的内部方式,AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的
23、选择陶瓷电容,电容值约为20PF。在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠地工作5。电路设计如图6所示。图6单片机电路模块设计3.1.3单片机复位电路的设计 复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式,此电路系统采用的是上电与按钮复位电路,复位电路的实现通常有两种方式,即专用监控电路和RC复位电路。前者电路实现简单,成本低,但复位可靠性相对较低,后者相对较高,但复位可靠性高,尤其是高可靠重复复位。对于复位要求高、并对电源电压进行监视的场合,大多采用这种方式。 本设计中,时钟频率选用12MHz
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