全天候太阳能跟踪系统设计大学本科毕业论文.docx

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全天候太阳能跟踪系统设计大学本科毕业论文

毕业设计（论文）

全天候太阳能跟踪系统设计

毕业设计

诚信承诺书

本人郑重承诺：

我所呈交的毕业设计《太阳跟踪系统》是在李福教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

承诺人签名：

日期：

年月

全天候太阳能跟踪系统设计

摘要

全天候太阳能跟踪系统是针对太阳能空调、太阳能制氢、太阳辐照度测量、材料老化实验、高效太阳能光伏发电、高效太阳能热水器等需要对太阳进行实时跟踪的应用领域而设计的。

太阳能跟踪系统的设计是综合运用物理学、光学，运动学、控制理论等学科体现，是当前国内外研究的热点问题之一。

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。

所以实现对太阳全天候跟踪，是提高对太阳能运用，利用率有重大意义。

本人制作全天候太阳能跟踪系统，该系统可以对太阳全方位跟踪，具有两个自由度的跟踪能力。

经过黑夜或阴天后，只要太阳一出即可跟踪，工作可靠稳定。

该系统运用ATMEL公司AT89C52控制芯片，通过对运放器LM354N,LM358组成比较模块对光敏电阻对光线的感应强度和设定基准电压比较结果的检测，并对检测结果进行逻辑运算后，对负责方位角和高度角的步进电机进行控制，从而实现对太阳全方位跟踪。

1602液晶显示模块，显示系统当前的工作状态及时间。

在该论文中详细阐述了控制系统的组成结构和工作原理。

该方法利用九个光敏电阻对当前环境光线强度进行感应，在不同强度亮度下，光敏电阻的阻值不一样，所以比较器的正输入电压也不同。

如果跟踪板不是正对的太阳，那么九个光敏电阻的阻值也不一样，比较器正输入的电压也不一样，如果正输入电压高于设定的基准电压，比较器将输出一个信号给单片机，单片机根据比较器输入的信号进行逻辑运算，然后控制相应步进电机旋转，直到九个光敏电阻感应光线强度一样。

在接受控制电路中引入单片机，通过充分利用其软、硬件资源，使系统具有优异的智能性、可扩展性、可升级性和操作方便，为对太阳全天候跟踪提供了合理、廉价的解决方案等特点。

最后进行了系统联合调试，结果表明：

系统的软、硬件设计合理可行，为后续的研究工作奠定了基础。

关键词：

光敏电阻组合检测元件比较器模块单片机（AT89C52）液晶显示屏（1602）

All-weatherSolarTrackingSystem

ABSTRACT

All-weathersolartrackingsystemforsolarairconditioning、Solarhydrogenproduction、Solarirradiancemeasurements、materialsagingtest、solarphotovoltaic、solarwaterheatersandotherhighneedforsolarapplicationsinreal-timetrackingdesigned.

SolarTrackingSystemisacomprehensiveapplicationofphysics,optics,kinematics,controltheoryandotherdisciplinesreflected,isthecurrenthottopicofresearchathomeandabroad.Solarisanenergy,isrenewableenergy.Itisrichinresources,bothfree,thennotransport,nopollutionontheenvironment.Tocreateanewhumanlifeforms,andhumansocietyintoaeraofenergyconservationtoreducepollution.So,all-weathertracktorealizethesunistoimprovetheuseofsolarenergy,utilizationofgreatsignificance。

Imadeall-weathersolartrackingsystem,thesystemcantrackthesunall-round,withtwodegreesoffreedomtracking.Throughthenightorcloudydays,theonlyoneyoucantrackthesun,reliablestability.

ATMELCorporationAT89C52useofthesystemcontrolchip,throughtheopampdeviceLM354N,LM358modulecomposedofrelativelylightonthephotosensitivesensorresistanceontheintensityandsetthecomparisonreferencevoltagedetection,andtestresultsoflogicaloperations,theresponsiblepositionangleandelevationangleofthesteppingmotorcontrol,inordertoachievefull-trackthesun.1602LCDModule,DisplaySystemonthecurrentworkstatusandtime.Inthemethoddescribedindetailthecompositionofthecontrolsystemstructureandworkingprinciple.Themethodusesninephotosensitiveresistanceonthecurrentambientlightintensitysensor,atdifferentintensityoflight,thephotosensitiveresistornotthesame,sothepositivecomparatorinputvoltageisdifferent.Ifthetrackpadisnotworkingonthesun,thentheresistanceofninephotosensitivenotthesame,thecomparatorinputvoltageisnotthesame,iftheinputvoltageishigherthanthesetreferencevoltage,thecomparatorwilloutputasignaltotheSCM,SCMcomparatorinputsignalaccordingtologicaloperations,andthencontrolthecorrespondingsteppermotorrotation,until9photosensitiveresistanceaslightintensitysensor.

Inaninterviewwiththeintroductionofsinglechipcontrolcircuit,bytakingadvantageofitssoftwareandhardwareresources,thesystemhassuperiorintelligence,scalability,scalableandeasytooperatlyweatherGenzongthesunprovidesareasonable,affordablesolutionscharacteristics.Finally,ajointtrial,theresultsshowthat:

thesystemsoftwareandhardwaredesignisreasonablypracticable,forthefollow-upresearchfoundation.

Keywords:

photosensitivedetectionelementscombinedresistancecomparatormodulemicrocontroller（AT89C52）liquidcrystaldisplay（1602）

摘要……………………………………………………………I

ABSTRACT……………………………………………………II

1概论…………………………………………………………1

1.1太阳能全天候跟踪系统发展现状……………………………1

1.2太阳能全天候跟踪系统设计思想…………………………1

1.3太阳能全天候跟踪系统研究意义…………………………2

1.4研究目标.研究内容及拟解决关键问题…………………2

2系统主控制器…………………………………………………2

2.1主控制器选用………………………………………………2

2.2控制器介绍…………………………………………………3

2.3AT89C52……………………………………………………3

3系统显示模块…………………………………………………5

3.1显示模块选用………………………………………………5

4驱动元件………………………………………………………7

4.1直流电机与步进电机的比较………………………………7

4.2步进电机控制原理…………………………………………7

4.3步进电机正反转控制时序…………………………8

5比较器与光敏电阻…………………………………………9

6检测模块设计………………………………………………10

6.1方案……………………………………………………10

6.1方案论证…………………………………………………11

6.2光敏电阻与板夹角…………………………………………11

7太阳能全天候跟踪系统电源设计………………………12

7.1方案…………………………………………………………12

7.2方案论证……………………………………………………12

8系统组成原理…………………………………………………12

8.1接收系统……………………………………………………12

8.2用户控制系统………………………………………………14

8.3显示系统……………………………………………………14

9系统软件设计…………………………………………………15

9.1软件流程图…………………………………………………15

9.2程序清单……………………………………………………18

结束语……………………………………………………………33

参考文献……………………………………………………34

附录………………………………………………………………35

谢辞………………………………………………………………36

1概论

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。

所以实现对太阳全天候跟踪具有重大意义。

1．1太阳全天候跟踪系统的发展现状

目前对太阳进行跟踪的仪器有：

Ø单轴太阳能自动跟踪器

Ø步进式太阳能自动跟踪

Ø可自动跟踪的太阳灶

Ø五像限法太阳自动跟踪仪

Ø单轴液压式自动跟踪

Ø极轴式跟踪

不足：

结构复杂，跟踪精度不高，不能全自动跟踪

1.2太阳跟踪系统的设计思想

Ø检测规划

检测规划是跟踪系统的一个重要问题。

它的目标是在一个光亮强度差不多环境中，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多元法三维，多元法三维就把检测系统接受板分成九个单元，太阳光线从不同角照射到接受板，检测元件感应光线强度不同。

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。

Ø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，步进转动角度应该比太阳偏移角度相等，这就要求步进电机的步进角要足够小。

1.3全天候太阳能跟踪系统的研究意义：

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。

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。

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全天候跟踪系统，是提高太阳能利用率根本方法。

本研究课题是集机电、光学，计算机，控制理论为一体的，体现了电子信息专业多学科相结合，相互渗透的特点。

科技以人为本，是为人类服务的，本人设计的太阳能全天候跟踪系统充分的体现了该特点，体现出人类与环境的和平相处，解决能源危机，造福于人类和社会，所以太阳能全天候跟踪系统是值得研究和实际运用的。

本课题的研究成功，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

Ø研究的目标

本课题主要是利用单片机知识，设计一个太阳能全天候跟踪系统，其突破点在对太阳精确位置检测的系统的设计、步进电机动作指令系统（与太阳同步偏移）的设计、实时显示系统工作状态与人性化时间调节的设计。

Ø研究的关键问题

本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路

●太阳高度角跟踪的实现。

●太阳方位角跟踪的实现。

●经过阴雨天气后，太阳一出来立即跟踪的实现。

●人性化界面的设计，分为人与单片机沟通和时间显示程序。

Ø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系统主控制器

2.1主控制器的选用

本系统的主要控制器件采用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。

89C5X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，选择该系列的89C52单片机作为水面打捞垃圾机器人的核心控制器件。

2.2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

微控制器在机器人中完成的主要功能是：

首先，把由光传感器或超声波传感器、无线接收机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、继电器）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。

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。

换句话说，可将开关的状态变化表示为“0”和“1”两种方式，计算机通过许多种开关的组合来表示。

2.3AT89C52

2.3.189C52的特点

89C52是一种小型单片机。

其主要特点为：

采用Flash储存器技术，降低了制造成本；其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦特性，使得开发与试验比较容易。

图2-2AT89C52引脚图

在引脚的驱动能力上，89C52具有很强的下拉能力。

P1、P3的下拉能力均可达到20mA；相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力最大只有15mA，而且限定9脚电流之间要小于81mA，这样，引脚的平均电流只9mA。

89C52驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管。

对于一些不太复杂的控制电路，我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。

2.3.289C52单片机的电源系统

89C52有很宽的工作电源电压，当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。

89C52工作于12MHZ时，动态电路为5.5mA，空闲态电流为1mA，掉电状态电流仅为20nA。

这样小的功耗很适合电池供电的小型控制系统。

2.3.389C52单片机的储存系统

89C52单片机内含有4K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM，与80C31内部类似。

由于52内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为0～20MHZ，也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。

相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHZ，因为其内部的RAM是动态刷新的。

2.3.489C2051单片机的内部I/O控制

89C52有32个I/O线，在内部I/O控制上继承了MCS-31的特征：

5路三级中断源结构，1个全双工串行口，2路16位定时器/计数器。

3系统显示模块

3.1显示模块选用

显示模块有数码显示和液晶屏显示，显示同样字符，数码管占用单片机资源比液晶屏多很多，功耗也大很多。

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：

发光管、LED数码管、液晶显示器。

发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在单片机系统中应用液晶显示器作为显示器件有以下几个优点：

●显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

●数字式接口

    液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

●功耗低

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

●字符的显示

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标。

   字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

本系统采用1602字符型液晶显示器，图1，图2，图3分别是1602的实物，显示地址，字符代码与图形对应图。

Ø

图3-1液晶屏显示

Ø

图3-21602LCD内部显示地址

表3-1字符代码与图形对应图

4驱动元件

4.1直流电机与步进电机的比较

电机是我们的生活中不可或缺的动力源，常用的有交流电机，步进电机和直流电机。

直流电机是日常生活中广泛使用的一个电气产品，太阳能全天候跟踪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（也称脉冲电机）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。

换句话说，要使它转动必须借助控制电路，在这个控制电路中，往往需要微控制器或专用芯片。

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，这些特性全天候跟踪系统转动控制都是很有利的。

由于全天候控制系统是随的太阳转动的，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。

4.2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）。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

●结构：

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）

●旋转：

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

由此可见：

电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这