伏光发电太阳跟踪装置设计实验综合设计报告学位论文Word下载.docx

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2.模拟电路图……………………………………………..19

3.电路图………………………………………………..22

摘要

近年，能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。

太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。

随着现代的能源越来越少，有些能源趋于匮乏状态。

所以我们就根据实际情况设计了一个“太阳光自动跟踪控制器”。

现在，我们居住的家园以太阳光最为普遍，它给我们带来了光和热，我们就要合理的利用光和热，来为我们服务。

我们就通过设计的“太阳光自动跟踪控制器”来实现太阳光跟踪。

我们设计的是根据光转换电来实现功能，首先，我们选光敏传感器来实现光电转换，其次，通过OPA2132PA来实现差分运算放大，再由继电器实现电机的正、反转，去控制翻转板的运动。

从而实现太阳光自动跟踪。

光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻：

一只检测太阳光照，另一只检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。

所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳光，调试简单，成本不高，运行可靠。

[关键词]：

光敏电阻，ULN2803，单片机，直流步进电机，74HC573。

一、引言

随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。

步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件,具有快速起动和停止的特点。

因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。

直流电机广泛应用于计算机外围设备（如硬盘、软盘和光盘存储器）、家电产品、医疗器械和电动车上,无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢,并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。

在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。

在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；

锅炉给粉机的原动机是直流电动机。

此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。

直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；

直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。

在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。

他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。

电机的工作原理：

步进电机原理步进电机本质上是一个数字角度转换器。

以三相电机为例,其结构原理见图1。

各相夹角为120°

的定子磁极上均匀分布了5个矩形小齿,没有绕组的转子圆周上也均匀的分布着40个小齿（相邻齿夹角为9°

）。

利用电磁学的性质,在某相绕组通电时,相应的磁极产生磁场,与转子形成磁路如此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐,则在磁场作用下,转子就转动一定角度,达到齿的对齐。

在单三拍控制方式下,若A相通电,B、C相不通电,在磁场作用下使转子齿和A相定子齿相对假设此时为初态并且令与A相中心对齐的转子齿为0号齿,因为B相与A相相差120°

，可知120°

/9°

=133⁄9,不为整数,即此时转子齿与B相不对齐,只是13号齿靠近相的中心,且相差3°

。

如果此时突然变为B相通电,而A、C相都不通电,那么,13号齿会在磁场的作用下转到与相中心对齐的位置,这就是常说的走一步,此时,转子转了。

这样,按照A一B一C一A顺序通电次,可以使转子转动9°

那么步进电机的步距角Q=（360/NZ）°

（式中N=MC为运行拍数；

M为控制绕组相数；

C为状态系数,单三拍或双三拍时C=1,单六拍或双六拍时C=2为转子齿数）。

直流电机的原理：

由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

直流电机的结构：

电机要实现机电能量变换，电路和磁路之间必须有相对运动。

所以旋转电机具备静止的和旋转的两大部分。

静止和旋转部分之间有一定大小的间隙，称为气隙。

静止的部分称为定子，作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。

包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。

旋转部分称为转子或电枢，作用是感应电势实现能量转换。

包括电枢铁心，电枢绕组，换向器、轴和风扇等。

二、工作原理

本设计是基于双单片机系统，搭载于三维转动结构上，通过光敏电阻检测阳光并通过转换电路转换成单片机能识别的数字信号，从而控制步进电机转动，完成对光动作。

该作品主要由水平检光系统和仰角检光系统，每个检光系统又由辅助检光模块和中心检光模块，当辅助检光模块检测到阳光后会产生相应的信息让单片机控制步进电机向相应的方向旋转，直到中心检光模块检测到阳光后停止步进电机的旋转，至此完成了对光的过程。

系统上电后，先手动让水平辅助检光模块在一定范围内检测到阳光，然后水平检光系统将会自动调整到中心检光能检测到阳光的位置，此时水平方向检测完成，然后程序启动仰角检光系统，工作过程和水平检光系统一样，然后程序将不停地检测检测水平检光系统，直到水平辅助检光模块检测到阳光后调整机构重新对光，如此重复。

为了提高太阳能电池的转换效率，以及号召当今社会“低碳”的环保主题，设计了一款基于盛群HT46Ru232的双单片机的太阳能随动系统，分析了传感器的工作原理，研制了跟踪传感器，设计了系统的信号处理及控制电路，设计了三维转动结构，阐述了系统控制的软件实现原理。

该装置能使太阳能电池板在晴天始终保持与太阳光垂直，在夜晚、阴天或太阳光辐照度低于工作照度时将停止工作。

机械机构在三维空间可以自由搜寻，同时系统可以显示温度，太阳的方位角，仰角，并且通过串口与PC上位机通讯，实时控制与信息处理。

2.1系统可行性分析

系统结构简单，在一定范围内寻光准确，性价比高。

跟踪误差小，反应快，并且能实时显示环境温度，太阳在天空中的位置。

检光部分的设计独具特色，放弃了以往昂贵的检光系统，采用简单易实现的狭缝检光，只有阳光和狭缝平行的时候就认为对光成功，提高了检测精度。

系统制作成本低，便于大规模推广与应用，为太阳能电池进一步推广奠定了基础。

号召当今“低碳”主题，加快原有能源的开发利用与改进，加速太阳能电池的推广和降低化石燃料的依赖。

2.2概述

现有的太阳光能自动跟踪控制器主要有二类：

一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器所构成的光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；

二是采用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器来控制电机的正反转。

由于一年四季、早晚与中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两类控制器很难使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。

下面电路框图可有效解决上述难题。

图1

图1为太阳能随动系统的原理框图，太阳能自动跟踪装置通过两个步进电机设计成双轴跟踪系统，同时在方位角和高度角（仰角）两个方向上跟踪，由传感器、信号处理及控制电路、方位角及高度角调整机构组成。

传感器把接收到的光信号转换成电信号，电信号经过信号处理及控制电路后，由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。

输入端的光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻：

2.3设计原则

1.3.1通用性

本设计为自动跟踪控制器，就是为了能突出它的功能的强大，能适应较为广泛的应用场合。

可靠性高、控制功能强等特点。

1.3.2实用性

太阳光自动跟踪控制符合实际需求，不能华而不实。

实用性是第一原则，同时具有可学性。

三、硬件系统组成及功能

3.1太阳光自动跟踪控制器的组成

太阳光自动跟踪控制的主要是由以下几个部分组成。

主要是由光敏电阻，ULN2803，运算放大器，单片机，继电器驱动（放大）电路，直流步进电机，电源供电部分等。

3.2功能及工作原理介绍

现在就主要介绍太阳光自动跟踪控制器的功能和原理：

（1）光敏电阻

它的电阻值随光照的变化而变化。

图1-1是它的外形和电路中的符号。

图1-2为光敏电阻的连接电路。

接通开关，先观察光敏电阻被光照射时发光二极管的发光情况，再观察光敏电阻被不透明物体遮盖时，发光二极管的发光情况。

一般光敏电阻的电阻值，不受光照射时是受光照射时的100～1000倍.例如有一种型号的光敏电阻，光照时的阻值为2千欧，不受光照时的阻值为1000千欧。

（2）ULN2803

ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管组成。

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，可以用来驱动一些设备如图1-3。

图1-3

图1-4：

信号采集电路

（3）信号采集电路

如图1-4所示，J1为光敏电阻，当有阳光照射时，其阻值变的很小并且阻值范围变化很大，故此图是用光敏电阻在检测到阳光是阻值剧烈变化而制作的比较器电路，适当调整可变电阻V1、V2的阻值，当检测到阳光时，比较器电路将输出高电平。

根据不同位置的光敏电阻检测到的信号，编程控制单片机向相应的方向转动，从而完成对光的过程。

图1-5信号放大电路

（4）信号放大电路

如图1-5所示有信号采集系统所采集的信号有图1-5所示电路放大，输入单片机后，单片机对该信号进行判断，是否产生对应的中断来响应，该电路由两个运算放大器组成对小信号有较强的放大效果，可靠性高，稳定性强。

（5）单片机最小系统

图1-6

（6）保护电路

行程开关的连接电路如图1-7所示，S4表示行程开关，他处于常开状态，本系统用光电隔离耦合器，实现行程开关盒单片机电路的电气连接，使用光耦主要是基于一下考虑：

1、响应速度快，电磁继电器响应延迟时间要几毫秒，使用光电耦合器响应速度更快。

2、抗干扰能力强，稳定性得到提高。

光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气连接，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻很大，因此回路一边的各种干扰很难通过光电隔离耦合器转送到另一边，从而被有效的抑制了。

图1-7

行程开关S4处于常开状态，机械装置的方位轴在正常的工作范围内时，发光二极管不发光，三极管处于截止状态，因而输入单片机端口的是高电平；

当机械装置转限时状态时，行程开关S4的机械触头动作，使常开状态的行程开关闭合，发光二极管导通发光，从而使三极管导通，/INT0变为低电平，可以看到，方位轴在正常工作范围到极限位置时，单片机端口会接收到一个负脉冲，正好把单片机的外部中断设置成下降沿输入，并且中断优先级设置为高级，每当单片机接收到下降沿系统立刻响应最高级外部中断，调用中断处理程序，使之回到初始位置。

（7）机械保护及报警电路

图1-8：

机械保护及报警电路

为了防止水平转角系统转动时超过机械上所允许的极限位置，故设计了机械保护电路。

图6中，JP5为碰撞开关，系统正常工作时JP5的1、2引脚相连接，同时1引脚接地，使三极管Q1处于导通使系统正常供电，当转到极限位置是水平旋转盘会碰到碰撞开关使1、2引脚断开，2、3引脚接通，此时电路等效于三极管Q2的基极为高电平，三极管Q2处于截止状态，电路断电，同时三极管Q11的基极接入高电平使其导通从而蜂鸣器报警，指示灯亮。

有效地保护了系统的安全。

（8）步进电机的驱动电路

为进一步降低电路的复杂性以及电路的成本，查阅了有关步进电机原理的的书籍，采用自制的步进电机驱动电路，经过实际测试能满足电路的要求，并能实现正转、反转、加速转动、减速转动以及停止。

步进电机输出力矩不是很大，为了提高输出力矩，采用了大减速比的步进电机，软件上采用双四拍控制步进电机的旋转，经实际测验，均能满足要求。

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，可以用来驱动步进电机。

直流电机功能：

工作原理:

此电机由定子、转子、换向器（又称整流子）、电刷等组成,定子用作产生磁场。

转于是在定子磁场作用下,得到转矩而旋转起来。

换向器及时改变了电流方向,使转子能连续旋转下去。

也就是说,直流电压加在电刷上,经换向器加到转子线圈,流过电流而产生磁场,这磁场与定子的固定磁场作用,转子被强迫转动起来。

当它转动时,由于磁场的相互作用,也将产生反电动势,它的大小正比于转子的速度,方向和所加的直流电压相反。

图1-6（B）给出了等效电路。

Rw代表转子绕组的总电阻,E代表与速度相关的反电动势。

我们在这次的设计中采用的是慢速直流电机（每分钟15转速的直流电机）。

转速也较慢，也比较适合我们这次的设计。

（9）数码管显示电路

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。

1602是常用的液晶显示器，它通常有10脚线1多出来的2条线是背光电源线。

有74HC573锁存器锁存来自单片机的信号，通过74hc573放大信号来驱动数码管显示。

74HC573

SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。

器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；

加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。

当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。

当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。

输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上；

操作电压范围：

2.0V~6.0V；

低输入电流：

四、电气软件工具

使用计算机辅助设计工具进行电子电路设计绘制电路原理图与印制电路板图是现代电子工程技术人员必备的技能。

在我国最普及的辅助设计软件是Protel，目前最流行的版本是ProtelDXP。

但是基于设计的方便及熟练性（大多高校都采用Protel99se作为教材），本设计的电原理图和印制电路板图均使用Protel99se完成

4.1PROTEL99SE概述

Protel设计系统是世界上第一套被引入Windows环境EDA开发工具，一向是以其高度的集成性及扩展性著称于世。

它主要应用于电子原理图的设计、电路板的设计和绘制，以及电子逻辑分析和仿真等。

它凭借其强大的功能，大大提高了电子线路的设计效率，现已成为电子线路设计工作者的计算机辅助电子线路设计软件，特别适合初级电路设计者。

我们需要了解电子线路设计的基本过程以及在设计中主要注意的细节，我们选用Protel99SE来设计电子线路。

该软件操作简单，易掌握。

同时，工作效率较高。

4.2电路原理图设计

Protel99SE电路原理图常用工具栏我们所使用工具条主要有以下几种：

主工具条----执行设计管理器DesignExplorer下的View﹨ToolBars﹨MainTools。

布线工具条----执行View﹨ToolBars﹨WiringTools。

绘图工具条----执行View﹨ToolBars﹨DrawingTools。

电源及接地工具条----执行View﹨ToolBars﹨PowerObjects。

模拟信号源工具条----执行View﹨ToolBars﹨SimulationSources。

常用器件工具条----执行View﹨ToolBars﹨DigitalObjects。

4.3电路原理图的设计步骤

（1）进入protel99SE设计界面：

点击WINDOWS开始菜单上的protel99SE，进入设计管理器。

（2）新建一个原理图文件：

执行FILE/NEW，弹出NEWDOCUMNT对话框，选取SCHEMATICDOCUMENT图标，然后单击OK按钮。

（3）装载元件库：

用鼠标键点击设计管理器中的BROWSESCH选项卡，然后单击ADD/REMOBE按钮，屏幕将出现一对话框，CHANGELIBRARYFILELIST改变元件库文件一览表，查找并选取你所要添加的库。

注：

在设计绘制电路原理图时，首先要在内存中装入所要设计绘制的电路原理图元器件，以备调用，一般只载入常用的元件库，特殊的元件库则当需要时临时载入。

这样才不会因装载过多的文件库占用较多的资源，而降低应用程序的执行速度。

（4）设置电路图大小：

用鼠标点击设计管理器DESIGNEXPLORE下菜单的DESIGN/OPTIONS，按图纸要求选STANDARD项的A4，最后按OK钮则设置完毕。

（5）放置元器件：

在Filte查找元器件窗口中输入你要的元件名然后按回车键，在下面窗口中就出现了你所要的元件（注意，你必须知道所要的元件放在什么元件库中，并且要选中此元件库才会调出来），双击元件名或者点一下元件然后点Place都能调出元件符号,然后把元件放置在原理图的适当位置。

（6）放置节点和连接线路：

在有电气连接的导线交叉点一定放置接点；

在连线时注意不要将导线连入器件引脚端点以内。

（7）放置电路输入输出点：

设计中若一张图不能完成原理图设计，则可采用多张图通过输入输出口完成。

如电路图需要输入输出点可选WIRINGTOOLS工具条的

即可。

（8）检查原理图：

使用Protel99SE的电气规则检查功能检查原理图的连接是否合理与正确，给出检查报告。

值得注意的是此功能只是检测电气连接性质，如果绘制的原理图连接错了但没有电气连接性质的错误，它是检查不出来的，所以绘制时要特别仔细、小心。

（9）保存与打印。

另外，在画原理图时使用网络标号进行电气连接也是常用的方法，这样能让原理图变得简单明了，这种方法常用于较复杂的设计中，本设计就采用此方法。

按照上章叙述过程，完成了太阳光自动跟踪控制器的原理图设计。

全电路图见附录1。

清单请见附录3。

4.4PCB布局规则

根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：

（1）按照电路的流程安排各个功能电路单元位置使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致方向。

（2）以每个功能电路的核心器件为中心，围绕它来进行布局，元件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB板上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

（3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数，一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样不仅美观，而且装焊容易，易于批量生产。

4.5PCB布线规则

双面印制板中在同一层中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决，即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，对于实在无法通过的引线采用过孔在另一层布线（注意：

过孔应越少越好），同一级的电路接点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。

特别是本级晶体管基极、发射极的接点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用把接地点都连在一起接地，这样工作才稳定，不易自激。

总之，印制板布局和布线应在讲究功能的同时与美观程度相互达到最佳（也就是常说的“横平竖直”）。

4.6印制电路板设计注意事项

（1）元件封装------纯粹的元件封装仅仅是空间的概念，因此不同的零件可以共用封装，同时，同种元件也可以用不同的封装。

在实际的设计中，元件的封装图最好根据实际的元件自制，以避免出错。

（2）焊盘大小------无论是在调用封装还是在自制封装的过程中，需要特别注意的是元件焊盘大小的设计。

焊盘小了，在钻孔的时候很容易损坏，即使没有在钻空时损坏，且安装元件时不易插进去，但它对焊接技术的要求是比较高的；

焊盘太大，可能会造成“路径堵塞”，给走线造成困难。

焊盘孔太大，在焊接的时候，高温的锡液就很容易通过通孔流向在面板另一面上的元件引脚，这样就很容易使元件受高温影响而坏掉。

（3）工作层------KeepOutLayer禁止布线层，它限制了走线的范围，一般常用它作为印制板的轮廓界限，但是并不好。

实际上，元件布局和走线都应该与印制板边沿保持大约1mm的间隙，所以应该选取一个机械层绘制印制板轮廓，而适当“缩小”，用禁止布线层绘制真实的布线限制范围。

另外，在布线时，注意层的正确选择。

（4）走线------电源线和接地的走线应比元件之间的走线要宽得多，本设计中的电源走线全部宽度为20mil，这样可以很方便在做PCB板时可以减少出错的机会

总之，设计电路原理图和PCB图时，首先要保证图纸的质量。

所有的元件标示要清晰准确，器件的型号也要清楚，然后要求美观。

在元件布局和布线时尽量优化网格。

除此之外，对于一个产品的开发而言还要考虑实际的成本。

五、软件编程方案

5.1系统软件流程图

该系统采用多个模块的方式来实现对步进电机的控制。

控制模块采用单片机STC89C52来控制JP1和JP2驱动电机转动。

单片机二流程图：

5.2通电测试

1、静态检测

接通+5V电源。

此时开关S1工作，我们会看见发光二极管D4放光，说明电源正常工作。

2、工作状态调试

对照前面叙述的工作过程，进入工作状态，逐步测试：

（1）接通+5V时，发光二极管发光会，说明+5V供电正常。

（2）接通+5V、-5V时，四只光敏电阻受光不均匀时，电机可能正转或者反转。

（3）当四只光敏电阻受光均匀时，先调节可变电阻RH1、RH2，使可变电阻的中间脚电位相等。

这时电机不转动。

（4）当RS1、RS2受光强时，RH1的中间脚电位升高，即1输出电位升高，三极管Q1导通，使电机正转。

（5）当RS3、RS4受光强时，RH2的中间脚电位升高，即7脚输出电位升高，三极管Q2导通，使电机反转。

六、总结

通过本次的课程设计—