本科学位论文模板A416K.docx
《本科学位论文模板A416K.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本科学位论文模板A416K.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
本科学位论文模板A416K
基于单片机的自动追踪太阳能采光系统
摘要
本文研究的是一种通过光电检测实现自动追踪太阳能直射点的单片机控制系统。
设计的主要目的是实现太阳能采光系统的自动化程度，并结合当今最新科技前沿，采光系统结合的不是简单的硅光电板，而是大型的真空加热管。
实现大容量的传热导热，真正实现太阳能有效的利用和开发。
本文阐述了单片机控制系统的整个设计过程和光电检测传感器的设计以及部分机械设计的装置。
系统采用AT89C51为整个控制系统的核心。
采用单轴控制方式。
实现是日追踪模式。
采用自动检测光的角度，从而判断出太阳直射点的角度实现实时追踪，配合步进电机、齿轮和减速器等机械装置，达到自动追踪的目的。
整个系统的软件和硬件采用模块化设计思想，采用C51语言编写程序，最后通过软件和硬件联合调试，完成系统的核心部分。
关键词 太阳能光敏电阻自动追踪系统光电检测单片机控制
Abstract
ThisstudyisaphotoelectricdetectionbydirectautomatictrackingsolarsystemMCUcontrolpoints.Themainpurposeofdesignistoachievetheautomationofsolarlightingsystems,combinedwiththelatesttechnologyoftoday'scuttingedgelightingsystemisnotasimplecombinationofsiliconphotovoltaicpanels,butthelargevacuumheating.Conductionheattransfertoachievehigh-capacity,trulyeffectiveuseanddevelopmentofsolarenergy.
Thispaperdescribesasinglechipcontrolsystemthroughoutthedesignprocessandthedesignofphotoelectricdetectionsensors,andsomemechanicaldesignofthedevice.AT89C51fortheentirecontrolsystemisthecoreofthesystem.Usingsingle-axiscontrolmode.Implementationisontrackmode.Automaticdetectionofopticalpointofview,inordertodeterminetheangleofthesundirectpointofreal-timetracking,withthesteppermotors,gearsandreducersandothermechanicaldevicestoautomaticallyfortrackingpurposes.Thesystemsoftwareandhardwarewithmodulardesign,theuseofC51languageprogram,thelastjointdebuggingsoftwareandhardwaretocompletethecoreofthesystem.
KeywordsSolarEnergyPhotoresistorAutomatictrackingsystem
PhotodetectorSCMControl
不要删除行尾的分节符，此行不会被打印
目录
摘要……
Abstract
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.1.1世界面临的能源危机1
1.1.2太阳能在未来能源发展中的优势1
1.1.3太阳能发电在我国的发展前景3
1.2选题研究的目的和意义3
1.2.1选题的目的3
1.2.2选题的意义3
1.3本章小节3
第2章太阳直射点追踪系统的总体设计4
2.1追踪太阳的控制方式4
2.1.1太阳直射点追踪方式的选择4
2.1.2本文的采用的方案选择4
2.2系统设计总体思路4
2.2.1基于单片机的追踪太阳直射点控制系统设计流程图5
2.2.2系统开发的具体过程6
2.3整体硬件设计和工作方式6
2.3.1整体采光装置的设计6
2.3.2槽式聚光装置6
2.3.3控制器选择及其I/O接口设定7
2.3.4机械传动部分9
2.3.5井式传感器的设计9
2.4本章小结12
第3章单片机系统的硬件设计13
3.1单片机的简介13
3.1.1单片机的特点13
3.1.2单片机的应用13
3.1.3AT89C51单片机的特性15
3.1.4AT89C51单片机的接口说明16
3.2光电检测电路的设计18
3.2.1光敏传感器的选择18
3.2.2光敏传感器工作原理18
3.3光敏电阻18
3.3.1光敏电阻简介18
3.3.2光敏电阻基本特性19
3.3.3光敏电阻的主要参数21
3.3.4光敏电阻的工作原理22
3.41602LCD22
3.4.11602LCD液晶显示器的简介22
3.4.21602LCD的主要技术参数和管脚说明23
3.4.31602LCD的指令说明及时序24
3.5本章小结25
第4章单片机系统的软件设计26
4.1系统主程序的设计26
4.1.1C51的简介26
4.1.2主程序的设计26
4.2基于光电检测的自动追踪模块设计28
4.2.1自动追踪模块的软件设计28
4.2.2自动追踪模块的软件设计的流程图29
4.2.3自动追踪模块的软件设计后的显示效果31
4.3机械传动部分的软件设计及编程31
4.3.1步进电机的软件设计31
4.3.2驱动步进电机的正反转的软件设计32
4.4显示模块的软件设计及编程33
4.4.11602LCD显示模块的软件设计33
4.5本章小结35
结论36
致谢37
参考文献38
附录39
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。
在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。
打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行
第1章绪论
1.1课题背景
面对日益严重的能源问题，人类正在积极的寻找未来的能源。
当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。
为了找到一种可再生、利用率高、方便使用的理想能源，许许多多科学家正在努力研究。
1.1.1世界面临的能源危机
其实，人类有一个取之不尽用之不竭的活能源库——太阳。
以太阳的寿命来说，太阳能确实能算得上是取之不尽用之不竭，所以面对能源的危机，众多的目光对准着它——太阳能。
随着地球人口的增长、矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化，利用太阳能已成为人们研究的热点问题之一。
但太阳能是一种能流密度低、辐射具有间歇性、空间分布又不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对太阳能的收集和利用提出更高的要求。
目前被广泛应用的太阳能热水器即使采用真空热管技术，夏天也只能达到70~90℃，冬天只有40~50℃，这个温度范围只能用于家庭淋浴，无法提供工业上广泛应用的200~300℃的热蒸汽。
高效的利用太阳能，是正在研究的问题，利用太阳能不仅仅是太阳能热水器或者是太阳能汽车、小的太阳能发电板，在传统能源日趋枯竭的今天，太阳能将必须实现并网发电，进入每家每户，实现真正的低碳节能的太阳能利用体系。
虽然现在太阳能并网发电还存在着谐波能耗以及转换利用率低的众多问题，但是我们必须沿着这条道路走。
太阳能必定是未来能源中的“石油”，所以掌握了更好的太阳能发电技术，能使得未来的能源危机得到缓解甚至解决。
为了高效的采集太阳能，实施自动追踪太阳直射点是很有必要的，这样能在相同的光照时间里，采集尽可能多的太阳能。
这是提高发电功率的一种简单的方式。
为有效地提高太阳能能流密度，需采用聚焦、跟踪技术，其关键装置就是聚光器、跟踪传动机构、自动控制系统。
本文在探讨了太阳辐射的理论基础上，设计出一种利用步进电机驱动聚光器定时跟踪太阳的装置，以期解决太阳能利用中能流密度低的问题。
1.1.2太阳能在未来能源发展中的优势
人类在很早以前就直接或者间接利用了太阳能，但是太阳能作为一种可再生的洁净能源真正被人们所开发利用的历史仅有短短300年的历史，且长期以来太阳能的利用发展非常缓慢。
究其原因一来是人类文明在能源危机面前准备不足，石油煤等传统能源还在使用。
人类的危机意识还处在懵懂状态。
设想在未来的100或者更近的50年内，传统的能源已经枯竭。
人类该怎么办？
众所周知传统能源是不可再生的能源，且会造成环境的污染，全球气候变暖，大洋洋流紊乱，这些足以威胁人类文明的问题多多少少和人类无止境的用这些能源有重要的关系。
上个世纪70年代的能源危机，使得人类第一次认识到未来能源的重要性，随着各个领域的科学技术迅猛发展，太阳能利用技术正走上未来能源的大舞台。
毫无疑问，太阳能将在未来的能源发展中扮演重要的角色。
因为它在各个方面占有很大的优势：
（1）储量极其丰富：
太阳每秒钟放射的能量相当于160×1021千瓦，其中仅有极其微小的部分达到地球，即便是这样，太阳每分钟辐射达到地球表面的能量还高达80×1012相当于6×109吨的标准煤。
德国的太阳能专家伯尔特说，只需在非洲部分地区开发太阳能，就能满足全世界能源的供应。
而且太阳的辐射源源不断传达到地球，实现真正的取之不尽用之不竭。
（2）普遍性：
太阳光照射的面积散步地球大部分角落，除了南北极外几乎不会有死角，而在平均太阳照射最强烈的赤道上，又有大多数是海洋，属于世界上可以共同开发的地区，不会出现技术垄断低于争端的问题。
据统计太阳放射的辐射达穿过大气层达到地球的有80×1012千瓦，陆地可以分到17×1012千瓦，这个数字直观一点的表示就是相当于地球现在一年消耗总能源的30000倍了，也就是说只要能充分的接受照射到地面太阳能的万分之一，那人类的能源问题就彻底解决了。
就算是地球采集不到还可以通过架设空间采光系统架设到月球上去实现太空采集技术。
目前这个设想日本的科学家正在进行研究，实现太空采集太阳能阵。
（3）无污染性：
现今所使用最多的矿物能源（石油、煤炭、木材等），滋生的问题几乎都是废物处理的问题。
大量的废气污染正对气候产生巨大的影响。
尤其是二氧化碳的排放直接造成了全球变暖这个大难题。
在当今国家政策中提倡的低碳生活主旨要义就是节能环保少排放二氧化碳气体。
为了实现真正的“低碳生活”。
发展太阳能是必经之路。
首先太阳能无污染，不产生任何废气和污染物。
其次，他还是可再生能源，不仅完全可以替代传统能源，而且还便于收集是一种清洁的能源。
（4）安全可靠性：
现在的核能发电技术日趋成熟，许多国家正在建设大量的核电站用于发电。
目前，我国核发电量占中国大陆总发电量的2．3％，浙江、广东两省的核电比例已经达到l3％，接近世界平均水平16％。
在法国核电占到了70％，但是面对日益向上的核电发展，日本福岛核电站的重大事故提醒我们，核电是清洁的能源可是一旦核燃料泄漏进入了生物循环或者水循环系统人类将面对无比沉重的生态危机。
切尔诺贝利事故过去几十年依然有辐射在影响生态平衡。
事实告诉我们核电是一个很好的方向但是不能光靠核电。
未来的能源主角必定是太阳能，他绝对的安全，十分可靠。
1.1.3太阳能发电在我国的发展前景
我国面积广阔，有着得天独厚的太阳能资源。
国土跨度从南到北，自西至东，距离都在5000公里以上，总面积达到960万平方公里，占世界陆地总面积的7%，居世界第三位。
全国大部分省市地区的年日照时间平均可达12×365=4380小时（理论值），除去阴雨雪天气之外，起码能到2000小时以上。
太阳每年投射到我国广大国土上的能量约有1×109亿千瓦时，差不多有18800亿吨标准煤所具有的能量。
特别是我国的中西部地区，人口密度很低且日照资源特别丰富。
地广人稀，光照充足的西部正是我国开发太阳能能源的最好基地。
1.2选题研究的目的和意义
1.2.1选题的目的
首先我对可再生能源这个方向很感兴趣，对于能源危机这个日益加剧的现实，我想为此做出一点自己小小的设想。
我用所学的理论知识结合自己掌握的一般设计、分析和解决问题的技能对这个课题做出自己的设计。
其次在查阅了有关论文和电子器件的说明后对于太阳能自动追踪的实际利用利益有更深层次的了解。
1.2.2选题的意义
能源危机的解决总的看来是找到一种清洁、方便、安全无污染可再生的新型能源。
人类现在所常使用的五大能源中，适合于经济开采的石油和天然气资源只能再开采30年左右，最多50年内将被耗尽。
人类使用了将近2000多年的的煤炭能源，它是由陆地上森林被掩埋在地下经长期的变化而成的，因此，它的储量基本上不会增加，只会减少。
煤炭虽然同石油天然气相比储量大、消耗少，但是总储量也仅仅够开采300年。
铀矿资源现在已经探明的储量和附加储量将在2030年以前开采完，即使包括推测储量在内，在大力发展核能的情况下，到2060年前全部的铀资源也将用完。
水力是较为理想的自然资源，但是在工业国家，通过传统的工艺发掘的水资源已经开发了四分之三左右，而利用水资源发电建站投资大、周期长，且受地理条件限制。
因此能源危机其实迫在眉
睫。
故新型的风电、太阳能发电、潮汐发电、生物发电等等新型发电方式正日益的被人类所重视，人类必须要在传统能源完全枯竭之前找到新型的能源的合理使用采集方式，使得面对能源危机的人类不再恐慌，所以我选择了太阳能发电这个虽然不是很新但是意义重大且需要很大改进的课题。
希望在不久的将来太阳能可以代替石油煤等传统能源进入我们生活的每个角落。
1.3本章小节
本章介绍了世界目前面临的能源危机还有太阳能发电的光明前景。
面对未来能源的开发，太阳能作为一个主角我们开发的还远远不够，无论是技术上还是意识上都需要我们长期的探索和研究。
第2章太阳直射点追踪系统的总体设计
2.1追踪太阳的控制方式
2.1.1太阳直射点追踪方式的选择
目前太阳直射点追踪系统中实现追踪太阳的方案很多，但是不外乎采用以下的两种方式：
一种是光追踪方式，另外一种是通过数学算法追踪视日运动轨迹追踪。
前者是闭环随机系统，后者是开环的程控系统。
㈠光电追踪
目前国内常用的光电追踪有重力式，电磁式和电动式。
这些光电追踪装置利用光敏传感器，如光敏电阻对太阳光的检测。
通过遮光板和光敏电阻阵的配合计算出太阳直射点角度通过机械装置配合步进电机的转动使得装置自动调整角度对准太阳直射点完成追踪。
并通过时钟实现每隔一段时间自动追踪，达到更加有效率的采集太阳能资源。
光电检测追踪的灵敏度比较高，结构设计也比较方便，但是受天气的影响很大。
除非是无云的晴朗天气，否则光照波动很大，如果在比较长的时间内有乌云遮住阳光，会导致系统因脱落照射区域无法追踪。
㈡视日运动轨迹追踪
视日运动轨迹追踪，是根据当地的经度纬度计算的天文公式换算成数学的算法来判断太阳直射点的角度。
通过外部的时钟芯片计算角度调整电机。
此方法属于开环控制方式。
优点是天气的影响不大，且适应多条件的采光环境。
缺点是控制方式复杂精度没有保证，且对单片机的控制速率有要求程序复杂。
2.1.2本文的采用的方案选择
由于水平有限，视日追踪模式的选择在数学算法上还没有所涉及。
所以采
用第一种光电检测的追踪模式，并对其传感器部分做了改进，使得天气的影响不会造成采光装置的脱离照射区，而且追踪时可以预判转动方向。
比单纯的光电检测追踪系统效率和稳定性上都做了提升。
为了使得所设计的控制器有一定的创新，本文中我加入了新的传感器设计并准备采用混合控制的方式，结合一部分视日追踪轨迹的算法，在特定的系统自检中用到了数学的算法自动检测太阳直射点角度。
2.2系统设计总体思路
本文中所设计的太阳能自动采集系统为单轴式采光，采用的是闭环控制方式。
由单片机控制槽式聚光器底部的轴承，调整聚光器的角度，以保证实时监控，实时校准太阳能直射点位置，从而达到最大的采光功率和效果。
特别的是采用了液体盐溶液作为工作介质，代替了原来常用的硅光发电板，可实现多个采光装置循环加热，发电功率大从而可以进行并网发电。
2.2.1基于单片机的追踪太阳直射点控制系统设计流程图
下图2-1为追踪太阳能直射点控制系统设计的总流程图。
图2-1追踪太阳能直射点控制系统设计的总流程图
2.2.2系统开发的具体过程
㈠首先我查阅了有关光电检测以及自动追踪方面的论文期刊的资料。
㈡在指导老师的指导下确定了题目核心硬件部分的设计思路。
㈢通过自己设计和总结确定了具体的控制方式和追踪流程
㈣确定了单片机、元器件和各I/O接口的定义。
㈤编写逻辑部分的程序进行了模拟仿真
㈥完成硬件调试画出模拟电路图及效果图
下图2-2所示为系统各主要模块的示意图：
图2-2自动追踪系统各模块示意图
2.3整体硬件设计和工作方式
2.3.1整体采光装置的设计
整个装置包括槽式聚光装置、控制器、机械传动装置和光敏电阻井式传感器这四个主要部分。
2.3.2槽式聚光装置
槽式聚光装置将收集来的太阳能，聚光加热位于凹面槽焦点位置的真空管，里面含有溶解盐的液体，沸点达到600℃.可以更多的收集热量。
这样可以不仅提高太阳能的能流密度，将太阳能直接传导给工作介质，还可以使得自动控制技术得到应用。
普通的硅光发电板虽然也可以实现收集太阳能的工作，但是能流密度低且不宜清洗。
而且采用自动跟踪太阳能直射点系统时收集的效率变化不大。
但是加入采用槽式聚光这种的太阳能采集技术，不仅直接利用了液体介质用于数个槽式聚光器的共同作用，使得并网发电得到可能，而且装置成本低，利用率高结构简单。
下图2-3中所示的就是整个装置的系统示意图。
图2-3系统结构图
本系统采用的是真空管加热的方式，不是传统的硅光电板来做传热介质。
因为我考虑到硅光电板实际利用中的巨大缺陷。
硅光电板一直以来被用在许多太阳能采集的第一线，可是本文设计的系统处在的环境一般是光照充足荒芜人烟的地区，为了实行远程控制和大规模采光矩阵，硅光电板他容易被风沙遮蔽，这样一来采光效率会降低，不可能再去制造安装清洗装置去清洗硅光电板。
所以这里采用不容易受实际环境影响的真空管，内填充高沸点的硅酸盐溶液，沸点可以达600℃。
这样的传热介质由于是液体可以通过管道形成一个采光矩阵，还可以加入储电装置将白天用于发电后还剩余的热量储存起来用于晚上的发电。
逐步达到24小时发电的太阳能发电机组。
2.3.3控制器选择及其I/O接口设定
控制器核心采用AT89C51单片机。
还有步进电机的专用接口ULN2003A作为步进电机转换器。
光敏电阻连接P0口的八个管脚，通过它组成的光敏电阻序列可以检测光的强度和角度。
下图2-4为proteus的系统仿真图。
图中用发光二极管代替光敏电阻，通过人工设定有关序列模拟其工作方式。
图2-4系统模拟电路图
表2-1单片机I/O口的分配
连接装置
I/O口
连接装置
I/O口
连接装置
I/O口
A传感器
P0.0
ULN2003A1B
P1.0
步进电机A口
ULN2003A1C
B传感器
P0.1
ULN2003A2B
P1.1
步进电机B口
ULN2003A2C
C传感器
P0.2
ULN2003A3B
P1.2
步进电机C口
ULN2003A3C
D传感器
P0.3
ULN2003A4B
P1.3
步进电机D口
ULN2003A4C
E传感器
P0.4
ULN2003A5B
P1.4
F传感器
P0.5
ULN2003A6B
P1.5
G传感器
P0.6
ULN2003A7B
P1.6
H传感器
P0.7
开关K1
P3.0
2.3.4机械传动部分
机械传动部分利用步进电机驱动齿轮配上减速器等带动单轴的槽式聚光器转动。
由于本系统是属于实时控制，且系统要求的是转动的精度而不是速度，所以我在设计中特意简化了步进电机转速调整的部分，通过调试和设计做了如下规定：
设定控制系统每1分钟做一次调整，由步进电机单轴驱动。
由于估算的每一分钟约转0.25度故为了转动的精度由减速器齿轮等装置设定正转一圈为0.01度
传感器在开始工作时及受到简单逻辑控制若不是直射则B不亮A亮，电动机正转，直至AB全亮时电动机停止。
这样不仅省略了大量的硬件设备去控制步进电机的转速，还可以避免精度的误差。
为了保证精度不被齿轮和减速器的损坏而改变，应该定期检测和调整，这样一来可以通过最简单的方式达到最需要的效果。
2.3.5井式传感器的设计
传感器部分是我参考有关资料以后，自己研究出来的一种更加利于控制更简单的井式传感器。
下图2-5、2-6、2-7为传感器的设计原理图的示意图。
传感器的感光面分布着8个光敏电阻。
其位置及顺序如图2-5所示。
为了更加简易的表示出传感器的工作原理，通过遮光板和固定传感器的位置发光顺序使得传感器具备校准和自动追踪控制功能。
其3D示意图如图2-6、2-7所示。
图2-5传感器平面图
ABCDEFGH都是光敏电阻，遇到光时电阻快速下降。
图中实线直线部分代表着遮光板。
图2-6传感器立体效果示意图
图2-7传感器俯视图
传感器工作原理：
此光电传感器为上图所示，包含8个光敏电阻和若干遮光板。
由于是把光敏电阻共同接到5V电压上，同时都串联一个电阻。
由于光敏电阻在遇到光照时电阻会下降，从而使得此光敏电阻所接单片机I/O连接处为高电平，没有光照射的光敏电阻电阻不变所接口仍为低电平。
由于此处直接采集的是高低电平信号，故此系统中无A/D转换器。
光敏电阻A为光强传感器，此传感器周围无遮光板，所以只要有阳光就一定是高电平，它的作用有两个，一个是作为光强的判断，若阴天或者下雨天无阳光，此传感器不触发不工作，处于停止状态。
二是逻辑判断。
由于B光敏电阻四周都有遮光板，只有传感器直对着太阳直射点AB光敏电阻才能同时受到光照。
光敏电阻CDEFGH是为了防止出现步进电机转动偏离了太阳能直射点偏离角度产生的异常现象。
通过CDEFGH的电平情况，对系统的正常运行实现了监控功能，预判光照角度的变化趋势，自动实行正常的触发步进电机作用。
当出现A高电平CDEFGH为低电平时证明出现异常情况，系统将自动驱动电机正转，直至出现CDEFGH中有序的出现高电平的正常运行情况。
具体工作过程
太阳自东向西转，每天转动360度，为了控制有个范围，我们可以大概估算下假设白天光照时间为12个小时约为180度，一小时约为15度。
因此设定控制系统为实时调整，由步进电机单轴驱动。
由于估算的每一分钟约转0.25度故为了控制转动的精度由减速器齿轮等装置设定正转一圈为0.01度
传感器在开始工作时及受到简单逻辑控制若不是直射则B不亮A亮，电动机正转，直至AB全亮时电动机停止。
由于光电检测的光敏电阻在仿真软件里不能进行仿真，我通过模拟发光二极管的电平触发装置，通过简单的延时程序使得各二极管按照既定的顺序产生低电平，从而简单的
升级会员 