分布式信源编码理论及应用的研究 2.docx

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分布式信源编码理论及应用的研究2

本科毕业设计

基于单片机的太阳能跟踪充电系统设计

摘要

随着社会经济的快速增长，传统的燃料能源正在不断减少，同时对环境的危害越来越严重。

太阳能是一种可再生能源，并且具有清洁、丰富等独特优势，具有广阔的发展前景。

但是，目前太阳能的利用率较低，制约了其发展。

目前，大多数太阳能发电是采用固定式的跟踪系统，无法随着太阳的运行进行转变，所以电能转化效率较低。

本设计以单片机为控制中心，采用太阳能双轴跟踪装置充电，可在两个自由度中上对太阳进行跟踪，有效的提高太阳能的利用率。

本系统以单片机为控制核心，光电传感器将采集到的光线强弱信息传送到单片机，单片机经过分析处理后，驱动步进电机运转，在两个自由度上对太阳能电池板的角度进行调整，达到太阳光双轴跟踪的效果，同时对充电进行控制。

采用单片机来实现的太阳能双轴追踪系统能有效提高太阳能的转换效率，而且实时性好，成本较低，具有较广泛的应用前景。

关键词：

单片机双轴跟踪太阳能充电

DesignofTwo-axeSolarTrackingandChargingSystemBasedonMCU

TanXueqing

（CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）

Abstract:

Withtherapidgrowthofsocialeconomy,thetraditionalfuelsourcesisdecreasingquickly,andtheharmofenvironmentismoreandmoreseriousatthesametime.Solarenergyisoneoftherenewableenergy,andhastheuniqueadvantagessuchasclean,abundant,hasabroaddevelopmentprospects.Butthecurrentsolarutilizationislow,restrictingitsdevelopment.Currently,mostsolartrackingsystemisfixed,unabletoshiftasthesunrun,sotheenergyconversionefficiencyislow.Microcontrolleristhecoreofthewholesystem.Thesystemcantrackthesuninthetwodegreesoffreedom,whichcaneffectivelyimprovetheutilizationofsolarenergy.

 Thissystemadoptsmicrocontrollerasnucleusandphotoelectricsensortransmitthecollectedlightinformationtothemicrocontroller.Afteranalyzingandprocessing,microcontrollerdrivetwosteppermotorsrunning,soitcanadjusttheangleofsolarpanelsonthetwodegreesoffreedom.Thissystemachievesthegoaloftwo-axistrackingsolar,andtocontrolchargingatthesametime.Bymicrocontrollertorealizetwo-axistrackingsolarsystemscaneffectivelyimprovetheconversionefficiencyofsolarenergy,andhasabroadapplicationprospectwiththeadvantagesofgoodreal-timeandlowcost.

Keywords:

MicrocontrollerTwo-axestrackingSolarCharging

目录

1前言1

1.1课题的研究背景和意义1

1.2太阳能跟踪系统的国内外研究现状2

1.3本设计的主要研究内容2

2总体方案确定3

2.1方案简述3

2.2光电检测跟踪太阳原理3

3系统的硬件设计4

3.1ATmega16单片机最小系统电路4

3.1.1ATmega16单片机的简介及引脚功能说明4

3.1.2ATmega16单片机最小系统电路设计5

3.1.3ISP下载线路7

3.2光强度检测电路7

3.2.1光敏电阻介绍和工作原理7

3.2.2光强检测电路8

3.3A/D转换电路9

3.4时钟电路9

3.4.1DS1302时钟芯片介绍9

3.4.2时钟电路10

3.5电机驱动电路10

3.5.1步进电机的介绍10

3.5.2ULN2003芯片介绍11

3.5.3电机驱动电路设计12

3.6锂电池充电电路13

3.6.1太阳能充电管理专用充电芯片CN3063简介13

3.6.2锂电池充电电路设计13

3.7电源电路14

3.7.1LM7805芯片简介14

3.7.2电源电路设计15

4系统软件设计15

4.1系统主程序设计及工作原理15

4.2太阳跟踪算法程序设计16

4.3A/D转换程序设计17

4.3DS1302时钟程序设计18

5软硬件调试19

5.1硬件调试19

5.2软件调试19

5.3设计中遇到的问题及其解决办法20

6系统测试方法及测试数据20

7结论21

参考文献22

附录23

附录A系统电路图23

附录B程序代码24

致谢30

毕业设计成绩评定表

1前言

1.1课题的研究背景和意义

全球经济的快速发展，在很大的程度上都是以石油、天然气、煤炭等传统能源的大量开发采用为代价的。

从工业时代开始，到21世纪的今天，在经济快速发展下，传统能源越来越少，迅速地接近枯竭。

根据经济学家和科学家的普遍估计，石油储量的综合估算，可以支配的化石资源的极限大约为1180亿吨~1510亿吨，以1995年世界石油的开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭；天然气储量估计131800~152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57~65年内枯竭；煤的储量约为5600亿吨，1995年煤开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期；核聚变到2050年还没有实现的希望（杨园静等，2012）。

中国国民生产总值持续几年高速的增长受到世人瞩目，同时受到关注的还有中国能源消耗的迅速增长。

据统计，2010年中国成为世界能源第一消耗大国，能源消耗总量为2432.2百万吨油当量，同比增长11.2%，占世界总能源消耗的20.3%。

据统计，在2010年国内一次性能源消耗结构中，煤炭占70%，原油占18%，天然气占4%，非石化能源（水电、核能和可再生能源）消费比重上升到8.1%。

中国煤炭比重远远高于其他国家，占世界煤炭消费总量的48.2%。

经济的高速发展，石化能源大量使用的同时也加剧了环境的污染和危害，这种危害表现为大量温室气体排放引起全球温度升高加剧、南极臭氧层空洞扩大、酸雨和暴雪等极端气候出现以及各种疾病的复活等。

传统能源的紧缺和使用传统能源带来的环境问题，迫使各国开始想对策来应对这些问题。

这时候，大家把目光投向新能源的开发和利用。

太阳能的利用开始逐渐被人类重视。

太阳能作为一种可再生能源，可以说取之不尽，用之不竭，在新能源利用发展中具有很多优势。

太阳能是完全环保的能源，对环境没有污染。

太阳能的分布广泛，在偏远地区及地理环境相对恶劣的山区、农村等地方提供太阳能所转化的各种能量，可以降低运输压力，而且能缓解能源供应的矛盾。

太阳能是绿色无污染能源，能减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。

太阳能具有这么多优点，开放和利用太阳能，将太阳能转化为其他可利用能源将对我们人类的可持续发展具有深远的意义。

1.2太阳能跟踪系统的国内外研究现状

随着科学技术的迅猛发展，人们对已经把太阳能应用到许多领域，太阳能的使用逐渐进入人类的生活。

太阳能光伏发电是太阳能利用的一个重要领域。

太阳能光伏发电的工作原理是利用太阳能电池板接收太阳光辐射，通过电池板的接收和电路的转化为可以利用的电能。

虽然，太阳能有很多优点，但也存在太阳光的密度低、空间分布不断变化、辐照时间间歇性等缺点，因此收集和利用的难度较大、成本较高。

理论分析表明：

太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，因此进行高精度的太阳跟踪是很有必要的（杨金焕等，2008）。

高精度的太阳跟踪器可以大大提高太阳接收效率，在太阳能发电中有着重要的作用。

目前太阳跟踪的方法主要有两种。

一种是视日运动轨迹跟踪法，太阳相对与地球上某一点的位置，是可以近似计算的。

视日运动轨迹跟踪法，是通过计算地球上某一点某个时刻太阳的相对位置，从而对太阳进行跟踪。

另一种是传感器跟踪法。

这种方法由光电转换器根据太阳光和接收板之间的偏差产生一个反馈信号，经过放大整理后，控制步进电机转动，使得接收装置对准太阳（郑小年等，2012）。

目前国内外常见的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。

单轴跟踪，电池阵列只能沿一个轴旋转，能够调节电池阵列方位角，使之与太阳方位角相同。

这类跟踪方式具有结构相对简单，控制较为容易的特点，比较合适在光照强度充足和光照比较稳定的地区。

但这类跟踪方式存在一个缺点,就是不能保持电池阵列平面与太阳光线始终垂直，经常有光线和电池板有一定角度，这样一定程度上降低了光电转换效率，造成了能源的流失，影响了整个系统发电效率。

双轴跟踪，双轴跟踪弥补了单轴跟踪方式的不足之处，它是一种全方位的跟踪技术。

它能够对太阳的高度角和方位角进行全面跟踪，实现更高的采集效率。

近年来，随着自动控制技术的飞速发展与制造成本的不断降低，实现对太阳方位角和高度角精确跟踪的双轴跟踪技术已成为人们研究与运用的热点。

1.3本设计的主要研究内容

本设计所介绍的太阳跟踪装置利用光电检测方式双轴追踪太阳，并对锂电池进行充电。

设计的主要工作包括:

（1）分析跟踪原理，选择合适的光电传感电路。

（2）选择合适的主控芯片，对硬件电路进行设计。

（3）编写软件程序，实现太阳能跟踪和充电控制等要求。

（4）设计控制方案，对步进电动机以及驱动电路进行设计。

2总体方案确定

2.1方案简述

本方案的太阳能跟踪充电系统以ATmega16单片机为主控芯片，由光电检测模块、时钟模块和电机驱动模块等组成。

光电检测模块的传感器部分采用光敏电阻，通过ATmega16内置的A/D转换，转换成单片机可以处理的数字信号。

时钟模块采用实时时钟芯片DS1302。

单片机对采集到的数字信号进行处理和判断，控制水平电机和俯仰电机运行，对水平方向和垂直方向进行调整，达到跟踪太阳的目标。

采用太阳能充电管理专用充电芯片CN3063对锂电池充电。

每20分钟对太阳进行一次跟踪，黑夜不进行充电。

图1为系统的总体框图。

图1系统总体框图

2.2光电检测跟踪太阳原理

太阳的位置会因为观测位置和观测时间的不同而发生改变，光电检测是本系统中的重要部分，下面介绍光电检测跟踪太阳的原理。

图2是太阳跟踪系统中的光敏电阻分布图的俯视简图，一共由5个光敏电阻组成。

设计中为了使太阳能电池板能够始终正对着太阳则需要四个光敏电阻对阳光强弱进行检测，这四个光敏电阻为光敏电阻1、光敏电阻2、光敏电阻3和光敏电阻4，光敏电阻间由垂直的遮光板隔开。

图中光敏电阻0用于检测当前是否为黑夜。

光敏电阻均垂直于太阳能电池板板面安装。

其中光敏电阻1和光敏电阻2对水平方向光线进行检测，单片机通过计算光敏电阻1和光敏电阻2的电压差值，判断光强度较强的方向，控制水平步进电机正转或反转，实现太阳光的水平跟踪。

光敏电阻3和光敏电阻4对太阳垂直角度的变化进行检测，并将检测到的光线变化信号传输给单片机，单片机进行进一步处理后驱动俯仰电机的正反转，从而实现电池板垂直角度的调整。

图2光敏电阻分布图

3系统的硬件设计

3.1ATmega16单片机最小系统电路

3.1.1ATmega16单片机的简介及引脚功能说明

ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾（郭天祥，2009）。

ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

ATmega16有如下特点：

16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和终止除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

图3ATmega16引脚分布图

ATmega16单片机引脚分布如图3所示。

ATmega16有4个8位的双向I/O端口PA、PB、PC、PD，他们对外对应32个I/O引脚，每一位都可以独立地用于逻辑信号的输入和输出。

在5V工作电压下，输出高点平时，每个引脚可输出达20mA的驱动电流；而输出低电平时，每个引脚可吸收最大为40mA的电流，可以直接驱动发光二极管（一般的发光二极管的驱动电流为10mA）和小型继电器等小功率器件。

AVR大部分的I/O端口都具备双重功能（有的还有第三功能）。

其中第一功能是作为数字通用I/O接口使用，而复用的功能可分别与片内的各种不同功能的外围接口电路组合成一些可以完成特殊功能的I/O口，如定时器、计数器、串行接口、模拟比较器、捕捉器、USART、SPI等。

3.1.2ATmega16单片机最小系统电路设计

ATmega16单片机最小系统电路如图4所示，图中包括复位电路、晶振电路和AD转换滤波电路。

图4ATmega16单片机最小系统电路图

复位电路由图中的D1、R1、S1和C4组成，接入单片机的RESET引脚。

ATmega16单片机已经内置了上电复位设计，并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：

直接拉一只10K的电阻到VCC即可（R1）。

为了可靠，再加上一只0.1uF的电容（C5）以消除干扰、杂波。

D1（1N4148）的作用有两个：

作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V左右，另一作用是系统断电时，将R1（10K）电阻短路，让C5快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。

当AVR在工作时，按下S1开关时，复位引脚变成低电平，触发AVR芯片复位。

实际应用时，如果不需要复位按钮，复位脚可以不接任何的零件，AVR芯片也能稳定工作。

晶振电路由图中的Y1、C8、和C9组成，接入单片机的XTAL1和XTAL2的引脚。

ATmega16单片机已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。

在一些要求较高的场合，建议使用外部的晶振线路。

实际应用时，如果不需要太高精度的频率，可以使用内部RC振荡，这部分不需要任何的外围零件。

AD转换滤波电路由图中的L1、C6、和C7组成。

为减小AD转换的电源干扰，ATmega16单片机芯片有独立的AD电源供电。

ATmega16单片机内带2.56V标准参考电压，也可以从外面输入参考电压，比如在外面使用TL431基准电压源。

不过一般的应用使用内部自带的参考电压已经足够。

实际应用时，如果想简化线路，可以将AVCC直接接到VCC，AREF悬空，即这部分不需要任何的外围零件。

3.1.3ISP下载线路

ISP下载线路如图5所示。

P1为ISP下载接口，P1中对应的引脚接入单片机的PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）和复位引脚。

ISP下载接口不需要任何的外围零件。

由于没有外围零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。

图5ISP下载线路

3.2光强度检测电路

3.2.1光敏电阻介绍和工作原理

光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应（半导体材料受光照射后，其导电率发生变化的现象）。

常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

半导体材料受到光照时会产生电子一空穴对，使其导电性能增强，其阻值随光照增强而减小，光线越强，阻值越低。

光敏电阻是一种没有极性的电阻器件。

光敏电阻的响应时间一般为2到50ms。

光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。

金属封装的硫化镉光敏电阻结构图如图6所示。

管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。

光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。

它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。

这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。

光敏电阻的类型按半导体材料分为本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。

后者性能稳定，特性较好，故目前大都采用它。

图6金属封装的硫化镉光敏电阻结构图

3.2.2光强检测电路

本设计中的光强检测电路如图7所示。

光敏电阻其内部电阻随光照射而变化，光度越强阻值越小，输出电流越大。

电路用了光敏电阻（R7-R11）与负载电阻（R2-R6）相接，再接到ATmega16单片机的输入口PA0（ADC0）、PA1（ADC1）、PA2（ADC2）、PA3（ADC3）和PA4（ADC4）进行A/D转换。

其中光敏电阻R7用于检测当前的太阳光强是否足够，若光强小于某个值，系统就不进行跟踪。

光敏电阻R8、R9、R10和R11用于检测太阳能板是否对准太阳。

当平板对准了太阳后，对称的两个光敏电阻的光照强度就会相同，即R8和R9的光强相同，R10和R11的光强相同。

当平板没有对正太阳时对称的两个光敏电阻的光照强度就会不一样，则流过电阻的电流就会不相同，这样获取的电压值也不相同。

R8和R9用于对垂直方向的太阳光进行追踪，R10和R11用于对水平方向的太阳光进行追踪。

图7光强度检测电路

3.3A/D转换电路

A/D转换模块使用ATmega16内部自带的A/D转换器，ADC具有专门的时钟。

这样可以在ADC工作的时候停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度（王卫星，2009）。

ATmega16单片机有一个10位的逐次逼近型ADC。

ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。

单端电压输入以0V（GND）为基准。

器件还支持16路差分电压输入组合。

两路差分输入（ADC1、ADC0与ADC3、ADC2）有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB（1x）、20dB（10x）或46dB（200x）的放大级。

七路差分模拟输入通道共享一个通用负端（ADC1）,而其他任何ADC输入可作为正输入端。

如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。

如果使用200x增益，可得到7位分辨率。

ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

ADC由AVCC引脚单独提供电源。

AVCC与VCC之间的偏差不能超过±0.3V。

标称值为2.56V的基准电压，以及AVCC，都位于器件之内。

基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。

3.4时钟电路

3.4.1DS1302时钟芯片介绍

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。

实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。

工作电压宽达2.5～5.5V。

采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。

DS1302芯片的引脚分布如图8所示。

图8  DS1302的引脚分布图

3.4.2时钟电路

时钟电路原理图如图8所示，DS1302与单片机的连接需要3条线：

CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚。

本设计中，CE引脚与单片机PD5脚相连，SCLK引脚与单片机PD4脚相连，I/O引脚与单片机PD5脚相连。

VCC2接5V电源，芯片外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。

图9时钟电路图

3.5电机驱动电路

3.5.1步进电机的介绍

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移或直接位移的执行机构。

步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便，一般电动机都是连续移动的，而步进电机则有电动机则有定位和运转两种状态，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）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机的转动速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机分为三类：

永磁式（PM），反应式（VR）和混合