太阳方向跟踪指示系统汇总.docx
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太阳方向跟踪指示系统汇总
目录
一、《传感器》课程设计任务书2
二、课题背景意义3
三、总体方案设计5
3.1太阳运行规律分析5
3.1.1地球的公转与赤纬角5
3.1.2地球的自转与太阳时
5
3.2太阳方向光电辨向方案设计6
3.3总体方案框图7
四、系统硬件设计7
4.1电源模块设计7
4.1.1相关元器件介绍7
4.1.2应用电路8
4.2太阳位置检测传感器设计9
4.2.1元器件选择9
4.2.2相关元器件介绍10
4.2.3传感器结构设计11
4.3窗口比较电路设计12
4.3.1相关元器件介绍12
4.3.2电路设计13
4.3.3关于窗口比较电路的引申思考15
4.4LED显示模块设计17
4.4.1相关元器件介绍17
4.4.2电路设计18
五、心得体会19
六、参考文献19
七、附录19
7.1电路原理图19
7.2电路仿真图结果19
7.3实物照片19
一、《传感器》课程设计任务书
1、总要求
能够独立进行小型检测模块系统方案的设计及论证，选择合理的传感器、设计必要的接口电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。
2、总任务
针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。
3、设计题目
太阳方向指示系统
4、设计内容
设计一个太阳追踪系统，实现对太阳方向的追踪。
受时间条件限制，要求使用实验室提供的材料，结合所学知识以及自己查阅的资料，设计一个系统，能对太阳在天空不同位置作出反应。
5、具体要求：
（1）根据资料，理论计算，选择好相应电子元器件，并画出相应电路图。
（2）将所得电路导入protues，调试，得出仿真结果。
（3）在面包板上连接出系统实物。
在实验室内，应用人工光源将系统调试好，针对太阳在空中东西南北四个方向，分别对应四个LED指示太阳的方位。
（如太阳在东边升起，则指示东边的LED亮起。
若在东南方向，则指示东边和南边的指示灯调试亮起。
若太阳垂直照射，则不亮）
6、设计进度或计划
（1）准备及查阅资料一天
（2）方案设计及论证（总体方案）二天
（3）硬件电路设计、画图（PROTEL）三天
（4）实验室调试及结果分析二天
（5）整理报告及准备答辩二天
7、设计说明书包括的主要内容
（1）封面
（2）目录
（3）设计任务书
（4）正文
8、考核方法
考核可根据学生平时学习态度（含出勤率）20%、设计完成情况（样机）40%、图纸及说明书质量（含答辩）40%确定。
二、课题背景意义
人类社会的存在与发展离不开能源。
过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。
然而，大规模使用化石燃料所带来的严重后果严重阻碍了人们物质生活和精神生活的提高。
资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。
因此，寻求一种新的、安全、清洁、可靠的可持续能源系统势在必行！
我国经济正处在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。
我国长期的能源发展战略，也是我国建立可持续能源系统最主要的政策措施是：
加强环境保护，开展煤清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全；坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元发展；依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等。
面临这样一个能源发展的形势，我国鼓励开发风能、太阳能、生物质能等可再生能源。
其中，太阳能因具有储量的无限性、普遍性、清洁性、经济性得到了大力发展，尤以太阳能发电发展最快。
目前，塔式发电、碟式发电、光伏发电等是太阳能发电的主要方式，但利用率不高。
如何最大限度的提高太阳能利用率，仍是国内外学者研究的热点。
解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决[1]。
在国内，很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，存在余弦效应的影响，无法保证太阳光的垂直照射，光伏电池不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。
太阳能的多方向收集为解决这一问题提供了可能，不管是哪一种发电方式，要提高太阳能利用率就要多方向收集，即跟踪太阳位置，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％[2]。
精确的跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高，进而提高了太阳能发电系统的太阳能利用率，降低了太阳能发电成本，拓宽了太阳能的利用领域。
三、总体方案设计
3.1太阳运行规律分析
3.1.1地球的公转与赤纬角
贯穿地球中心与南、北极相连的线称为地轴。
地球除了绕地轴自转外，还在椭圆行轨道上围绕太阳公转，运行周期为一年。
椭圆的偏心率不大，1月1日近日点时，日地距离为147.1×106km，7月1日远日点时为152.1×106km，相差约为3%。
地球自转轴与椭圆轨道平面（称黄道平面）的夹角为66°33′，该轴在空间的方向始终不变，因而黄道平面与赤道平面的夹角23°27′。
但是，地心与太阳中心的连线（即午时太阳光线）与地球赤道平面的夹角是一个以年为周期变化的量，它的变化范围为±23°27′，这个角就是太阳赤纬角。
赤纬角是地球绕日运行规律造成的特殊现象，它使处于黄道平面不同位置上的地球接收到的太阳光线方向也不同，从而形成地球四季的变化。
北半球夏至（6月22日）即南半球冬至，太阳光线正射北回归线，δ=23°27′；北半球冬至（12月22日）即南半球夏至，太阳光线正射南回归线，δ=﹣23°27′；春分及秋分太阳正射赤道，赤纬角都为零，地球南、北半球日夜相等。
每天的赤纬角可由下式计算[3]：
（1）
式中n是一年中第几天。
3.1.2地球的自转与太阳时
地球始终绕着地轴由西向东自转，每转一周（360°）为一昼夜（24小时）。
时间可以用角度来表示，每小时相当于地球自转15°。
在以后导出的太阳角度公式中，涉及的时间都是当地太阳时，它的特点是午时（中午12点）阳光正好通过当地子午线，即在空中最高点处，它与日常使用的标准时间并不一致[4]。
转换公式为：
（2）
式中
——制定标准时间采用的标准经度，（°）；
——当地经度，（°）。
所在地点在东半球去负号，西半球取正号。
我国以北京时间为标准时间，式
（2）成为
（3）
3.2太阳方向光电辨向方案设计
为了降低成本，提高跟踪的可靠性，设计采用光电跟踪方式，由四个光敏电阻构成太阳方向的一级传感器辨向方式，通过位置检测器检测太阳位置，根据此信号驱动LED实现太阳方向指示。
本方案中的位置检测器是在一个平面上东南西北方向成十字形对称安装性能相同的光敏元件，并由十字遮光板均匀隔开。
如图1所示。
图1光电跟踪传感器结构
太阳光垂直照射检测传感器，在遮光板周围的四个光敏元件接收到的光照强度相同，此时所有LED不亮。
当太阳光线与位置检测传感器有一夹角时，由于遮光板的遮挡作用，产生阴影，使光敏元件照度不同，此差值信号经放大后集后驱动LED，指示太阳方向。
系统的指示精度基本由传感器精度决定，只要光敏元件接收到的光强有一定差别，就会有相应的信号输出，点亮LED指示。
其结构比较简单，精度较高。
因为四个光敏元件都安放在十字型遮光板的交点处，理论上该系统的指示范围为0—
。
3.3总体方案框图
图2多方向太阳能收集控制系统系统框图
四、系统硬件设计
4.1电源模块设计
本电路用7805稳压集成块供电，7805由实验室稳压直流电源提供12V直流电压。
4.1.1相关元器件介绍
三端稳压集成电路lm7805。
电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78××系列和负电压输出的lm79××系列。
顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
图37805外形及其引脚
4.1.2应用电路
图4三端稳压电源应用电路
4.2太阳位置检测传感器设计
本设计采用四个光敏电阻对四个方位的光强进行检测，从而得出太阳光的位置。
4.2.1元器件选择
本设计要求的检测对象是太阳光，太阳光为可见光，其光谱特性如下：
图5太阳光光谱
其辐照特性如下：
图6太阳光辐照特性
对太阳光的光谱，辐照特性进行分析，容易看出，其中400nm~750nm为可见光波段，而可见光波段的辐照强度在500nm~700nm范围内最强。
根据太阳光特性的分析结果，按照传感器选用的匹配原则，决定选用LXD4537硫化镉光敏电阻。
4.2.2相关元器件介绍
产品名称：
CdS（硫化镉）光敏电阻，LXD4537
产品规格（mm）：
4mm
最大电压（VDC）：
150
最大功耗（MW）：
50
环境温度：
-30～+70
光谱峰值（nm）：
540
亮电阻（10LUX光源下）：
18-50KΩ图7光敏电阻
暗电阻（MIN）/MΩ：
2.0
4.2.3传感器结构设计
本设计采用光电跟踪方式，由四个光敏电阻构成太阳方向的一级传感器辨向方式，通过位置检测器检测太阳位置，根据此信号驱动LED实现太阳方向指示。
本方案中的位置检测器是在一个平面上东南西北方向成十字形对称安装性能相同的光敏元件，并由十字遮光板均匀隔开。
太阳光垂直照射检测传感器，在遮光板周围的四个光敏元件接收到的光照强度相同，此时所有LED不亮。
当太阳光线与位置检测传感器有一夹角时，由于遮光板的遮挡作用，产生阴影，使光敏元件照度不同，此差值信号经放大后集后驱动LED，指示太阳方向。
其结构如图8所示。
图8太阳光位置检测传感器结构
系统的指示精度基本由传感器精度决定，只要光敏元件接收到的光强有一定差别，就会有相应的信号输出，点亮LED指示。
其结构比较简单，精度较高。
因为四个光敏元件都安放在十字型遮光板的交点处，理论上该系统的指示范围为0—
。
4.3窗口比较电路设计
4.3.1相关元器件介绍
HA17393为汽车应用和控制系统的使用而设计的。
他们提供了单一电源宽电压范围，电源电流的变化很小，因为它是与电源电压无关。
它们可以广泛应用，如限制比较器，简单的模拟/数字转换器（通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
），脉冲/方波/时间延迟发生器，时钟定时器，多谐，高电压的逻辑门等。
HA17393功能特性如下：
宽电源电压在2至36V之间，极低的电源电流0.8毫安，小的输入偏置25nA，小输入失调电流3nA，小的输入失调电压为2mV，共模输入电压范围包括地面，小输出饱和电压：
1mV（为5μA）70mV（1mA时），输出电压与CMOS逻辑系统兼容。
其实物和引脚如下图所示：
图9HA17393外形及其引脚
4.3.2电路设计
由跟踪原理知，只有在相应的两个光敏电阻的照度差达到一定数值时，信号处理电路才输出信号以驱LED。
针对此情况，专门设计相应的信号处理电路。
采用四电压比较器AH17393型运放设计窗口比较电路。
比较器的基本电路如下图所示，参考电压VR加于比较器方向端，输入信号电压Vi加于比较器同向端。
图10比较器基本电路
电压比较器工作原理：
当输入信号Vi小于参考电压VR时，比较器输出VO为零；当Vi大于等于VR时，比较器输出电压为VCC。
由这样的比较器组成的一组窗口比较电路如图11所示，图中A、B为比较器，高限参考电压为VREF（H），低限参考电压为VREF（L）。
图11单组窗口比较器电路图
单组窗口比较电路输出真值表1。
表1单组窗口比较电路输出真值表
Vi
VA
VB
Vi＞VREF（H）
1
0
VREF（L）＜Vi＜VREF（H）
0
0
Vi＜VREF（L）
0
1
根据真值表可以确定当输入电压超出参考电压时窗口比较电路才有输出，设计太阳位置光电传感器信号处理电路原理图（东西方向）如图11所示。
高度方向与之类似，在此省略。
假设太阳高度不变，根据太阳位置传感器结构，当S1接收到的光照强度大于S3接收到的光照强度时由于U2B的输入电压高于其参考电压而输出高电平，而U2A输出低电平，由此判断太阳在传感器的东方，驱动东向LED指示太阳在东边。
反之，S1接收到的光照强度小于S3接收到的光照强度时由于U2A的输入电压低于其参考下限电压而输出高电平，而U2B输出低电平，由此判断太阳在传感器的西方，驱动西向LED指示太阳在西边。
当S1和S3接受到的光强一样的时候，光敏电阻S3的分压位于上下限电压之间，无输出。
图12东西方向检测电路原理图
4.3.3关于窗口比较电路的引申思考
1.比较电路中没有加正负反馈电阻，是因为，这是有两个HA17393运放构成的一组窗口比较电路，在一组窗口比较电路中，其中一个运放正相输入端输入来自电位器的分压，另一个运放负相输入端输入来自电位器的分压，这两个电压分别作为比较器的上限和下限电压。
这样就避免了微小信号的干扰，而使比较器频繁翻转，这里相当于单运放比较器的滞回特性。
（单运放比较器加入反馈电阻实现滞回特性）
2.对于窗口比较电路中运放输出端的电阻，有些比较器是集电极开路的，当使用集电极开路的比较器的时候，这个上拉电阻是必须的。
另一方面也是为加大输出引脚的驱动能力
这里用LM393比较器和LM358运放为例说明上拉电阻的必要性：
对LM393比较器，Vo是比较器的输出，但它没有在IC内部与Vcc相连接。
它只能受内部的控制，来往里拉外面的电流。
对LM358运放，output是运放的输出，在内部有与Vcc相连接。
它受内部的控制，既可以往里拉外面的电流，也可以往外送出电流。
总而言之，就是“三极管”c、b、e都要接通，才能发挥效用；比较器的这个输出“三极管”，必须用外部上拉电阻接到电压源，才能接通c。
图13LM393和LM358的内部结构图
4.4LED显示模块设计
本设计采用四个发光二极管指示太阳的方向，以相对坐标指示太阳的位置，LED指示的位置即为太阳的位置，直观明了。
4.4.1相关元器件介绍
发光二极管：
简称为LED，是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。
由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，发光二极管常用在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
图14实验室常用二极管
4.4.2电路设计
方向指示LED由比较器的输出电压差驱动。
以东西方向为例，当太阳在东边时，比较器A输出高电平，B输出低电平，Vab为正，驱动D1，指示为东边。
反之，当太阳在西边时，比较器A输出低电平，B输出高电平，Vab为负驱动D3，指示为西边。
电位器RV1分压限流，用于保护LED，并可以调节LED亮度。
图15LED指示电路
5、心得体会
时光荏苒，微电子实习那华丽的一幕仿佛还停留在昨天，今天，我们却迎来了我们大学生涯的第二次电子实习——传感器课程设计。
大三的考试结束了，在一串串鞭炮声中，我们送走了大四的学长学姐。
心中有一丝的伤感，也有一份沉重。
对！
我们就是大四的老大哥了，低年级的师弟师妹们都在看着我们呢，加油！
09CK！
依然是8点钟，依然是6#朴素熟悉的教室，依然是那一张张熟悉的面孔，太熟悉以至于反而看不清，可能是太近了吧！
老曹有个性的嗓门，拉开了传感器课设的序幕！
有了上一次微电子实习的经验，大伙都很快上手了，确定题目，查资料，确定方案，仿真，调试，记录报告。
。
。
各项工作有条不紊的进行！
223一派热闹，繁荣的景象！
确实是热闹啊！
室内温度也热闹！
情不自禁唱起了“空调在哪里呀，空调在哪里。
。
。
。
”空调在我们手上！
“大伙把实物做好，调好，做成产品，拿去卖！
一人卖60大洋！
60人可得3600大洋！
好空调来了，呵呵”老曹一番话，着实给大伙鼓足了干劲！
我一向是喜欢稀奇古怪的东西，太阳追踪系统？
不就是电子向日葵吗？
好玩！
题目敲定了，便开始收集资料，渐渐对太阳追踪系统有了全面的了解，主要包括太阳位置检测模块，信号处理模块，步进电机驱动，以及机械机构。
综合考虑，发现两周的时间几乎不可能把一套完整的太阳追踪系统做出来，于是，晨会向老曹反应，最后采取折中方案，改成太阳方位指示系统，独立完成太阳方位检测传感器的设计制作，并驱动LED指示太阳方位。
经过四天的努力，终于把方案设计完成，周一在223连接调试电路，过程中还是犯了一些低级错误，估计是没有戴眼镜，竟然接错了4根线，花了两个小时才依依排除！
下午，是223跑步的时间，调试正到关键时刻，一个电源，三个电压表同时工作，终于，当我去掉两个三极管后，调试成功了！
随着我的手指在四个光敏电阻上划过，四个LED随着我手指的动作闪烁了起来！
一条调试KO！
信心大增！
终于，晚8点，我拖着疲惫的身躯，冒着绵绵细雨，独自走在校道上，酣畅淋漓！
如今，当我敲打下这些文字的时候又意味着传感器课程设计即将落下帷幕！
暂别223！
感谢那一张张熟悉亲切的面孔，感谢老曹每天的悉心陪伴！
生产实习加油！
223加油！
CK加油！
六、参考文献
[1]罗维平.基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的研究[J].电子技术应用,2009,35（9）：
138-144.
[2]王海鹏，郑成聪，徐丹,等.基于单片机的太阳自动跟踪装置的设计与制作[J].科学技术与工程，2010,10（19）：
4651-4655.
[3]陈建彬，沈惠平，丁磊，等.太阳能光伏发电二轴跟踪机构的研究现状及发展趋势[J].机械设计与制造，2010,8:
264-266.
[4]夏小燕.大范围太阳光线跟踪传感器及跟踪方法的研究[D].南京：
河海大学硕士学位论文，2007:
5-10.
七、附录
7.1电路原理图
图16系统电路
7.2电路仿真图结果
图17电路仿真结果
7.3实物照片
图18实物照片
升级会员 