基于单片机的太阳能寻光充电系统的设计本科毕业论文.docx
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基于单片机的太阳能寻光充电系统的设计本科毕业论文
毕业论文
题目：
基于单片机的太阳能寻光充电
系统的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
基于单片机的太阳能寻光充电系统的设计
摘要：
设计了一种能时时跟踪光线,保持最优集热效率的太阳能集热器自动寻光系统。
集热管与保温水箱为分体式结构,89C55WD单片机通过温度和水位传感器控制电磁阀开闭保证系统高效运行。
运用STC89C52单片机通过光敏电阻光强比较法和定时法确认光线角度,控制电动推杆调节集热器支架方位实现寻光,并对固定倾角、调整倾角和文章所设计集热器接收的太阳辐射量进行模拟对比及分析。
本系统的设计基于单片机对于太阳能电池板的寻光充电的应用。
将太阳能电池板固定在舵机的转臂上，光电三极管3DU5C制作成180°竖直平面等角度分布，模拟太阳的东升西落规律，对不同角度的光强进行采集。
采用ATmega16单片机作为整套设计系统的主控核心，对光电三极管采集到的光强信息进行分析处理，从而控制舵机转动，使太阳能电池板始终对准光强最大的方向，保证了太阳能电池板最大效率的采集吸收电能；太阳能电池板采集的光能将对蓄电池充电，完成了将光能转换成电能的蓄电过程。
关键词：
单片机；太阳能电池板；光电三极管；舵机；寻光；充电
前言
我国是世界最大的太阳能集热器生产国,90%以上为带有电辅助加热的固定倾角全玻璃真空管太阳能集热器。
现今社会，在世界范围内，能源主要是石油，但是其供求严重失衡，价格暴涨，影响和波及世界各地的经济发展，给世界经济发展带来极大风险的情况，并且石油能源对环境的污染十分严重。
在这样的恶劣环境下，我们必须考虑开发其它新型无污染的能源，太阳能就是一种非常符合世界可持续发展的新型能源，它的存储丰富，无污染，但是由于社会科学技术的限制，对太阳能的开发利用效率和范围都不理想，让无穷无尽的太阳能随着时间流逝。
为了更高效的开发利用太阳能，本设计系统遵循太阳东起西落的规律，太阳能正射时候的光强最大，意味着此时光能量越大，系统中用于采集吸收太阳能的太阳能电池板将随着太阳在时刻移动，使得太阳能电池板能够始终对准太阳的方向，这样在白天有阳光的情况下，太阳能电池板吸收的光能就最大化。
如若此设计系统能够广泛应用，那么地球上的太阳能将会最大效率的利用，太阳能资源是非常丰富的，能够高效的利用太阳能，不仅解决了能源危机，有保护了环境。
本设计系统给出一种自动追踪太阳光的系统，旨在提供一项低成本高效益的光能利用新技术。
追踪阳光能有效提高太阳能的利用效率，有关资料显示可提高电池板效率1.6—1.7倍，可实现用更小的电池板面积产生更多的电能，能达到资源的最大化利用，但是基于目前阳光追踪系统多是利用GPS等高科技手段实现，成本较高，大面积推广困难。
本项目提供了一种以低成本实现较精确追踪的方案，单片机实现智能控制，外围电路大大减少，提高了系统的可靠性，精确性。
使太阳能发电系统大幅度整体降低成本成为可能，因此是有一定实际意义和科研价值的。
如若此设计系统能够广泛应用，那么地球上的太阳能将会最大效率的利用，太阳能资源是非常丰富的，能够高效的利用太阳能，不仅解决了能源危机，有保护了环境。
1发展现状及应用领域
1.1国内外现状
在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内在集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。
1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。
我国的太阳能产业已开始运作。
中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入2.5亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。
国家《可再生能源法》的实施，将大大促进光伏电系统在边远地区的推广和城市并网发电，以及超大规模沙漠电站的应用。
[1]
在中国经济快速发展的今天，能源紧缺的矛盾越来越突出。
能源紧缺成为经济发展的瓶颈制约着中国经济的快速发展。
煤荒、电荒、油荒波及中国，给中国带来了巨大的压力和挑战，建设节约型社会成为中国政府的强烈要求，开发新能源成为全社会关注的热点。
太阳能作为一种清洁，无污染的能源在当今社会有十分重要的意义有广阔的发展前景，其中我国在大规模发展太阳能光伏发电上具有相对优势但同时还存在着一定障碍。
我国有着丰富的太阳能资源，大部分地区位于北纬45°以南，全国2/3的国土面积年日照小时在2200小时以上，每平方米太阳能年辐射总量为3350—8400兆焦，平均值是5860兆焦（相当于199kg标准煤），全年陆地表面每年接收到的太阳辐射能约为5×1022焦，相当于2.4万亿吨标准煤。
从全国太阳年辐射总量的分布来看，西部和北部的西藏、青海、新疆、宁夏、甘肃、内蒙等地的总辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳能资源丰富地区之一；四川盆地、两湖地区秦巴山地是太阳能资源低值区；我国东部、南部及东北为资源中等区。
2008年，全球太阳能电池导入量达到了5.5GW以上，其中80%以上的新增导入量位于欧洲。
代表性的国家就是德国和西班牙，这两国2008年新增太阳能电池导入量分别达到2511MW、1500MW，占欧洲总量的84%。
意大利在2010年成为全球第二大光伏市场。
市场调研公司iSuppli最新预测显示，到2013年，捷克的太阳能系统装机容量可能达到500MW，而2008年时只有50MW，其间的复合年增长率达66.5%。
从营业收入角度来看，2013年，该国光伏产业将从2008年时的3亿美元增长到17亿美元。
而保加利亚到2013年的太阳能装机容量也将达到600MW，而2008年是1MW，复合年增长率高达89%。
另外，到2013年，希腊安装的光伏系统将达到1.2GW，而2008年只有40MW，其间的复合年增长率为88.5%。
世界能源危机逐渐恶化。
随着人口的日益增多，导致了能源分配不足；并且各地区能源分布不均，像石油等能源大国在控制世界局势，导致物价上涨、经济危机。
由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源枯竭，同时新的能源生产供应体系又未能建立，造成了交通运输、金融业、工商业等方面一系列问题。
专家估计，到本世纪中叶，也即2050年左右，石油资源将会开采殆尽，如若此时新能源生产供应体系还未能建立，地球将会面临更大灾难。
所以说，开发新能源迫在眉睫。
众所周知，地球所有的能量都源自太阳能，能够高效普遍利用太阳能才是可持续发展的正确途径。
1.2应用领域
太阳能作为一种新型无污染的能源，本身的应用就十分广泛。
此系统是利用太阳能电池板将太阳能转换为电能，其应用领域更加广阔。
生活、生产都离不开电，我们有各种各样的发电站，包括最新发展起来的太阳能光伏发电站，此系统可以应用与光伏发电，产生更多的电能，从而降低了不同地区、不同季节的用电荒。
另外这套寻光充电系统还可以直接应用于各个领域：
家庭用户领域：
小型电源10-100W，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等。
3-5KW家庭屋顶并网发电系统。
光伏水泵：
解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
交通领域：
如航标灯、路灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
通讯/通信领域：
太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
石油、海洋、气象领域：
石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
家庭灯具电源领域：
如路灯、庭院灯、野营灯、登山灯、手提灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
太阳能建筑领域：
将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来的一大发展方向。
其他领域：
①与汽车配套：
太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等。
②太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统。
③海水淡化设备供电。
④卫星、航天器、空间太阳能电站等。
⑤光电池玩具领域。
[2]
2自动对光技术研究实例
目前全球在能源危机的大环境下，对太阳能的开发和利用越来越多，以下列举了几种太阳能板自动寻光追光设计系统或装置，并作了相应的原理及功能概述。
2.1太阳能设备自动跟踪器
太阳能设备自动跟踪器是用来协助太阳能设备能够精确跟踪太阳光，提高太阳能利用率的控制设备。
由于太阳光具有不稳定性和随时间变化而运动的特点，因此采用一般的方法，要做到精确跟踪是很困难的。
本跟踪器采用新的电子技术和改进的跟踪算法，实现了对太阳光的自动精确跟踪，从而大大提高太阳能设备对太阳能的利用率。
本装置由传感器、信号处理及补偿、微处理器、执行机构驱动接口等单元电路组成（选择不同的执行机构可以满足不同的应用场合），驱动太阳能设备自动对准太阳。
当太阳光线发生偏移时,传感器输出信号,经过信号处理及补偿电路的处理，进入到微处理器，微处理器根据输入信号，运行跟踪算法，输出控制信号，通过接口电路单元驱动执行机构调整太阳能设备的角度,从而实现自动跟踪太阳的目的。
2.2太阳能自动跟踪系统
太阳能自动跟踪系统主要用于太阳能路灯,庭院灯,景观灯,太阳能电站等，以提高太阳能光伏发电系统的综合发电效率。
我们知道,太阳能光伏发电系统的综合发电效率受太阳能电池板组件本身的效率左右,目前太阳能电池板组件的效率只有百分之十几,此太阳能自动跟踪系统技术,使太阳能电池板组件始终正对太阳，方向角为0度，正负误差小于15度，并跟随太阳旋转。
经实测,在上午十点以前和下午四点以后的时段，自动跟踪技术可使太阳能电池板组件的功率提高约一至二倍。
全年平均综合发电效率提高30%左右,同时也降低了综合发电成本,达到国内先进水平。
[3]
2.3太阳灶自动对光系统
此系统已经获得国家专利，专利号CN200910081491。
本发明属于清洁能源技术领域的一种太阳灶自动对光系统。
在底座板上固定中心轴套筒和控制盒，水平转动轴插入中心轴套筒内，在水平转动轴上固定机械腿等水平转动装置，在水平转动轴顶端固定俯仰运动机构，俯仰驱动电机安装在太阳灶俯仰运动支架一侧的俯仰电机安装板上，安装太阳灶和太阳能电池板的俯仰转动轴支撑在俯仰运动支架上的轴承中。
本发明采用了全新的机械机构和运动模式，同时，采用太阳能电池给追踪系统供电，并保持太阳能电池与太阳灶的同步太阳追踪状态，充分发挥太阳能电池的作用。
在太阳灶不使用时或者光照条件较差时，系统不工作，以最大程度减少能源消耗。
太阳能电池收集的能量可以储存在蓄电池中。
[4]
2.4太阳能集热器追光系统
专利号为CN200410058078.5的太阳能集热器追光系统作为一种新型的太阳能集热器系统，包括：
太阳能集热板、架体、座体、小光电板组、仰角修正装置及判断逻辑单元，座体固定整个系统，架体上固定设置呈圆弧形轨面分布的小光电板组，通过将小光电板组的圆弧形轨面对正太阳日照轨道平行方位而设置定位整个系统后，利用小光电板组读取电流数据，供判断逻辑单元作决策，并对仰角调整装置的步进马达下达停止、正传或者反转动作指令，直至架体上的太阳能集热板对正太阳位置，同时判断逻辑单元仍持续不断监控光感测数据并及时反应，从而达到可持续感测光源且自动调整太阳能集热装置对正光源的功效。
[5]
综上所述，目前我国对太阳能的研究范围和应用领域逐渐扩大，越来越多的高效太阳能装置正在研发和应用于实际生活生产，极大提高了能源利用效率。
基于以上产品描述，本套系统提出了以下设计方案，以较小的成本实现较高的利用效率。
3系统方案设计
3.1总体方案设计
本设计是基于单片机对于太阳能电池板的寻光充电系统的应用。
其数据处理和智能控制的核心芯片就是单片机，针对于所需功能，此处采用型号ATmega16的AVR经典单片机，利用光电三极管3DU5C的光特性完成光信号的采集，采集到的数据发送给单片机，单片机经过数据处理，将处理的结果通过舵机转动的角度来反映。
单片机能够根据光电三极管采集的数据可以判断光信号最强的方向，来控制舵机转动将太阳能电池板偏向光强最强的方向。
控制系统供电由锂电池稳压提供，太阳能电池板将电能保存在蓄电池中，这样可以保证整个系统工作稳定。
总体框图如图1所示。
图1系统总体框图
3.2模块方案设计
3.2.1主控模块
采用ATmega16单片机作为控制芯片。
与51系列的STC89C52单片机相比较，处理速度快、应用简单，性价比高；并且有内置的PWM波和AD转换，这样利用此单片机的PWM波来实现舵机的伺服控制就很简单。
3.2.2寻光模块
采用光电三极管3DU5C检测光源。
由于光电三极管3DU5C的本身特性，其接受光照面就是三极管的基极，有光和无光对于三极管的导通起关断作用，在硬件实现上，采用8个光电三极管，成180度角均匀分布，来探测光源的方向。
如果使用光敏电阻判断光强大小，稳定性低，数据波动大，不利于系统定位，综上所论，寻光模块中采用光电三极管比光敏电阻实现起来更加简单准确。
3.2.3太阳能板追光模块
本设计系统中，太阳能板固定在舵机的机臂上，单片机通过控制舵机摆动来带动太阳能电池板偏转，使其能够准确的对准光照最强的方向。
3.2.4电源模块
本系统的电源主要分成两部分组成：
放电部分和充电部分。
为了防止系统的稳定性，故采用了双电源模式，利用可充电锂电池作为整个系统的供电电源；太阳能电池板转换的电能另外储存到蓄电池中。
4系统程序流程图
4.1整体程序流程图
如图2所示。
图2整体程序流程图
4.2太阳能电池板追光引导程序流程图
如图3所示。
图3太阳能电池板追光引导程序流程图
5系统的硬件设计
5.1电路设计软件介绍
本系统的硬件电路设计采用了AltiumDesigner6.9电路原理图绘制和仿真软件。
AltiumDesigner6.9是原Protel99SE等多个版本的升级版。
5.1.1AltiumDesigner6.9组件功能概述
◆Foundation：
电子产品设计前端，包含了原理图输入、电路仿真和验证和PCB及CAM文档资料浏览功能；
◆BoardImplementation：
传统板级电路设计、验证及CAM文档编辑功能；
◆EmbeddedIntelligenceImplementation：
基于大规模可编程逻辑器件（FPGA/
CPLD）的数字电路设计、片上可编程嵌入式系统软件开发和数字电路实时验证功能；
5.1.2AltiumDesigner6.9主要特点
◆一种同时进行PCB和FPGA设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能；
◆强大的前端将多层次、多通道的原理图输入、混合信号仿真、VHDL开发和功能仿真及布线前信号完整性分析结合起来；
◆引入了以FPGA为目标的虚拟仪器，当其与LiveDesigneable硬件平NanoBoard结合时，用户可以快速、交互地实现和调试基于FPGA的设计；
◆PCB和FPGA之间的全面集成，从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果；
◆交互式编辑、出错；
◆全面的项目管理，设计团队和版本控制功能包括原理图SCH到PCB和PCB到FPGA双向同步功能；
◆设计库具有81000多种元件，包括针对FPGA设计的拿来即用、预先合成的IP元件；
◆支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具；
◆Orcad®、PADS、AutoCAD和其它软件的文件导入和导出功能；
◆完整的ODB++/GerberCAM-系统使得用户可以重新设计较早版本的设计，弥补设计和制造之间的差异,全面的向下兼容特性。
[6]
5.1.3AltiumDesigner6.9工作界面
AltiumDesigner6.9显示主界面包含了DXP系统菜单、查看导航、工作面板、主设计窗口、面板控制栏等，如图4所示。
图4AltiumDesigner6.9主界面
AltiumDesigner6.9还具有元器件报表、信号完整性分析图、扫描各种参数、给出合适的参考值、串扰分析、自动引脚优化等很多功能，如图5所示，为AltiumDesigner6.9的信号完整性分析图。
图5AltiumDesigner6.9信号完整性分析图
5.2硬件电路设计与分析
5.2.1供电电路设计与分析
由于此系统用于户外光能采集，供电电源应采用独立电源最为适宜。
另外考虑本控制模块与舵机的工作电压为5V单电源，故此系统采用了三端稳压芯片L2805CV将锂电池的7.2V直流电稳压成DC5V，电路图如图6所示。
图6DC5V稳压电源电路原理图
图7L7805系列实物引脚图
表1L7805系列电参数表
参数
符号
测试条件
MIN
TYP
MAX
单位
输出电压
Vo
Tj=25℃
4.8
5.0
5.2
V
5.0mA<1o<1.0A,Po<15W
Vi=7.5vto20v
4.75
5.00
5.25
V
升级会员 