太阳能自动追光装置设计及制作.docx
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太阳能自动追光装置设计及制作
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords1
引言2
1追光系统简介2
2系统原理及各模块论证2
2.1光采集模块3
2.2数据处理模块3
2.3AD转换模块4
2.4微控制模块4
2.5机械控制模块4
2.6电源模块5
2.7最终方案5
3系统硬件设计及软件设计5
3.1系统硬件电路设计5
3.1.1微控制器模块电路5
3.1.2光采集模块电路5
3.1.3AD转换模块电路6
3.1.4电机驱动模块电路6
3.1.8电源模块电路8
3.2软件系统的设计与实现8
3.2.1光采集模块的控制8
3.2.2程序流程图8
4系统调试9
4.2硬件调试9
4.3软件调试9
5调试方法、现象10
5.2电路的测试方法13
5.3测试仪器及设备13
5.4实物与数据13
6总结14
参考文献：
15
错误！
未定义书签。
附录A
附录B16
致谢16
太阳能自动追踪装置
电子信息科学与技术专业学生英容华
指导教师张冠芬
摘要：
运用核心元件元件ATmega16单片机，内含8路高速A/D转换，与传统模块采用
运放电路相比，设计电压采集部分采用AD转换器，以最简洁的电路实现了太阳能电池
板对太阳的垂直跟踪，采用双轴跟踪技术，弥补了其他太阳能跟踪的短板，可实现电池
板对太阳光的全方位垂直跟踪，实现太阳能利用率的最大化，设计机械部分采用立柱式
结构，转动范围东西、南北0-180度，可实现无死区全角度转动，本装置功耗低，抗干
扰能力强，且价格低廉。
[1]
关键词：
AD转换器；ATmega16单片机；垂直跟踪
Solarenergytobeautomatictrackingdevice
StudentmajoringinelectronicinformationscienceandtechnologyprofessionalYingRonghua
TutorZhangGuanfen
Abstract:
ThedesignofthecorecomponentsATmega16microcontroller,containingeightroadhighspeedA/Dconversion,lowpowerconsumption,stronganti-interferenceability,andthepriceislow.AndthetraditionalmoduleUSESthanamplifier,thedesignvoltageacquisitionoftheADconverter,moreaccurateandreliable,lowenergyconsumption.Thisdesignwiththemostconcisecircuitrealizedthesolarpanelstotheverticaltracking.ThisdesignUSESthedoubleaxestrackingtechnology,tomakeupfortheothersolartrackingshortboard,canrealizetheall-roundverticaltothesunpanelstracking,realizethemaximizationofthesolarenergyutilization.Asisknowntoall,thesimplecircuit,stability,thehigherthebetterrobustness.Thisdesignmachineofthetypestructure,turntheeast-westandsouth-northrange0-180degree,whichcanrealizenodeadzoneallturningAngle.
Keywords:
ADconverter；ATmega16single-chipmicrocomputer;Verticaltracking
引言:
随着社会的快速发展，各种污染严重，能源短缺，太阳能作为一种新能源，
取之不尽且具有节能环保双重特点，对太阳能的有效利用符合可持续发展社会大趋势。
不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。
基于太阳能以上优势，创作出了本次试验设计。
本设计以小模型太阳能电池板为例，只需更换相应
元器件，便可将其应用于各种大型太阳能发电系统。
本次设计的太阳能电池板自动跟踪
系统由于其结构简单价格低廉、拥有较高的稳定性、跟踪精度高，对太阳能的利用效率
高等特点，必然会有极大的发展潜力。
理论分析表明，太阳能电池板垂直跟踪与非跟踪
相比，发电效率可提高37.7%，显而易见，其环境效益与经济效益必然是巨大的。
[1][2]
1追光系统简介
太阳能作为绿色新能源，以其经济、清洁、环保、可持续等优点有着其它能源不可
替代的优势。
当前太阳能发电产业正成为我国政府的重点扶持对象。
是当前及未来能源
发展的重点。
目前国内太阳能发电普遍有以下不足：
大多采用电池板固定方式安装，对
能源的利用率较低;少数采用传感器与涡轮蜗杆技术进行追光产品的可靠性差，且价格
较高。
克服以上不足我们有如下优势：
本设计采用光敏电阻光强比较法实现电池板对太
阳光的垂直跟踪，该系统是以单片机为核心，外加光敏电阻传感设备，步进电机驱动，
机械结构采用两端输出逆止活齿减速器，零回差、自锁、两端同步输出，再由太阳高度
计算公式计算出太阳高度角和太阳方位角两个物理量，核心模块驱动水平和垂直两路步
进电机校正太阳能收集装置的位置，使之与太阳方向垂直。
使用智能追光装置后，电池
板的发电效率能提高30%以上。
使太阳能追光机械传动系统进入新的发展阶段。
太阳能
作为绿色新能源，是未来能源发展的重点，而现有产品采用固定的太阳能电池板，在太
阳能的采集方面效率低，为此，我们设计了主动式太阳能智能追光装臵。
由于在任意时
间、任意地点地球的公转轨道是严格已知的，本装臵利用地方时和纬度精确地计算出太
阳高度角和太阳方位角两个量，通过机械控制部分对太阳能设备进行姿态的调整实现智
能追光。
[1][2]
2系统原理及各模块论证
实现从太阳升起开始进行自动跟踪其运行轨迹且始终使太阳能电池板以最佳角度
朝向阳光，有效提高对光能的利用率，将光能转化为电能。
本设计对太阳能电池板双轴
自动追踪系统进行了设计。
首先，通过测量装置的检测，给出太阳在东西方向和南北方
向的方位信号。
然后，此信号与电池板的姿态信号在ATmega16系统内进行比较后输出
电机动作信号进而使东西方向的电机转动来调节电池板在东西方向的姿态，同时南北方
向的电机也转动来调节电池板在南北方向的姿态，最终达到太阳能电池板与太阳光垂直
的目的。
这样太阳能电池板就不仅能在东西方向上追踪太阳，也能在南北方向上随着太
阳的位置转动。
使光照始终与太阳能电池板保持垂直,进而最大化的接收太阳能。
同时，
在极端天气下（如连续阴雨，日食等现象），要暂停电机等工作，仅留下测量系统及
ATmega16控制系统工作，以及时控制电机转动带动电池板转动。
风力过大时要对系统采
取二级保护措施本设计采用双轴跟踪技术，弥补了其他太阳能跟踪的短板，可实现电池
板对太阳光的全方位垂直跟踪，实现太阳能利用率的最大化。
本设计的核心元件
ATmega16单片机，内含8路高速A/D转换，功耗低，抗干扰能力强，且价格低廉。
与
传统模块采用运放电路相比，本设计电压采集部分采用AD转换器，更加精确可靠，能
耗低。
本设计以最简洁的电路实现了太阳能电池板对太阳的垂直跟踪。
本设计机械部分
采用立柱式结构，转动范围东西、南北0-180度，可实现无死区全角度转动。
[3][4]
为实现本系统的功能，下面分别对各个功能模块进行分析论证，整体设计框图如图
2-1所示。
图2-1系统整体设计框图
2.1光采集模块
方案1：
采用光强传感器。
用ROHM原装BH1750FVI芯片，光照度范围大，并且传感
器内置16位AD转换器，直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定，不区分环境光源，
接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，标准NXP
IIC通信协议，块内部包含通信电平转换，可以与5v单片机直接连接。
工作稳定可靠。
但价格贵。
方案2：
采用光敏电阻，光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随
入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻
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。
在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在
强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感
性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的
光，都会引起它的阻值变化。
设计光控电路简单，可以使设计大为简化。
并且性价比高。
因此综合考虑到所应用场合和性价比选择了方案2。
[5]
2.2数据处理模块
方案1：
采用两个鲁性棒的交叉立体式采集。
竖杆产生光影，横杆上布置光采集模
块，采集光影子的长度。
以此确定太阳光位置。
实现垂直对光。
但此方案需要加以步进
电机调整横杆采集的方向。
并且需要太阳能电池板与控制装置同步同方向。
不便于实际
应用。
方案2：
环形消影的方法，即用八个光敏电阻围成圆形，圆形上放置影杆。
若一个
光敏电阻上出现了影子，则控制电机转动。
直到没有影子为止。
从而实现垂直对光功能。
[2][5][6]
设计示意图如图2-2所示。
图2-2光采集数据处理模块示意图
因此综合考虑到所应用场合和性价比选择了方案2。
2.3AD模块
方案1：
AD采用的是ATmega16内部集成的8路10位ADC，8个单端通道，2个具有
可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道。
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。
[4]
方案2：
采用AD0832，ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理
机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，
从ADC0809的通道IN3输入0－5V之间的模拟量，通过ADC0809转换成数字量在数码管
上以十进制形成显示出来。
ADC0809的VREF接＋5V电压。
因此综合考虑到所应用场合和性价比选择了方案1。
2.4微控制模块
方案1：
采用Atmel公司的AT89S52单片机，该单片机是一种低功耗的CMOS8位
微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
。
片上Flash允许程序存储器在系统
可编程，只能适于常规编程器。
在单芯片上，片上资源匮乏，难以直接输出PWM信号和
实现AD转换。
方案2：
ATmega16是具有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EEPRO，M1K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USAR，T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（TQFP封装）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USAR、两线接口、TA/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。
[4]
因此综合考虑到所应用场合和性价比选择了方案2。
2.5机械控制模块
方案1：
采用直流电机控制，直流电机操作简单，电路设计简易。
但转速不易于控
制，电机的转速，受负载和电流变化的影响大。
所以不适合用于该设计。
方案2：
采用步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控
制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频
率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度
一步一步运行的。
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；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
ATmega16可以直接输出四通道PWM信号，实现对步进电机的即时控制。
示意图如图2-5
[6][7]
所示。
图2-5机械控制模块示意图
因此选择了方案2。
2.6电源模块
方案1：
采用双电源供电。
一个光采集模块专用电源其参数为5V1A，另一个电源
给单片机及外围器件供电。
此方案的优点在于工作电路稳定，但电路较复杂。
方案2：
只用一个电源模块供电。
从光采集模块上直接引出单片机的电源线。
由于
ATmega16正常工作时所消耗的电流不大，基本上不会影响光采集模块的效果。
[8]
上述论证可知，电池组可保持系统稳定，我们选取了方案2。
2.7最终方案
经过反复的探讨和论证我们最终确定太阳能自动追踪装置的如下最终方案：
1.微控制器模块：
以ATMEL公司的ATmega16单片机为控制核心。
2.光采集模块：
采用光敏电阻。
3.数据处理模块：
采用环形消影的方法。
4.AD转换模块：
采用的是ATmega16内部集成的8路10位ADC。
5.电源模块：
采用单个稳压电源供电的方式。
3系统硬件设计及软件设计
3.1系统硬件电路设计
整体电路如图3-1所示。
图3-1系统整体电路图
3.1.1微控制器模块电路
由ATMEL公司的ATmega16组成的控制模块电路简单[2]，其最小系统如图3-1-1所示。
图3-1-1AVR最小系统
3.1.2光采集模块电路
光采集模块电路如图3-1-2所示。
图3-1-2光采集模块电路
3.1.3电机驱动电路
电机驱动采用L298N模块驱动，模块电路如图3-1-3所示。
图3-1-3电机驱动电路
3.1.4电源模块电路
电源采用7805稳压模块，电路如图3-1-4所示。
图3-1-4电源模块电路
3.2软件系统的设计与实现
3.2.1AD模块的控制
外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由MCU进行处理。
ATmega16内部
集成有一个10位逐次比较（successiveapproximation）ADC电路。
因此使用AVR可以
非常方便的处理输入的模拟信号量。
ATmega16的ADC与一个8通道的模拟多路选择器连接，能够对以PORTA作为ADC输
入引脚的8路单端模拟输入电压进行采样，单端电压输入以0V（GND）为参考。
另外还
支持16种差分电压输入组合，其中2种差分输入方式（ADC1，ADC0和ACD，3ADC）带2
有可编程增益放大器，能在A/D转换前对差分输入电压进行0dB（1×），20dB（10×）
或46dB（200×）的放大。
还有七种差分输入方式的模拟输入通道共用一个负极（ADC）1，
此时其它任意一个ADC引脚都可作为相应的正极。
若增益为1×或10×，则可获得8位
的精度。
如果增益为200×，那么转换精度为7位。
AVR的模数转换器ADC具有下列特点：
10位精度；
0.5LSB积分非线形误差
模拟电源引脚AVcc供电。
AVcc和Vcc的电压差别不能大于±0.3V。
ADC转换的
参考电源可采±2LSB的绝对精度；
13μs~260μs的转换时间；
在最大精度下可达到每秒15kSPS的采样速率；
8路可选的单端输入通道；
7路差分输入通道；
2路差分输入通道带有可选的10×和200×增益；
ADC转换结果的读取可设置为左端对齐（LEFTADJUSTME）N；T
ADC的电压输入范围0～Vcc；
可选择的内部2.56V的ADC参考电压源；
自由连续转换模式和单次转换模式；
ADC自动转换触发模式选择；
ADC转换完成中断；
休眠模式下的噪声抑制器（NOISECANCELE）。
R
AVR的ADC功能单元由独立的专用用芯片内部的2.56V参考电源，或采用AVcc，
也可使用外部参考电源。
使用外部参考电源时，外部参考电源由引脚ARFE接入。
使
用内部电压参考源时，可以通过在AREF引脚外部并接一个电容来提高ADC的抗噪性
能。
[4]
3.2.2程序流程改系统工作流程本系统工作按下图流程运行：
图3-2-2主程序流程图和中断程序流程图
4系统调试
4.1硬件调试
第一步，通电观察。
将电路通电观察有无异常现象，例如有无器件冒烟现象，有无
异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。
如果出现异常现象，应立即关断电源，
待排除故障后再通电。
第二步，静态调试。
将信号输入端加固定的电平信号后进行的直流测试，可用万用
表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直
流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。
通过更换
器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。
第三步，动态调试。
动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入
合适的信号，按信号的流向，用示波器顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现
象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。
第四步，分模块块调试。
先调试光采集模块的电路情况，先确定光采集模块的信号
状况良好，上位机软件和串口调试助手能不能成功返回数据和命令；其次调试单片机电
路，利用串口通信助手和下载编程软件，分别编写各个模块的简单程序，测试出各模块
电路是否正常。
第五步，总体调试。
把各个模块连接好，下载单片机程序，打开电源运行程序。
看
硬件是否正常，是否有电信号的干扰。
应尽量让信号线和电源线隔开。
[5]
4.2软件调试
第一步，用上位机软件和串口调试助手调试光采集和单片机之间的通信。
上位机软件见附录
第二步，用multisim对模块电路进行仿真。
第三步，利用KeilC编程软件和Protues实现联调，程序分步运行和全速运行联
合调试。
[5]
5调试方法、现象与数据
5.1电路的测试方法
为了保证实际制作出来机械控制系统能够稳定可靠地运行，我们对各个功能模块和
程序分别运用仿真软件multisium和protus进行了仿真测试。
5.2测试仪器及设备
调试测量过程中用到的仪器设备如表5-2所示。
表5-2测量仪器及设备表
仪器名称
型号
用途
数量
计算机
DELL-INSPIRON
调试程序
1
60MHz双踪数字示波器
TSD1002
调试电机的转速
1
数字万用表
FLUKE
测试链接和各个重要位置的电压
1
直流稳压电源
YD18303D
供各模块电源调试用
1
5.3实物与数据
本系统实物图见附录B
实物示意图如下图5-3-1所示：
图5-3-1实物示意图
数据测试结果如见下表5-3-2所示。
表5-3-2数据测试结果
工作机组
时间
1号
2号
3号
4号
5号
6号
7号
8号
6:
00
8:
00
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○
○
○
○
○
•
○
8:
00
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00
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○
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○
○
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○
•
10:
00
12:
00
•
○
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○
○
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○
12:
00
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00
○
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○
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14:
00
16:
00
○
○
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○
○
○
○
○
16:
00
18:
00
○
○
•
○
○
○
○
○
注：
○表示接受光照；•表示接受到阴影
6总结
在设计制作过程中，力求电路简单，外形美观，整体协调，软件方面，力求稳定可
靠；硬件方面，力求合理,协调稳定。
最终顺利完成了设计中所有的要求使系统更加智
能化，人性化。
制作过程中，我遇到了很多困难。
同时在这次毕业设计中也学到了不少
东西，让我深刻的体会到了理论知识的重要性，也提高了自己分析解决问题的能力。
参考文献：
[1]谭丙煜.怎样撰写科学论文[M].2版.沈阳：
辽宁人民出版社，1982：
5-6.
[2]MartinA.Green）,狄大卫,曹昭阳,李秀文.太阳能电池:
工作原理、技术和系统应用[M].1
版.上海:
交通大学出版社;2010:
1-1.
[3]朱永强.新能源与分布式发电技术[M].1版.北京：
大学出版社，2010：
9-1.
[4]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].1版.北京：
北京航空航天大学出版社，2007：
322-344.
[5]张永瑞,刘振起,杨林耀,顾玉昆.电子测量技术基础[M].1版.西安：
西安电子科技大学出版社，
1994：
82-88.
[6]刘南平.现代电子设计与制作技术[M].2版.北京：
电子工业出版社，2004：
230-232.
[7]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M]
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