自動太陽能路燈設(shè)計課程設(shè)計論文

1、<p><b>　　自動太陽能路燈設(shè)計</b></p><p><b>　　1、前言</b></p><p>　　太陽能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術(shù)的普及。把太陽能自動跟蹤系統(tǒng)引入路燈的設(shè)計為解決這一問題提供了新途徑，從而大大

2、提高了太陽能的利用效率。本設(shè)計采用光電跟蹤的方法，利用步進電機雙軸驅(qū)動，由光電傳感器根據(jù)入射光線的強弱變化產(chǎn)生反饋信號到微機處理器。微機處理器運行程序，通過對跟蹤機構(gòu)進行水平、俯仰兩個自由度的控制，調(diào)整太陽能電池板的角度實現(xiàn)對太陽的跟蹤。采用單片機來實現(xiàn)的太陽能追蹤系統(tǒng)能有效提高太陽板的光電轉(zhuǎn)化效率，并具有較廣泛的應用前景。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p&

3、gt;<p>　　2.1、系統(tǒng)總體設(shè)計要求</p><p>　　本系統(tǒng)研制的出發(fā)點是更加有效的利用太陽能。對太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉(zhuǎn)化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確定了使用太陽能電池板把太陽能量轉(zhuǎn)化為電能。對太陽能進行電能轉(zhuǎn)換的時候，由于太陽的位置是隨著時間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨太陽改變，只能在固定時段有效的吸收太

4、陽能，在其他時段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系統(tǒng)對太陽進行實時跟蹤是可行和有效的。在本課題中采用的是雙軸跟蹤的方法對太陽進行即時跟蹤，使太陽能接收裝置能夠始終正對太陽，從而提高吸收效率。</p><p>　　本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。根據(jù)本系統(tǒng)的整體要求，裝置的各組成部分應該選用常用而且性價比與可靠性較高的構(gòu)件，充分考慮其經(jīng)濟性.在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要使系統(tǒng)機

5、構(gòu)盡量簡潔，避免過于復雜和昂貴，要便于安裝和維護。在控制部分的設(shè)計中，要考慮到系統(tǒng)的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強的執(zhí)行元件，避免頻繁發(fā)生系統(tǒng)故障。</p><p><b>　　設(shè)計要求如下：</b></p><p>　　1.系統(tǒng)能根據(jù)天氣條件進行選擇性工作，晴天自動跟蹤，陰天或黑夜停止跟蹤，避免電能消耗。</p><p>　　2.晴天時系

6、統(tǒng)能保證太陽能電池板與太陽光垂直。充分吸收光能。</p><p>　　3.系統(tǒng)設(shè)計的硬件部分和軟件部分能夠無故障、準確、合理地運行。</p><p>　　4.為了減少電能過多消耗，系統(tǒng)每十分鐘跟蹤一次太陽光，誤差不超過3度。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計分析</p><p>　　本設(shè)計主要包過光電轉(zhuǎn)換電路，AD轉(zhuǎn)換電路，單片機控制

7、電路，電機驅(qū)動電路的設(shè)計，該部分主要從整體上進行系統(tǒng)的總體設(shè)計分析。本部分首先主要介紹各個模塊的硬件電路，以及機械設(shè)計部分原理簡介，然后再從整體上分析。</p><p>　　太陽能自動跟蹤總體框圖如下：</p><p>　　圖2-1 太陽能自動跟蹤總體框圖</p><p>　　硬件設(shè)計流程圖如下：</p><p>　　圖2-2 硬件設(shè)計流程圖

8、</p><p>　　圖2-2是本太陽能自動跟蹤裝置的原理框圖,太陽能自動跟蹤裝置設(shè)計成雙軸跟蹤系統(tǒng) ,同時在方位角和高度角兩個方向上跟蹤 ,由傳感器、信號處理及控制電路、方位角及高度角調(diào)整機構(gòu)組成。傳感器把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號 ,電信號經(jīng)過信號處理及控制電路后,由控制電路輸出相應的控制信號驅(qū)動方位角調(diào)整機構(gòu)和高度角調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)相應的位置調(diào)整。</p><p><b>　　

9、2.3系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　2.3.1、電子控制元件選型</p><p>　　芯片采用AT89c52，模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ADC0808在仿真時進行A/D轉(zhuǎn)換，驅(qū)動控制器選用L298。</p><p>　　2.3.2、光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p><p>　　光電轉(zhuǎn)換電路由八個相同基本電路組成，每個基本電路由光敏二極管，

10、電阻（含可變電阻），電容，運算放大器組成。運用運放放大光敏二極管采集到的光電流并將其轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號輸入到ADC0808的模擬信號輸入端。</p><p>　　光敏二極管的分布設(shè)計</p><p>　　在這個設(shè)計電路中，光敏二極管的分布起到了不可或缺的作用，只有合理的分布光敏二極管，才能有效采集光強信號，并將東西南北四個方向的微小信號放大，將信號處理后，才能精確控制電機的轉(zhuǎn)動，從而

11、實現(xiàn)太陽能電池板和太陽光線呈垂直方向。</p><p>　　其中光敏二極管的分布圖如下：</p><p>　　圖3-5 光敏二極管分布圖</p><p>　　光敏二極管D1，D2，D3，D4分別分布在圓筒的外側(cè)主要用于初步對準，其中D1，D3分布在南北兩側(cè)，D2，D4分布在東西兩側(cè),光敏二極管是將光信號變成電信號的半導體器件。它的核心部分也是一個PN結(jié)，和普通二極管

12、相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。 　　</p><p>　　光敏二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子---空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移

13、運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導”。光敏二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。 　</p><p><b>　　2.4機械部分設(shè)計</b></p><p>　　太陽自動跟蹤裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-13所示, 其主要功能是固定支撐太

14、陽能電池板, 實現(xiàn)對其高度角和方位角的調(diào)節(jié)控制。</p><p>　　太陽自動跟蹤裝置結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　太陽能電池板高度角的調(diào)節(jié)是由步進電機1帶動絲杠轉(zhuǎn)動, 經(jīng)過減速齒輪箱1的減速帶動太陽能板追蹤太陽高度角。</p><p>　　太陽能電池板方位角的調(diào)節(jié)是由步進電機2帶動齒輪轉(zhuǎn)動, 改變太陽能電池板的方位角。</p><p>&

15、lt;b>　　3、系統(tǒng)原理分析</b></p><p>　　傳感器光敏二極管的分布結(jié)構(gòu)圖:設(shè)置一個圓筒形的外殼 ,在圓筒外部東、 南、 西、 北四個方向上分別布置 4 個光敏二極管 ,其中光敏二極管 D2 、 D4 東西對稱安裝在圓筒的外側(cè) ,用來粗略的檢測太陽由東向西運動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角;另一對光電二極管 D1 、D3南北對稱安裝在圓筒的外側(cè) ,用來粗略檢測太陽的南北方向的偏轉(zhuǎn)角度即高度角。

16、光敏二極管D6、D8，D5、D7則安裝在內(nèi)側(cè)用于精確校準，在內(nèi)側(cè)裝有一片濾光片防止夏天時日照強度過大使光敏二極管飽和。</p><p>　　從4個光敏二極管輸出的信號經(jīng)過預處理后 ,分別得到電壓信號 U1 、U2 、U3 、U4 ，將放大后的4路信號送入到ADC0808中 ,把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ,然后再送入微處理器 AT89C52 中 ,在 AT89C52中 ,先判斷各路信號的值來確定天氣狀況，如果是陰天或

17、黑夜則停止跟蹤 ,如果有陽光則由軟件計算出南北方向跟蹤控制信號Ux=U1-U3，東西方向控制信號Uy=U2-U4。</p><p>　　對于方位角跟蹤而言 ,當太陽光與電池板垂直的方向照射到傳感器上時 , D2 、D4接受到的光照度相同則Ux=0;對于高度角跟蹤而言 ,當太陽光與電池板垂直的方向照射到傳感器上時 , D1 、D3接受到的光照度相同則Uy=0;而當太陽光偏離電池板垂直方向一個角度時 ,D2 、D4可

18、能受到環(huán)境光強的影響 ,反映出太陽光線的變化，單片機算出差值信號 ,將該差值信號送入控制單元 ,控制太陽能自動跟蹤裝置調(diào)整太陽能電池板的角度 ,直到太陽能電池板與太陽光垂直為止。高度角跟蹤原理與方位角跟蹤原理類似。從而保證太陽能電池板與太陽光線垂直。</p><p><b>　　4、軟件設(shè)計</b></p><p>　　單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)是指用單片機組成應用系統(tǒng)從任

19、務提出到設(shè)計定型、制造調(diào)試、直到使用的整個過程。在單片機控制系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計中，首先要明確設(shè)計要求，即確定系統(tǒng)的功能指標，然后制定系統(tǒng)方案，最后是方案的實施。</p><p>　　單片機控制的主要內(nèi)容包含總體設(shè)計、硬件開發(fā)、軟件開發(fā)及樣機聯(lián)調(diào)等。硬件開發(fā)時要先設(shè)計、繪制原理圖，根據(jù)系統(tǒng)的各項技術(shù)指標獨立進行軟件設(shè)計；還要根據(jù)所設(shè)計的原理電路，綜合考慮系統(tǒng)的性能和計算要求，合理布置元器件。再進行印刷電路板的設(shè)計、加

20、工，最后將元器件仔細核對后焊接在線路板上。然后用萬用表、邏輯測試筆、示波器等儀器對硬件線路進行檢查排錯，必要時借助仿真器進行硬件調(diào)試。在完成了硬件和軟件的分別調(diào)試后就可進行聯(lián)機調(diào)試，進一步排除軟、硬件的錯誤和不足，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤之處及時修正，直至所設(shè)計的系統(tǒng)達到預期的要求。圖示單片機系統(tǒng)的研制開發(fā)流程，本次設(shè)計就按照此流程來進行設(shè)計開發(fā)。</p><p>　　單片機系統(tǒng)的開發(fā)流程圖</p><

21、;p><b>　　電機驅(qū)動軟件流程圖</b></p><p><b>　　電機驅(qū)動軟件流程圖</b></p><p><b>　　5、總結(jié)</b></p><p>　　本文主要是對自動太陽能路燈的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究。設(shè)計了太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，其具有兩個自由度：水平方向轉(zhuǎn)動自

22、由度和豎直方向轉(zhuǎn)動自由度。以AT89c52單片機為主控制芯片，對太陽進行自動跟蹤以提高太陽能的利用率。</p><p>　　(1)設(shè)計太陽能跟蹤控制器機械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有兩個自由度，即水平方向轉(zhuǎn)動自由度和豎直方向轉(zhuǎn)動自由度。該機械結(jié)構(gòu)的運動由兩個步進電機來驅(qū)動，完成對太陽高度角和方向角的跟蹤。</p><p>　　(2)設(shè)計太陽能跟蹤控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。</p><p&g

23、t;　　本文針對現(xiàn)有在現(xiàn)有的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了新的控制策略，雖然獲得了一定的進展，但是機械機構(gòu)、硬件控制系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)等方面有這種一定的不足，還存在進一步提高和優(yōu)化的空間，來實現(xiàn)高精度的太陽能跟蹤控制。</p><p>　　本文設(shè)計的基于單片機的高精度太陽能跟蹤控制器只是一個小系統(tǒng)，現(xiàn)實中的很多因素都沒有考慮進去。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計并未考慮自然因素的影響和作用，比如風力、雷雨、沙塵等。因此并未做抗風

24、力、防雨水以及防沙塵等設(shè)計考慮。同樣相應的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)也沒有考慮到各種突發(fā)事件，要使跟蹤控制器成為真正的產(chǎn)品還有很多問題要解決。通過對本課題的研究和學習，深感研究高精度太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的緊迫性和重要性，這對人們面臨的日益嚴峻的能源危機有很重要的作用和意義。雖然本人對此做了一點研究，但很希望有更多的人參與類似新能源利用的項目，設(shè)計出滿足各種環(huán)境，滿足不同要求的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)太陽能利用的大面積推廣。</p>

25、<p><b>　　6、附錄</b></p><p><b>　　驅(qū)動控制程序</b></p><p>　　#include<reg52.h></p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define uchar unsign

26、ed char</p><p>　　/**********I/O端口定義************/</p><p>　　sbit A0 = P1^0;</p><p>　　sbit A1 = P1^1;</p><p>　　sbit START = P1^2;</p><p>　　sbit ALE = P1^3;<

27、;/p><p>　　sbit EOC = P1^4;</p><p>　　sbit OE = P1^5;</p><p>　　/***********變量定義**************/</p><p>　　uchar dataRV1, dataRV2, dataRV3, dataRV4;</p><p>　　/****

28、****簡單延時函數(shù)(ms)*********/</p><p>　　void Delayms(uint ms)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint x,y;</b></p><p>　　for(x=ms;x>0;x--)</p><

29、;p><b>　　{</b></p><p>　　for(y=124;y>1;y--);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/********初始化步進電動機*********/</p>

30、<p>　　void InitMotor()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P2 = 0xFF;</p><p>　　P3 = 0xFF;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/***********初始化AD

31、C*************/</p><p>　　void InitADC()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　A0 = 0;</b></p><p><b>　　A1 = 0;</b></p><p><b&

32、gt;　　ALE = 0;</b></p><p>　　START = 0;</p><p>　　//EOC = 0;</p><p><b>　　OE = 0;</b></p><p>　　P0 = 0XFF;//初始化P0端口，做好接受數(shù)據(jù)準備</p><p><b&g

33、t;　　}</b></p><p>　　/*********讀取ADC數(shù)據(jù)*********/</p><p>　　uchar ReadADC()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar datatmp;</p><p><b>　　ALE =

34、 1;</b></p><p>　　START = 1;</p><p>　　Delayms(500);</p><p>　　START = 0;</p><p>　　while(!EOC);</p><p><b>　　OE = 1;</b></p><p>

35、　　datatmp = P0;</p><p>　　Delayms(5);</p><p><b>　　OE = 0;</b></p><p><b>　　ALE = 0;</b></p><p>　　return datatmp;</p><p><b>　　}&

36、lt;/b></p><p>　　/*********讀取第（1）電阻值********/</p><p>　　void ReadRV1()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　A1 = 0;</b></p><p><b>　

37、　A0 = 0;</b></p><p>　　dataRV1 = ReadADC();</p><p>　　Delayms(5);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********讀取第（2）電阻值********/</p><p>　　void Rea

38、dRV2()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　A1 = 0;</b></p><p><b>　　A0 = 1;</b></p><p>　　dataRV2 = ReadADC();</p><p>　　Delayms

39、(5);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********讀取第（3）電阻值********/</p><p>　　void ReadRV3()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　A1 = 1;&l

40、t;/b></p><p><b>　　A0 = 0;</b></p><p>　　dataRV3 = ReadADC();</p><p>　　Delayms(5);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********讀取第（4）電阻值*

41、*******/</p><p>　　void ReadRV4()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　A1 = 1;</b></p><p><b>　　A0 = 1;</b></p><p>　　dataRV4 = R

42、eadADC();</p><p>　　Delayms(5);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********步進電動機1正轉(zhuǎn)*********/</p><p>　　void SetMotor1Z()</p><p><b>　　{</b>

43、</p><p>　　P2 = 0x03;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P2 = 0x06;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P2 = 0x0C;</p><p>　　Delayms(3);</p><p&g

44、t;　　P2 = 0x09;</p><p>　　Delayms(3);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********步進電動機1反轉(zhuǎn)*********/</p><p>　　void SetMotor1F()</p><p><b>　　{</

45、b></p><p>　　P2 = 0x09;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P2 = 0x0C;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P2 = 0x06;</p><p>　　Delayms(3);</p>&l

46、t;p>　　P2 = 0x03;</p><p>　　Delayms(3);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********步進電動機2正轉(zhuǎn)*********/</p><p>　　void SetMotor2Z()</p><p><b>　　{

47、</b></p><p>　　P3 = 0x03;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P3 = 0x06;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P3 = 0x0C;</p><p>　　Delayms(3);</p>

48、;<p>　　P3 = 0x09;</p><p>　　Delayms(3);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********步進電動機2反轉(zhuǎn)*********/</p><p>　　void SetMotor2F()</p><p><b&g

49、t;　　{</b></p><p>　　P3 = 0x09;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P3 = 0x0C;</p><p>　　Delayms(3);</p><p>　　P3 = 0x06;</p><p>　　Delayms(3);<

50、/p><p>　　P3 = 0x03;</p><p>　　Delayms(3);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/************主程序***************/</p><p><b>　　main() </b></p>

51、<p><b>　　{ </b></p><p>　　//uint i;</p><p>　　int xlable, ylable;</p><p>　　InitMotor();</p><p>　　InitADC();</p><p><b>　　while(1)<

52、;/b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　ReadRV1();//首次讀取電阻值；</p><p>　　ReadRV2();</p><p>　　ReadRV3();</p><p>　　ReadRV4();</p><p>　　xlab

53、le = (dataRV1 - dataRV2) * 10;</p><p>　　ylable = (dataRV3 - dataRV4) * 10;</p><p>　　if(xlable >= 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(;xlable >= 0;xlable

54、--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SetMotor1Z();//步進電動機1正轉(zhuǎn)；</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else<

55、/b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(;xlable <= 0;xlable++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SetMotor1F();//步進電動機1反轉(zhuǎn)；</p><p><b&g

56、t;　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(ylable >= 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(;ylable >= 0;ylable--)</p><p><b

57、>　　{</b></p><p>　　SetMotor2Z();//步進電動機1正轉(zhuǎn)；</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p>&l

58、t;b>　　{</b></p><p>　　for(;ylable <= 0;ylable++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SetMotor2F();//步進電動機1反轉(zhuǎn)；</p><p><b>　　}</b></p>&l

59、t;p><b>　　}</b></p><p>　　/*if(dataRV1 != dataRV2)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(dataRV1 > dataRV2)</p><p><b>　　{</b></p>

60、<p>　　SetMotor1Z();//步進電動機1正轉(zhuǎn)；</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　SetMotor1F();//步進電動機1反轉(zhuǎn)；&l

61、t;/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(dataRV3 != dataRV4)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(dataRV3 > dataRV4)&

62、lt;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　SetMotor2Z();//步進電動機2正轉(zhuǎn)；</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b&g

63、t;</p><p>　　SetMotor2F();//步進電動機2反轉(zhuǎn)；</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}*/</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b