1、计算机控制技术设计报告计算机控制技术设计报告题目：太阳能板自动跟踪控制系统设计学 号： B08050318 姓 名： 李勇威 专 业： 计算机科学与技术 指导教师： 张焕龙 2011年9月 22 日摘 要人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。本设计尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的自动跟踪系统以提高太阳能电池的光-电转化率。该系统主要包括传感器部分、信
2、号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线，从而提高太阳能的吸收效率我在小组内主要负责硬件电路及外围电路的选型及设计，本论文将主要对硬件电路做以详细介绍。关键词： 太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机目 录第一章 引言 31.1 课题来源 31.2 产生背景 31.2.1 能源现状及发展 31.2.2 环境问题 31.2
3、.3目前太阳能的开发和利用 31.2.4 太阳能的特点 51.3课题研究的目的 51.4研究课题的意义 51.4.1新环保能源 51.4.2提高太阳能的利用率 51.4.3 国内外跟踪式太阳能的发展和应用 6第二章 太阳能板自动跟踪控制系统总体设计 62.1 太阳运行的规律 62.2跟踪系统的设计要求 72.3 跟踪系统的组成 72.3.1 太阳能采集装置 82.3.2 信号采集器 82.3.3 齿圈转动式转向机构 92.3.4 控制器 92.3.5本课题的机械设计方案 10第三章 控制电路及外围电路的选型与设计 113.1 元器件选型 113.2 AT89C51单片机 113.3 电源管理部
4、分电路 123.4 步进电动机及驱动电路 123.4.1 步进电动机介绍 123.4.2 步进电机的主要特性 123.4.3 步进电机驱动电路 133.5 光敏电阻选型及光电转换电路 133.5.1光敏电阻器的应用 133.5.2光敏电阻的特性 13第四章 太阳能板自动跟踪系统详细设计 144.2.1 光敏电阻光强比较法 144.2.2光敏电阻光强比较法的工作过程 154.2.3光敏电阻光强比较法流程图 15第五章 结论 165.1结论 165.2展望 17附录一：系统主流程图 17附录二：系统工作闭环图 18参考文献 19第一章 引言1.1 课题来源模拟生产实际课题:太阳能板照射角度跟踪控制
5、系统。1.2 产生背景1.2.1 能源现状及发展能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长l%，而太阳能发电每年增长达20%，风力发电的
6、年增长率更是高达26%。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。1.2.2 环境问题由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。1.2
7、.3目前太阳能的开发和利用人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。 太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。图 1-1 亚洲首座塔式太阳能跟踪发电站图1-2 太阳能路灯1.2.4 太阳能的特点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点： 第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。 第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对
8、交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。 第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。 太阳能的利用有它的缺点： 第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。 第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。1.3课题研究的目的本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。1.4研究课题的意义1.4.1
9、新环保能源长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。1.4.2提高太阳能的利用率太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不
10、高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。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。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。当前市场上的太阳能发电多是固定式的，与之相比较，本项目研究实现的太阳能自动跟踪控制系统，具有更高的发电效率，参见表1所示。表1-1 固定式与自动式参数比较项目电池板面积日照时间日发电功率日输出功率日储电量成本搜索范围固定式2平方米24h1600瓦800瓦800瓦大0度自动式2平方米612h4000瓦2000瓦 2000瓦
11、小360度由表1-1可见，自动跟踪发电控制系统，日照时间更长，输出功率更高，发电效率提高百分之四十到百分之八十，提高效率，降低成本。1.4.3 国内外跟踪式太阳能的发展和应用图1-3 自动跟踪式太阳能发电装置第二章 太阳能板自动跟踪控制系统总体设计2.1 太阳运行的规律 由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，
12、直到冬至，另一个变化周期开始。2.2跟踪系统的设计要求本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。对太阳能的利用一般都是采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用，在本研究中，确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能。对太阳能进行电能转换的时候，由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的，如果采用固定式的太阳能接收装置，此装置的位置无法随太阳改变，只能在固定时段有效的吸收太阳能，在其他时段的吸收效率就十分低下，因此，要使太阳能的吸收效率提高，采用太阳跟踪系统对太阳进行实时跟踪是可行和有效的。在本课题中采用的是双齿轮跟踪的方法对太阳进行即时跟踪，使太阳能接收装置能够始终正对太阳，
13、从而提高吸收效率。本系统的整体研发要求是经济、结构简单、性能可靠。根据本系统的整体要求，装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性.在结构设计中，要使系统机构尽量简洁，避免过于复杂和昂贵，要便于安装和维护。在控制部分的设计中，要考虑到系统的全天候性要求，选用耐用和抗干扰性强的执行元件，避免频繁发生系统故障。2.3 跟踪系统的组成 跟踪系统主要构成一般为：（1）太阳能采集装置；（2）信号采集器；（3）转向机构；（4）控制系统。 图2-12.3.1 太阳能采集装置太阳能电池本身容易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气的环境中，光电转化的效率就会由于环境潮湿、灰尘、酸雨等
14、影响而下降，最后以至于破碎失效。不能满足本系统经久耐用的研发要求。因此，太阳能电池需要通过胶封、层压等方式封装成平板式结构才能投入使用，如层压的封装方式，即将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、黏结性好的热熔性胶膜封装，并采用透明度高、耐冲击的低铁钢化玻璃做为盖板，用耐湿抗酸的复合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺将电池片、正面盖板和背板薪合为一个整体，从而构成一个使用的太阳能电池发电器件，称为太阳能电池组件。2.3.2 信号采集器此电模块主要以光敏电阻作为感测器，型号为：MG42-3，最高电压20V，额定功率5W，亮电阻0.5M。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，
15、将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。2.3.3 齿圈转动式转向机构图2-2 齿圈转动跟踪器马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与齿圈1啮合。齿圈1连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈2啮合，齿圈2连接着转动架
16、，转动架安装在主轴上(转动架相对于主轴可以转动)。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动齿圈1和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈2和转动架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构紧凑，运动空间大。2.3.4 控制器控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C
17、5l型单片机。AT89C5l是一种低功耗、高性能的8位单片机，只需要单片机检测4个光敏电阻所对应的单片机的4个引脚的电位的高低，就可以判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相应的命令。图2-3 AT89C51的引脚2.3.5本课题的机械设计方案图2-4本课题的机械设计方案机构结构：马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮啮合。把齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈啮合，齿圈连接着太阳能板，转动架安装在主轴上。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱
18、动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈和太阳能板转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。第三章 控制电路及外围电路的选型与设计3.1 元器件选型本系统在选型时考虑到成本、使用寿命和稳定性，进行了如下选择：1. 控制器，本系统选择ATMEL公司生产的AT89C5l型单片机2. 电源管理部分电路3. 步进电动机及驱动电路4. 光敏电阻选型及光电转换电路3.2 AT89C51单片机在本控制中的单片机部件选择ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。AT89C15是一种低功耗、高性能的8位单片机，它采用CM
19、OS工艺和高密度非易失性存贮器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS一51兼容。AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可以很好的满足本系统的设计要求。 频率基准源 计数脉冲 中断 控制 并行I/O 串行输入 串行输出图3-1 AT89C51单片机结构框图3.3 电源管理部分电路电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统能否正常运行起着至关重要的作用。电源设计应该同时考虑功率、电平及抗干
20、扰等问题。电源功率必须能满足整个系统的需要。在系统电路中，除单片机系统需要+5V直流电源外，步进电机和驱动器还需要一个模拟电源12V。选用印刷线路板焊接式电源变压器PKB05将220V交流电压变换成正负12V的电压。这种变压器结构紧凑、坚固、抗震、防潮、阻燃，外型美观，使用方便，抗电强度高。它的初级是220V，50HZ/60Hz，次级既可以是单路输出，也可以双路输出。由于这种变压器变出的电压仍是交流电压，且又不十分准确和稳定，所以再利用全桥整流，电容滤波电压稳定后，分别用三端稳压电源模块7812，7912，输出正负12V。电路在7812和7912的输入端分别接上0.33uF的CBB电容、200
21、0uF/25V的电解电容和2.2uF的CBB电容、2000uF/25V的电解电容。CBB电容可以滤掉高频干扰，电解电容组合可以滤掉低频干扰。在输出端接上104瓷片（0.1uF）电容，对输出的+5V电源再次进行滤波，以得到干净的电源。3.4 步进电动机及驱动电路3.4.1 步进电动机介绍步进电机其功用是将脉冲电信号变换相应的角位脉电号电动机就转动一个角度或前进一步。因此非常适合单片机控制，推动了步进电动机的发展，步进电动机的应用开辟了广阔的前景。3.4.2 步进电机的主要特性1.步距角2.矩角特性3.响应频率4.启动矩频特性5.运行矩频特性6.惯频特性3.4.3 步进电机驱动电路本次设计选用的驱
22、动芯片为A3759步进电机驱动集成电路。A3759是一种用来驱动双极性步进电机双绕组的单片集成电路，也可以用来双向控制两台电动机。双H桥能够连续输出500mA的电流和30V的运行电压。当开关电动机或者是其他感性负载时，衬底隔离的续流二极管可以起到输出抑制的作用。对于每一个H桥，相位（PHASE）输入端能通过选择合适的电源和驱动器控制电流的极性，使能（ENABLE）输入置成高电平时，可以使各自的H桥导通。当2个ENABLE引脚都被置成低电平时，芯片进入睡眠状态，消耗不到100微安的电流。3.5 光敏电阻选型及光电转换电路3.5.1光敏电阻器的应用 光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明
23、灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。 光敏电阻器的主要参数有亮电阻（RL）、暗电阻（RD）、最高工作电压（VM）、亮电流（IL）、暗电流（ID）、时间常数、温度系数灵敏度等。3.5.2光敏电阻的特性（1）光敏电阻的光照特性图3-2 光敏电阻的光照特性(2) 光敏电阻的伏安特性在一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流之的关系，成为伏安特性。图是CdS光敏电阻的伏安特性曲线。它是线性电阻，服从欧姆定律，但不同照度下具有不同的斜率。注意光敏电阻的功耗，使用时保持适当的工作电压和工作电流。(3) 光敏电阻的光谱特性光谱特
24、性表征光敏电阻对不同波长的光其灵敏度不同的性质。第四章 太阳能板自动跟踪系统详细设计4.1 系统总体设计阳光图4-2 系统总体设计框图4.2 系统工作原理4.2.1 光敏电阻光强比较法利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。其控制主要由以下三部分来完成:a)信号
25、采集部分用光敏电阻实现信号采集的电路原理为桥式电路，电路的输出信号只与照射在两个光敏电阻上光强的相对值有关，不受外界环境的影响，增加了装置的抗干扰能力。b)数据处理部分光敏电阻采集的信号传输到单片机上，单片机处理数据，发出命令到控制单元，控制单元进行角度调整。 c)控制单元根据前一级送出的触发信号，控制电动机的工作状态。调整太阳能板的角度，使其最终达到能垂直面向太阳，接受最大强度的光照，工作效率最高。最大限度的产生电能。4.2.2光敏电阻光强比较法的工作过程系统采用光敏电阻光强比较法，设计出一种全新的光电转换装置，很好的实现了光电转换。它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位跟
26、踪，晚上便自动复位。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，R1、R2或R3、R4(另一组控制电路)四个光电管中必有一个受阳光照射，这样就可确认太阳运动的方向了。R1、R2、R3、R4放置见图4-1所示。图4-1 太阳能板上光敏电阻位置4.2.3光敏电阻光强比较法流程图这部分的程序设计很简单，只需要单片机检测4个光敏电阻所对应的单片机的4个引脚的电位的高低，就可以判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相应的命令，程序流程图如图4-3示： YNYN图4-3 光敏电阻光强比较法流程图第五章 结论5.1结论本文的主要研究内容是太阳自动系统。本系统是基于单片机的自动控制系统，采用光电检测追踪模式，配合机械装置使
27、系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。（1）详细分析了国内外目前的太阳追踪方式，比较之后，选择了以单片机为控制核心的自动控制系统，由于光电检测追踪模式和太阳角度追踪都有各自的优缺点，因此，经过比较用光电检测追踪模式。（2）选择AT89C51单片机，通过比较选择了光敏电阻作为光电传感器，用4个光敏电阻连接成2组比较电路，实现判断太阳所在位置的功能，这样可以大大简化电路。（3）机械部分零件图，装配图的绘制，按照各部分电路的设计将电路元件焊接到电路板上。联合硬件、软件、机械装置来调试电路。5.2展望由于本系统的实现技术要求比较高，而且课题研究的时间仓促，以及本人能力有限，因此还有很多地方存在着不足之处
28、：（1）系统稳定性需要加强：复位电路有时会出现不能自动复位的情况，尽管这种情况不常发生，但是一旦发生就影响系统的运行。（2）在功能上需要更加完善：本系统没有设置报警装置，如果系统发生故障，系统不能做出报警动作，这样也会影响系统的追踪质量。（3）在机械装置方面也存在问题：机械装置能够带动太阳板转动的角度是有限的，这样也制约了追踪的时间段。（4）阴天情况下不能准确追踪的问题。为了解决能源危机，太阳自动追踪系统已经成为世界范围内的研究热点。本人在经过研究之后，对其有了充分的了解，并相信太阳能必将成为世界能源的主体。因此，太阳自动追踪系统的研究对解决能源危机具有重大的意义。尽管，目前的太阳追踪系统还尚
29、未成熟，但也有了很大的进步。希望有更多的人参与到这项研究中来，性能好、精度高、低成本的太阳自动追踪系统是我们的目标。附录一：系统主流程图NNYNY附录二：系统工作闭环图VR1VR2正VR1VR2反VR3 VR4正参考文献1 戴闻太阳能利用前景光明J物理，2003，(08):9-14.2 余海太阳能利用综述及提高其利用率的途径J能源研究与利用，2004，(03):2-7.3 徐文灿，袁俊等太阳能自动跟踪系统的探索与实验J物理实验，2003，23(9)：45-48.4 言惠太阳能21世纪的能源J上海大中型电机，2004，(04):16-18.5 陈维，李戬洪太阳能利用中的跟踪控制方式的研究J能源工
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