自动太阳能路灯设计.docx

海军工程大学动力工程学院机电一体化课程设计说明书自动太阳能路灯设计甘彪、肖健、胡贻朋2013/4/11在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。 自动太阳能路灯设计 目录1、前言12、系统总体设计12.1、系统总体设计要求12.2 系统总体设计分析32.3系统硬件设计42.3.1、电子控制元件选型42.3.2、光电转换电路设计42.4机械部分设计63、系统原理分析64、软件设计85、总结106、附录111、前言太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及。把太阳能自动跟踪系统引入路灯的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。本设计采用光电跟踪的方法，利用步进电机双轴驱动，由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理器。微机处理器运行程序，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。采用单片机来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。2、系统总体设计2.1、系统总体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轴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，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。设计要求如下：1.系统能根据天气条件进行选择性工作，晴天自动跟踪，阴天或黑夜停止跟踪，避免电能消耗。2.晴天时系统能保证太阳能电池板与太阳光垂直。充分吸收光能。3.系统设计的硬件部分和软件部分能够无故障、准确、合理地运行。4.为了减少电能过多消耗，系统每十分钟跟踪一次太阳光，误差不超过3度。2.2 系统总体设计分析 本设计主要包过光电转换电路，AD转换电路，单片机控制电路，电机驱动电路的设计，该部分主要从整体上进行系统的总体设计分析。本部分首先主要介绍各个模块的硬件电路，以及机械设计部分原理简介，然后再从整体上分析。太阳能自动跟踪总体框图如下：图2-1 太阳能自动跟踪总体框图硬件设计流程图如下：图2-2 硬件设计流程图图2-2是本太阳能自动跟踪装置的原理框图,太阳能自动跟踪装置设计成双轴跟踪系统 ,同时在方位角和高度角两个方向上跟踪 ,由传感器、信号处理及控制电路、方位角及高度角调整机构组成。传感器把接收到的光信号转换成电信号 ,电信号经过信号处理及控制电路后,由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。2.3系统硬件设计2.3.1、电子控制元件选型芯片采用AT89c52，模数转换器选用ADC0808在仿真时进行A/D转换，驱动控制器选用L298。2.3.2、光电转换电路设计光电转换电路由八个相同基本电路组成，每个基本电路由光敏二极管，电阻（含可变电阻），电容，运算放大器组成。运用运放放大光敏二极管采集到的光电流并将其转换成05V的电压信号输入到ADC0808的模拟信号输入端。光敏二极管的分布设计 在这个设计电路中，光敏二极管的分布起到了不可或缺的作用，只有合理的分布光敏二极管，才能有效采集光强信号，并将东西南北四个方向的微小信号放大，将信号处理后，才能精确控制电机的转动，从而实现太阳能电池板和太阳光线呈垂直方向。其中光敏二极管的分布图如下：图3-5 光敏二极管分布图光敏二极管D1，D2，D3，D4分别分布在圆筒的外侧主要用于初步对准，其中D1，D3分布在南北两侧，D2，D4分布在东西两侧,光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。 光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 2.4机械部分设计太阳自动跟踪装置结构示意图如图3-13所示, 其主要功能是固定支撑太阳能电池板, 实现对其高度角和方位角的调节控制。 太阳自动跟踪装置结构示意图太阳能电池板高度角的调节是由步进电机1带动丝杠转动, 经过减速齿轮箱1的减速带动太阳能板追踪太阳高度角。太阳能电池板方位角的调节是由步进电机2带动齿轮转动, 改变太阳能电池板的方位角。3、系统原理分析传感器光敏二极管的分布结构图:设置一个圆筒形的外壳 ,在圆筒外部东、 南、 西、 北四个方向上分别布置 4 个光敏二极管 ,其中光敏二极管 D2 、 D4 东西对称安装在圆筒的外侧 ,用来粗略的检测太阳由东向西运动的偏转角度即方位角;另一对光电二极管 D1 、D3南北对称安装在圆筒的外侧 ,用来粗略检测太阳的南北方向的偏转角度即高度角。光敏二极管D6、D8，D5、D7则安装在内侧用于精确校准，在内侧装有一片滤光片防止夏天时日照强度过大使光敏二极管饱和。从4个光敏二极管输出的信号经过预处理后 ,分别得到电压信号 U1 、U2 、U3 、U4 ，将放大后的4路信号送入到ADC0808中 ,把模拟信号转换成数字信号 ,然后再送入微处理器 AT89C52 中 ,在 AT89C52中 ,先判断各路信号的值来确定天气状况，如果是阴天或黑夜则停止跟踪 ,如果有阳光则由软件计算出南北方向跟踪控制信号Ux=U1-U3，东西方向控制信号Uy=U2-U4。对于方位角跟踪而言 ,当太阳光与电池板垂直的方向照射到传感器上时 , D2 、D4接受到的光照度相同则Ux=0;对于高度角跟踪而言 ,当太阳光与电池板垂直的方向照射到传感器上时 , D1 、D3接受到的光照度相同则Uy=0;而当太阳光偏离电池板垂直方向一个角度时 ,D2 、D4可能受到环境光强的影响 ,反映出太阳光线的变化，单片机算出差值信号 ,将该差值信号送入控制单元 ,控制太阳能自动跟踪装置调整太阳能电池板的角度 ,直到太阳能电池板与太阳光垂直为止。高度角跟踪原理与方位角跟踪原理类似。从而保证太阳能电池板与太阳光线垂直。4、软件设计单片机应用系统的开发是指用单片机组成应用系统从任务提出到设计定型、制造调试、直到使用的整个过程。在单片机控制系统的开发和设计中，首先要明确设计要求，即确定系统的功能指标，然后制定系统方案，最后是方案的实施。单片机控制的主要内容包含总体设计、硬件开发、软件开发及样机联调等。硬件开发时要先设计、绘制原理图，根据系统的各项技术指标独立进行软件设计；还要根据所设计的原理电路，综合考虑系统的性能和计算要求，合理布置元器件。再进行印刷电路板的设计、加工，最后将元器件仔细核对后焊接在线路板上。然后用万用表、逻辑测试笔、示波器等仪器对硬件线路进行检查排错，必要时借助仿真器进行硬件调试。在完成了硬件和软件的分别调试后就可进行联机调试，进一步排除软、硬件的错误和不足，发现设计中的错误之处及时修正，直至所设计的系统达到预期的要求。图示单片机系统的研制开发流程，本次设计就按照此流程来进行设计开发。开始研究课题，确定理论模型总体设计，划分为软、硬件两部分硬件设计软件设计设计流程图编写程序完成各子程序调试选择追踪方式选择单片机设计控制电路机械部分设计软、硬件结合起来调试修改程序和硬件软硬件是否有故障能否达到功能要求开发结束是是否否单片机系统的开发流程图电机驱动软件流程图开始初始化通过光强度判断是否有太阳采样两次并比较电压值大小，若v1v2电机正转电机反转NNY电机驱动软件流程图5、总结 本文主要是对自动太阳能路灯的太阳能跟踪控制系统的设计与研究。设计了太阳能跟踪控制系统的机械结构，其具有两个自由度：水平方向转动自由度和竖直方向转动自由度。以AT89c52单片机为主控制芯片，对太阳进行自动跟踪以提高太阳能的利用率。(1)设计太阳能跟踪控制器机械结构，该结构具有两个自由度，即水平方向转动自由度和竖直方向转动自由度。该机械结构的运动由两个步进电机来驱动，完成对太阳高度角和方向角的跟踪。(2)设计太阳能跟踪控制系统控制系统。本文针对现有在现有的太阳能跟踪控制系统的基础上，提出了新的控制策略，虽然获得了一定的进展，但是机械机构、硬件控制系统、软件控制系统等方面有这种一定的不足，还存在进一步提高和优化的空间，来实现高精度的太阳能跟踪控制。本文设计的基于单片机的高精度太阳能跟踪控制器只是一个小系统，现实中的很多因素都没有考虑进去。机械结构设计并未考虑自然因素的影响和作用，比如风力、雷雨、沙尘等。因此并未做抗风力、防雨水以及防沙尘等设计考虑。同样相应的硬件系统和软件系统也没有考虑到各种突发事件，要使跟踪控制器成为真正的产品还有很多问题要解决。通过对本课题的研究和学习，深感研究高精度太阳能跟踪控制系统的紧迫性和重要性，这对人们面临的日益严峻的能源危机有很重要的作用和意义。虽然本人对此做了一点研究，但很希望有更多的人参与类似新能源利用的项目，设计出满足各种环境，满足不同要求的太阳能跟踪控制系统，来实现太阳能利用的大面积推广。6、附录驱动控制程序#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*I/O端口定义*/sbit A0 = P10;sbit A1 = P11;sbit START = P12;sbit ALE = P13;sbit EOC = P14;sbit OE = P15;/*变量定义*/uchar dataRV1, dataRV2, dataRV3, dataRV4;/*简单延时函数(ms)*/void Delayms(uint ms)uint x,y;for(x=ms;x0;x-)for(y=124;y1;y-);/*初始化步进电动机*/void InitMotor()P2 = 0xFF;P3 = 0xFF;/*初始化ADC*/void InitADC()A0 = 0;A1 = 0;ALE = 0;START = 0;/EOC = 0;OE = 0;P0 = 0XFF;/初始化P0端口，做好接受数据准备/*读取ADC数据*/uchar ReadADC()uchar datatmp;ALE = 1;START = 1;Delayms(500);START = 0;while(!EOC);OE = 1;datatmp = P0;Delayms(5);OE = 0;ALE = 0;return datatmp;/*读取第（1）电阻值*/void ReadRV1()A1 = 0;A0 = 0;dataRV1 = ReadADC();Delayms(5);/*读取第（2）电阻值*/void ReadRV2()A1 = 0;A0 = 1;dataRV2 = ReadADC();Delayms(5);/*读取第（3）电阻值*/void ReadRV3()A1 = 1;A0 = 0;dataRV3 = ReadADC();Delayms(5);/*读取第（4）电阻值*/void ReadRV4()A1 = 1;A0 = 1;dataRV4 = ReadADC();Delayms(5);/*步进电动机1正转*/void SetMotor1Z() P2 = 0x03; Delayms(3); P2 = 0x06; Delayms(3); P2 = 0x0C; Delayms(3); P2 = 0x09; Delayms(3);/*步进电动机1反转*/void SetMotor1F() P2 = 0x09; Delayms(3); P2 = 0x0C; Delayms(3); P2 = 0x06; Delayms(3); P2 = 0x03; Delayms(3);/*步进电动机2正转*/void SetMotor2Z() P3 = 0x03; Delayms(3); P3 = 0x06; Delayms(3); P3 = 0x0C; Delayms(3); P3 = 0x09; De