太阳能自动追踪系统

1、机电一体化设计课程作业太阳能自动追踪控制系统小组成员： 120740116 靳 侃120740117 雷千里120740118 林远明120710119 马 亮120740120 邱占军太阳能自动追踪控制系统小组成员分工情况：组长：马亮负责任务分配与整合，完善系统设计组员：林远明负责动力源、执行器模块选型设计组员：邱占军负责机械本体模块选型设计组员：靳侃负责检测传感模块选型设计组员：雷千里负责电子控制模块选型设计目录1.1 概述. 31.2系统的总体设计思想. 32.1 动力源与执行单元. 42.2 机械本体模块. 62.3 检测传感模块. 82.4 电子控制单元. 93.1 设计总结. 12

2、1.1 概述太阳能作为一种新型的绿色能源，有着广泛的发展前景。但是由于太阳能本身的缺点，现在对太阳能的利用率普遍较低，并且现有跟踪控制器也有着各种缺点。为了尽可能的提高太阳光能的利用效率，改进现有太阳能跟踪控制的缺点，本文设计的一种高精度太阳能跟控制系统。这种跟踪控制系统采用软件控制和传感器控制相结合的方法，设计合理的机械结构，通过硬件控制系统，来实现高精度的太阳跟踪。1.2系统的总体设计思想通过大量查阅资料以及了解一些具体实例，为了很好的实现自动跟踪系统的功能，将该系统的总体设计框架分为四大模块：动力源、执行器模块、机械本体模块、检测传感模块、电子控制模块。具体分析如下：1 采用AT89C5

3、1单片机作为系统的核心。2 利用传感器进行白天还是黑夜，晴天还是阴天的程序运行。3 对光电检测部分进行电路设计，并连接单片机，以达到有效地控制。4 可以使用LED显示器，时钟电路可以采用串行时钟芯片DS1302.5 控制部分首先将单片机发出的信号放大，然后发送给电动机，电机获得信号后执行动作，从而实现追踪功能。6 机械装置采用蜗轮蜗杆传动，达到减速和改变运动方向的目的。系统框架图如图1.2 所示。图1.2 太阳自动跟踪系统框图2.1 动力源与执行单元本太阳能自动跟踪系统要求能够比较准确的跟踪太阳位置，因此要求驱动电机能够准确的把电信号转化为电机轴上的角位移。于是本系统选取步进电机作为驱动电机。

4、步进电动机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的控制电机。在数字控制系统中，步进电动机作为执行元件，每输入一个脉冲，电动机就转动一个角度或前进一步。因此，步进电动机又称为脉冲电动机。步进电动机在任何一个方向的任意机械位置都可以启动和停止，并且，它的转子按照每一个输入步进指令以准确的角度运动和停止。这种精确的角度运动可随每一个输入步进指令重复，从而使其转子可在任一方向上精确定位。步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、调速范围大、起动、制动反应灵敏等特点。而且如果停机后某些相仍保持通电状态，则步进电动机还具有自锁能力。步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步，由于具有这些优点，步进

5、电动机广泛应用于数字控制系统中。从广义上讲，步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型，电磁式步进电机最为常见。电磁式步进电机一般又分为反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电机(HB)三种。反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组，它结构简单成本低，步距角可以很小，但动态性能较差。永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，它输出转距大，动态性能好，但步距角一般很大。混合式步进电机则是综合了反应式和永磁式两者的优点，即不仅定子和转子上开了很多小槽，同时其磁路内含有永久磁钢，这使得混合式步进电机不仅可以像反应式步进电机那样小步距的转动

6、，也具有永磁式控制功率小动态性能好的特点。步进电机的相数是指产生不同对极N、S 磁场的激磁线圈对数，常见的步进电机有两相、四相和五相。步进电机的运行拍数指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。步进电机的步距角指对应一个脉冲信号，电机转子转过的角。步进电动机的移量或者线位移量S与脉冲数k成正比；它的转速n，或者线速度v与脉冲频率f成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中作为执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速;能够快速反转和制动。它不需要变换可直接将数字

7、脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步动机就转动一个角度，因此作常适合于单片机控制。在查阅了步进电机生产厂家的产品参数资料后，并且考虑到本次设计的装置，所选用的电机和驱动器的特性，通常留有倍的余量。所以本系统选用56BYG250D-0241、56BYG250C-0241两相混合式步进电机。表2-1列出两电机的相关主要参。表2-1 步进电机主要参数型号相数步距角（）相电流（A）保持转矩（）转动惯量（g）重量(kg)外形尺寸（mm）56BYG250D-024121.82.41.72460156BYG250C

8、-024121.82.41.042600.62.2 机械本体模块机械本体是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。方案一：本结构中通过东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的跟踪达到使太阳能电池板能够始终正对太阳照射角，从而达到提高太阳能利用率的目的，因此转向部分首先需要满足能够进行东西向和南北向的自由转动。同时，此跟踪系统的设计还必须本着造价低廉、可靠性高、结构简洁的原则进行。机械转向机构在结构上要做到结构紧凑、布局合理，选件不能过大臃肿，在同等条件下，尽量选用小型的构件。通过对目前多种太阳能采集装置的机械结构的收集和对比，再在几种比较合适的结构的基础上进行一些修改

9、以更加符合本设计的要求，最终得到的结构如图2.2所示。此结构在东西向和南北向都有很大的转动空间，并且结构简单，耗材较少，比较适合小型的太阳能跟踪发电系统。如图2.2，本机械转向机构基本组成主要有：底座、下层平台、上层平台、驱动电机、减速装置、电池板固定框架等。图2.2 太阳能自动跟踪装置原理图方案二：本追光机构采用双轴跟踪方法，即太阳能电池板通过绕数值轴和水平轴独立动作而改变系统的方向角和俯仰角。此机械部分由太阳能电池板（中间带有光电传感器）、T型支架、连杆、凸轮、蜗轮蜗杆减速机构和2个步进电机组成。如图所示，由步进电机A带动经蜗轮蜗杆减速器减速后驱动T型支架（上装有竖直轴）图2.3太阳能自动

10、跟踪装置原理图实现水平方向转动，即方向角的调整。由步进电机B带动凸轮机构使太阳能电池板绕水平轴转动而实现对俯仰角的调整。通过对步进电机的控制，从而使太阳能电池板与太阳光线垂直。 本机构传动机构选用了蜗轮蜗杆传动。该结构可将运动依靠两个交错的轴承来传递（一般交错角为90度），蜗杆是主动件，涡轮为从动件。蜗杆传动有以下优点：1.传动比大：在动力传动中，单级传动比一般为880，在分度机构中或传递运动时传动比可达1000，因传动比大，因而结构很紧凑。2.工作平稳噪声小：涡轮齿为连续不断的螺旋形，在与涡轮啮合过程中是连续的，同时啮合的齿对数又较多，故传动平稳、噪声小。3.可以自锁：当蜗杆的导程角小于当量

11、摩擦角时，蜗杆传动可实现自锁。蜗杆传动适用于传动比大、而传动效率不大且做间歇运动的设备。故该方案正适合本系统的传动要求。2.3 检测传感模块光电传感式太阳跟踪控制系统采用光敏硅光电管、硅光电池等元件。目前国内较常用的光电跟踪系统有电动式、重力式、电磁式。这些光电跟踪控制系统都采用光敏元件作为传感器。在这类跟踪控制系统中，传感器一般安装在采光板上或固定的位置，通过电机的转动来调整采光板的位置使采光板正对太阳。当太阳向西移动时，采光板的跟着偏移，光电传感器因受到阳光照射会输出一定值的电压或电流，作为输入信号，经放大电路放大，由电机转动调整太阳能采光板的角度使跟踪系统对准太阳。光电传感器式跟踪具有灵

12、敏度高，反应快等优点，机械结构设计相对简单，缺点是容易受天气的影响，若出现阴天或云遮住太阳的情况，太阳光线经过散射，就会导致跟踪控制系统无法对准太阳实际的位置，甚至引起执行机构的误动作，使跟踪失败。而对于光敏晶体管和光敏电阻而言，光敏晶体管随光照强度的增加而增加且灵敏度与入射光的方向有关，对于测量结果影响较大。而光敏电阻灵敏度受高温温度影响较大，此工作条件是在一般温度对其灵敏度影响不大。故在本系统中应该选用光敏电阻作为检测传感元件。做一半球形的光敏传感器，像地球经纬度一样对其划分区域，利用不同的光照强度传感器会产生不同强度的电信号来确定光线垂直照射的位置（电信号最强处）。 图2.3 光敏电阻元

13、件外形轮廓2.4 电子控制单元1. 判断阴晴天气的电路设计：本系统设计的是将光电追踪模式和太阳角度追踪模式结合起来，当阴天的时候，太阳光比较弱，这时系统会由光电追踪模式转换到太阳角度追踪模式，此电路中使用一个光敏二极管来检测太阳光的强弱，用一组运放做比较电路，运放的输出端接到单片机引脚P0.4上。即是，晴天时，光电二极管受到的光照强度足以使其导通，运放输出高电位，这时P0.4检测到高电位，程序继续运行，通过光电追踪模式进行追踪；当太阳光的强度不足以使电路中的光敏二极管导通时，经过比较电路之后，运放输出低电平，这时单片机的引脚P0.4检测到低电位。2. 判断昼夜的电路设计：白天时，运放输出高电位

14、，中断0检测到高电位，系统没有中断请求，程序继续运行，开始检测是阴天还是晴天；黑夜时，运放输出低电位，INT0检测到低电位，外部中断0是低电平有效地引脚，因此INT0=0时，向单片机发出中断请求，单片机接到中断请求后，外部中断0被激活，进入外部中断0处理程序，从而进入等待状态。3. 单片机电路设计：单片机控制电路是用来控制电动机的转动的，由上文所介绍的检测电路检测到光信号(即太阳光的朝向),经过比较电路将光信号转换为电信号，单片机据此检测到的电信号来命令控制电路的工作，以达到系统追踪的目的，控制电路时通过两级NPN管的导通而来控制继电器的吸合或断开，进而控制电机的工作状态。图3.5是控制电路中

15、的一组。当光电二极管受到光照时，通过光电检测电路之后，AT89C51单片机的P2.0引脚会检测到低电位，实现了光信号到电信号的转变，这时系统需要软件将光电检测部分与控制部分联系起来。可通过软件设计程序，当P2.0检测到低电平时，将P1.4清零，这时控制电路中的第一个晶体管截止，而第二个晶体管导通，从而继电器吸合，电机转动，这样就达到了对电机的控制。4. 时钟电路设计：选择DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，它虽然没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果好，同时体积小，连线少，外围只有一个32.768Hz晶振，使用灵活。具有31×8RAM，可供保存有用数据，时钟SCLK是上升沿后继以下降沿的序列。数据输入时，在时钟的上升沿前必须有效，而数据位在时钟的下降沿之后输出。如果RST输出低电平，则I/O引脚变为高阻状态，中止数据传送。上电时，Vcc>2.5V，RST必须为逻辑0，当RST由0至1状态时，SCLK必须为逻辑0。 3.1 设计总结本篇对转向机构的设计进行了阐述，并且对其中的主要部件进行