本科毕业论文__基于单片机的阳光追踪控制器(编辑修改稿)

本科毕业论文__基于单片机的阳光追踪控制器(编辑修改稿)内容摘要：

漠安装光伏并网发电系统，每 年可以发电 10 万亿千瓦以上，相当于目前全国用电量的 5倍多。 我国由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和 2020 年规则》中已将太阳 xx 大学学士学位论文 3 能热水系统列入成果推广项目。 目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997 年销售面积近 300 万平方米，数量居世界首位。 全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达 1000 余家，年产值 20 亿元。 根据我国 1996～2020 年太阳能光电 PV（光伏发电）发展计划，在 2020 年和 2020 年的太阳能光电总容量将分别达到 万千瓦和 30 万瓦。 在联网阳光电站建设方面，计划2020 年前建成 5 座 MW 级阳光电站。 由国家投资 1700 万元修建的西藏第三座太阳能电站 —— 安多光伏电站，总装机容量 100 千瓦，于 1998 年 12月建成发电。 这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。 总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径 [1]。 太阳追踪系统的国内外研究现状 太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。 然而它也存在缺点，如能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，使太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变 化的问题，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。 目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。 据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，有必要进行太阳追踪 [2]。 目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。 目前，国内常用的光电追 踪有重力式、电磁式和电动式。 这些光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。 在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板。 通过调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使追踪装置对准太阳完成追踪。 光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照射到硅光电管上，导致追踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动 [3]。 视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。 单轴追踪一般采用： ； ，东西追踪； ，南北追踪。 这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪，工作原理基本相似。 第 3 种追踪方式的原理，追踪系统的转轴 (或焦线 )东西向布置，根据事先计算的太阳赤纬角的变化，柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动追踪太阳。 采用这种追踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。 单轴追踪 xx 大学学士学位论文 4 的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想 [4]。 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。 双轴追踪又可以分为两种方式：极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。 极轴式全追踪原理：聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。 工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角 的变化，通常根据季节的变化定期调整。 这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难 [5]。 高度角和方位角式太阳追踪方法又称为地平坐标系双轴追踪。 集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。 工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。 这种追踪系统的特点是追踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。 集热器采光面上直接日射入射角 θ由太阳赤纬角δ、太阳时角ω、集热器倾角β、集热器方位角。 课题研究的目的及意义 太阳追踪系统是利用太阳能不可缺少的重要组成部分，而完善太阳追踪装置是充分利用太阳能和环境保护必不可少的重要组成部分。 另外，计算机在自动化技术中发挥着极其重要的作用。 而单片机在一块芯片上集成了 CPU、 ROM、 RAM、I/O 接口、定时器、计数器等，使其具备了一台微型计算机的特征。 但单片机的应用领域有别于通用计算机，其主要应用于控制领域。 本课题在前人研究的基础上设计出一套以单片机为控制核心的太阳自动追踪控制系统，能够随着太阳光照射方 向的变化而使太阳能板始终与太阳光线垂直。 具体要求为结构简单、成低，不但能在晴天时正常追踪太阳，当突然出现阴天时也能自动追踪，这样就提高了追踪的精度。 基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。 同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。 论文的研究内容 本文所研究的太阳自动追踪器是以单片机为控制核心 的自动控制系统，整个系统是通过硬件、软件、机械装置三部分共同作用的结果，因此本论文的研究内容如下。 xx 大学学士学位论文 5。 ：本系统需要控制两个电动机的正反转，当单片机接收到由光电检测电路发出的信号之后进行判断，然后控制电动机的转动。 ：这部分电路要实现的功能是通过光敏元件来判断太阳的朝向，将光信号转换为电信号，传送给单片机。 ：由于系统中要进行时间的控制，因此需要使用时钟电路，电路中选择串行时钟芯片 DS1302。 的设计：采用 MAX7219 芯片来驱动 8 位 LED 显示器，用来显示时间。 ：复位电路及振荡电路 (固定接法 )、按键电路。 xx 大学学士学位论文 6 第 2章 控制芯片及其传感器介绍 太阳角度追踪模式的数学模型 太阳角度追踪模式是基于太阳高度角和太阳方位角的计算而进行追踪的，下面介绍一下太阳高度角和太阳方位角的计算公式以及公式中所用到的参数。 首先了解一下太阳高度角和太阳方位角的概念。 太阳高度角：太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在 0176。 到 90176。 之间变化，日出日落时为零太阳在正天顶时为 90176。 太阳方位角：太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。 方位角以正南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东方，方位角为 90176。 ，在正西方时方位角为 90176。 要计算太阳高度角和方位角必须了解一些重要的参数的含义和表达式，下面介绍下各个参数 :左大康利用 Flourier 分析给出赤纬与日期的经验关系，设一年 365 天对应区间为 [0，π ]，取日角 3651 d2 nn ）（  ， dn 为年度日序， 1月 1 日取为 1， 12月 31 日就为 365，则可用如下级数式计算弧度表示的纬度： n n n n n n 3s i n0 0 1 5 1 o s0 0 2 6 8 i n0 0 0 8 9 2c o s0 0 6 7 9 . 0 7 2 0 7 5 s ic o s3 9 9 5 1 0 6 8 9     赤纬δ的角度表示为： 3 6 5 ) d2 8 4(3 6 0s n 太阳时角ω可用下述方法进行计算： ω =真太阳时（小时） 15180 式中ω单位为度， 15 表示每小时相当于 15176。 时角。 时差：太阳在黄道上的运动不是均匀的，时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同，但人们的实 际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行，这个假想的太阳就称为平太阳，其周日的持续时间称平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时 [6]。 真太阳时 =地方平时 +时差 =北京时 +经度订正 +时差 =北京时 +（当地经度 120） 4247。 60+时差时差（弧度） 通过上面太阳高度角及太阳方位角概念和有关公式的介绍，我们了解到，只要经度、纬度、时间确定了，那么就能通过以上的公式计算出相应的太阳高度角和方位角的值，而这个值是唯一的。 单片机的介绍 所谓单片机，全称是单片微型计算机，又称微 控制器。 它是在一块块半导 xx 大学学士学位论文 7 体芯片上，集成了 CPU， ROM， RAM， I/O 接口、定时器 /计数器、中断系统等功能部件，构成了一台完整的数字电子计算机。 目前单片机己成功地运用在智能仪表、机电设备、过程控制、数据处理、自动检测和家用电器等各个方面。 单片机在控制领域中，有如下几个特点： 、成本低、易于产品化，能方便地组装成各种智能式控制设备及各种智能仪器仪表。 ，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。 ，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠 地工作，这是其它机种无法比拟的。 ，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。 由于单片机具有体积小、低功耗、可靠性高、控制功能强等优点，因此广泛的应用于国民经济的各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。 单片机的应用范围很广，大致可分为以下几个方面： ：电机控制、工业机器人、智能传感器等。 ：智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。 ：电子玩具、高级游戏机、录像机，激光唱机。 ：调制解调器、智能线路运 行控制、程控交换技术。 ：导弹控制、智能武器装置、航天飞机导航系统。 ：磁带机、打印机、温氏硬盘驱动器。 ：点火控制、变速器控制、防滑刹车、排气控制。 AT89C51 单片机的特性 AT89C51 的主要性能 1. 4KB 可改写程序 Flash 存储器 2. 全静态工作： 0Hz24MHz 3. 3 级程序存储器保密 4. 128 8 字节内部 RAM 5. 32 条可编程 I/O 线 6. 2 个 16 位定时器 /计数器 7. 5 个中断源 8. 可编程串行通道 另外， AT89C51 是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到 0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式 —— 空闲方式 (Idle Mode)和掉电方式 (Power Down Mode)。 在空闲方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定时器 /计数器、串行口和中断系统都继续工作。 在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内 RAM 中的内容，直到下一次硬件复位为 xx 大学学士学位论文 8 止。 图 21是 AT89C51 的引脚结构图，共有 40个引脚。 有双列直插封装 (DIP)方式和方形封装方式。 图 21 AT89C51 AT89C51 单片机的外部接口 在太阳自动追踪系统中， AT89C51 单片机是整个系统的核心部分，起着协调各部分工作的作用，使系统运行协调，稳定性好。 下面对 AT89C51 的各外部接口分别进行简单的介绍： 1．光电检测电路 光电检测电路在整个系统中包括三部分，三部分都是选择光敏二极管作为光电传感器，一是光电追踪模式下的光电检测装置，在此装置中，当光敏二极管受到光照时导通，不受光照时截止，由光敏二极管的导通和截止向单片机发出信号，作为输入信号；二是为了判断昼夜作了一个检测电路，它接到了外部中断INT0 上，当黑夜时，在此检测电路的控制下单片机引脚 INT0 会检测到低电位，这样就使系统启用中断服务程序，进入等待状态。 三是为了判断晴天还是阴天作的检测电路，是通过查询 引脚的高低电位来判断阴天还是晴天的。 2．单片机控制电路 在控制电路中，用继电器作控制，用 4个继电器控制两个电动机的正反转。 3． 外部时钟电路本系统中需要进行时间的控制，因此需要连接外部时钟电路，选择串行时钟芯片 DS1302 作为外部时钟电路的核心。 4．显示电路 显示电路用来显示时间，选择 MAX7219 来驱动 8 位 LED 显示器， 8位 LED显示器分别显示月、日、时、分。 5．辅助电路 辅助电路包括复位电路、振荡电路（选择的比较常用的固定接 xx 大学学士学位论文 9 法）、按键电路（用来调整时间）。 下面将对各部分电路的设计方法作详细的介绍，包括电路中元件的选择，电路的连接，以及每部分电路所实现的功能。 设计中单片机端口分。