太阳自动追踪系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

太阳自动追踪系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

用于计算光斑在四象限光电探测器上位置偏移的方法中，比较经典的是四象限加减算法，计算公式如式 （ 13） 和 （ 14） 所示。 x A D B CE S S S S    (13) y A B C DE S S S S    (14) 其中， AS 、 BS 、 CS 、 DS 分别代表光斑在四象限探测器四个象限上的分布面积。 xE 和 yE 分别代表光斑在 x 轴和 y 轴上的偏移分量。 为消除光线强度的影响，进行归一化处理： A D B CxA B C DS S S SE S S S S       (15) A B C Dy A B C DS S S SE S S S S       （ 16） 对于本系统而言， 图 中的 x 轴和 y 轴分别对应太阳的方位角方向和高度角方向。 xE ＞ 0 时 ,代表太阳在方位角方向上向西偏移，反之向东； yE ＞ 0 时，代表太阳在高度角方向上向北偏移，反之向南。 因此，计算机可以根据 xE 和 yE 的大小和符号，控制跟踪装置中的步进电机 旋转，拖动太阳能电池板自动调整，进行太阳方位跟踪。 光强检测传感器 光强检测传感器通过检测太阳入射光强，确定当前环境中的天气状况。 光强检测传感器也主要由光敏器件构成，利用光敏器件在光照条件下输出的光电流信号幅度与光照强度成正比的原理来检测太阳光强。 本系统选用线性响应好、性能稳定、光谱响应范围宽、光谱灵敏度接近人眼灵敏度的硅光电池作为光强检测传感器。 机械结构的设计 图 1，太阳能电池板 ； 2，小步进电机； 7，齿轮； 5，大步进电机； 8，电池板支架； 9，太阳方位、 光强检测传感器； 10，底座； 11，小轴； 12，大轴； 13，推力球轴承。 机械结构的原理如图 所示。 大齿轮 安装 在 大 轴 上， 大 轴及其支撑轴承安装在底座上面 (大 轴相对于底座可以转动 )，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接 大 马达的输出轴。 大 马达固定在 固定 架上， 固定 架以及支架固定安装在主轴上， 太阳能电池板、小 马达安装在支架上面 (太阳能电池板 相对于支架可以转动 )， 小 马达的输出轴连接在 电池板上。 二维机械结构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动 大 马达带动小齿轮转动， 从而带动 大齿轮转动，因此 带动 支 架以及 固定在 支 架上的 小 轴、 小马达 以及 电池板 转动；同时控制信号驱动 小 马达带动 电池板 相对与支架转动，通过小马达、大马达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。 对于方位角的跟踪，利用齿轮副传动，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。 整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。 传动装置设置在转动架下。 受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。 充电模块的设计 充电策略的选择 蓄电池是整个太阳自动跟踪系统能量的存 储设备，通 过合理的充电控制尽可能延长其使用寿命是光伏充电控制器最主要的目的 之一。 选择合适的充电策略有利于提高太阳能的利用率和蓄电池的充电效率，延长蓄电池的使用寿命。 蓄电池 的常规充电方法包括： 1，恒流充电法； 2，恒压充电法； 3，阶段充电法。 （ 1） 恒流充电法 恒流充电将流入蓄电池的充电流控制在一个恒定值上为蓄电池充电，在充电过程中，要不断的调整蓄电池的电压使之恒定不变，此种方法适合于小电流长时间的充电模式。 不足之处是在充电初期充电电流偏小，后期偏大，在后期析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率低。 恒流充 电方法如图 所示。 图 （ 2） 恒压充电法 恒压充电法是指始终用恒定的电压对蓄电池进行充电，因此在充电初期蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的升高，电流逐渐减小，在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中不必调整电流。 与恒流充电法相比，虽然这种方法不会浪费过多的充电功率，但在恒压充电初期充电电流过大，可能会严重影响蓄电池寿命，甚至使蓄电池极板弯曲，造成报废。 恒压充电方法如图 所示。 图 （ 3）阶段充电法 蓄电池的阶段充电法包括两阶段充电方法和三阶段充电方法，这是以克服恒流与恒压缺点而结合的一种充电策略。 充电初期使用恒流充电，到达一定容量后改为恒压充电。 这种方式在充电初期不会出现很大的电流，在后期也不会出现过高的电压，使蓄电池产生析气。 两阶段充电完毕后，蓄电池的容量基本达到额定值，改用涓流充电以弥补蓄电池的自放电，这种小电流的充电方式成为浮充，电压比恒压的电压要低大约 200 mV ～ 300 mV。 三阶段充电法如图 所示。 本系统实现的是 PWM 三 阶段充电方式，通过调节 MOSFET 开关管的通断时间来控制信号的 D( 占空比 ) ，从而实现对输出电压的调整。 图 对于额定电压 12V 容量为 C 的蓄电池三阶段充电电压、电流曲线如图 所示 图 恒流充电：当蓄电池端电压低于 时，采用恒流充电。 该阶段充电电流值为I，因蓄电池容量而异，一般为 I 为 左右， C 为蓄电池组的容量，在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压 ，恒流充电状态终 止。 蓄电池进入恒压充电阶段。 恒压充电：当蓄电池端电压高于 时，低于 时，采用恒压充电。 该阶段充电电压值为。 在恒压充电过程中，随着蓄电池内部的电化学反应，充电电流逐渐减小，即恒压充电时，保持充电电压不变，充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的 1/10 约 时，终止恒压充电。 蓄电池进入浮充阶段。 浮充电：以一个小于恒压充电的电压 对蓄电池进行浮充电，该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此时标志着充电过程结束。 三段充电方式优点是，充电电流较为理想 的逼近理想的充电电流曲线，充电器只需要三种状态的切换，软硬件设计相对简单。 充电控制器的选择 本文应用的是基于 DC/DC 变化的光伏充放电控制器。 基于 DC/DC 变换电路的光伏充放电控制器的工作过程为：光伏电池输出的能量送入 DC/DC 变换电路，电路控制电路根据对蓄电池充电的设计需求控制 DC/DC 变换输出一定的电压或电流，对蓄电池充电。 以上控制电路的实现方式可借助单片机监控整个系统运行状态，结合内部程序的控制算法，通过软硬件协作完成，从而保护了蓄电池，实现对光伏电池电能的优化控制输出。 通过合理的设计 外围辅助，一个完备的 DC/DC 光伏充电控制器可以具备光伏充电控制器要求的所有功能要求。 虽然增加了电路设计的复杂度，但就目前的技术来说，此方案较早期充电电路与基本充电控制器对蓄电池的保护上具有十分明显的优势。 3 系统的 硬件设计 整个系统的 硬件设计分为太阳自动跟踪系统和蓄电池充电系统的硬件设计两大部分。 图 为整个系统的硬件框图，图中以太阳能电池板为界，上半部分为太阳自动跟踪系统的硬件构成，下半部分为蓄电池充电系统的硬件构成。 图 太阳方位检测传感器和方位检测电路 光强检测传感器和光强检测电路 A/D A/D 单片机 A/D 外部时钟 步进电机驱动电路 高度角电机 方位角电机 太阳能电池板 蓄电池充电控制器 蓄电池 充电电流、电压检测 电源模块的设计 众所周知，电源电路的设计，乃是在整体电路设计的中最基础的必备功夫。 电源模块设计的好坏直接影响整个系统的性能。 电源是硬件系统正常工作非常重要的部分，电源在满足要求的情况下尽可能的稳定，并且要具有监控和管理的功能，另外电路中有数字信号和模拟信号，要解决好信号和电源间的干扰可以有效地减少整个电路的干扰，在元件布局和 电路布线时候要对地线与其他信号线的有所区别，并且要对电源电路本身进行抗干扰设计，如在输出时对电路进行滤波处理等。 本课题主要应用的是 MC34063（ MC33063）集成芯片 设计的电源电路。 MC34063A（ MC33063） 集成电路芯片器件简介 :该器件本身包含了 DC/DC 变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。 它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器， R— S 触发器和大电流输出开关电路等组成。 该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的 DC/DC 变换器仅用少量的外部元器件。 主要应用于以微处理器 (MPU)或单片机 (MCU)为基础的系统里。 由外部提供的 24V 直流电源 通过 MC34063 转化为 5V,正负 15V,正负 12V 的直流电源。 此系统包括 5 个电源转化模块： 24V 到 5V 的转化。 24V 到 15V 的转化。 24V 到负15V 的转化。 24V 到 12V 的转化。 24V 到负 12V 的转化。 MC34063 的工作原理：（ 1） 比较器的反相输入端 (脚 5)通过外接分压电阻 RR2 输出电压。 其中，输出电压 U。 =(1+ R2/R1)由公式可知输出电压。 仅与 RR2 数值有关，因 为基准电压，恒定不变。 若 R R2 阻值稳定， U。 亦稳定。 （ 2） 脚 5 电压与内部基准电压 同时送人内部比较器进行电压比较。 当脚 5 的电压值低于内部基准电压 ()时，比较器输出为跳变电压，开启 R—S 触发器的 S脚控制门， R—S 触发器在内部振荡器的驱动下， Q 端为 “1”状态 (高电平 )，驱动管 T2导通，开关管 T1 亦导通，使输入电压 Ui 向输出滤波器电容 Co 充电以提高 U。 ，达到自动控制 U。 稳定的作用。 （ 3） 当脚 5 的电压值高于内部基准电压 ()时， R—S触发器的 S 脚控制门被封锁， Q 端为“ 0”状态 (低电平 )， T2 截止， T1 亦截止。 4. 振荡器的 Ipk 输入 (脚 7)用于开关管 T1 的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到 R— S触发器的 Q 端。 5. 脚 3 外接振荡器所需要的定时电容 Co 电容值的大小决定振荡器 频率的高低，亦决定开关管 T1 的通断时间。 典型应用电路如 图 所示： 图 外围元件的计算 ，包括 TC （ 定时电容 ） 、 SCR （ 限流电阻）、 (min)L （ 电感）、 OC （ 滤波电容）。 主要计算公式如图。 图 24V 到 5V 的转化 24V 到 负 15V 的转化 24V 到 15V 的转化。