毕业论文(设计)基于单片机的太阳光自动追踪系统研究.pdf
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1、密级:分类号:学校代码:10075学 号:20101364工学硕士学位论文基于单片机的太阳光自动追踪系统 研究学位申请人:指导 教师:学位类别:工学硕士学科专业:检测技术与自动化装置授予单位:河北大学答辩日期:摘要摘要在当前能源紧张的形势下,太阳能作为一种新兴的清洁能源越来越受到人们的重 视。当太阳能电池板在工作时,由于日照强度及方向不确定,因此,传统的固定式太阳 能电池板不能充分吸收太阳光能量。为了改善这种情况,本设计进行了基于单片机的太 阳光自动追踪系统的研究。硬件方面,本文从太阳光的运行规律出发,根据太阳光线入射角时刻变化的特点,设计了一套采用比较控制式追踪方式的双轴追踪系统。系统以AT
2、89S52单片机为主控制 器,采用GL5516型光敏电阻和2CU101D型光敏二极管分别设计出太阳位置检测电路 和光强检测电路。通过ADC0809芯片进行光电检测数据的采集,采用ULN2003芯片作 为步进电机驱动芯片,驱动28BYJ-48型步进电机带动太阳能电池板转动。采用PL2303 芯片设计出USB接口电路,利用MAX7219芯片驱动8个七段LED显示块,分别实现 了与上位机的通信以及时间日期的显示。软件方面,本设计根据主动式追踪方式和被动式追踪方式各自的优缺点,提出了结 合二者优点的混合式控制方式,即理论位置求值作为粗调,光电检测作为细调。为保证 系统的跟踪精度,本设计提出了采集多组信
3、号求平均值的信号处理方法,并完成了各模 块以及视日运动的程序流程图设计和控制程序的编写及调试。设计出实物模型,完成制作并通电运行成功后,进行系统测试。经过测试,系统自 带程序对太阳理论位置的计算误差不超过0.5。同等条件下相比于固定式太阳能电池板,采用自动跟踪装置可以多接收大约35%的太阳辐射。经过实物模型实际运行的结果,本 系统在工作时,运行精度理论上可以达到4,在水平方向上可以达到-85。+85。的跟踪 范围,在俯仰方向上可以达到0。90。的跟踪范围。关键词 太阳能 单片机 光电检测 自动跟踪IAbst ractAbstractIn t he curren t en ergy sit ua
4、t ion,t he solar en ergy as a n ew clean en ergy more an d more get peoples at t en t ion.When t he solar pan els in t he work,because t he sun shin e in t en sit y an d direct ion of un cert ain t y,t herefore,t he t radit ion al fix ed solar pan els is n ot fully absorb sun light en ergy.In order
5、t o improve t he sit uat ion,t his design has carried on t he research of sun aut omat ic t rackin g syst em based on sin gle chip microcomput er.In t his paper,st art in g from t he run n in g rule of t he sun,accordin g t o t he charact erist ics of t he t ime t he sun s rays in ciden t An gle cha
6、n ges,design a set of con t rolled by comparin g t he t rack t ype of t wo-ax is t rackin g syst em.For t he hardware circuit AT89S52 sin gle chip microcomput er as t he main con t roller,usin g GL5516 phot osen sit ive resist an ce an d 2CU101D phot osen sit ive diode respect ively design ed t he s
7、un posit ion det ect ion circuit det ect in g circuit of light in t en sit y.Through t he ADC0809 chip phot oelect ric det ect ion dat a collect ion,usin g ULN2003 as t he st epper mot or driver chip,chip driver 28BYJ-48 t ype st eppin g mot or driven in solar pan els.Usin g PL2303 chip t o design t
8、 he USB in t erface circuit,t he use of MAX7219 chip drive eight seven segmen t LED display piece,respect ively t he commun icat e wit h PCs dat e an d t ime display.On soft ware design,t he design based on act ive an d passive t rackin g met hods t o t rack t he way t heir advan t ages an d disadva
9、n t ages,t he advan t ages of t he proposed combin at ion of t he t wo hybrid con t rol mode,n amely t he t heory of posit ion evaluat ion as a coarse,phot oelect ric det ect ion as a fin e t un in g.In order t o en sure t he accuracy of t rackin g syst em,t he design put forward t o collect more gr
10、oups of sign al averagin g met hod of sign al processin g,an d complet ed t he module an d t he program flow chart of design an d visual,mot ion con t rol program writ in g an d debuggin g.Design a physical model,aft er t he success of t he complet e product ion an d t he power,syst em t est.Learn a
11、ft er t he t est,t he syst em t heory of t he sun posit ion calculat ion error is n ot more t han 0.5.Un der t he same con dit ion s as compared t o fix ed solar pan els,aut omat ic t rackin g device may be more t o receive approx imat ely 35%of t he solar radiat ion.ThroughiiAbst ractphysical model
12、 of pract ical result s,t he run n in g accuracy of t he syst em can t heoret ically reach 4,can be achieved in a horizon t al direct ion-85+85 t rackin g ran ge,on t he pit ch direct ion can reach 090 t rackin g ran ge.Keywords solar microcon t roller phot odet ect or aut omat ic t rackill目录目录第1章绪论
13、.11.1 课题研究背景.11.2 课题研究目的及意义.21.3 国内外研究现状.21.4 本课题研究内容.3第2章 太阳光自动追踪系统总体设计.52.1 设计目标及总体方案.52.2 控制策略研究.62.2.1 被动式追踪方式.62.2.2 主动式追踪方式.72.2.3 混合追踪方式.72.3 系统结构设计.8第3章 硬件模块设计.113.1 光电检测模块设计.113.1.1 太阳位置检测电路设计.113.1.2 光强检测电路设计.153.2 数据采集电路设计.193.3 主控制模块设计.223.3.1 控制电路设计.223.3.2 外围电路设计.243.4 步进电机驱动模块设计.273.5
14、 USB接口模块设计.293.6 显示模块设计.30第4章 软件模块设计.334.1 整体程序流程设计.334.2 下位机程序设计.34IV目录4.2.1 光电检测模块程序设计.344.2.2 数据采集模块程序设计.354.2.3 显示模块程序设计.364.3 上位机程序设计.374.3.1 串口通信模块程序设计.374.3.2 显示界面设计.384.4 视日运动程序设计.38第5章实物模型设计.425.1 光电传感器结构设计.425.2 整体结构设计.45第6章 实验测试及结果分析.46第7章总结.51参考文献.53致 谢.56攻读学位期间发表的论文及科研情况.57v第1章绪论第1章绪论1.
15、1 课题研究背景自工业革命以来,随着瓦特改良的蒸汽机被大规模的应用,人类利用和改造自然的 能力得到了空前的提高。机器的大规模使用使人类对能源的需求急剧增加。第二次工业 革命后,电力开始进入人们的生产生活之中,人类对于能源的消耗有相当大的一部分被 用来发电1。进入到生产力高速发展的今天,随着经济发展的提速,全世界各个国家对 能源的需求日益上涨。虽然世界能源的消耗量依然在成倍的增加,但是物质的不变性 导致大部分能源的不可再生性,化石能源储量有限,终有一天会全部耗尽。并且化石能 源分布极度不均,比如我国的主要能源大多分布于中西部经济相对落后地区叫东部经 济发达地区资源较少,这样就为我国的能源调配造成
16、了极大的困难。据统计,现有已探明的油气资源仅仅可供人类开采至多三十年叫 并且有的地区油 气资源虽然丰富,但在由于自身地理位置特殊、气候环境恶劣等诸多因素,导致这一地 区的资源并不能被有效利用,或者因开采成本过高而导致经济效益欠佳。例如俄罗斯西 伯利亚油田的开采成本就远高于中东地区,这也使得俄罗斯在石油出口上一直不具备价 格优势。煤炭是人类利用比较早的资源,虽然相对于石油、天然气资源,煤炭的储量较 大,但是作为不可再生能源,煤炭预计将于三百年后耗尽。水力资源是人类利用最早的 自然资源之一,遍布全国各地的水利设施星罗棋布,但迄今水资源的利用率已经超过了 百分之七十以 继续提升的潜力有限。况且随着人
17、类技术进一步提高之前,水资源转化 为能源的主要方式就是水力发电,利用开发形式单一,并且水电站建设面临着技术、成 本、环境等方面的许多困难,还会产生航道阻塞、移民问题、诱发地质灾害等诸多弊端。工业文明的进步所带来的除了舒适便利的生活条件,还有因资源大量消耗所带来的 恶果。除能源危机外,还有近些年困扰全社会的环境问题。环境的破坏所带来的后果无 法推测,所造成的损失也绝非经济的发展所能弥补的。新能源是指利用新技术加以开发利用的可再生能源,主要包括太阳能、生物质能、水能、风能、沼气、甲醇等。这其中太阳能因其独有的特点具有良好的发展前景。1河北大学工学硕士学位论文1.2 课题研究目的及意义对现代社会而言
18、,太阳能可以称得上是目前经济效益最好,环境危害最少的可再生 新能源。太阳能作为能源有着其独特的优势。(1)储量巨大:地球接受太阳辐射的效率可达8.03x l014kW/S,这个能量相当于 6x 109吨煤完全燃烧放出的热量。(2)环保无污染:太阳能在使用中,不会产生废水废气废料等有害物质,因而符 合环境保护的要求、。(3)分布广泛:能接收到太阳光照的地方就有太阳能,所以,太阳能的分布极其 广泛,有助于缓解资源匮乏的紧张情况。(4)经济性:随着太阳能相关技术的发展,利用的太阳能成本会逐步降低,这其 中太阳能发电站的建设更加具有经济效益,从长期来看,发电的成本会减少很多。我国国土面积广袤,大部分国
19、土位于中低纬度地区,属于日照时间比较长的国家之 一,特别是在高原地区,由于空气稀薄,太阳能资源十分丰富。据统计,每年日照时长 数在2000小时以上的地区占到了我国国土面积的三分之二网。随着我国对能源需求的不 断增加,太阳能的开发利用将会对于我国的经济发展和环境保护产生重要作用。在提高太阳能利用率的方法方面,除了改进太阳能电池板的生产工艺外,还可以对 太阳光追踪系统进行研究,使太阳能电池板始终能够正对太阳。据相关统计结果显示,采用太阳光追踪系统与不采用追踪系统的太阳能电池板在工作效率方面相差37.7%见。由此可见,追踪设备的使用可使太阳能的利用率大幅提高。所以,太阳光自动追踪系统 有着很大的实际
20、研究意义。1.3 国内外研究现状太阳能作为一种清洁无污染且储量巨大的新能源,其开发利用受到了世界各国的关 注,作为提高太阳能转化效率的重要手段,迄今国外对于太阳光自动追踪系统的研究主 要有以下内容,在1997年,美国研制成功了东西方向的单轴太阳自动跟踪器,工作效 率提高了 15%。1998年美国科学家的研制出了 ATM两轴追踪器,进一步提高了效率。2002年2月美国亚利桑那大学研制出了一套可以对电机进行控制的太阳能追踪设备,这 套设备通过控制电机的转向和转速来完成追光口。随着太阳能的利用逐步普及,如何提高太阳能的利用效率也逐渐引起了我国的专家 2第1章绪论学者的重视。2007年,我国投入使用了
21、第一套可以自动跟踪太阳光的太阳能发电系统口汽 如图1-1所示。该系统主要依靠在太阳发生偏转的时候传感器输出信号产生的偏差,来 确定太阳的位置。然后通过主控制器对电机发出指令,调整太阳能电池板的角度,使之 时刻保持与太阳光线的垂直。科技要闻科技创新BU3G科技图片环球速览科普探幽生活百科首页科技科技图片 字号:大中小追日型太阳能发电系统将用于北京奥运会(图)中国网 时间:2007-08-31 发表评论随着不同时段太阳光线的转移,随时变换电池的旋转角度,从而达到最大限度吸 收太阳能的目的.朝阳公园建成的“追日型”太阳能发电系统将于明年率先应用于奥 运会比赛场馆.据朝阳公园开发经营公司总经理田锦和介
22、绍,整个“追日型”太阳能发电系统由 两个功率分别为11千瓦和44千瓦的并豳电站组成.这种太阳能发电系统的最大优点就 是不需要用蓄电池储存能量,因而可以节省不少资金,而且不会对环境造成任何污 染.位于沙滩排球馆东北角的11千瓦全自动“追日型”太阳能发电系统长11米、宽7 米,可以实现远程控制.其太阳能电池可以随着太阳的旋转,实现270度上下左 右“追日”旋转,发电功率比一般的太阳能系统高30%以上,是目前世界上转换效率 最高的太阳能发电系统.图1-1太阳光自动追踪系统相关应用2008年,中科院电工研究所的科研人员设计出一套基于PIC16F877A的主动式双轴 太阳跟踪器,目前这套装置已在国家可再
23、生能源实验基地投入应用,与固定式光伏发电 系统比较,发电量提高了 35%以上。2012年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制了一种可自动切换工作方 式的智能太阳跟踪器口叱这套装置能够根据天气状况的不同自动选择合适的工作模式,提高了在对于不同气象条件的适应性,有效地保证了系统的跟踪精度、工作性能和运行 成本。1.4 本课题研究内容本课题研究的系统具有可以提高太阳能利用率的功能,计划设计出一套由AT89S52 单片机进行控制的太阳光自动追踪系统,通过检测太阳位置的变化来进行对太阳光的追 踪,通过检测光强的变化实现追踪方式的改变。所以论文的研究内容大体有以下几个方 ffio(1)系统总体设计
24、。确定整个系统的设计思路以及技术指标,选择合适的跟踪方 3河北大学工学硕士学位论文式,确定系统的总体结构。(2)硬件电路设计。其中包括:各部分硬件电路的设计,各芯片和元器件的选择。硬件电路的设计除了要实现基本的自动跟踪功能外,还添加上了实时显示,数据通信等 附属功能。(3)软件设计。采用C语言编写软件程序,对光电检测部分、数据采集部分、主 控制部分、显示及上位机部分以及太阳实时理论位置计算的程序进行编写。(4)实物模型设计。主要包括光传感器结构的设计以及机械结构的设计,光传感 器结构的设计旨在避免杂散光的干扰,使跟踪装置更加精确可靠。机械结构作为整个系 统的载体,是实现系统功能的必备条件。(5
25、)系统测试。硬件电路以及软件部分设计完成后,制作出实物模型,并进行了 实验数据的采集。通过实验数据来验证本设计是否实现了设计目的。4第2章系统总体设计第2章系统总体设计2.1 设计目标及总体方案本设计的目的是要实现在自然条件下对太阳光的追踪,通过比较各类太阳光自动追 踪方式的优缺点,本着进一步对拟采用的追踪方式进行优化的目的,确定本设计的最终 目标是设计出一个太阳光追踪系统,实现对太阳位置的检测和判定,选用适当的控制策 略和数据处理方式,保证系统的精确度。设计完成的系统可以在高度角和方位角两个方 向上对太阳进行追踪。为了提高系统的智能化水平,添加自动上电、USB监控、实时显 示等功能。设计出可
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