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光伏(PV)发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟,并已进入推广应用阶段。
但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。
槽式线聚焦系统,碟式点聚焦系统,菲涅尔线聚焦系统和塔式固定目标聚焦系统都展示了各自的优点。
国际上塔式系统在美国SolarTwo之后又出现了西班牙的PS10和PS20,2008年美国又一个新建项目esolar开始建设。
目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的,不能充分利用太阳能资源,每一个系统都在不断的改变设计,采用新的设计方案。
还没有一个被公认的最佳方案。
因此,简化定日镜结构设计,使定日镜成本降低的同时简化了设计流程。
设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统,是非常有价值的研究课题。
2.具体任务与设计要求
本课程设计的题目是“定日镜控制系统”任务是通过单片机控制实现具有跟踪太阳光方向功能的机械装置。
通过光敏元件对接收太阳光强弱的不同反应在电路中是引起电路中某些参数的变化,再通过单片机编程实现对机械部分的有效控制,对太阳光仰角的测量是由两个电动机分别完成水平和竖直方向的正转和反转来实现的。
二.设计方案
1.总体设计方案
太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头(传感器)是用来检测太阳光强的。
当有偏差发生时,偏差信号经过模拟差压比较原理进行运算、比较和发出指令,产生高低电平。
高低电平指令通过I/O口传送到AT89C2051单片机中,再由AT89C2051单片机发出信号,输入到驱动机械部分转动推动电动机装置旋转(若为1则电动机正转,若为0则电动机反转),调整偏差,保证太阳能电池方阵正对太阳光,达到自动跟踪太阳的目的。
2.分块设计方案
(具体都包含哪些功能模块,每个功能模块的性能指标)
1.
光敏电阻(传感器)
工作原理:
光敏探测头(传感器)是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器,它是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理,将2个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方(光与电池板垂直时,一半可接收光,一半在下边)。
如果太阳光垂直照射太阳能电池板时,2个光敏电阻接收到的光照强度相同,它们的阻值完全相等,此时电动机不转动。
当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻值减小,驱动电动机转动,直至2个光敏电阻上的光照强度相同。
性能指标:
控制灵敏度的高低直接影响跟踪精度。
光敏电阻光强比较法的优点在于控制精确,电路设计比较容易实现。
经过实验研究,选用质量轻、美观、耐腐蚀的铝合金材料,光电接收管经过严格的计算、定位,以保证其检测灵敏度。
2.LM324电压比较器
电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。
它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术,也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。
单一单元原理图:
芯片引脚结构图:
引脚说明:
1脚OUTPUT12脚INPUT1-3脚INPUT1+4脚V+5脚INPUT2+6脚INPUT2-7脚OUTPUT28脚OUTPUT39脚INPUT3-
10脚INPUT3+11脚GND12脚INPUT4+13脚INPUT4-14脚OUTPUT4
OUTPUT是运算放大器的输出端,也是这个芯片的输出INPUT-是运算放大器的反向输入端,输出端输出的信号总与这个引脚的输入信号极性相反。
INPUT+是运算放大器的正向输入端,信号的输入与输出同向。
一般正向输入端作为信号的输入端,用反向输入端作为反馈,也有反过来的电路。
1.LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。
它设计在较宽的电压范围内单电源工作,但亦可在双电源条件下工作。
其特点如下:
●具有宽的单电源或双电源工作电压范围;
单电源3V~30V,双电源±
1.5V~±
15V
●内含相位校正回路,外围元件少●消耗电流小:
Icc=0.6mA(典型值,RL=∞)
●输入失调电压低:
±
2mV(典型值)●电压输出范围宽:
0V~Vcc—1.5V
●共模输入电压范围宽:
0V~Vcc—1.5V
3.AT89C2051单片机芯片引脚图
小巧,20管脚。
和MCS-51产品兼容;
2KB可重编程FLASH存储器(1000次);
.2.7-6V电压范围;
.全静态工作:
0Hz-24KHz.2级程序存储器保密锁定.128*8位内部RAM.15条可编程I/O .两个16位定时器/计数器 .6个中断源 .可编程串行通道 .高精度电压比较器(P1.0,P1.1,P3.6) .直接驱动LED的输出端口·
低功耗空载和掉电方式
AT89C2051芯片的20个引脚功能为:
1.Vcc:
电源电压。
2.GND:
地。
3.P1口:
P1口是一8位双向I/O口。
口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻。
P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入(AIN1)。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。
P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
4.P3口:
P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表10-1所示。
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5.RST:
复位输入。
RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6.XTAL1:
作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。
7.XTAL2:
作为振荡器反相放大器的输出。
分时复用的P3口功能:
AT89C2051的结构框图
AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体(EEPROM)的低电压,高性能8位CMOS微型计算机。
如图10.2所示。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器,ATMELAT89C2051是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。
4.L298N驱动集成芯片
芯片原理图
L298N芯片引脚图
芯片原理图
使用说明:
板上的ENA与ENB为高电平时有效,只有当ENA与ENB为高电平时,电机才旋转,否则电机不旋转,这里的电平指的是TTL电平,ENA为IN1和IN2的使能端ENB为IN3和IN4的使能端。
当ENA=1,IN1=1,IN2=0时电机1正转,
ENA=1,IN1=0,IN2=1时电机1反转。
同理,当ENB=1,IN1=1,IN2=0时电机2正转,
ENB=1,IN1=0,IN2=1时电机1反转。
OUT1,OUT2接电机1,OUT3,OUT4接电机2,POWER接直流电源,注意正负,电源正端为VCC,电源负端为GND。
5.39SH-29BBA六线电动机
品牌
三菱
类别
微型步进电机
安装形式
卧式
型号
39SH-29BAA
适用范围
升降机
步进电机12V1.8deg.75Ω0.16A6线
步进电动机的主要性能指标有:
(1)步距精度。
我国生产的步进电动机的步距精度一般在±
10~±
30分的范围,有些可达±
2~±
5分。
(2)最大静转矩。
用以衡量步进电动机带负载的能力。
(3)起动频率。
是使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动,并进入正常运行的控制脉冲最高频率。
在电动机空载情况下,称为空载起动频率。
在有负载情况下,不失步起动所允许的最高频率将大大降低。
(4)连续运行频率。
步进电动机起动后,其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率称为连续运行频率的最高工作频率。
步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降,但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率
大电容并联小电容与电源连接的原因:
理想的电容,其阻抗随频率升高而变小(R=1/jwc),但理想的电容是不存在的,由于电容引脚的分布电感效应,在高频段电容不再是一个单纯的电容,更应该把它看成一个电容和电感的串联高频等效电路,当频率高于其谐振频率时,阻抗表现出随频率升高而升高的特性,就是电感特性,这时电容就好比一个电感了。
相反电感也有同样的特性。
大电容并联小电容在电源滤波中非常广泛的用到,根本原因就在于电容的自谐振特性。
大小电容搭配可以很好的抑制低频到高频的电源干扰信号,小电容滤高频(自谐振频率高),大电容滤低频(自谐振频率低),两者互为补充。
理论上我们两个电容并联的容值是他们的和,但是在实际应用中,我看到有人把不同容值的两个磁片电容并联使用,想让容值大的虑掉低频,容值小的虑高频。
我们在做板子的电源插口的时候也是这么做的,用100uF的极性电容在并联一个0.1uF的电容。
理由是,实际的电容可以看成是由电阻,电感和电容串连的。
6.直流电机
定义输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;
作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。
一般由驱动器来驱动。
直流电机的结构
由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到,直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
当线圈逆时针方向旋转180°
时,这时导体cd位于N极下,导体ab位于S极下,各导体中电动势都分别改变了方向。
图1.1
直流发电机原理模型
直流电动机的工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。
这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。
如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来。
图1.3
直流电动机的原理模型
当电枢转了180°
后,导体cd转到N极下,导体ab转到S极下时,由于直流电源供给的电流方向不变,仍从电刷A流入,经导体cd、ab后,从电刷B流出。
这时导体cd受力方向变为从右向左,导体ab受力方向是从左向右,产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。
图1.4
直流电动机原理模型
因此,电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由导体ab和cd流入,使线圈边只要处于N极下,其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向,而在S极下时,总是从电刷B流出的方向。
这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向,从而形成一种方向不变的转矩,使电动机能连续地旋转。
这就是直流电动机的原理。
7续流二极管
续流二极管的定义:
在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端,当电感线圈断电时其两端的电动势并不立即消失,此时残余电动势通过一个二极管释放,起这种作用的二极管叫续流二极管。
其实还是个二极管只不过它在这起续流作用而以.
续流二极管的作用:
续流二极管都是并联在线圈的两端,线圈在通过电流时,会在其两端产生感应电动势。
当电流消失时,其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。
当反向电压高于元件的反向击穿电压时,会使元件如三极管、晶闸管等造成损坏。
续流二极管并联在线两端,当流过线圈中的电流消失时,线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。
从而保护了电路中的其它原件的安全。
续流二极管的工作原理:
上图给出了续流二极管的典型应用电路,其中电阻R视情况决定是否需要。
储能元件在VT导通时,电压为上正下负,电流方向从上向下。
当VT关断时,储能元件中的电源突然中断,此时会产生感应电势,其方向是力图保持电流不变,即总想保持储能元件电流方向从上向下。
这个感应电势与电源电压叠加后加在VT两端,容易使VT击穿,为此可以加上VD。
这样就可以将储能元件产生的感应电势短路掉,从而达到保护VT的目的。
续流二极管的选择:
一般选择快速回复二极管或者肖特基二极管,如FR254、FR255、FR256、FR257、IN5204、IN5205、IN5206、IN5404、5406、5407、5408等。
使用时的注意事项:
1)续流二极管是防止直流线圈断电时,产生自感电势形成的高电压
对相关元件造成损害的有效手段!
2)续流二极管的极性不能接错,否则将造成短路事故;
3)续流二极管对直流电压总是反接的,即二极管的负极接直流电的
正极端;
4)续流二极管是工作在正向导通状态,并非击穿状态或高速开关状
态。
3.硬件设计方案(含功能框图)
(总的硬件功能框图及其说明)
太阳能光伏发电设备自动跟踪系统,是利用光敏电阻传感器)来检测太阳光强的。
当有偏差发生时,偏差信号经过电压比较器LM324运算后,产生高低电平。
高低电平指令通过I/O口传送到AT89C2051单片机中,再由AT89C2051单片机发出信号,输入到L298N中,驱动机械部分转动推动电动机装置旋转(若为1则电动机正转,若为0则电动机反转),调整偏差,保证太阳能电池方阵正对太阳光,达到自动跟踪太阳的目的。
4.软件设计方案
(总体软件功能框图及其说明)
软件设计方案说明:
单片机上电复位时,P0~P3口默认置FFH,由于当输出为高电平时,电机旋转,为了防止电机转动,首先要设初值,即置P0~P3口为00H。
根据原理图的连线可以看出,P1口各功能如下表所示
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
IN4
IN3
IN2
IN1
ENA
ENB
X
故通过判断P3.1口和P3.5口的状态来控制P1口的各个输出值,通过上表确定参数,从而方便且精确地控制两个电机的正反转。
调用延时程序,使单片机转动持续一段时间,后再继续读取信号,判断光敏电阻是否达到平衡。
持续以上步骤,最终达到追踪太阳的目的。
3.原理图
(见附纸)
4.总结
本太阳能自动跟踪系统能自动检测太阳的位置,通过四个光敏电阻来判断、控制电机转动,从而达到自动跟踪太阳的目的。
该自动跟踪系统的准确性高、可靠性强。
在晴天检测过程中能实时跟踪太阳的位置,由于光敏电阻对光的感测较为敏感,故即使在阴天,也能实现趋光效果。
另外,采用步进电机,实时性好,步距稳定,可以实现快速准确追踪太阳的目的。
通过本次设计使我们进一步了解单片机的功能与应用。
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机是靠程序运行的,并且可以修改。
从而实现对驱动电机工作的驱动器的控制,控制电机转动。
从中我们也体会到了实践的不同,理论只有应用到实践中去,才能更好地体现学习知识的目的。
这次课程设计,让我丰富了知识,开阔了眼界,对单片机这门课本身也有了更好的,更加深入的了解。
譬如如何用单片机驱动负载,怎样给单片机供电,单片机的适用场合,使用条件等,这些都是平时理论知识学习过程中容易忽略的。
通过课程设计,让我更加完善了书本上的理论知识,收获颇丰。
五.参考文献
张毅刚.单片机原理及应用.(2003年12月第一版).北京市西城区德外大街4号:
高等教育出版社,2009:
ISBN978-7-04—013036-2
...2010-5-22
...2010-5-17
...2010-7-3
...2010-5-13
...2010-4-5
2009-12-5
...2010-7-2
2007-5-3
2009-2-28
.../9182.html2010-2-10
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- 课程设计 实验 报告