太阳能自动跟踪系统设计.docx
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太阳能自动跟踪系统设计.docx
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太阳能自动跟踪系统设计
太阳能自动跟踪系统的设计
1设计背景
1.1太阳能的发展现状及本设计的发展前景
1.1.1太阳能的发展现状
近两年来国内太阳能电池产业发展很快,特别是受无锡尚德公司在美国上市的影响,太阳能电池企业蜂拥而上。
现在,我国大大小小从事太阳能电池硅材料,硅片、电池及组件的生产厂家已不下百家。
太阳能电池产量:
江苏无锡尚德太阳能电力有限公司,宁波太阳能电源有限公司、中电电气南京光伏科技有限公司、云南天达光伏科技股份公司、上海交大泰阳绿色能源公司等主要的十多家公司总产量约为110MW。
太阳能电池组件生产量:
天威英利新能源公司、上海太阳能科技有限公司、江苏林洋新能源公司、新疆新能源公司、浙江昱辉阳光能源公司、西安佳阳能源公司、力诺光伏高科技有限公司、上海超日太阳能科技公司、无锡佳诚太阳能科技有限公司、常州天合光能有限公司、无锡国飞绿色能源有限公司、深圳能联电子有限公司等十多家公司总产量达220MW以上。
太阳能电池用硅材料产量:
河北宁晋单晶硅基地、江苏顺大半导体发展有限公司、四川峨眉半导体材料厂、洛阳中硅高科技有限公司、常州天合光能公司、宁波晶元太阳能有限公司、绍兴精工太阳能有限公司、常州亿晶光电科技有限公
司、江苏华日源电子科技有限公司第十多家公司总产量约为700吨。
太阳能电池制造技术方面:
由于硅材料缺乏,价格飞速上涨,极大地促进了
硅太阳能电池薄片技术的发展,目前硅片厚度已普遍地从370μm降到240μm,有
的厂家已减薄到220μm,仍能保持较高的成品率,同时也促进了太阳能电池转化
效率的提高,多晶硅太阳能电池一般效率已达到13-14%,有的企业已能批量生
产15%的产品;而单晶硅电池效率已普遍达到14-15%,有的企业已能批量生产
16%的产品。
此外,北京企业星华创股份有限公司已能制造和生产硅太阳能电池
和组件的制造设备,特别是一些国产的单晶炉和太阳能电池封装设备已有较高的
技术水平。
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太阳能自动跟踪系统的设计
1.1.2太阳能的发展前景
现阶段人类面临的最大问题就是能源短缺问题,而环境保护又是现阶段人们
所努力倡导的重要任务。
解决这两个问题的最有效便捷的途径就是大力发展太阳
能的利用,地球每天收到的太阳能约4×1015千瓦时,假如能把这些能源充分利
用那将相当于节省了2.5×108万桶石油,这不仅对解决了能源短缺的问题,而且
在一定程度上保护了环境。
太阳能清洁无污染、取之不尽、用之不竭,这是其发展迅速的最直接原因而
我国每年接收到335~873千焦每立方厘米,这将是我国不可多得的无污染能源。
所以大力发展太阳能才是解决二十一世纪我国乃至全球的最重要任务。
太阳能虽然取之不尽但是它有一定的分散性、方向性和不稳定性,怎么样将
其发挥到最好,怎么样更充分的利用这用之不竭的能源才是现阶段太阳能事业发
展的最客观的问题。
1.2目前使用的跟踪系统
现阶段市场上使用的跟踪系统有单轴太阳能自动跟踪器、步进式太阳能自动
跟踪、可自动跟踪的太阳灶、五像限法太阳自动跟踪仪、单轴液压式自动跟踪、
极轴式跟踪。
不足:
结构复杂,跟踪精度不高,不能全自动跟踪。
1.3本设计意义
本设计可使太阳光永远垂直照射在接收面上(能量积分),提高了太阳能的吸
收率和转化率,设计结构简单成本低廉,单片机控制稳定,能自动跟踪阳光,最
大面积地吸收太阳光能,合理利用了资源。
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太阳能自动跟踪系统的设计
2设计方案简述
本设计以AT89S51单片机为控制中心,运用光敏电阻采集光线,用运放LM358
对采集的光线做进一步处理并将最终数据传输给单片机,单片机进行进一步处理
并将处理数据传输给电机驱动系统,控制两路电机进行调节电池板的水平方位调
整及垂直高度的调整。
本设计寻光系统采用单片机作为主控芯片,光敏和运放LM358组成光信号采
集模块,继电器控制电机的正反转进行电池板的微调。
具体控制框图如图2.1所
示:
光
线
检
测
LM358
电压比较
AT89S51
继电器控
制组
M1
M2
图2.1系统控制框图
3
太阳能自动跟踪系统的设计
3详细设计
3.1单片机概述
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名,具体说就是把中央处
理器CPU(Centralprocessingunit)。
随机存储器RAM(Randomaccessmemory)。
只读存储器ROM(Readonlymemory)。
中断系统、定时器/计数器以及I\O
(Input/output)接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。
虽然单片机只是一个芯片,但从组成和功能上看,它已具有了计算机系统的属性。
为此,称它
为单片微型计算机SCMC(Singlechipmicrocomputer),简称单片机。
单片机
主要应用与控制领域,用以实现各种测试和控制功能,为了强调起控制属性,也
可以把单片机称为微控制器MCU(Microcontrollerunit)。
在国际上,“微控制
器”的叫法似乎更通用一些,而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。
单片
机在应用时,通常是处于控制系统的核心地位并融入其中,即以嵌入的方式进行
使用,为了强调其"嵌入"的特点,也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU
(Embeddedmicrocontrollerunit)。
在单片机的电路和结构中,有许多嵌入式
应用的特点。
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太阳能自动跟踪系统的设计
3.1.1单片机基础
根据控制应用的需要,可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。
通用
型单片机是一种基本芯片,他的内部资源比较丰富,性能全面且适用性强,能覆
盖多种应用需要。
用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统,即通用单
片机有一个在设计的过程,通过用户的进一步设计,才能组建成一个以通用单片
机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。
然而在单片机的控制应用中,
有许多时候是专门针对某个特定产品的,例如电度表和IC卡读写器上的单片机
等。
这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大,为此厂家常与芯片制造商合
作,设计和生产专用的单片机芯片。
由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种
控制应用而专门设计的,设计时已经对系统结构的最简化,软硬件资源利用的最
优化。
3.1.2单片机与单片机系统
单片机通常是指芯片本身,它是芯片制造商生产的,在它上面集成的是一些做
为基本组成部分的运算器电路,控制器电路,存储器,中断系统,定时器/计数器
以及输入/输出口电路等。
但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到
其中,例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体,电阻,电容等,这些元件在单
片机系统中只能以散件的形式出现。
此外,在实际的控制应用中,常常需要扩展
外围电路和外围芯片。
从中可以看到单片机和单片机系统的差别,即:
单片机只
是一块芯片,而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成
的具有一定应用功能的计算机系统。
通常所说的单片机系统都是为实现某一控制
应用需要由用户设计的,是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。
在单
片机系统中,单片机处于核心地位,是构成单片机系统的硬件和软件基础。
3.1.3MCS-51系列单片机介绍
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名,具体说就是把中央处
理器CPU(Centralprocessingunit)。
随机存储器RAM(Randomaccessmemory)。
只读存储器ROM(Readonlymemory)。
中断系统、定时器/计数器以及I\O
(Input/output)接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。
虽然单片机只是一个芯片,但从组成和功能上看,它已具有了计算机系统的属性。
为此,称它
为单片微型计算机SCMC(Singlechipmicrocomputer),简称单片机。
单片机
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太阳能自动跟踪系统的设计
主要应用与控制领域,用以实现各种测试和控制功能,为了强调起控制属性,也
可以把单片机称为微控制器MCU(Microcontrollerunit)。
在国际上,“微控制
器”的叫法似乎更通用一些,而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。
单片
机在应用时,通常是处于控制系统的核心地位并融入其中,即以嵌入的方式进行
使用,为了强调其"嵌入"的特点,也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU
(Embeddedmicrocontrollerunit)。
在单片机的电路和结构中,有许多嵌入式
应用的特点。
3.1.4单片机基础
根据控制应用的需要,可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。
通用
型单片机是一种基本芯片,他的内部资源比较丰富,性能全面且适用性强,能覆
盖多种应用需要。
用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统,即通用单
片机有一个在设计的过程,通过用户的进一步设计,才能组建成一个以通用单片
机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。
然而在单片机的控制应用中,
有许多时候是专门针对某个特定产品的,例如电度表和IC卡读写器上的单片机
等。
这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大,为此厂家常与芯片制造商合
作,设计和生产专用的单片机芯片。
由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种
控制应用而专门设计的,设计时已经对系统结构的最简化,软硬件资源利用的最
优化,
3.1.5单片机与单片机系统
单片机通常是指芯片本身,它是芯片制造商生产的,在它上面集成的是一些做为
基本组成部分的运算器电路,控制器电路,存储器,中断系统,定时器/计数器以
及输入/输出口电路等。
但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其
中,例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体,电阻,电容等,这些元件在单片
机系统中只能以散件的形式出现。
此外,在实际的控制应用中,常常需要扩展外
围电路和外围芯片。
从中可以看到单片机和单片机系统的差别,即:
单片机只是
一块芯片,而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的
具有一定应用功能的计算机系统。
通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应
用需要由用户设计的,是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。
在单片
机系统中,单片机处于核心地位,是构成单片机系统的硬件和软件基础。
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3.1.6单片机应用领域
现在单片机的应用已经很广泛,下面就一些典型方面进行介绍。
(1)工业自动化方面。
自动化能使工业系统处于最佳状态,提高经济效益,改善产品质量和减轻劳动强度。
因此,自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中,而在工业自动化技术中,无论是过程控制技术,数据采集和测控技术,还是生产线上的机器人技术,都需要要有单片机的参与。
在工业自动化的领域中,机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用,在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中,单片机将发挥越来越大的作用。
(2)仪器仪表方面。
现在仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高,对此最好使用单片机来实现,而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化,智能化,多功能化和柔性化方向发展。
此外,单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和
准确度,简化结构、减小体积及重量而易于携带和使用,并具有降低成本,增强抗干扰的能力,便于增加显示、报警和自诊断等功能。
(3)家用电器方面.当前,家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度,而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与,所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次,例如洗衣机,电冰箱,空调机,微波炉,电视机和音像视频设备等,这里说的电脑实际上就是单片机。
智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便,进一步改善我们的生活质量,把我们的生活变的更加丰富多彩。
(4)信息和通信产品方面.信息和通信产品的自动化和智能化程度很高,这
当然离不开单片机的参与,例如计算机的外部设备和自动化办公设备中,都有单片机在其中发挥着作用。
(5)军事装备方面。
科技强军、国防现代化离不开计算机,在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上,都有单片机深入其中。
3.2单片机最小系统
最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。
AT89S51的最
小系统如图3.1所示。
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太阳能自动跟踪系统的设计
图3.1单片机最小系统电路图
3.2.1定时与中断的概念
中断是一项重要的计算机技术,采用中断技术可以使多项任务共享一个资源,
所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。
向CPU发出中断请求的来源称之为
中断源。
MCS-51是一个多中断源的单片机,以80C51为例,有三类共五个中断源,
分别是外部中断两个,定时中断两个和串行中断一个。
外中断:
外中断是由外部信号引起的,共有两个中断源,即外部中断“0”和外部中断“1”。
它们的中断请求信号分别由引脚INT0(P3.2)和INT1(P3.3)引入。
外部中断请求有两种信号方式,即电平方式和脉冲方式,可通过有关控制位进行定义。
定时中断:
定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。
串行中断:
串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。
中断控制:
这里所说的中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段,实际上就是一些专用寄存器。
在MCS-51单片机中,用于此目的的控制寄存器共有四个,即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。
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定时器控制寄存器(TCON):
该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计数溢出。
寄存器地址88H,位地址8FH~88H。
表3.1
寄存器位地址表
1
位地址
8F
8E
8D
8C
8B
8A
89
88
位符号
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
这个寄存器既有定时器/计数器的控制功能又有中断控制功能,其中与中断有关的
控制位共六位:
IE0和IE1
、IT0和IT1以及TF0和TF1。
中断允许控制寄存器(IE):
寄存器地址A8H,位地址AFH~A8H。
表3.2
寄存器位地址表2
位地址
AF
AE
AD
AC
AB
AA
A9
A8
位符号
EA
-
-
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
其中与中断有关的控制位共六位:
EA、EX0和EX1、ET0和ET1、ES。
中断优先级控制寄存器(IP):
MCS-51的中断优先级控制只定义了高、低两个优先
级。
各中断源的优先级由优先寄存器(
IP)进行设定。
IP寄存器地址B8H,位地
址为BFH~B8H。
寄存器的内容及位地址表示如下:
表3.3
寄存器位地址表3
位地址
BF
BE
BD
BC
BB
BA
B9
B8
位符号
-
-
-
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
其中PX0外部中断0优先级设定位;PT0定
时中断
0优先级设定位;PX1外部中断1
优先级设定位;PT1定时中断1优先级设
定位;PS串行中断优先级设定位;为
0的
位优先级为低,为
1的位优先级为高。
定时器/计数器的控制寄存器:
与定时器/
计数器应用有关的控制寄存器有:
(1)定时器控制寄存器(TCON)
TCON
寄存器既参与中断控制又参与定时控制。
其中有关定时的控制位共有四位:
TF0和
TF1、TR0和TR1。
图3.2单片机管脚图
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太阳能自动跟踪系统的设计
(2)工作方式控制寄存器(TMOD)TMOD寄存器是一个专用寄存器,用于设定
两个定时器/计数器的工作方式。
但TMOD寄存器不能位寻址,只能用字节传送指
令设置其内容。
3.2.2AT89S51的芯片概述
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytes
ISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,
器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,
128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个
外部双向输入/输出(I/O)口,4个中断优先级
C
2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数
器,2个全双工串行通信口,内部集成看门狗计AB
时器片内时钟振荡器。
其工作电压在4.5-5V,
一般我们选用+5V电压。
图3.3为89s51的核
心电路框图:
D
图3.3AT89s51结构框图
3.3光电检测原理
硬件设计中光电检测是本装置的主要部分,也是太阳能电池板寻光的主要控制
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太阳能自动跟踪系统的设计
元件,设计中为了使太阳能电池板始终对着太阳则需要四个光敏对阳光强弱进行
检测,如图3.4所示光敏均采用垂直于太阳能电池板板面安装,而其检测的精度
依靠调节光电检测电路中的滑动变阻器来实现。
其中光电检测A对左远离光线进
行检测,当光线远离电池板时A检测会给单片机信号,单图3.4光电检测示
意图
片机驱动继电器控制电机M1正转使电池板跟随光线左转。
光电检测B对右远离光
线进行检测,当光线远离电池板时B检测到并实时传输给单片机信号,单片机驱
动继电器控制电机M1反转使电池板跟随光线右转。
光电检测C与D对太阳垂直角
度的变化进行检测,并将检测到的光线变化信号传输给单片机,单片机进行进一
步处理后控制继电器驱动电机M2的正反转,从而实现电池板垂直角度的调整。
考虑到太阳四季垂直角度变化的速率很小,所以电池板垂直角度的调整电机
M2加了个减速箱使其变化速率也非常小,不至于因变化太快使得光电检测误检,
否则会导致电池板在垂直方向不停的摆动。
3.3.1电压比较器的电路介绍
电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
电压比较
器的功能:
比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平,表示两个输入电
压的大小关系):
当”+”输入端电压高于”-”输入端时,电压比较器输出
为高电平。
当”+”输入端电压低于”-”输入端时,电压比较器输出为低电平;简单的电压比较器结构简单,灵敏度高,但是抗干扰能力差,因此我们就要对
它进行改进。
改进后的电压比较器有:
滞回比较器和窗口比较器。
运放,是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”,比如放大倍数,反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。
而比较器则不需要反馈,直接比较两个输入端的量,如果同相输入大于反相,则输出高电平,否则输出低电平。
电压比较器输入是线性量,而输出是开关(高低电平)量。
一般应用中,有时也可以用线性运算放大器,在不加负反馈的情况下,构成电压比较器来使用。
可用作电压比较器的芯片有:
LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、
OP27,这些都可以做成电压比较器(不加负反馈)。
LM339、LM393是专业的
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太阳能自动跟踪系统的设计
电压比较器,切换速度快,延迟时间小,可用在专门的电压比较场合,其实
它们也是一种运算放大器。
而本设计中光电检测中运用的电压比较器采用LM358芯片,其管脚图如
图3.5所示。
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直
流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
LM358特性:
(1)内部频率补偿
(2)直流电压增益高(约100dB)
(3)单位增益频带宽(约1MHz)
(4)电源电压范围宽:
单电源(3~30V);双电源(±1.5~±15V)
(5)低功耗电流,适合于电池供电
(6)低输入偏流
(7)低输入失调电压和失调电流
(8)共模输入电压范围宽,包括接地
(9)差模输入电压范围宽,等于电源电压范围
(10)输出电压摆幅大(0~1.5V)
图3.5LM358管脚图
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太阳能自动跟踪系统的设计
本设计中具体的寻光电路如图3.6所示,电路中采用光敏电阻作为寻光的传感
元件。
图3.6光电检测电路
3.3.2寻光元件
光敏电阻器又叫光感电阻,是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射
光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。
光敏电
阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。
通
常,光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多的光
能。
当它受到光的照射时,半导体片(光敏层)内就
激发出电子—空穴对,参与导电,使电路中电流增强。
一般光敏电阻器结构如图3.7所示。
根据光敏电阻
的光谱特性,可分为三种光敏电阻器:
紫外光敏电阻器:
对紫外线较灵敏,包括硫化镉、
图3.7
光敏电阻器结构
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太阳能自动跟踪系统的设计
硒化镉光敏电阻器等,用于探测紫外线。
红外光敏电阻器:
主要有硫化铅、碲化
铅、硒化铅。
锑化铟等光敏电阻器,广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、
人体病变探测、红外光谱,红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
可见光
光敏电阻器:
包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏
电阻器等。
主要用于各种光电控制系统,如光电自动开关门户,航标灯、路灯和
其他照明系统的自动亮灭,自动给水和自
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