太陽能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文

太陽能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè)論文(設(shè)計)第頁太陽能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計太陽能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計摘要在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，如何將太陽能電池板的發(fā)電效率調(diào)節(jié)至最大狀態(tài)，并克服太陽能發(fā)電效率低、能量不連續(xù)、工作不穩(wěn)定的缺點，成為當前太陽能發(fā)電系統(tǒng)研究的重點。太陽能的強度和方向不確定性，及光照間歇性等特點，給太陽能的收集帶來了一定難度，傳統(tǒng)的固定式太陽能殘疾系統(tǒng)沒有充分利用太陽的能量，吸收效率相對較低。因此，太陽位置的自動追蹤技術(shù)的研究，智能調(diào)節(jié)方向的太陽能支架的制作，對于提高太陽能的吸收效率，高效合理的利用太陽能，具有重要的研究價值。本設(shè)計通過控制芯片對傳感器的信號進行實時處理，驅(qū)動各個控制電機工作，實現(xiàn)對于太陽位置的實時更新，目的是為提高太陽能的收集效率，改善太陽能產(chǎn)品的利用程度。關(guān)鍵詞：太陽能，光敏電阻，89C52芯片，自動追蹤技術(shù)TheDesignOfSolarIntelligentTrackingLightSystemAuthor:LiuhaifengTutor:BaixiaoleiAbstractDuring

the

study

of

the

solar

power

system

,the

current

major

point

is

how

to

adjust

the

generating

efficiency

to

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ultimate

state

and

overcome

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low

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and

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instability.The

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both

solar

intensity

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solar

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great

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to

utilize

the

solar

energy

properly

and

efficiently.Thedesignofthesensorsignalinreal-timeprocessingthroughcontrolingchip,andtodrivethecontrolofmotorwok.Inordertoupdateinrealtimethepositionofthesunforsolarenergycollectionefficiencyandimprovethedegreeofutilizationofsolarenergyproducts.key

words:solar

energy,photoresistance,89C52,

the

technology

of

automatic

tracking

system

目錄1緒論 11.1太陽追光系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 11.2太陽能追光系統(tǒng)的設(shè)計思想 11.3太陽能智能追光系統(tǒng)的研究意義 11.4研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題 22硬件設(shè)計 32.1主控制器 32.1.1主控制器的選用 32.1.2控制器的介紹 32.2驅(qū)動元件 42.2.1直流電機與步進電機的比較 42.2.2步進電機控制原理 52.3輸入模塊 62.3.1電壓比較器 62.3.2光敏電阻 62.4硬件結(jié)構(gòu)框圖與原理圖 82.4.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 82.4.2整體硬件原理圖 83方案研究 93.1基于擋板的傳感部分方案 93.2接收系統(tǒng)方案 104系統(tǒng)軟件設(shè)計 115智能追光算法 126仿真與實驗調(diào)試 146.1Protues仿真 146.1.1仿真原理 146.1.2軟件仿真及調(diào)試 146.1.3仿真結(jié)果 156.2實驗調(diào)試 156.2.1硬件調(diào)試 156.2.2解決過程 166.3PCB制版 16結(jié)束語 17參考文獻 18致謝 19附錄 20附錄A：程序清單 20附錄B：電路原理圖 22附錄C：PCB圖 23附錄D：實物照片 241緒論太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代，所以研究實現(xiàn)對太陽能的高效利用有重大意義。1.1太陽能追光系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前對太陽進行跟蹤的儀器有：單軸太陽能自動跟蹤器，步進式太陽能自動跟蹤，可自動跟蹤的太陽灶，五像限法太陽自動跟蹤儀，單軸液壓式自動跟蹤，極軸式跟蹤。不足之處:結(jié)構(gòu)復雜，跟蹤精度不高，不能全自動跟蹤[1]。1.2太陽能追光系統(tǒng)的設(shè)計思想檢測規(guī)劃是追光系統(tǒng)的一個重要問題，它的目標是在一個光亮強度不同的環(huán)境中，為跟蹤系統(tǒng)尋找太陽的具體位置。一個重要的解決方法就是采用象限法，象限法就是把檢測系統(tǒng)接收板分成四個象限，太陽光線從不同角度照射到接收板，檢測元件感應(yīng)光線強度不同[2]。當考慮到元件誤差時，跟蹤系統(tǒng)與太陽實際位置可能會出現(xiàn)偏差。定位步進電機的步進角，是太陽跟蹤系統(tǒng)精確定位的一個基本問題，也可以說，太陽偏移一個微小的角度，步進轉(zhuǎn)動角度應(yīng)該與太陽偏移角度相等，這就要求步進電機的步進角要足夠小。1.3太陽能智能追光系統(tǒng)的研究意義燃燒煤炭，石油等能源不僅污染環(huán)境，而且它們屬于不可再生能源，照2003年的煤炭開采速度，中國的煤炭再開采80多年即將枯竭。作為能源消耗大國，如何提高對太陽能利用率是解決能源危機的可行方法之一。設(shè)計一個對太陽實現(xiàn)智能追光的系統(tǒng)，是提高太陽能利用率的根本方法。本設(shè)計是集機電、光學，計算機，控制理論為一體的，體現(xiàn)了自動化專業(yè)與多學科相結(jié)合，相互滲透的特點。本設(shè)計的太陽能智能追光系統(tǒng)充分的體現(xiàn)了節(jié)能的特點，所以太陽能智能追光系統(tǒng)是值得研究和實際運用的。本設(shè)計的研究成功，對創(chuàng)建能源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會具有較大的意義，也有較好的市場發(fā)展前景。1.4研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題研究的目標：本設(shè)計主要是利用單片機知識，設(shè)計一個太陽能智能追光系統(tǒng)，其突破點在對太陽位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計、步進電機動作指令系統(tǒng)（與太陽同步偏移）的設(shè)計。研究的關(guān)鍵問題：本設(shè)計需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路是太陽高度角跟蹤的實現(xiàn)、太陽方位角跟蹤的實現(xiàn)?？傮w分析方案的設(shè)計：太陽控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計主要涉及到核心控制器和外圍器件的選擇和應(yīng)用，外圍零部件的選用，電源供電方案的確定等，這些因素的確定有益于系統(tǒng)開發(fā)初期具體方案的實施。

2硬件設(shè)計硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實現(xiàn)、器件的適時性、價格和通用性等幾個方面。在電路的設(shè)計中，在實現(xiàn)所要求功能的基礎(chǔ)上，盡量使電路簡單。2.1主控制器2.1.1主控制器的選用本系統(tǒng)的主要控制器件采用STC89C52單片機。在51系列的單片機中，目前很流行一種內(nèi)含flash程序存儲器的單片機。因為內(nèi)有flash程序存儲器，可以通過編程器十分方便的寫代碼或擦除代碼，擦除次數(shù)達10000次以上，而且還提供了禁止讀寫兩層保密技術(shù)，其空間大小從1KB到64KB不等，有的甚至更大。這種芯片一般都提供了片上和在線修改的功能。該系列的芯片，創(chuàng)建的有138B或256B的片內(nèi)RAM，當處理的數(shù)據(jù)不十分復雜時，一個芯片就組成了一個最小的單片機系統(tǒng)。80C5X型單片機既節(jié)省了數(shù)據(jù)線和存儲器等外圍器件，縮小了嵌如式系統(tǒng)的體積，又提高了工作的可靠性、開發(fā)的方便性和程序的保密性，其價格也便宜?；谝陨显蚝瓦@次研究系統(tǒng)的實際情況，選擇該系列89C52單片機作為太陽能追光系統(tǒng)的核心控制器件[3]。2.1.2控制器的介紹目前有許多種類的微控制器，微控制器的組成與一般的計算機相同，其動作也由程序來完成。如圖2.1所示的微處理器有輸入、輸出、存儲、運算及控制功能，輸入、輸出僅由端口出入。在存儲器以外可以追加外部存儲器。如圖虛線所包圍的部分相當于一個微控制器。圖2.1單片機的構(gòu)成Figure2.1thecompositionofSCM微控制器在太陽能追光系統(tǒng)中完成的主要功能是：首先，把由光傳感器取得的信號通過微控制器的輸入端口讀入。然后，根據(jù)存儲器所存儲的程序進行運算、控制，再將結(jié)果作為信號從輸出端輸出。輸出信號通過電子電路使執(zhí)行機構(gòu)（電機）動作。在上述過程中，微控制器與電氣電路之間的橋梁被稱為接口，其任務(wù)是通過輸入輸出端口實現(xiàn)信號的進出[4]。微控制器根據(jù)寫入存儲器的程序產(chǎn)生不同的動作，而程序則是根據(jù)微控制器內(nèi)部的“0”和“1”所組合成的二進制數(shù)進行操作。在電路中，二進制數(shù)“1”表示高電壓狀態(tài)，“0”表示低電壓。2.2驅(qū)動元件2.2.1直流電機與步進電機的比較直流電機是日常生活中廣泛使用的一個電氣產(chǎn)品，太陽能自動追光系統(tǒng)跟蹤太陽這樣的動作，需要能進行轉(zhuǎn)動控制和立刻停止控制的電路，實際中通常采用微控制器和專用IC芯片。單獨使用直流電機尚不能達到精確的定位控制，只有將它與旋轉(zhuǎn)編碼器組合起來，才能實現(xiàn)精確的位置控制和速度控制。步進電機是一種能夠根據(jù)脈沖（通常為方波）控制轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、并適合微控制器控制的電機。步進電機是一種跟蹤給定脈沖信號轉(zhuǎn)動的電機。因此，單純向它施加電壓是不會導致轉(zhuǎn)動的。步進電機能根據(jù)給定的脈沖信號實現(xiàn)精確的定位控制，而且即使在停止時也有制動轉(zhuǎn)矩，這些特性對自動跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動控制都是很有利的。由于自動追光系統(tǒng)是隨著太陽轉(zhuǎn)動的，因為太陽離地球太遠了，在很短時間內(nèi)，檢測系統(tǒng)是感覺不到太陽在移動，需過一段時間才能感覺到太陽已經(jīng)偏移原來位置，所以要求電機隔一段時間轉(zhuǎn)一個角度后馬上停下來。綜合上面對直流和步進電機的性能等進行的比較分析，我選用步進電機。2.2.2步進電機控制原理步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。四相四拍運行方式為AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度。圖2.2為步進電機驅(qū)動電路：圖2.2步進電機驅(qū)動電路Figure2.2steppermotordrivecircuit28BYJ-48電氣性能：1.額定電壓：12VDC(另有電壓：5V、6V、24V)2.相數(shù)：43.減速比：1/64(另有減速比：1/16、1/32)4.步距角：5.625°/645.驅(qū)動方式：4相8拍2.3輸入模塊本設(shè)計的輸入模塊包括：電壓跟隨器，電壓比較器和光敏電阻。光敏電阻采集感光信號，通過電壓跟隨器，將信號傳遞到電壓比較器進行比較，然后輸入單片機進行處理。2.3.1電壓比較器電壓跟隨器采用LM324，其顯著特點是：輸入阻抗高，而輸出阻抗低。起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。電壓比較器采用LM339，在本設(shè)計中的作用為：用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，利用簡單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。比較器不需要反饋，直接比較兩個輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開關(guān)（高低電平）量。LM339引腳如下：\o"點擊圖片看全圖"圖2.3LM339引腳圖Figure2.3ApplicationofLM339pindiagram2.3.2光敏電阻光敏電阻（photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對增加了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。圖2.4光敏電阻特性曲線Figure2.4photosensitiveresistancecharacteristiccurve表2-1為光敏電阻的參數(shù)：表2-1幾種CdS光敏電阻的參數(shù)Table2-1severalCdSphotoresistorparameters型號

參數(shù)光譜響

應(yīng)范圍

μm峰值

波長

μm允許

功耗

mW最高工

作電壓

V響應(yīng)時間光電特性電阻溫度系數(shù)/%/℃

（-20~60℃）Tτ/mStf/mS暗電阻值

MΩ亮電阻值

KΩ（100IX）UR-74A0.4~0.80.5450100403010.7~1.2-0.2UR-74B0.4~0.80.5430502015101.2~4-0.2UR-74C0.5~0.90.5750100641000.5~2-0.52.4硬件結(jié)構(gòu)框圖與原理圖2.4.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖水平與垂直方向步進電機轉(zhuǎn)水平與垂直方向步進電機轉(zhuǎn)動AT89C52單片機四個光敏電阻感光電壓比較器轉(zhuǎn)換四個光敏電阻感光電壓比較器轉(zhuǎn)換驅(qū)動電壓跟隨驅(qū)動電壓跟隨圖2.4硬件結(jié)構(gòu)框圖Figure2.4hardwareblockdiagram2.4.2整體硬件原理圖圖2.5整體硬件原理圖Figure2.5theoverallhardwareschematic

3方案研究3.1基于擋板的傳感部分方案基于擋板的傳感部分方案安裝簡單，對擋板的要求不高，所以選擇此方案。感光部分把光敏電阻分布在不同象限，通過擋光板將象限隔離，根據(jù)每個象限光敏電阻所傳回數(shù)據(jù)的大小來判定感光狀態(tài)，通過調(diào)整擋光板的高度將系統(tǒng)追光誤差降低到5％以內(nèi)。當太陽光移動時，擋板會把光敏電阻的一個或者幾個擋住。這樣，通過單片機對光敏電阻電平的采樣，對電壓值進行比較，根據(jù)電平的變化，使單片機控制電機轉(zhuǎn)動云臺，使太陽能電池板重新垂直對準太陽[5]。設(shè)計方案如圖3.1所示：俯視圖立體圖圖3.1基于擋板的傳感方案效果圖Figure3.1renderingsbaffle-basedsensingscheme底板具體尺寸參數(shù)：56nm×32nm

3.2接收系統(tǒng)方案接收系統(tǒng)主要功能是對不同強度光線進行感應(yīng)，把陽光強度轉(zhuǎn)化成電壓伏特值，將感應(yīng)的伏特值與我們設(shè)定的基準電壓進行比較。如果感應(yīng)的伏特值比我們設(shè)定的值大，接收系統(tǒng)將輸出一個信號給單片機，單片機接收到該信號后進行處理，然后控制步進電機旋轉(zhuǎn)接收板沿光線強烈地方轉(zhuǎn)，直到四個光敏電阻感應(yīng)光線強度一樣。該電路中的核心元件是光敏電阻，它可以把不同強度光線轉(zhuǎn)化成不同幅值的電壓。四個光敏電阻R1、R2、R3、R4是兩兩之間互相比較的，當陽光照到光敏電阻R1比照到光敏電阻R2光強度弱時，LM339內(nèi)部第四個比較器導通輸出信號（高電平）給單片機P1.3口，通過單片機內(nèi)部燒好的程序控制垂直方向步進電機正轉(zhuǎn)。也即照到這四個光敏電阻光線強度不一樣時，單片機將會控制接收板向陽光強度強的地方偏轉(zhuǎn)，做到實時追光，直到它們受光強度一樣。光敏電阻R1、R2、R3、R4感應(yīng)環(huán)境光度，耦合給比較器LM339進行比較，從比較器P1.0-P1.3端輸出比較數(shù)據(jù)。P1.0-P1.3端輸出的數(shù)據(jù)送至單片機P1.0-P1.3中。單片機根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進行處理，然后通過P0.1-P0.3和P2.0-P2.3輸出控制信號，控制步進電機旋轉(zhuǎn)[6]。接收系統(tǒng)的原理圖如圖3.2：圖3.2接收系統(tǒng)原理圖Figure3.2Thereceivingsystemschematic

4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要是通過C語言編程實現(xiàn)單片機對步進電機控制,系統(tǒng)剛上電，首先對IO端口初始化,然后開中斷，此時系統(tǒng)開始工作，檢測當前太陽位置，直到接收板對準太陽，實現(xiàn)對太陽能全方位跟蹤。系統(tǒng)自動控制接收板與大地平行，這樣不管太陽在哪個位置，接收板都能檢測到太陽[7]。主要程序流程圖如圖4.1所示：開始開始垂直電機反轉(zhuǎn)水平電機反轉(zhuǎn)水平電機正轉(zhuǎn)保持電機不動第四組傳感器未受光照第二組傳感器未受光照第一組傳感器未受光照垂直電機反轉(zhuǎn)水平電機反轉(zhuǎn)水平電機正轉(zhuǎn)保持電機不動第四組傳感器未受光照第二組傳感器未受光照第一組傳感器未受光照YNYN第三組傳感器未受光照N第三組傳感器未受光照垂直電機正轉(zhuǎn)Y垂直電機正轉(zhuǎn)NYN返回返回圖4.1主程序流程圖Figure4.1Themainprogramflowchart執(zhí)行程序時先執(zhí)行識別方向子程序，然后執(zhí)行電機轉(zhuǎn)動子程序（源程序見附錄A）。一直循環(huán)直到四個光敏電阻受到的光照強度基本相同時，程序控制電機停止轉(zhuǎn)動。識別方向子程序源于硬件設(shè)計，電壓比較器LM339實時的將光敏傳感器獲得的光照結(jié)果送給單片機，四個電壓比較器輸出的信號分別在程序中定義，當其有效時控制步進電機按照需要的方向轉(zhuǎn)動。電機控制子程序需要檢測方向識別子程序給出的控制字。首先識別是否需要水平方向轉(zhuǎn)動，若是則識別正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，然后移動到水平方向轉(zhuǎn)動位置碼開始執(zhí)行程序，如果不需要水平方向轉(zhuǎn)動則固定水平方向轉(zhuǎn)動碼。水平方向識別完后再識別垂直方向轉(zhuǎn)動控制字，如果需要垂直方向轉(zhuǎn)動再識別需要正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，識別完后移動到垂直方向轉(zhuǎn)動位置碼執(zhí)行，如果不需要垂直方向轉(zhuǎn)動則固定垂直方向轉(zhuǎn)動碼。當轉(zhuǎn)動碼全部確定之后分別從單片機P0口和P2口發(fā)送轉(zhuǎn)動碼給步進電機驅(qū)動芯片ULN2003，由驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一步之后令轉(zhuǎn)動控制字失效，以免電機一直轉(zhuǎn)動。只有當光敏電阻傳送有效信號時電機才轉(zhuǎn)動。

5智能追光算法要確定一天中太陽的方向需要知道太陽高度和太陽方位角兩個量，對于地球上的某個地點，太陽高度是指太陽光的入射方向和地平線之間的夾角。太陽高度是決定地球表面獲得太陽熱能數(shù)量的最重要的因素，用h來表示這個角度，它在數(shù)值上等于太陽在天體地平坐標系中的地平高度。太陽高度角隨著地方時和太陽的赤緯的變化而變化[8]。太陽赤緯以δ表示，觀測地地理緯度用φ表示，地方時（時角）以t表示，有太陽高度角的計算公式：sinh＝sinφsinδ＋cosφcosδcost(1)日升日落，同一地點一天內(nèi)太陽高度角是不斷變化的。日出日落時角度都為零度，正午時太陽高度角最大。正午時時角為0，以上公式可以簡化為：sinH＝sinφsinδ＋cosφcosδ(2)其中，H表示正午太陽高度角。由兩角和與差的三角函數(shù)公式，可得：sinH＝cos(φ－δ)(3)由于太陽赤緯角在周年運動中任何時刻的具體值都是嚴格已知的，所以它（δ）也可以用與式（1）相類似的表達式表述，即：δ=0.3723＋23.2567sinθ＋0.1149sin2θ－0.1712sin3θ－0.758cosθ＋0.3656cos2θ＋0.0201cos3θ(4)式中θ稱日角，即θ=2πt／365.2422(5)這里t又由兩部分組成，即t=N－N0(6)式中N為積日，所謂積日，就是日期在年內(nèi)的順序號，例如：1月1日其積日為1，平年12月31日的積日為365，閏年則為366，等等。N0=79.6764＋0.2422×（年份－1985）－INT[（年份－1985）／4]太陽方位就比較好計算了，隨著地球的自轉(zhuǎn)，地球上的任意地點的太陽方位每小時自東向西轉(zhuǎn)15度，即每天6時，太陽方位在緯線圈的正東方，18時，太陽方位在緯線圈的正西方，以此類推[9]。有了太陽高度和太陽方向角就可以在單片機和程序的控制下，在水平和垂直兩個自由度上分別控制兩個步進電機，定時、定量的進行追光了。程序流程圖如圖5.1所示：開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)初始化數(shù)據(jù)初始化電池板位置初始化電池板位置初始化判斷太陽高度是否大于零判斷太陽高度是否大于零N智能追光Y智能追光判斷太陽高度是否小于零N判斷太陽高度是否小于零Y圖5.1程序流程框圖Figure5.1Programflowdiagram根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，當太陽能設(shè)備的法線與太陽光線的夾角在15°以內(nèi)時，對太陽的利用效率變化不明顯，根據(jù)以上特點，在智能追光過程中，程序會計算正負7.5°的閥值，當電池板當前的位置滯后太陽7.5°時，步進電機啟動，使電池板轉(zhuǎn)到超前太陽當前位置7.5°的地方，如此反復[10]。

6仿真與實驗調(diào)試在做實物之前，先在軟件中仿真得到理論的結(jié)果是非常有必要的。有了仿真的基礎(chǔ)做實物過程中還需要一步步的測試調(diào)節(jié)，最終才能實現(xiàn)我們想要的結(jié)果。6.1Protues仿真6.1.1仿真原理用滑動變阻器代替光敏電阻，通過其阻值的變化來模擬太陽光照強度。將A電阻向右滑動，接入的電阻值增大，流過的電流減小，相當于太陽光未照射到光敏電阻A，從而分出的電壓也減小，第一個電壓比較器同相輸入端大于反相輸入端，輸出高電平，單片機P1.0口成為高電平，通過內(nèi)部燒入的程序控制水平方向步進電機轉(zhuǎn)動，方向為倒轉(zhuǎn)。將B電阻向右滑動并使其阻值小于A電阻，經(jīng)過電壓比較器比較后，單片機P1.0和P1.1口得到高電平，程序控制水平和垂直方向均倒轉(zhuǎn)，如此反復，四個光敏電阻兩兩互相比較，直到太陽光直射到，使得四個光敏電阻阻值相等（誤差范圍內(nèi)），電機停止轉(zhuǎn)動。6.1.2軟件仿真及調(diào)試打開KeiluVision2，輸入所編寫的源程序并對程序進行編譯，在軟件的幫助下檢查其中的錯誤并進行反復修改，直到編譯正確后運行。打開PROTEUS軟件，并畫出太陽能智能追光系統(tǒng)整體運行電路圖。檢查所畫電路運行圖，確保沒有錯誤以后，在PROTEUS下對原理圖進行加載KeiluVision2下的源程序。加載完成后，單擊電路圖框下的開始按鈕進行仿真，觀察步進電機運行情況是否與理論相符。6.1.3仿真結(jié)果通過在KeiluVision2下對源程序的編譯，然后運行，保證源程序的正確性。按原理圖選擇正確合理的電器元件，畫出正確的電路圖，加載源程序運行，實現(xiàn)了太陽能智能追光系統(tǒng)的功能。該太陽能追光系統(tǒng)的仿真效果圖如圖6.1：圖6.1電路仿真圖Figure6.1Thecircuitsimulation6.2實驗調(diào)試6.2.1硬件調(diào)試（1）在做PCB板之前，先在面包板上用導線連接原理圖，連接好之后必須用萬用表測試每個芯片的Vcc和GND是否分別為5V和0V，否則檢查線路直到都過電為止[11]。（2）開始設(shè)計用光敏三極管作為傳感器（光敏三極管具有電流放大作用），根據(jù)光敏三極管的參數(shù)：光電流≥2mV，暗電流≤0.3uV，計算得出光敏三極管發(fā)射級應(yīng)接200KΩ左右的電阻，將其輸出的電流值轉(zhuǎn)化為電壓值輸出給電壓比較器LM339進行比較。連接好電路后多次調(diào)試，電機無法轉(zhuǎn)動，最后通過查資料得知光敏三極管的峰值波長為880nm，而可見光的峰值波長在390nm—780nm的范圍內(nèi)，得出光敏三極管根本無法識別可見光的光線強弱，所以只能放棄此傳感方案，改用光敏電阻。（3）根據(jù)擋板的高度，以及預先設(shè)定的陽光在15度范圍內(nèi)能夠直射到光敏電阻，得：x=h*tant7.5（其中擋板高度h=45mm，x=5.92mm）從而確定光敏電阻在板上的具體位置。（4）給系統(tǒng)供5V直流電后，用萬用表測光敏電阻的阻值，當太陽光直射時為0.10KΩ左右，有陰影時為0.22KΩ左右，完全遮光時為15KΩ。手動將放置光敏電阻的底板移動至陽光能直射到四個光敏電阻，即電壓比較器輸出端均為低電平時，發(fā)現(xiàn)步進電機沒有完全停止轉(zhuǎn)動，會出現(xiàn)左右微震現(xiàn)象。查資料得到電壓比較器靈敏度較高，所以在光敏電阻輸出端接四個分壓電阻，經(jīng)多次測試接1K電阻比較合適。這樣當陽光直射時，電機就可以完全停止轉(zhuǎn)動了（實物照片見附錄D）。6.2.2解決過程起初連接好電路后，光敏傳感器在部分擋光情況下，電機并不轉(zhuǎn)動。但步進電機發(fā)熱，分析可能原因是程序延時不夠，將程序中延時部分參數(shù)300改為30后，重新燒入單片機，實現(xiàn)了預期的轉(zhuǎn)動結(jié)果。6.3PCB制版制作PCB版的過程：（1）根據(jù)調(diào)試好的硬件電路，畫出Protel原理圖，添加元件過程中有的元器件庫里沒有需要自己根據(jù)引腳畫出來。（2）檢查電器規(guī)格（3）畫封裝（4）生成網(wǎng)絡(luò)表（5）建立PCB圖，將繪制好的原理圖導入（6）元器件布局并進行自動布線將畫好的PCB板交予專門的廠家制作，制作好了以后焊接所有芯片及相關(guān)元器件，制作固定步進電機的機械結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際計算值將光電傳感器固定于合適的位置，最終即可做出實物（PCB圖見附錄C）。結(jié)束語為了解決步進電機轉(zhuǎn)動實時性和準確性問題，本文在理論和功能上實現(xiàn)了“太陽能智能追光”的設(shè)計研制，提高了太陽能利用效率。在本次設(shè)計中貫徹了以下設(shè)計理念：1.太陽能智能追光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要在步進電機能準確跟蹤太陽偏移的前提下兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡單化，使其便于加工制造。2.在運動控制系統(tǒng)設(shè)計和選擇中，首先要分析制定太陽能追光系統(tǒng)控制運動需求，綜合考慮價格性能比，使其簡單易行且與系統(tǒng)總體相協(xié)調(diào)。3.接收系統(tǒng)安裝面積不是很大，我們只要安裝在要控制旋轉(zhuǎn)的板子上，并在板子上固定兩個方便固定的隔板，步進電機工作時，只需要移動，就可以旋轉(zhuǎn)控制板子轉(zhuǎn)動，簡單而且方便。己完成的工作主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.在參考圖書館、網(wǎng)上資源的基礎(chǔ)上，收集相關(guān)信息，提出了太陽能追光系統(tǒng)的設(shè)計思想和方案。2.對步進電機的驅(qū)動電路進行了了解，對驅(qū)動部件的控制部分和信號處理的接口部分進行了分析，并繪制出驅(qū)動原理圖。3.完成了太陽能智能追光系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計工作，并將其和單片機系統(tǒng)進行了結(jié)合，以滿足系統(tǒng)的需要。4.在面包板上搭建的電路及機械模型實現(xiàn)了預先設(shè)想的功能。尚存在的問題及結(jié)論:1.實際在面包板上調(diào)試成功電路后，由于時間原因，沒有做實際追光能力的測試，留待下步工作完成。2.步進電機轉(zhuǎn)動存在誤差，不能精確對準光源。3.智能追光部分程序有待下步研究再加入。4.機械部分沒有找到合適的材料，電機帶動接收系統(tǒng)板時會出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。

參考文獻胡賽純,湯青云.太陽能利用現(xiàn)狀與趨勢[J].湖南城建高等?？茖W校學報.2003,12(01):47-49胖瑩,王振臣,馮楠等.太陽能智能追光裝置設(shè)計[J].水電能源科學.2011,229(8):207-210薛建國.基于單片機的太陽能電池自動追蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J].長春師范學院學報.2005,24(3):26-30朱世佳.基于嵌入式的太陽能智能追光系統(tǒng)設(shè)計[D].北京交通大學.2009王雪文,王洋,閻軍鋒等.太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].西北大學學報(自然科學版)2004,34(2):163-164承熙瀾.根據(jù)光照自動轉(zhuǎn)向的智能太陽能支架控制器[J].電腦知識技術(shù)2010.6(23):96-115鄭小年,黃巧燕.太陽追蹤方法及應(yīng)用[J].能源技術(shù).2003,24(4):149-151陳向軍,潘宇,于榮金.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)(上海).2007,34(9),121.122姚虹,白海平.用熱力學函數(shù)"有效能"評價太陽能集熱器性能的討論[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)2010(01)王國安,米鴻濤,鄧天宏,李亞男,李蘭霞.太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算[J].氣象與環(huán)境科學.2007,30(B09):161-164徐文燦,太陽能自動追蹤系統(tǒng)的探索與實驗[J].物理實驗.2002,23,(9),45-48

致謝隨著時間的流逝，轉(zhuǎn)眼四年的大學生活即將結(jié)束。在此，僅已太陽能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計為自己的大學生涯劃一個圓滿的句號。這篇論文的完成與老師白曉磊的悉心指導是分不開的。在整個課題的設(shè)計和論文的寫作過程中，白曉磊老師在各個方面都給予了我極大的幫助。老師還在繁忙的工作之余給我提供了解決本設(shè)計的眾多思路并幫我尋找很多寶貴的資料，幫助我精心點撥、熱忱鼓勵。并且嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的學識，和無私的關(guān)懷給我樹立了做人的榜樣，在此衷心感謝白老師！也感謝王俊林老師在做實物期間給我提供的物資幫助，衷心感謝所有老師在我大學學習階段給予我學習和生活上的關(guān)心與支持。感謝在我大學學習階段與我一起歡笑過、奮斗過的室友、同學，與你們一起度過的快樂時光是我美好的回憶。在此，我還要特別感謝我的父母，是你們對我的關(guān)心、支持、期望和鼓勵給予我前進的決心和力量。感謝我所熱愛的內(nèi)蒙古大學鄂爾多斯學院，在這里我度過了人生中最為燦爛的時刻，向所有幫助過我的老師，朋友表示衷心的感謝！

附錄附錄A：程序清單#include<reg52.h> //定義庫#include<intrins.h>//定義庫sbit spb=P1^0; //水平方向反轉(zhuǎn)使能端sbit czb=P1^1; //垂直方向反轉(zhuǎn)使能端sbitspa=P1^2; //水平方向正傳使能端sbitcza=P1^3; //垂直方向正傳使能端charzhuan[8]={0xf6,0xf7,0xf3,0xfb,0xf9,0xfd,0xfc,0x