太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

圖書分類號(hào)：密級(jí)：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)DESIGNOFAUTOMATICTRACKINGSYSTEMFORSOLARENERGY學(xué)生姓名學(xué)院名稱專業(yè)名稱指導(dǎo)教師年6月2日本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名：日期：年月日徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日日期：年月日摘要人類正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅，太陽(yáng)能作為一種新型能源具有儲(chǔ)量無(wú)限、普遍存在、利用清潔、使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但是太陽(yáng)能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點(diǎn)，這就使目前的一系列太陽(yáng)能設(shè)備對(duì)太陽(yáng)能的利用率不高。太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置解決了太陽(yáng)能利用率不高的問題。本文對(duì)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)。第一，機(jī)械部分設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括底座、主軸、齒輪和齒圈等。當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)，控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平方向跟蹤；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)小齒輪2，小齒輪2帶動(dòng)齒圈和太陽(yáng)能板實(shí)現(xiàn)垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。第二，控制部分設(shè)計(jì)：主要包括傳感器部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。系統(tǒng)采用光電檢測(cè)追蹤模式實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。傳感器采用光敏電阻，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處下方。當(dāng)兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度不相同時(shí)，通過(guò)運(yùn)放比較電路將信號(hào)送給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。關(guān)鍵詞太陽(yáng)能；跟蹤；光敏電阻；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)AbstractHumanbeingisseriouslythreatenedbyexhaustingmineralfuel,suchascoalandfossiloil.Asakindofnewtypeofenergysources,solarenergyhastheadvantagesofunlimitedreserves,existingeverywhere,usingcleanandeconomical.Butitalsohasdisadvantages,suchaslowdensity,intermission,changeofspacedistributingandsoon.Thesemakethatthecurrentseriesofsolarenergyequipmentfortheutilizationofsolarenergyisnothigh.Inordertokeeptheenergyexchangeparttoplumbupthesolarbeam,itmusttrackthemovementofsolar.Inthispaper,thesolartrackingsystemofthemechanicalpartandcontrolsystempartaredesigned.First,themechanicalpartisdesigned.Mechanicalstructuremainlyincludesthemainspindle,steppingmotors,gearsandgearring,andsoon.Whenthesun'srayshasadeviation,smallgeararerotatedbysteppermotoraccordingtothecontrolsignalfromMCU.Andthelargegearandmainspindleisrotatedbysmallgearinordertotracktoachievetheleveldirection.Atthesametime,anothersmallgearisrotatedbyanothersteppermotoraccordingtothecontrolsignal.Andthelargegearandthesolarpanelsarerotatedbythesmallgearinordertotracktoachievetheverticaldirection.Solaristrackedbythetwosteppermotorstogether.Second,controlsystempartisdesigned.Controlsystemmainlyincludesthesensorspart,steppermotor,MCUsystemandthecorrespondingexternalcircuit,andsoon.Photoelectricdetectionsystemisusedtotracksolar.Sensorsusephotosensitiveresistance.Thetwosamephotosensitiveresistanceswereplacedineastandwestdirectionofthebottomedge.Whenthetwophotosensitiveresistancesreceiveddifferentlightatthesametime,thesignalfromcomparisoncircuitissenttoMCUinordertorotatesteppingmotors.KeywordsSolarenergyTrackingPhotosensitiveresistanceSCMSteppingmotor目錄1緒論 11.1課題來(lái)源 11.2課題背景 11.2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展 11.2.2我國(guó)太陽(yáng)能資源 11.2.3目前太陽(yáng)能的開發(fā)和利用 21.2.4太陽(yáng)能的特點(diǎn) 21.3課題研究的目的 21.4研究課題的意義 21.4.1新環(huán)保能源 21.4.2提高太陽(yáng)能的利用率 31.5太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 31.6太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 41.7論文的研究?jī)?nèi)容 51.8論文結(jié)構(gòu) 52太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 62.1太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律 62.2跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分比較選擇 62.2.1立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 62.2.2陀螺儀式跟蹤器 72.2.3齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 72.2.4本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 82.3跟蹤方案的比較選擇 82.3.1視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 92.3.2光電跟蹤 92.3.3視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合 112.3.4本設(shè)計(jì)的跟蹤方案 123機(jī)械設(shè)計(jì)部分 133.1太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案 133.2第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算 133.2.1材料選擇 133.2.2尺寸計(jì)算 133.2.3校核計(jì)算 143.2.4齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 153.3第二齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算 173.3.1材料選擇 173.3.2尺寸計(jì)算 173.3.3校核計(jì)算 173.3.4齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 193.4軸瓦校核計(jì)算 203.4.1大軸瓦校核計(jì)算 203.4.2小軸瓦校核計(jì)算 223.5鍵聯(lián)接計(jì)算 253.5.1主軸與大齒輪的鍵聯(lián)接 253.5.2小軸與齒圈的鍵聯(lián)接 253.5.3步進(jìn)電機(jī)1輸出軸與小齒輪1的聯(lián)接 253.5.4步進(jìn)電機(jī)2輸出軸與小齒輪2的聯(lián)接 253.6抗風(fēng)性分析 263.6.1底座上螺釘校核 263.6.2軸校核 264自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 284.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 284.2光電轉(zhuǎn)換器 284.2.1光電轉(zhuǎn)換電路 284.3單片機(jī)及其外圍電路 294.3.1AT89C51單片機(jī) 294.3.2外圍電路 314.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路 324.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)介紹 324.4.2步進(jìn)電機(jī)的主要特性 324.4.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 334.4.4驅(qū)動(dòng)電路 344.5系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 354.5.1光敏電阻光強(qiáng)比較法 354.5.2光敏電阻光強(qiáng)比較法的工作過(guò)程 364.5.3系統(tǒng)的流程圖 375結(jié)論 395.1結(jié)論 395.2展望 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41附錄1 43附錄2 511緒論1.1課題來(lái)源模擬生產(chǎn)實(shí)際課題:太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.2課題背景 1.2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前，包括我國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。隨著礦物燃料的日漸枯竭和全球環(huán)境的不斷惡化，很多國(guó)家都在認(rèn)真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作[1]。雖然在可預(yù)見的將來(lái)，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，但人們?duì)核能以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水力能、生物能等可持續(xù)能源資源的利用日益重視，在整個(gè)能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，20世紀(jì)90年代，全球煤炭和石油的發(fā)電量每年增長(zhǎng)l%，而太陽(yáng)能發(fā)電每年增長(zhǎng)達(dá)20%，風(fēng)力發(fā)電的年增長(zhǎng)率更是高達(dá)26%。預(yù)計(jì)在未來(lái)5至10年內(nèi)，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。相對(duì)于日益枯竭的化石能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能似乎是未來(lái)社會(huì)能源的希望所在。1.2.2我國(guó)太陽(yáng)能資源我國(guó)幅員廣大，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。我國(guó)地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。我國(guó)的國(guó)土跨度從南到北、自西至東，距離都在5000km以上，總面積達(dá)960×104km，占世界總面積的7%，居世界第三位。據(jù)估算[3]，我國(guó)陸地表面每年接收的太陽(yáng)輻射能約為50×1018KJ，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335～837KJ/cm2·A，中值為586KJ/cm2·A。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對(duì)日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽(yáng)總輻射為816KJ/cm2·1.2.3目前太陽(yáng)能的開發(fā)和利用人類直接利用太陽(yáng)能有三大技術(shù)領(lǐng)域[4]，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲(chǔ)能技術(shù)。

太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品很多，如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽(yáng)房，太陽(yáng)灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽(yáng)能醫(yī)療器具。1.2.4太陽(yáng)能的特點(diǎn)太陽(yáng)能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點(diǎn)[5]：第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計(jì)，在過(guò)去漫長(zhǎng)的11億年中，太陽(yáng)消耗了它本身能量的2%，可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。

第二，地球上，無(wú)論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。

第三，太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。

太陽(yáng)能的利用有它的缺點(diǎn)：

第一，能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。

第二，大氣影響較大，給使用帶來(lái)不少困難。1.3課題研究的目的本課題研究一種基于光電傳感器的太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光線的運(yùn)動(dòng)，保證太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽(yáng)光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。1.4研究課題的意義1.4.1新環(huán)保能源長(zhǎng)期以來(lái)[6]，世界能源主要依靠石油和煤炭等礦物燃料，而這些礦物作為一次性不可再生資源，儲(chǔ)量有限，而且燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的二氧化碳，造成地球氣溫升高，生態(tài)環(huán)境惡化。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅。這種全球性的能源危機(jī)，迫使各國(guó)政府投入大量的人力和財(cái)力，研究和開發(fā)新能源，如太陽(yáng)能等。能源危機(jī)，環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署資料[7]，目前礦物燃料提供了世界商業(yè)能源的95%，且其使用在世界范圍內(nèi)以每10年20%的速度增長(zhǎng)。這些燃料的燃燒構(gòu)成改變氣候的溫室氣體的最大排放源，按照可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)模式，決不能單靠消耗礦物原料來(lái)維持日益增長(zhǎng)的能源需求。因此越來(lái)越多的國(guó)家都在致力于對(duì)可再生能源的深度開發(fā)和廣泛利用。其中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的太陽(yáng)能開發(fā)前景廣闊。日本經(jīng)濟(jì)企劃廳和三澤公司合作研究認(rèn)為，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽(yáng)能?；诋?dāng)今世界能源問題和環(huán)境保護(hù)問題已成為全球的一個(gè)“人類面臨的最大威脅”的嚴(yán)重問題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽(yáng)能、提高太陽(yáng)能的利用率，而進(jìn)行太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的開發(fā)研究，這對(duì)我們面臨的能源問題有重大的意義。同時(shí)太陽(yáng)能又是一種無(wú)污染的清潔能源，加強(qiáng)太陽(yáng)能的開發(fā)，對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境也有重大的意義[8]。1.4.2提高太陽(yáng)能的利用率太陽(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源[9]，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽(yáng)能裝置如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能電池等等，但太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽(yáng)能裝置而言，如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問題應(yīng)從兩個(gè)方面入手[10]，一是提高太陽(yáng)能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽(yáng)能的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能。不管哪種太陽(yáng)能利用設(shè)備，如果它的集熱裝置能始終保持與太陽(yáng)光垂直，并且收集更多方向上的太陽(yáng)光，那么，它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽(yáng)能。但是太陽(yáng)每時(shí)每刻都是在運(yùn)動(dòng)著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽(yáng)光，那就必須要跟蹤太陽(yáng)。香港大學(xué)建筑系的教授研究了太陽(yáng)光照角度與太陽(yáng)能接收率的關(guān)系，理論分析表明[11]:太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽(yáng)可使接收器的接收效率大大提高，進(jìn)而提高了太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率，拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。1.5太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀日本是世界上太陽(yáng)能開發(fā)利用第一大國(guó)，也是太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)強(qiáng)國(guó)。日本太陽(yáng)熱能的利用，[12]從1979年第二次石油危機(jī)后開始，1990年進(jìn)入普及高峰。太陽(yáng)能技術(shù)日益創(chuàng)新，能量轉(zhuǎn)換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽(yáng)能的利用分為太陽(yáng)光能和熱能兩種。太陽(yáng)光能發(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。從2000年起，日本太陽(yáng)能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約為86萬(wàn)千瓦，占世界太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量的49.1%，并計(jì)劃到2010年達(dá)到482萬(wàn)千瓦，增加約6倍。德國(guó)對(duì)太陽(yáng)能資源的利用可追溯到20世紀(jì)70年代，現(xiàn)在德國(guó)已經(jīng)在太陽(yáng)能系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了一系列高效的太陽(yáng)能系統(tǒng)。1990年德國(guó)政府推出了“一千屋頂計(jì)劃”[13]，至1997年已完成近萬(wàn)套屋頂系統(tǒng)，每套容量1～5千瓦，累計(jì)安裝量已達(dá)3.3萬(wàn)千瓦。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)的數(shù)字，在過(guò)去的幾年中，德國(guó)太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其他國(guó)家平均水平高出一倍。另?yè)?jù)德新社報(bào)道，全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠已在德國(guó)南部巴伐利亞州正式投入運(yùn)營(yíng)。這家太陽(yáng)能發(fā)電廠投資7000萬(wàn)歐元，占地77萬(wàn)平方米，發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)12兆瓦，能為3500多個(gè)家庭供電。截至2005年年底，德國(guó)共有670萬(wàn)平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽(yáng)能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已用4%的德國(guó)家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽(yáng)能，估計(jì)每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。目前，美國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005年，美國(guó)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到100萬(wàn)千瓦，排在日本和德國(guó)之后，居世界第3位。為了降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國(guó)政府最近制定了陽(yáng)光計(jì)劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財(cái)政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材料的研發(fā)，提高太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，美國(guó)正在新建幾座新的太陽(yáng)能電站。預(yù)計(jì)到2015年，美國(guó)光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的21～40美分/千瓦時(shí)降到6美分/千瓦時(shí)，屆時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)大大增強(qiáng)。太陽(yáng)能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，據(jù)美國(guó)博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽(yáng)能占第二位，21世紀(jì)末，太陽(yáng)能將取代核能占第一位，很多國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能的利用加強(qiáng)了重視[14]。意大利1998年開始實(shí)行“全國(guó)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_(dá)5萬(wàn)千瓦。印度也于1997年12月宣布，將在2002年前推廣150萬(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)。法國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)了代號(hào)為“太陽(yáng)神2006”的太陽(yáng)能利用計(jì)劃，按照該計(jì)劃，每年將投入3000萬(wàn)法郎資金，到2006年，法國(guó)每年安裝太陽(yáng)能熱水器的用戶達(dá)2萬(wàn)家。我國(guó)由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)則》中已將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項(xiàng)目。目前我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的推廣普及十分迅速[15]，1997年銷售面積近300萬(wàn)平方米，數(shù)量居世界首位。全國(guó)從事太陽(yáng)能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達(dá)1000余家，年產(chǎn)值20億元。根據(jù)我國(guó)1996～2020年太陽(yáng)能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計(jì)劃，在2000年和2020年的太陽(yáng)能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到6.6萬(wàn)千瓦和30萬(wàn)千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽(yáng)光電站建設(shè)方面，計(jì)劃2020年前建成5座MW級(jí)陽(yáng)光電站。由國(guó)家投資1700萬(wàn)元修建的西藏第三座太陽(yáng)能電站——安多光伏電站，總裝機(jī)容量100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國(guó)裝機(jī)容量最大的太陽(yáng)能電站?？傊罅Πl(fā)展太陽(yáng)能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。1.6太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在太陽(yáng)能跟蹤方面，我國(guó)在1997年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器[16]，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使效率進(jìn)一步提高。2002年2月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)近年來(lái)有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單向跟蹤。目前[17]，太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。1.7論文的研究?jī)?nèi)容本文所介紹的太陽(yáng)跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括:(l)分析太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，比較國(guó)內(nèi)外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。(2)機(jī)械部分也是實(shí)現(xiàn)追蹤目的的關(guān)鍵，主要是機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算，裝配圖及其零件圖。(3)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性，還要設(shè)計(jì)光電轉(zhuǎn)換電路。(4)選取控制芯片，分析系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。(5)設(shè)計(jì)控制方案，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路。1.8論文結(jié)構(gòu)第一章,緒論主要闡述了課題的研究背景、目的及意義，以及國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能的利用現(xiàn)狀、太陽(yáng)追蹤方式的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章,主要是對(duì)太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，確定了系統(tǒng)的追蹤方式。第三章,太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)部分，主要是機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算，裝配圖及其零件圖。第四章,自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),光電轉(zhuǎn)換器,單片機(jī)及其外圍電路,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路。第五章,課題總結(jié)及展望。2太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽(yáng)位置相對(duì)于地面靜止物體的運(yùn)動(dòng)。這種變化是周期性和可以預(yù)測(cè)的。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個(gè)27度的夾角，引起了太陽(yáng)赤緯角在一年中的變化。冬至?xí)r這個(gè)角為23度27分，然后逐漸增大，到春分時(shí)變?yōu)?并繼續(xù)增大，夏至?xí)r赤緯角最大為23度27分，并開始減??；到秋分時(shí)赤緯角又變?yōu)?，并繼續(xù)減小，直到冬至，另一個(gè)變化周期開始[18]。2.2跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分比較選擇根據(jù)分析以前的跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分的問題，以及成本等各個(gè)方面考慮，有以下幾種跟蹤器。2.2.1立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器圖2-1立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器跟蹤器的結(jié)構(gòu)[19]：大齒輪固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對(duì)于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng))，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達(dá)1的輸出軸。馬達(dá)1固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上，轉(zhuǎn)動(dòng)架以及支架固定安裝在主軸上，接收器、馬達(dá)2安裝在支架上面(接收器相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2的輸出軸連接在接收器上。跟蹤器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏移的時(shí)候，控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于大齒輪固定。使得小齒輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架以及固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架以及接收器轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)接收器相對(duì)與支架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。系統(tǒng)特點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。對(duì)于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動(dòng)，能在使用功率較小的馬達(dá)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，使用功率較小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本。整個(gè)跟蹤器的結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高。傳動(dòng)裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)架下。受到了較好的保護(hù)，提高了傳動(dòng)裝置的壽命。2.2.2陀螺儀式跟蹤器圖2-2陀螺儀式跟蹤器跟蹤器的結(jié)構(gòu)[20]：傳動(dòng)箱1固定安裝在支架上，馬達(dá)1安裝在傳動(dòng)箱1上，傳動(dòng)箱1的內(nèi)部是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副，馬達(dá)1的輸出軸連接蝸桿，環(huán)形支架安裝在支架上面(環(huán)形支架相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，傳動(dòng)箱1的輸出軸連接環(huán)形支架，傳動(dòng)箱2固定安裝在環(huán)形支架上，馬達(dá)2安裝在傳動(dòng)箱2上，傳動(dòng)箱2內(nèi)也是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副。馬達(dá)2的輸出軸連接蝸桿，接收器安裝在環(huán)形支架上面(接收器相對(duì)于環(huán)形支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，傳動(dòng)箱2的輸出軸連接接收器。該跟蹤器可以選擇不同朝向安裝，當(dāng)按照上圖的朝向進(jìn)行安裝時(shí)，跟蹤器跟蹤的實(shí)現(xiàn)原理如下：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏移時(shí)，控制部分發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)傳動(dòng)箱2中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)接收器相對(duì)于環(huán)形支架轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)由東向西的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)控制部分也發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)由馬達(dá)1帶動(dòng)傳動(dòng)箱1中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)環(huán)形支架和接收器轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)南北方向的運(yùn)動(dòng)，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的兩個(gè)方向的跟蹤。系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于兩個(gè)方向的跟蹤，都利用蝸桿、蝸輪副傳動(dòng)，在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到很大的傳動(dòng)比，能使用功率很小的馬達(dá)同時(shí)傳遞足夠的動(dòng)力，使用功率小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本；蝸桿、蝸輪副的自鎖性能好，能防風(fēng)防雨。結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)空間大。傳動(dòng)裝置設(shè)置在傳動(dòng)箱內(nèi)，受到了較好的保護(hù)，提高了裝置的壽命。2.2.3齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)[21]：馬達(dá)1固定在支架上，馬達(dá)1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與齒圈1嚙合。齒圈1連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達(dá)2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈2嚙合，齒圈2連接著轉(zhuǎn)動(dòng)架，轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在主軸上(轉(zhuǎn)動(dòng)架相對(duì)于主軸可以轉(zhuǎn)動(dòng))。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)。控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)齒圈1和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。小齒輪2帶動(dòng)齒圈2和轉(zhuǎn)動(dòng)架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。圖2-3齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤器系統(tǒng)特點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。兩個(gè)方向的跟蹤都利用齒輪副傳遞動(dòng)力，能在使用功率較小的馬達(dá)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，使用功率較小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本；由于使用半個(gè)齒圈，能在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到較大的傳動(dòng)比。結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)空間大。2.2.4本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案圖2-4本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達(dá)1固定在支架上，馬達(dá)1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與大齒輪嚙合。把齒輪連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達(dá)2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈嚙合，齒圈連接著太陽(yáng)能板，轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在主軸上。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。小齒輪2帶動(dòng)齒圈和太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。2.3跟蹤方案的比較選擇目前國(guó)內(nèi)外采用的跟蹤太陽(yáng)的方法有很多，但不外乎三種方式[22]:(1)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；(2)光電跟蹤；(3)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。下面就這三種跟蹤方案做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹和比較。2.3.1視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽(yáng)運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測(cè)的，通過(guò)數(shù)學(xué)上對(duì)太陽(yáng)軌跡的預(yù)測(cè)可完成對(duì)日跟蹤。太陽(yáng)跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系較為直觀方便，操作性強(qiáng)，但也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時(shí)角在日地相對(duì)運(yùn)動(dòng)中任何時(shí)刻的具體值卻嚴(yán)格已知，同時(shí)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，于是通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽(yáng)和觀測(cè)者位置之間的關(guān)系[23]。根據(jù)太陽(yáng)軌跡算法的分析，太陽(yáng)軌跡位置由觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)按照太陽(yáng)的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算太陽(yáng)的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點(diǎn)。 參考目前世界通用的算法，涉及到赤緯角和時(shí)角的大致有二種算法[24]:算法l，采用中國(guó)國(guó)家氣象局氣象輻射觀測(cè)方法；算法2，采用世界氣象組織氣象和觀測(cè)方法。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過(guò)程都十分復(fù)雜，計(jì)算量的增大會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無(wú)角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機(jī)械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時(shí)，儀器的中心南北線與觀測(cè)點(diǎn)的地理南北線要求重合。同時(shí)，還要通過(guò)儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點(diǎn)處于地面水平面內(nèi)。2.3.2光電跟蹤傳統(tǒng)的光電跟蹤是采用一級(jí)傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統(tǒng)，[25]原則上由三大部件組成:位置檢測(cè)器、控制組件、跟蹤頭。其跟蹤系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。位置檢測(cè)器主要由性能經(jīng)過(guò)挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等。控制組件主要接受從位置檢測(cè)器來(lái)的微弱信號(hào)，經(jīng)放大后送到跟蹤頭，跟蹤頭實(shí)為跟蹤裝置的執(zhí)行元件。圖2-5跟蹤系統(tǒng)框圖下面對(duì)2001年《應(yīng)用光學(xué)》雜志介紹的一種五象限法太陽(yáng)跟蹤儀做一簡(jiǎn)單介紹[26]，下圖為五象限光電轉(zhuǎn)換器原理。在半徑為R的大圓內(nèi)有一個(gè)半徑為R/2的小圓，將大圓與小圓之間的圓環(huán)分成四個(gè)象限。每象限的分界線與X軸均成45度，小圓為第V像限。圖2-6五象限光電轉(zhuǎn)換器原理在上述5象限中為跟蹤定位測(cè)向象限，V象限為主測(cè)象限。將5片面積、性能、參數(shù)相同的光電池安裝在所設(shè)計(jì)的5個(gè)象限內(nèi)，當(dāng)陽(yáng)光照射到5片光電池上時(shí)必然產(chǎn)生光電流，光電流強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比。為了測(cè)量準(zhǔn)確，在光電池前放置可調(diào)光學(xué)鏡筒，將一個(gè)凸透鏡放在鏡筒前，透鏡安放在鏡筒的最外沿，如圖2-7所示。當(dāng)光線經(jīng)過(guò)透鏡照到鏡筒底部的5片光電池上時(shí)，調(diào)節(jié)筒的長(zhǎng)度，使光斑正好完全覆蓋5片光電池。當(dāng)太陽(yáng)光與光軸成一角度時(shí)，光線經(jīng)過(guò)透鏡照射到5片光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移，如圖2-8所示。陰影部分為光線照到的部分，此時(shí)有的光電池不能被光斑完全覆蓋，因此各光電池產(chǎn)生的光電流不盡相同，將光電流差經(jīng)過(guò)一系列處理后輸入到跟蹤頭，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作,調(diào)節(jié)跟蹤裝置,直到4個(gè)象限光電池輸出的光電流相等，此時(shí)太陽(yáng)光線與透鏡光軸平行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)動(dòng)作。為了使測(cè)量跟蹤裝置更安全、可靠，該裝置采用V象限主測(cè)光電池進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量和判斷，使裝置在夜晚停止工作。將第V象限的電壓V1與外來(lái)控制電壓V2進(jìn)行比較，可選擇合適的V1控制測(cè)量跟蹤裝置的工作狀態(tài)，在夜晚時(shí)V2<V1，裝置停止工作；在有太陽(yáng)光時(shí)V1>V2，裝置正常工作。圖2-7鏡筒結(jié)構(gòu)圖2-8光線與光軸不垂直時(shí)理論上，鏡筒越長(zhǎng)，光電池的靈敏度愈高，但是鏡筒長(zhǎng)度和透鏡的參數(shù)也有關(guān)系，不可能無(wú)限制增長(zhǎng)，通常鏡筒長(zhǎng)度，以取10-30cm但當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)云遮后或早晨太陽(yáng)剛升起時(shí),太陽(yáng)光線與透鏡光軸的夾角超過(guò)一定的角度范圍，由于鏡筒結(jié)構(gòu)的限制，透鏡聚焦的光斑無(wú)法被光電池捕捉到這時(shí)跟蹤裝置便無(wú)法跟蹤太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。因而該種跟蹤裝置只能在一定的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤，其跟蹤范圍跟鏡筒結(jié)構(gòu)有關(guān)。2.3.3視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合由上述討論可知[27]，開環(huán)的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開始運(yùn)行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動(dòng)調(diào)整等。因此使用程序跟蹤方法時(shí)，需要定期的人為調(diào)整跟蹤裝置的方向。而傳感器跟蹤也存在響應(yīng)慢、精度差、穩(wěn)定性差、某些情況下出現(xiàn)錯(cuò)誤跟蹤等缺點(diǎn)。特別是多云天氣會(huì)試圖跟蹤云層邊緣的亮點(diǎn)，電機(jī)往復(fù)運(yùn)行，造成了能源的浪費(fèi)和部件的額外磨損。如果兩者結(jié)合，各取其長(zhǎng)處，可以獲得較滿意的跟蹤結(jié)果。在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度角度傳感器。當(dāng)跟蹤裝置開始運(yùn)行時(shí)，用兩片高精度角度傳感器初始定位，在運(yùn)行當(dāng)中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時(shí)測(cè)量作反饋，對(duì)程序進(jìn)行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過(guò)程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽(yáng)能發(fā)電裝置。但計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，高精度角度傳感器成本也很高，對(duì)于需要降低成本的小型太陽(yáng)能利用裝置來(lái)講，該種跟蹤方式并不十分適用。2.3.4本設(shè)計(jì)的跟蹤方案光敏電阻光強(qiáng)比較法。本設(shè)計(jì)的光敏器件選為光敏電阻。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，稱為光敏電阻光強(qiáng)比較法。3機(jī)械設(shè)計(jì)部分3.1太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案圖3-1自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：步進(jìn)電機(jī)1固定在支架上，步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與大齒輪嚙合。齒輪連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，步進(jìn)電機(jī)2安裝在主軸前端的一塊板上，步進(jìn)電機(jī)2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈嚙合，齒圈連接著太陽(yáng)能板，轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在主軸上。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪1帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)小齒輪2，小齒輪2帶動(dòng)齒圈和太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。3.2第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算3.2.1材料選擇齒圈及齒輪的材料選用滲碳鋼，熱處理為滲碳淬火。3.2.2尺寸計(jì)算初選模數(shù)m=4mm,中心距a=260，轉(zhuǎn)動(dòng)比i=4。一般齒輪齒數(shù)Z1=25，分度圓螺旋角=8到15度。初選齒輪齒數(shù)Z1=25，分度圓螺旋角=10度，則齒輪齒數(shù)Z2=iZ1=4×25=100。分度圓直徑：小齒輪直徑，取d1=100mm。大齒輪直徑，取d2=405mm。式（3.1）取齒寬系數(shù)=1.2b==1.2×100=120則取大齒輪寬度b2=120,小齒輪寬度b1=125。齒頂高式（3.2）齒根高式（3.3）齒高式（3.4）3.2.3校核計(jì)算查文獻(xiàn)[28]表12.9得使用系數(shù)KA＝1.35。查文獻(xiàn)[28]圖12.9得動(dòng)載系數(shù)KV=1.1。查文獻(xiàn)[28]表12.10得齒間載荷分配系數(shù)KHa。式（3.5）式中--圓周力；--端面重合度；--重合度系數(shù)。載荷系數(shù)K式（3.6）查文獻(xiàn)[28]表12.12得彈性系數(shù)189.8。查文獻(xiàn)[28]圖12.16得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)2.5。查文獻(xiàn)[28]表12.14得接觸最小安全系數(shù)為1.25。總工作時(shí)間Th=10×360×2=7200h。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)式（3.7）原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。式(3.8)接觸壽命系數(shù)ZN:查文獻(xiàn)[28]圖12.18得=1.2，=1.3。許用接觸應(yīng)力 式(3.9)驗(yàn)算許用接觸應(yīng)力式(3.10)計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。3.2.4齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算重合度系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù)式(3.11)則齒向載荷分布系數(shù)=1.3載荷系數(shù)K式(3.12)齒型系數(shù)YFa:查文獻(xiàn)[28]圖12.21得：應(yīng)力修正系數(shù)Ysa:查文獻(xiàn)[28]圖12.22得：彎曲疲勞極限:查文獻(xiàn)[28]圖12.23c得1=600MPa,2=450MPa。查文獻(xiàn)[28]表12.14得彎曲最小安全系數(shù)SFlim1=1.6。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)式(3.13)原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。彎曲壽命系數(shù)尺寸系數(shù):查文獻(xiàn)[28]圖12.25=1.0。許用彎曲應(yīng)力式(3.14)驗(yàn)算許用彎曲應(yīng)力式(3.15)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算滿足。3.3第二齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算3.3.1材料選擇大齒輪及小齒輪的材料選用滲碳鋼，熱處理為滲碳淬火。3.3.2尺寸計(jì)算初選模數(shù)m=3mm,轉(zhuǎn)動(dòng)比i=4。一般Z1=25，=8到15度（為分度圓螺旋角）。初選Z1=30，=15度，則Z2=iZ1=4*30=120。分度圓直徑：小齒輪，取d1=125mm。大齒輪，取d2=500mm。取齒寬系數(shù)=1.2b==1.2×125=150則取大齒輪寬度b2=150,小齒輪寬度b1=155。齒頂高齒根高齒高3.3.3校核計(jì)算查文獻(xiàn)[28]表12.9得使用系數(shù)Ka＝1.35。查文獻(xiàn)[28]圖12.9得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.1。查文獻(xiàn)[28]表12.10得齒間載荷分配系數(shù)Ka=400。

載荷系數(shù)查文獻(xiàn)[28]表12.12得彈性系數(shù)＝189.8MPa。查文獻(xiàn)[28]圖12.16得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)＝2.45。查文獻(xiàn)[28]表12.14得接觸最小安全系數(shù)。總工作時(shí)間Th=10×360×2=7200h。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.15得指數(shù)m=8.78。原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。接觸壽命系數(shù)ZN:查文獻(xiàn)[31]圖12.18得=1.18,=1.25。許用接觸應(yīng)力驗(yàn)算許用接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。3.3.4齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算重合度系數(shù)式(3.16)齒間載荷分配系數(shù)則齒向載荷分步系數(shù)=1.38載荷系數(shù)K式(3.17)齒型系數(shù)YFa：查文獻(xiàn)[28]圖12.21得YFa1=2.5,YFa2=2.06。應(yīng)力修正系數(shù)Ysa:查文獻(xiàn)[28]圖12.22得Ysa1=1.63,Ysa2=1.97。彎曲疲勞極限:查文獻(xiàn)[28]圖12.23c得=600MPa,=450MPa。查文獻(xiàn)[28]表12.14得彎曲最小安全系數(shù)。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.15得指數(shù)m=49.91。式（3.18）原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。彎曲壽命系數(shù)=0.95,=0.97查文獻(xiàn)[28]圖12.25得尺寸系數(shù)=1.0。許用彎曲應(yīng)力式(3.19)驗(yàn)算彎曲應(yīng)力式(3.20)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足。3.4軸瓦校核計(jì)算3.4.1大軸瓦校核計(jì)算取B/d=1,軸頸直徑d=100mm,則有效寬度B=100mm。試取=180度計(jì)算軸承壓強(qiáng)式(3.21)軸承速度式(3.22)PV值式(3.23)eq\o\ac(○,1)軸承材料:選ZCrSn10P1最大許用值[P]=15MPa，[v]=10m/s，[PV]=15m/s，最高工作溫度280，最高軸頸硬度200HB，抗咬合性3，順應(yīng)性/嵌藏性5，耐蝕性1，耐疲勞性1。eq\o\ac(○,2)潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法選擇，選擇潤(rùn)滑牌號(hào)，自定機(jī)械油AN32。設(shè)平均油溫t=50度。下油的運(yùn)動(dòng)粘度V=20/s下油的動(dòng)力粘度式(3.24)潤(rùn)滑方法選擇式(3.25)選擇針閥式注油油杯潤(rùn)滑。eq\o\ac(○,3)承載能力計(jì)算相對(duì)間隙式(3.26)取軸轉(zhuǎn)速式(3.27)索氏數(shù)式(3.28)偏心率eq\o\ac(○,4)層流校核半徑間隙式(3.29)臨界雷洛數(shù)式(3.30)軸承雷洛數(shù)式(3.31)滿足層流條件eq\o\ac(○,5)流量計(jì)算流量系數(shù)v=0.075軸承潤(rùn)滑油的體積流量式(3.32)功耗計(jì)算摩擦特性系數(shù)摩擦系數(shù)摩擦功耗油溫升式(3.33)進(jìn)油溫度出油溫度均符合要求。eq\o\ac(○,6)安全度計(jì)算最小油膜厚度式(3.34)軸頸表面粗糙度，由加工方法精磨得=1.6。軸瓦表面粗糙度，由加工方法精車得=3.2。安全度式(3.35)3.4.2小軸瓦校核計(jì)算取B/d=1,軸頸直徑d=89mm,則有效寬度B=89mm。試取=180度計(jì)算軸承壓強(qiáng)軸承速度PV值eq\o\ac(○,1)軸承材料選ZCrSn10P1最大許用值:[P]=15MPa，[v]=10m/s，[PV]=15m/s，最高工作溫度280度，最高軸頸硬度200HB，抗咬合性3，順應(yīng)性/嵌藏性5，耐蝕性1，耐疲勞性1。eq\o\ac(○,2)潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法選擇選擇潤(rùn)滑牌號(hào)，自定機(jī)械油AN32。設(shè)平均油溫t=50度。下油的運(yùn)動(dòng)粘度V=20/s下油的動(dòng)力粘度潤(rùn)滑方法選擇選擇針閥式注油油杯潤(rùn)滑。eq\o\ac(○,3)承載能力計(jì)算相對(duì)間隙取軸轉(zhuǎn)速索氏數(shù)偏心率eq\o\ac(○,4)層流校核半徑間隙臨界雷洛數(shù)軸承雷洛數(shù)滿足層流條件流量計(jì)算流量系數(shù)v=0.075軸承潤(rùn)滑油的體積流量eq\o\ac(○,5)功耗計(jì)算摩擦特性系數(shù)摩擦系數(shù)摩擦功耗油溫升進(jìn)油溫度出油溫度均符合要求eq\o\ac(○,6)安全度計(jì)算最小油膜厚度軸頸表面粗糙度，由加工方法精磨得=1.6。軸瓦表面粗糙度，由加工方法精車得=3.2。安全度3.5鍵聯(lián)接計(jì)算3.5.1主軸與大齒輪的鍵聯(lián)接選用普通圓頭鍵聯(lián)接。取直徑d=100mm則鍵的截面尺寸為：b=20mm,高h(yuǎn)=12mm,鍵長(zhǎng)L=120mm。鍵的接觸長(zhǎng)度鍵的材料選用45鋼，則聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩式(3.36)所以滿足要求。3.5.2小軸與齒圈的鍵聯(lián)接選用普通圓頭鍵聯(lián)接。取真徑d=89mm，則鍵的截面尺寸為：b=12mm,高h(yuǎn)=10mm,鍵長(zhǎng)l=92mm。鍵的接觸長(zhǎng)度鍵的材料選用45鋼，則聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩式(3.37)所以滿足要求。3.5.3步進(jìn)電機(jī)1輸出軸與小齒輪1的聯(lián)接選用花鍵聯(lián)接。材料選用45鋼，齒面經(jīng)過(guò)熱處理則。聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩式(3.38)所以滿足要求。3.5.4步進(jìn)電機(jī)2輸出軸與小齒輪2的聯(lián)接選用花鍵聯(lián)接。材料選用45鋼，齒面經(jīng)過(guò)熱處理。聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩式(3.39)所以滿足要求。3.6抗風(fēng)性分析3.6.1底座上螺釘校核危險(xiǎn)截面面積式(3.40)螺釘應(yīng)力副式(3.41)選擇螺釘?shù)男阅艿燃?jí)5.6級(jí)則式(3.42)螺釘疲勞極限式(3.43)極限應(yīng)力幅式(3.44)許用應(yīng)力幅所以螺釘強(qiáng)度滿足條件。3.6.2軸校核判斷危險(xiǎn)截面主軸端面往下170mm處材料選用45鋼調(diào)質(zhì)。對(duì)稱循環(huán)疲勞極限 式 (3.45)式(3.46)脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限式(3.47)等效系數(shù)式(3.48)截面上的應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)表面狀態(tài)系數(shù)尺寸系數(shù)彎曲安全系數(shù)設(shè)為無(wú)限壽命，k=1式(3.49)軸強(qiáng)度滿足要求。4自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、89C51系列單片機(jī)以及相應(yīng)的外圍電路等。太陽(yáng)能電池板有兩個(gè)自由度。控制機(jī)構(gòu)將分別對(duì)水平方向與垂直方向進(jìn)行調(diào)整。單片機(jī)加電復(fù)位后，垂直方向?qū)⑻幱谛D(zhuǎn)狀態(tài)，單片機(jī)將對(duì)采樣進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，電壓有增大和減小兩種可能，如電壓增大，則讓電池板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦電壓減小，單片機(jī)將立即發(fā)出信號(hào)，讓電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。傳感器光電轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器單片機(jī)傳感器光電轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器單片機(jī)電源電源圖4-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)4.2光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器接收太陽(yáng)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析比較，得出結(jié)果最終控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向來(lái)達(dá)到太陽(yáng)能電池面板始終垂直于入射光線，從而達(dá)到最高效率的利用太陽(yáng)能。本設(shè)計(jì)的光敏器件選為光敏電阻。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，稱為光敏電阻光強(qiáng)比較法。其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確且電路比較容易實(shí)現(xiàn)。4.2.1光電轉(zhuǎn)換電路下圖中光電轉(zhuǎn)換電路是其中的一組，另一組電路與此相同。當(dāng)陽(yáng)光正對(duì)太陽(yáng)能板時(shí)，光敏電阻R1、R2都是高電阻，A、B兩點(diǎn)電壓相等。四運(yùn)放LM124的輸出的電壓相同，單片機(jī)收到的信號(hào)差為零，所以單片機(jī)不控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。若陽(yáng)光發(fā)生傾斜，使Rl被陽(yáng)光射中呈低電阻，則A點(diǎn)電位比B點(diǎn)高。運(yùn)算放大器U2A的作用是一個(gè)電壓跟隨器，起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，保持采樣信號(hào)的穩(wěn)定。U3A是減法器，其輸出為A與B的電壓差值。因?yàn)锳與B的電壓差值可正可負(fù)，而單片機(jī)的輸入端不能為負(fù)的電壓值，所以U圖4-2光電轉(zhuǎn)換電路4.3單片機(jī)及其外圍電路4.3.1AT89C控制部件選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C5l型單片機(jī)。AT89C5l是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)一、結(jié)構(gòu)框圖AT89C5l的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-3所示。它具有如下的主要特征[30]4KB可改編程序的Flash存貯器(可擦寫1000次)；全靜態(tài)工作頻率:24MHz；三級(jí)程序存貯器保密；128字節(jié)內(nèi)部RMA；32條可編程I/O線；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源；可編程全雙工串行通道；片內(nèi)時(shí)鐘震蕩器。圖4-3單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖AT89C5是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到OHz，并提供兩種可用軟件選擇的省電方式，即空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保持內(nèi)部RAM的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。二、AT89C51的引腳[31]：AT8C951引腳采用雙列直插式封裝(DIP)或方形封裝。雙列直插式封裝的如圖所示，共有40個(gè)引腳，下面將對(duì)這些引腳進(jìn)行說(shuō)明。圖4-4AT89C51的引腳1.主電源引腳(1)Vcc:電源端。(2)GND:接地端。2.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2：(1)XTAL1:接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩信號(hào)源時(shí)，該引腳接收外部振蕩源的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。(2)XTAL2:接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩信號(hào)源源時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。3控制或與其它電源復(fù)位引腳RTS。RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。在對(duì)Flash存貯器編程期間，該引腳也用于施加編程語(yǔ)序電源。4.輸入/輸出引腳P0.0-P0.7、Pl.O-P1.7、P2.0-P2.7、P3.0-P3.7。(1)P0端口(PO.0-PO.7):P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/0端口。作為輸入口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8位TTL輸入，對(duì)端口鎖存器寫“1”(2)P1端口(P1.0-P1.7):P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。Pl的輸出可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL輸入。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì)Flash編程和程序驗(yàn)證期間，P2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。(3)P2端口(P2.0-P2.7):P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流方式)4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口鎖存器寫“1”4.3.2外圍電路電源管理部分電路。電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障60%來(lái)自電源，因此作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)元件，電源受到越來(lái)越多的重視。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)極其重要的工作，它對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。電源設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)考慮功率、電平及抗干擾等問題。電源功率必須能滿足整個(gè)系統(tǒng)的需要。在系統(tǒng)電路中，除單片機(jī)系統(tǒng)需要+5V直流電源外，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器還需要一個(gè)模擬電源12V。選用印刷線路板焊接式電源變壓器PKB05將220V交流電壓變換成正負(fù)12V的電壓。這種變壓器結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、抗震、防潮、阻燃，外型美觀，使用方便，抗電強(qiáng)度高。它的初級(jí)是220V，50HZ/60Hz，次級(jí)既可以是單路輸出，也可以雙路輸出。由于這種變壓器變出的電壓仍是交流電壓，且又不十分準(zhǔn)確和穩(wěn)定，所以再利用全橋整流，電容濾波電壓穩(wěn)定后，分別用三端穩(wěn)壓電源模塊7812，7912，輸出正負(fù)12V。電路在7812和7912的輸入端分別接上0.33uF的CBB電容、2000uF/25V的電解電容和2.2uF的CBB電容、2000uF/25V的電解電容。CBB電容可以濾掉高頻干擾，電解電容組合可以濾掉低頻干擾。在輸出端接上104瓷片（0.1uF）電容，對(duì)輸出的+5V電源再次進(jìn)行濾波，以得到干凈的電源。圖4-5電源管理部分電路4.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路4.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)介紹步進(jìn)電機(jī)其功用是將脈沖電信號(hào)變換相應(yīng)的角位脈電號(hào)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。因此非常適合單片機(jī)控制，推動(dòng)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。按勵(lì)磁方式分類，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為3大類[32]：(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。(2)永磁式步進(jìn)電功機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的。轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負(fù)脈沖信號(hào)。又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。移或直線位移，即給一個(gè)沖信。(3)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，是一種很有發(fā)展前途的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。4.4.2步進(jìn)電機(jī)的主要特性1.步距角步距角指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。步進(jìn)電機(jī)的步距角是由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機(jī)的相數(shù)所決定。典型的混合式步進(jìn)電機(jī)是四相200步的電機(jī)，步距角為1.9。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。2.矩角特性矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時(shí)通以直流電流時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。3.響應(yīng)頻率在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用啟動(dòng)頻率f作為衡量的指標(biāo)。它是指在一定負(fù)載下直接啟動(dòng)而不失步的極限頻率，稱為極限啟動(dòng)頻率或突跳頻率。4.啟動(dòng)矩頻特性在給定的驅(qū)動(dòng)條件下，負(fù)載慣量一定時(shí)，啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為啟動(dòng)矩頻特性，又稱牽入特性。5.運(yùn)行矩頻特性在負(fù)載慣量不變時(shí)，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性，又稱牽出特性。6.慣頻特性在負(fù)載力矩一定時(shí)，頻率和負(fù)載慣量之間的關(guān)系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為啟動(dòng)慣頻特性和運(yùn)行慣頻特性。4.4.3步進(jìn)電機(jī)的選擇1.式步進(jìn)電機(jī)１選擇估計(jì)步進(jìn)電機(jī)1所需要的最大靜力矩不大于200N，故選用57BYGH1001混合式步進(jìn)電機(jī)。表4-157BYGH1001混合式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)電壓(V)電流(A)電阻

(Ω)最大靜力矩

(N.cm)機(jī)身長(zhǎng)(mm)輸出軸直徑

(mm)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(g.cm2)重量(kg)接線圖57BYGH1001531.4200100101.56504.62.步進(jìn)電機(jī)2選擇估計(jì)步進(jìn)電機(jī)2所需要的最大推力不大于2000N，故選用8700系列螺桿軸混合式步進(jìn)電機(jī)。技術(shù)參數(shù)如下：1)線圈雙極性，2)最大推力2270N，3）位移分辨率0.127mm，4）工作電壓5V，5）相電流3.12Amps，6）相電阻1.6，7）相電感8.8mH，9）功耗31.2W,10)最高溫度130°C，11）重量2.3Kg，12）步步進(jìn)電機(jī)電源電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖4-6步進(jìn)電示意圖4.4.4驅(qū)動(dòng)電路1.BL-240eq\o\ac(○,1)BL-240型驅(qū)動(dòng)模塊1)適用電壓范圍寬(12-40V)；2)恒流斬波,雙極性全橋式驅(qū)動(dòng)；3)運(yùn)行特性良好；4)自動(dòng)半流鎖定；5)可靠性高；6)適配4A以下兩相和四相混合式步進(jìn)電機(jī)eq\o\ac(○,2)技術(shù)數(shù)據(jù):1）輸入電壓:12-40V單電壓供電；2)相電流:本模塊相電流可在0-4A之間調(diào)節(jié)；3)驅(qū)動(dòng)模式∶全橋驅(qū)動(dòng)；4)運(yùn)行方式∶半步(0.9°)；5)運(yùn)行特性:優(yōu)于原電機(jī)出廠指標(biāo)；6)保護(hù)方式:過(guò)熱保護(hù),鎖定自動(dòng)半流；7)外形尺寸:126mm×73mm×32mm；8)重量∶<300g；9)運(yùn)行環(huán)境:溫度-15-40℃eq\o\ac(○,3)接線端子:(I/OPORTS)1)VCC:供電電源12-40V注:切忌超過(guò)40V,以免損壞模塊；2)GND:VCC對(duì)應(yīng)地線；3)B＋；4)A＋；5)CP

IN＋:時(shí)鐘脈沖輸入端，光藕輸入端，上升沿有效；6)CP

IN－:光藕輸入負(fù)端；7)CW/CCW＋:電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制，光藕輸入端；8)CW/CCW－:光藕輸入負(fù)端；9)FREE＋:脫機(jī)電平；10)FREE－:脫機(jī)電平。圖4-7BL-240型驅(qū)動(dòng)摸塊2.MT-2HB03M驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)：雙極驅(qū)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)器工作電壓12-40V；驅(qū)動(dòng)電流0.8-3.5A；共陽(yáng)極接法：分別將CP+，U/D+，F(xiàn)REE+連接到控制系統(tǒng)的電源上，如果此電源是+5V則可直接接入，如果此電源大于+5V，則須外部另加限流電阻R，保證給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光藕提供8-15mA的驅(qū)動(dòng)電流。輸入信號(hào)通過(guò)CP-加入。此時(shí)，U/D-，F(xiàn)REE-在低電平時(shí)起作用。共陰極接法：分別將CP-，U/D-，F(xiàn)REE-連接到控制系統(tǒng)的地端（SGND，與電源地隔離），+5V的輸入信號(hào)通過(guò)CP+加入。此時(shí)，U/D+，F(xiàn)REE+在高電平時(shí)起作用。限流電阻R的要求與共陽(yáng)極接法相同。差分輸入接法：分別將CP-，U/D-，F(xiàn)REE-接差分信號(hào)的負(fù)端、CP+，U/D+，F(xiàn)REE+接差分信號(hào)的正端。圖4-8MT-2HB03M驅(qū)動(dòng)器4.5系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.5.1光敏電阻光強(qiáng)比較法利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)[33]，兩個(gè)光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同，所以它們的阻值完全相等，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同。其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確，且電路也比較容易實(shí)現(xiàn)。其控制主要由以下三部分來(lái)完成[34]:a)信號(hào)采集部分用光敏電阻實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的電路原理為橋式電路，電路的輸出信號(hào)只與照射在兩個(gè)光敏電阻上光強(qiáng)的相對(duì)值有關(guān)，不受外界環(huán)境的影響，增加了裝置的抗干擾能力。b)數(shù)據(jù)處理部分采用非倒向放大接法，由運(yùn)算放大器及其外圍電阻組成線性放大單元。零電位調(diào)整單元以抵消零點(diǎn)漂移的直流信號(hào)。因調(diào)零后包含一定量的負(fù)脈沖信號(hào)，用反相單元為下一級(jí)電路提供正電壓信號(hào)。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)輸出信號(hào)的強(qiáng)度大于一定值時(shí)，給下一級(jí)一個(gè)高電平信號(hào)；反之，提供低電平信號(hào)，這樣能屏蔽一些微小信號(hào)的擾動(dòng)，使系統(tǒng)的工作更穩(wěn)定。c)控制單元根據(jù)前一級(jí)送出的觸發(fā)信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。由于繼電器在實(shí)現(xiàn)邏輯過(guò)程中需要的吸合電流較大，會(huì)造成整體電路的耗電增大；另外，繼電器的反應(yīng)速度很慢，靈敏度不高，會(huì)造成設(shè)備整體靈敏度及精確度下降。4.5.2光敏電阻光強(qiáng)比較法的工作過(guò)程系統(tǒng)采用光敏電阻光強(qiáng)比較法，設(shè)計(jì)出一種全新的光電轉(zhuǎn)換裝置，很好的實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。它能夠利用光敏電阻比較法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)水平、垂直方向的全方位跟蹤，晚上便自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)太陽(yáng)的水平或垂直位置發(fā)生偏移時(shí)，R1、R2或R3、R4(另一組控制電路)四個(gè)光電管中必有一個(gè)受陽(yáng)光照射，這樣就可確認(rèn)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的方向了。R1、R2、R3、R4放置見圖4-9。控制電路有兩組，電路圖中是其中的一組（圖4-2），另一組電路與此相同。光電管是直接與控制電路連接的，當(dāng)太陽(yáng)能板正對(duì)太陽(yáng)時(shí)，R1、R2都是高電阻，A、B兩點(diǎn)電壓相等。四運(yùn)放LM124的A1、A2輸出的電壓相同，單