挑战杯+平面可调式智能跟踪太阳灶.docx

1、挑战杯+平面可调式智能跟踪太阳灶“挑战杯”课外学术科技作品竞赛作品设计说明书项目名称：平面可调式智能跟踪太阳灶系 别：机电工程系团队成员：施立彬 李以通 韩泉城 石自信王德贤 高春晖 张子营指导教师：伊连云 刘 伟目 录目 录 21.课题背景 22 平面可调式智能跟踪太阳灶的总体设计 22.1 硬件装置的总体设计 32.2 控制部分的总体设计 43 系统的硬件设计 53.1太阳自动跟踪系统机械设计 53.2平面太阳聚光器的设计 53.3 步进电机控制电路 63.4 光电检测电路 73.5 油温检测电路 83.6外部时钟电路 94 系统的软件设计 94.1 系统主程序 94.2 光电检测跟踪模块

2、 104.3 太阳角度跟踪模块 115 实验测试数据 126 创新点 12参考文献 14平面可调式智能跟踪太阳灶摘要：本课题针对传统太阳灶存在的人工调节焦聚费工费时、占地面积大、不适合小区楼群使用、只能室外操作、受天气条件限制较多等诸多不利因素，研究设计一种新型平面可调式智能跟踪太阳灶，在机构设计上将太阳灶的抛物面式改造为平面式，设计热油双循环系统，将收集的热能传导到室内使用，并增加了电加热辅助功能，使用步进电机控制丝杆机构实现追光功能；在软件设计上采取光电检测跟踪模式和太阳角度跟踪模式相结合的方式，两种跟踪方式互相补充，采用MSP430超低功耗单片机进行控制。通过这些改进节约了立体空间，便于

3、太阳灶在楼群中使用，且由室外操作改为室内操作，有力推动了推动太阳灶从农村向城镇发展；同时，利用智能追光系统，极大的提高了太阳灶的跟踪精度，系统智能化程度高。关键词：平面太阳灶，智能跟踪系统，光电检测，双循环炉灶1.课题背景随着经济发展和人民生活水平的提高,对能源的需求不断增长，能源紧缺已经成为一个不容回避的问题, 同时常规能源的使用对环境造成的危害日益严重,所以,开发新型可再生能源显的尤为必要。中国幅员辽阔,太阳能在中国三分之二的国土上,年辐射量超过60万焦耳/cm2, 每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量。太阳能科技发展和太阳能的各种利用实践,目前已经使太阳能热利用成为可再生

4、能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。在“十一五”规划中, 政府大力支持发展太阳能市场。太阳能热利用领域极其广阔,太阳能灶是应用较广泛的一种。普通太阳灶是利用光学原理，将太阳光能转化成热能进行炊事和烧水的一种节能辅助炊具，节约煤、柴草、液化气等常规能源，对缓解燃料紧缺，节约能源开支具有明显的效果。但目前市场上推广的太阳灶却存在着人工调节焦聚费工费时、占地面积大、不适合小区楼群使用、只能室外操作、受天气条件限制较多、操作不方便等诸多不利因素（如图1-1），严重制约着太阳能灶行业的发展，因此研制新型太阳能灶装置已成为突破该行业瓶颈，大力发展太阳能市场迫在眉睫的重大问题。图1-1传统

5、太阳灶2 平面可调式智能跟踪太阳灶的总体设计本文所研究的太阳灶不同于传统太阳灶，系统智能化程度高，采用微型计算机控制，实现了太阳灶的无人操作与人工操作的结合，并实现太阳灶对光线的自动跟踪。热油循环系统可使用户在室内进行操作，避免了在烈日下的暴晒。电辅助加热系统，在太阳光不能满足使用需求时，通过电辅助加热器可满足煮、煎、炖、炸、等炊事活动，方便实用。系统原理框图如图2-1，实物框图如图2-2所示。图2-1系统原理框图图2-2 系统实物框图2.1 硬件装置的总体设计该装置设计为平面镜构成的反光阵列，在一个平面范围内就可将太阳光进行聚焦。为实现精确控制，用两个步进电机实现自动跟踪，有效提高了太阳能利

6、用率。我们用焦点处的集热器对导热油进行加热，然后在导热油泵的带动下实现热油缓冲器和集热器之间热油的循环，再将缓冲器中的热油送入炉灶，从而实现了太阳能在室内的使用 。另外加热装置可以实现阴天该炉灶的使用。其硬件装置的三部分分别为：2.1.1太阳自动跟踪系统机械设计 采用三点式运动控制方式，可实现太阳能聚光器对太阳光的自动跟踪。2.1.2平面太阳聚光器的设计为了节约有限的空间，聚光器设计为平面式，根据抛物线计算平面镜安装角度，用平面实现了抛物面聚光设计。安装平面镜的角度可由图2-3所示算出：图2-3镜面反射角度的计算由上图几何关系可得出镜片安装的倾斜角a与集热管到固定板的距离d和镜面到集热管距离在

7、固定板的投影r的几何关系为：,所以可得出镜片安装的倾斜角，由此可知只要确定了镜面到集热管距离在固定板的投影距离r，则镜面倾斜角度就可以确定，以此为半径的圆环上的镜面倾斜角度相同，就都确定了。2.1.3热油双循环可电加热炉灶系统的设计该系统采用油进行热量的传输，并设计有中间缓冲装置，在缓冲装置中设计有电加热器，实现能量的补充。2.2 控制部分的总体设计本作品实现聚光器的自动跟踪功能，并且实时监测显示热油缓冲器中的油温。及通过大量的查阅资料以及研究世界范围内目前所实现的太阳跟踪装置，在此基础上，为了更好的实现自动跟踪系统的功能，我们进行了如下设计：1.采用MSP430F149单片机作为控制电路的核

8、心。2.角度传感器部分采用光电二极管作为传感器，每两个光电二极管组成一个比较电路，光电二极管的导通和截止产生相位差，通过放大器将信号传给单片机的I/O口，以达到有效的控制。3.采用光电检测跟踪模式和太阳角度跟踪模式相结合的方式，系统设计有串行时钟芯片DS1302。可完成太阳光线角度的计算，及白天夜晚的模式转换。4.采用MSP430内置AD转换采样光敏元件信号，并根据采样参数智能判断天气阴暗程度，供控制器进行决策使用。5.采用PT100温度测量传感器，对热油缓冲器内的热油温度进行实时监控。6.设计有四路按键，可实现对聚光器方位的人工控制。7.采用东芝公司的TA8435步进电机专用芯片，并自己设计

9、了电机驱动模块。8.为了能够直观看到热油温度，系统设计了数码管显示。 下图为控制部分框图（图2-4）。图2-4控制部分系统框图在硬件电路连接的基础上，利用C430单片机语言编写配套软件，对软硬件联合调试，直到系统稳定运行。3 系统的硬件设计3.1太阳自动跟踪系统机械设计太阳自动跟踪系统机械设计为三点式运动控制方式，一点为非控制的万向点，另外两点由步进电机驱动的丝杠控制，可实现平面的二维旋转，根据我们的控制算法，实现其对太阳光的跟踪。机构设计图见图3-1。图3-1跟踪支撑机构设计3.2平面太阳聚光器的设计我们把聚光面分成若干个圆环，把他们同时轴向压缩，这样就可以形成近似的平面反光面，从而减少所占

10、用的空间体积，而且由于体积较小，易于固定，增强其安全性能。为了使平面上各个反光小镜面的光线聚集到一个点上，根据镜面的反射角度来计算平面镜安装角度，从而实现聚光的效果，如图3-2，3-3. 图3-2平面太阳聚光器原理图 图3-3 平面太阳聚光器实物图3.3 步进电机控制电路执行机构为步进电机，控制电路采用东芝公司的TA8435单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，该芯片具有以下特点： 工作电压范围宽(1040 v)； 输出电流可达15 A(平均)和25 A(峰值)； 具有整步、半步、14细分、18细分运行方式可供选择； 采用脉宽调制式斩波驱动方式； 具有正反转控制功能； 带有复位和使能引脚； 可

11、选择使用单时钟输入或双时钟输入。 我们自己开发了该芯片的模组，原理图如图3-4，模块实物图见图3-5。图3-4步进电机模组原理图图3-5步进电机模组实物图3.4 光电检测电路3.4.1光电检测模式中的检测部分：光电检测电路主要是检测太阳的高度角和方位角变化，电路中我们用了5个光敏二极管，其中如图3-6中排列，中间放置一个光敏二极管D0，其余4个排成圆形分布在D0周围。将此检测板用一不透光的下方开口的空心圆柱体盖住如图3-7所示，圆柱体的直径略大于图8中的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以让光线通过。将整个光电检测装置安装在太阳板上，光电二极管的检测面与太阳能板平行

12、。下面简单的叙述一下电路的工作原理，电路中包含的元件如下：5个光敏二极管（D0D4）、5个电阻R0R4、一个LM324芯片（包含四组运算放大器AL1AL4）。电路中5个光敏二极管的负端连在一起接在电源上，正端分别连接到放大器LM324的4个输入端，其中D0分布在中央的位置，其正极与LM324的4个同相输入端相连，D1D4的正极分别接LM324的4个反相输入端，这样D1D4就与D0分别组成了比较电路，而LM324的4个输出端分别接到单片机MSP430F149的四个端口P2.0P2.3。这样就可以通过P2.0P2.3的高低电位来判断太阳光线的方向了。绘制电路图如图3-8所示。 图3-6光电二极管排

13、列图 图3-7空心圆柱体 图3-8光电检测电路图从上文得知，D0是处在圆盘的中央的位置，当D0受到光照时（这时太阳板正对太阳），D0导通，4组运放的同相输入端连在一起同时检测到高电位，这时分布在D0周围的4个光电二极管D1D4在圆柱体的遮挡下不能受到光照，而且D1D4的正极分别接到了LM324芯片的4组运算放大器AL1AL4的反相输入端，D1D4截止，4组运放的反相输入端检测到低电位，经过分析得知，当D0受到光照时，4组运放的同相输入端同时检测到高电位，而4组运放的反相输入端同时检测到低电位，由运算放大器的工作原理，这时4组运放的输出端同时输出高电位，也就是当D0受到光照时，单片机MSP430

14、F149的4个引脚P2.0P2.3同时检测到高电位。因为电路中是利用了运算放大器将D0和D1D4进行比较，为了系统的正常运行，调解电路中的5个电阻值，使得当处在中间位置的D0没有受到光照时，如果D1D4哪个没有受到光照，那么保证D1D4中没有受到光照的光电二极管所对应的运放输出高电位，而受到光照的那个光电二极管所对应的运放输出低电位。而当D1D4中的某一个受到光照时，电路工作原理是一样的，这里以D1为例子来详细介绍：当D1受到光照时，其余的光电二极管在圆柱体的遮挡下处在阴暗中，成截止状态，而D1处于导通状态，正如上文所述，这时只有D1所对应的运算放大器AL1输出低电位，而与D0一样没有受到光照

15、的D2、D3、D4所对应的运算放大器AL2、AL3、AL4输出高电位，这时对应得MSP430F149的引脚P2.0检测到低电位，而P2.1、P2.2、P2.3检测到高电位。3.4.2检测阴天还是晴天的检测电路整个系统由两种跟踪模式组成，那就是光电跟踪模式和太阳角度跟踪模式。因为系统是用来跟踪太阳的，当太阳光比较弱的时候光电跟踪模式会表现的不灵敏，甚至使系统紊乱。而太阳跟踪模式是通过计算太阳高度角和太阳方位角来进行跟踪的，太阳角度跟踪模式与太阳光强度没有关系。因此，系统将光电跟踪模式和太阳角度跟踪模式相结合，当阴天的时候，太阳光变的比较弱，这时系统会由光电跟踪模式转换到太阳角度跟踪模式。MSP4

16、30F149内部集成12位AD转换器，通过采样光采样电路的输出值，根据经验值，智能判断天气的阴暗程度。根据阴暗程度的不同，作出相应的决策。3.4.3 LM324芯片简介LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。除电源共用外，四组运放之间相互独立。每一组运算放大器可用图3-9所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入

17、端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-10。 图3-9运算放大器符号 图3-10 LM324引脚图在光电检测电路中，用LM324的四组运算放大器来比较每组运算放大器的同向输入端和其反向输入端的电信号的强弱。3.5 油温检测电路采用PT100铂热电阻温度传感器对热油缓冲器中热油温度进行测量，其主要特点是测量精度高，性能稳定，不仅用于工业测量，而且被制成标准的基准仪。足以满足系统对温度的需求。该电路采用电桥设计，电路如图3-11：图3-11 油温检测电路3.6外部时钟电路由于系统中要进行时间的控制，并且判断白天与黑天，因此需要使用时钟电路。若使用单片机计时，则时间长了会引起较大的误差，因而系统

18、采用了串行实时时钟芯片。在该系统中选择DALLAS公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，它虽然没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果好，同时体积小，连线少，外围只有一32768Hz晶振，使用灵活。DS1302实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数，具有318RAM，可供保存有用数据。用于时钟或RAM数据的读/写具有单字节或多字节(也称脉冲方式)数据传送方式。采用双电源(主电源和备用电源)供电。DS1302慢速充电时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM，经过一个简单的串行接口与单片机通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、月和年等信

19、息，对小于31天的月末的日期进行调整，还包括闰年的校正功能。时钟的运行可采用24小时或带上午和下午的12小时格式。DS1302与单片机的通信仅需三根线即SCLK（串行时钟线）、I/O（数据线）、RST（复位线）。数据可以按每次一个字节或多达31个字节的形式传送到时钟RAM或从中送出。DS1302还有另外的功能：即用于主电源和备用电源相连接的双电源引脚VC1和VC2。DS1302由VC1和VC2两者中较大者供电，当VC2大于VC1+0.2时，VC2给DS1302供电。当VC2小于VC1时，VC1给DS1302供电，使系统在没有主电源的情况下也能保持时钟的连续运行。此外，它还提供可编程的VC1慢速

20、充电功能，从而对备用电池进行充电。4 系统的软件设计4.1 系统主程序整个程序包括光电检测跟踪模式和太阳角度跟踪模式。软件设计方案：开机之后，上电复位，系统进行初始化，初始化之后，系统首先判断当时是白天还是黑夜，若是黑夜，则系统启用中断处理程序，进入等待状态，若是白天，系统会通过光电二极管来判断是晴天还是阴天，晴天时，系统进入光电跟踪模式，阴天时，系统进入太阳角度跟踪模式。系统运行流程如图4-1所示：图4-1系统程序流程图其中检测白天还是黑夜是通过中断来判断的，只要INT0检测到低电位，系统就进入中断服务程序，进入等待状态。而检测晴天还是阴天是通过查询来实现的，尽管查询方式需要不断的去侦测I/

21、O的电平变化，比较耗费单片机的运行时间资源，但是由于太阳角度跟踪方式的程序比较繁琐，计算量比较大，因此这部分不适合使用中断。在光电跟踪模式下：系统首先检测位于圆盘中央的光电二极管D0是否受到了光照，系统是通过检测D0对应的单片机上的引脚的高低电位来判断的。如果系统检测到D0受到了光照，这时软件控制系统延时15分钟（这里的延时时间是通过查阅资料显示在15分钟之内太阳角度是基本上不变的）。如果系统检测到D0没有受到光照，之后系统会对分布在D0周围的4个光电二极管D1D4分别检测，如果检测到哪个光电二极管所对应的单片机引脚是低电位，这就说明这个光电二极管受到了光照，这时系统命令此光电二极管所对应的电

22、机朝规定的方向转动，直到D0受到光照为止，这样就完成了跟踪太阳的目的。在太阳角度跟踪模式下：当阴天时，光电跟踪模式不能准确地跟踪，如果长时间处在阴天状态下，系统不能及时地跟踪太阳，这样系统的跟踪误差会很大，严重的话还能使系统处于紊乱状态，因此为了提高跟踪精度，必须让系统在阴天时也能正常跟踪。太阳角度跟踪模式不受太阳光强弱的影响，正好弥补了光电跟踪模式阴天不能正常跟踪的缺陷。时钟部分：系统中选用的是串行时钟芯片DS1302，在太阳角度跟踪模式下，系统需要读取DS1302内的时间用来计算太阳高度角和太阳方位角。4.2 光电检测跟踪模块系统启动之后会自动进入光电跟踪模式下跟踪，当遇到阴天时才会进入太

23、阳角度跟踪模式。光电检测跟踪模式的软件设计相对于太阳角度跟踪模式来说要简单的多，它不存在读取DS1302时间、计算太阳角度的问题，它是通过判断指定的单片机引脚电位的高低来确定太阳的朝向，之后单片机控制电动机朝太阳光的方向转动，直到转动到位于圆盘中央的那个二极管受到光照为止，因此这部分的设计也不存在每次调整时电动机转动时间的计算，因为这个转动时间是随机的，它因太阳光线与太阳板之间的角度的大小而不同。这部分的程序设计很简单，只需要单片机检测4个光电二极管所对应的单片机的4个引脚的电位的高低，就可以判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相应的命令，程序流程图如图4-2所示。4.3 太阳角度跟踪模块本系统

24、中，太阳角度跟踪模式是在当单片机判断当时是阴天状态时开始启用的，是通过软件查询来实现的，通过查询单片机引脚P2.4电位的高低来判断是不是阴天状态，图4-2光电检测跟踪模块流程当引脚P2.4为低电位时启用太阳角度跟踪模式。太阳角度跟踪模式的原理很简单，它是以太阳高度角和太阳方位角的计算为基础的，前面在数学模型的建立中已经对太阳高度角和太阳方位角的计算作了详细的介绍。进入太阳角度跟踪模式之后，首先读取DS1302时间，并利用这个时间值计算出当时当地的太阳高度角和太阳方位角的值，通过太阳板的长度以及计算出的太阳角度值来计算太阳板当时在太阳高度角和太阳方位角方向分别偏移水平方向的高度，延时15分钟之后

25、，利用同样的方法计算延时之后所对应的两个方向的偏移高度，计算两次调整之间的高度差，利用这个高度差来计算需要电动机转动的时间。这里延时15分钟是通过调用延时函数delay()来实现的。太阳角度跟踪模式的程序设计比较繁琐，因为它牵扯到太阳角度的计算、太阳板上升高度的计算、每次调整电机需要转动时间的计算。前面在硬件部分的设计中已经介绍了，本系统中采用的是外部时钟电路，选用的时钟芯片是目前常用的串行时钟芯片DS1302。它与单片机连接需要三条线SCLK（串行时钟线）、I/O（数据线）、RST（复位线），程序开始首先是变量初始化，也就是对这三条线进行定义。之后是写数据，读数据，显示数据。5 实验测试数据

26、下面是我们测得的夏日一天中地球接收太阳的色温值：（表中第一行为时间，单位：时；表中色温单位：T）24681012141618202224夏日001850250030004800500046002600000冬日001800200027004200440038002000000根据一天中的色温值我们测得的相应的油温如下表所示：（表中第一行为时间，单位：时；油温单位：摄氏度）24681012141618202224夏日670570600980110012001200120011501050900780冬日60047050089010501150120012001100900780700下面使用我们

27、测得的一些实验数据通过MATLAB处理而成的曲线图形： 图5-1 夏日光照强度时间曲线 5-2 夏日油温时间曲线 图5-3冬日光照强度时间曲线 5-4 冬日油温时间曲线6 创新点本文创新点如下： 1、系统选择两种跟踪方式光电检测方式和太阳角度跟踪方式相结合，使系统不仅能在晴天下跟踪太阳，阴天情况下也能正常跟踪，使智能跟踪平面可调式太阳能灶能够全天候自动跟踪太阳方位，这样就提高了系统的跟踪精度，避免系统由于在阴天情况下不能正常跟踪而引起的系统紊乱状态。2、将传统太阳灶的抛物面型改进为壁挂平面可调式。和传统的抛物面设计相比节约了立体空间且可以在小区楼群中使用，从而可以使太阳灶从农村向城镇发展。3、

28、我们设计的平面可调式智能跟踪太阳灶不同于传统太阳灶，系统智能化程度高，采用微型计算机控制，实现了太阳灶的无人操作与人工操作的结合，并实现太阳灶对光线的自动跟踪。热油循环系统可方便用户在室内进行操作，避免了在烈日下的暴晒。电辅助加热系统，在太阳光不能满足使用需求时，通过电辅助加热器可满足煮、煎、炖、炸等炊事活动，方便实用。参考文献1 王炳忠太阳能未来能源之星M高教出版社，19902 余海太阳能利用综述及提高其利用率的途径J能源研究与利用，2004，(03)3 徐机玲，蔡玉高太阳能利用新突破J瞭望，2004，(39)4 徐海荣充分利用我国太阳能资源-开发太阳能光伏产业J沈阳工程学院学报2006，2

29、（4）5 中国太阳能利用研究取得新进展J发明与创新2004，(01)6 张常年，赵红怡，吕原太阳能电池自动追踪系统的研制J计算机应用2001，27，（12）7 徐文灿太阳能自动追踪系统的探索与试验J物理实验2002，23，（9），45-488 薛建国基于单片机的太阳能电池自动追踪系统的设计J长春师范学院学报2005，24，（3）9 孙孝仁太阳能利用的现状与未来山西省科技情报研究所10孙俊逸，盛秋林单片机原理及应用M北京：清华大学出版社，200611朱定华单片机原理及接口技术M北京：电子工业出版社，200112杨光友微型单片计算机原理与接口技术M北京：中国水利水电出版社，200113郑学坚，周斌

30、微型计算机原理及应用M北京：清华大学出版社，200514张迎新单片机初级教程M北京航空航天大学出版社,200015沈建华MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M，清华大学出版社,200616 17丁金华串行时钟芯片DS1302的应用J大连轻工业学院学报1998，17（1），40-4518崔惠柳串行实时时钟芯片DS1302及其应用J广西工学院学报，1998，9（1），60-6419秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲M,电子工业出版社.200720胡大可MSP430系列单片机C语言程序设计与开发M，北京航空航天大学出版社.200321谭浩强.C程序设计（第二版）M，清华大学出版社.2004附：指导教师简介伊连云，女，满族，党员，副教授。现任德州学院学生处副处长。主持、参与德州市科研立项1项，院级立项3项，发表论文多篇。荣获德州市优秀教师、德州学院青年教师“新星”奖、德州学院青年教师教学骨干、德州学院教学大奖赛三等奖等荣誉称号。多次指导学生参加各类比赛，被评为山东省大学生机电产品创新设计竞赛优秀指导教师、德州学院大学生科技文化创新优秀指导教师、山东省暑期“三下乡”社会实践优秀指导