基于单片机的太阳光线跟踪系统的方案设计大学本科毕业论文.docx
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基于单片机的太阳光线跟踪系统的方案设计大学本科毕业论文
2014届毕业生
毕业设计说明书
题目:
基于单片机的太阳光线跟踪
系统的方案设计
摘要
我们都知道社会的发展科技的进步都离不开能源的消耗利用，没有了能源我们是享受不到科技带来的便利。
然而一个严峻的事实摆在人们面前，现在使用的能源无论是煤、石油还是天然气等都是有限的不可再生能源，如若有一天这些能源消耗殆尽该怎么办？
为了可持续发展现的需要，风能、水能以及太阳能等可再生能源受到了人们更高的重视。
伴随着半导体技术的发展光伏发电技术也越来越成熟，他的发展空间也越来越大。
本文主要探讨了对太阳光线进行跟踪的方法及原理，数据采集接收和驱动控制设备的硬软件设计。
本设计是一个双轴实时太阳跟踪系统其核心是光线检测器、单片机和电机驱动电路。
光线检测就是通过光敏电阻检测出太阳光线的强度，并把结果传输给单片机；单片机的功能就是接收光线检测器传回的各点光强判断出光线的方向并控制电机转动；电机驱动就是接收单片机传来的指令，根据指令转动电机。
经过一系列动作之后可以让太阳能电池板等设备保持跟太阳光线垂直使设备能接收到尽量多的光线从而提高设备利用率。
此设计的优点就是能够实时跟踪太阳光同时限于本人知识限制还存在缺陷，如：
阴天等恶劣天气情况下如何跟踪。
关键词：
双轴跟踪光线检测单片机舵机
TitleSunRay-tracingsystembasedonsingle-chipdesign
Abstract
Weallknowthatsocialprogressandtechnologicaldevelopmentareinseparablefromtheconsumptionofenergyuse,withoutenergywedonotenjoytheconveniencebroughtbytechnology.However,aharshtruthbeforethepeople,energy,etc.arenowusingeithercoal,oilornaturalgasarefinitenon-renewableenergysources,suchasifonedaytheseenergydepletionhowtodo?
Inordertopresenttheneedforsustainabledevelopment,wind,hydroandsolarandotherrenewableenergybythepeoplehigherpriority.Withthedevelopmentofsemiconductortechnologyphotovoltaictechnologyismoremature,andhisdevelopmentisalsogrowing.Thispaperdiscussesthemethodsandprinciplesofthesun'sraystotrack,dataacquisitionequipmenttoreceiveanddrivecontrolhardwareandsoftwaredesign.
Thisdesignisareal-timedual-axissolartrackingsystemisthecoreofthelightdetector,microcontrollerandmotordrivecircuits.Lightisdetectedbydetectingtheintensityoflightsensitiveresistorsun'srays,andtheresultstransmittedtothemicrocontroller;eachpointMCUfunctionistoreceivethereturnedlightdetectortodeterminethedirectionofthelightintensityandcontrolofmotorrotation;motordriveisreceivingmicrocontrollerinstructioncameundertheinstructionrotationalmotor.Afteraseriesofactionscanmakesolarpanelsandotherequipmenttokeepthesun'srayswiththeverticalsothatthedevicecanreceiveasmuchlighttoimproveequipmentutilization.Theadvantageofthisdesignistokeeptrackofmylimitedknowledgeofthesunwhilestilllimitingdefects,suchas:
Howtoadverseweatherconditions,suchasundercloudytrack.
KeywordsDual-axistrackingLightDetectionSCMServos
目次
1引言1
1．1能源的重要性1
1．2能源形势1
1．3新型能源的开发和利用2
2方案论证和总体设计思路3
2．1光线跟踪3
2．2方案论证5
3硬件电路的设计和选择5
3．1光线传感模块5
3．2单片机处理模块8
3．3控制装置的选择9
4系统程序设计12
4．1程序设计总体框图12
4．2程序源代码13
5系统电路的仿真16
致谢19
参考文献20
1引言
1.1能源的重要性
能源短缺在我们的想象中可能就是停电，无法看电视，没有电话，简单点说就是回到了20年前。
然而事实却并不像我们想象的那样，比如2012年7月30日和7月31日的印度大停电,印度东北部六亿七千万人口也就是世界十分之一的人口一下陷入了黑暗。
因停电引起的交通信号中断使得印度一半以上的火车被困在东北部而无法正常运行，大量旅客滞留这就无法避免了。
停电同样导致首都新德里的地下交通完全瘫痪,公路交通同样陷入一片混乱,跟可怕的是供水也发生了中断。
这仅仅是一次电力中断，结果已经让我们一窥能源短缺对我们工作和生活的影响，如果所有的能源都供应中断了，社会将是一种什么画面呢？
会有什么严重的社会动荡发生呢？
这些想都不敢想。
人类社会发展的基础就是能源尤其是现代社会,人类社会的不断发展离不开不断进步的能源利用方式。
有了能源利用的革命才有工业革命,最终出现了人类社会的革命。
可以说,没有能源,就没有现代文明,人类的文明发展史就是一部能源利用的发展史。
第一次工业革命发生在18世纪，在1871这一年瓦特改良了蒸汽机，从而开启了以机器代替手工劳动的时代。
1859年世界第一口油井在美国宾夕法尼亚州被开发，这之后出现了内燃机、汽车、飞机...
第二次工业革命是因为法拉利发明了电，现代科技开始出现和快速发展。
电子、通信、计算机、互联网已经深深的影响和改变我们的生活方式了。
1.2能源形势
世界石油的总储量在2700-6500亿吨之间。
同时也有7000亿吨存储在油砂和油页岩中。
但是乐观估计也只有1750亿吨可被取回利用，悲观点估计也就1000亿吨。
按现在世界每年耗油量30亿吨计算，可用130年左右。
可是现在已查明可开采石油储量879亿吨左右，如果每年开采30亿吨则29年就使用完了。
天然气的存储量也不是很多只有石油储量的一半左右，在天然气储量上各国专家有不同的说法，大致可分为两派：
保守主义者认为可以用储量只有70立方米；乐观主义者认为有281亿立方米。
我们就按281亿来计算也仅仅满足170年的需求。
煤炭的储量为14000亿吨上下，按现在世界每年煤炭消耗煤炭的量估算能够使用500年。
总的来说，现在使用的自然之源都是不可再生能源无论多少，在不久的将来都会使用完的。
现在就面临着这个问题将来我么该使用什么能源？
1.3新型能源的开发和利用
上一节提出的问题该如何解答，答案很简单就是使用新型可再生能源，比如风能、太阳能、水能、潮汐等。
其中太阳能是最好的选择应为它具有以下优点：
（1）普遍性：
从每天清晨太阳升起到下午太阳落山，我们每时每刻都在接收太阳的照射，可以说有阳光的地方都是有能量的，阳光无处不在；利用一些技术随时随地都能利用；
（2）无害性：
太阳光中虽然还有有害成分比如紫外线可是经过大气层到达地球表面的光线基本无害；
（3）能量巨大：
能量是不会消失的，他只是换了一个方式呈现出来而已，植物知道太阳光蕴含大量能量，所以植物通过光合作用把太阳能转换成自身需要的能量；
（4）长久：
在天文学界有这样的说法太阳消失的大概在100亿年后，这里我们不用杞人忧天因为人的寿命也就80年左右跟太阳相比不值一提，在这么长的时间里人们可以无限制的利用太阳能。
同时太阳能也有他的缺点，比如：
（1）分散性：
地球每天都能接收到大量太阳能可是在给定的地方接收到的太阳能实际上是很低的，也就是说太阳光能量密度不高，再加上太阳能转化效率低实际利用到的太阳能是很有限的。
（2）不稳定性：
白天有太阳而夜晚没有，晴天有阴天没有，赤道附近光强两极光弱，太阳光强度随着四季变更也发生变化。
（3）效率不高可成本高：
由于现有科技水平的限制，很多方面在理论上是可行的可是在实际应用中还存在技术难度过大、成本太高的问题。
再利用太阳能上是有很多问题存在可是这也不能阻挡，人类对太阳利用的决心。
本设计就是探讨了一种提高太阳能利用率方式以及设计一个简易模型。
2方案论证和总体设计思路
2.1光线跟踪
在地球上的任意一点，随着季节的变化太阳光的入射角都会发生变化，在每一天的不同时间段入射角也是不同的。
无论太阳的入射角如何变化，要想更有效率的利用太阳能只需要保证让太阳能电池板实时与太阳光线保持垂直就行，要想达到这样的目的就要用到光线跟踪系统。
光线跟踪方式可分为：
时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种，在这里简单介绍几种跟踪装置。
时钟式可以分为单轴和双轴，但工作原理是一样的，就是通过测量太阳每分钟在天空中运动的角度，从而计算出太阳跟随器应该转动的角度，然后确定出电机的转速，这样就保证了太阳跟随器能跟着太阳旋转。
但是他有一个致命缺点：
跟踪精度不够。
光电式太阳跟踪装置。
光电式太阳跟踪装置使用的是光敏电阻构成的光敏传感器来测定太阳光线的方向，当太阳光线的方向与跟踪装置的中心轴达到预先设定的临界值时，动力装置就会工作调整跟踪装置的位置，使太阳能电池板等更太阳光线垂直，从而实现对太阳光线全方位实时追踪。
跟上一种跟踪方式相比，光电式太阳跟踪器通过实时监测太阳光实现了较精确的控制，并且电路设计不是很复杂，现在受到了和高的关注。
现在使用较多的光电式太阳跟踪有两种比较式和“多元化”。
如图2.1为光电式太阳跟踪装置的工作原理图。
图2.2比较式太阳跟踪系统得传感器外形图
比较式太阳跟踪装置就是用八个光敏电阻分别一个不透光圆筒的外部和内部的上下和左右，如图2.2所示。
P1和P3分别在圆筒左右两侧，他们是用来粗略测量太阳从东向西运动过程中的偏转角度也就是方位角。
同理，位于上下两侧的P2和P4是用来粗略测量太阳的俯仰角度也即是高度角。
在管内同样设置了两对相对的光敏电阻，他们是用来精确测定太阳光线方向的，P5和P7精确测定方位角，P6和P8精确测定高度角。
本次设计粗略定位太阳光线已足够，在这里就对如何精确定的问题不做讨论，仅讨论粗略定位问题。
我们先假设太阳跟踪装置跟太阳光线是垂直的，此时光敏电阻P1和P3都能接收到相同的光线，由光敏电阻的特性可知，当入射光线强度相同时光敏电阻的阻值也相同，每个光线感应模块都输出低电平，不同时光线弱的哪个传感器就会输出高电平，经过一段时间随着地球的自转太阳会偏到跟踪装置的西侧，这时光敏电阻P3还能接受到光线，然而P1由于圆筒形挡光板的遮挡而接收不到光线，这时P3输出低电平P1低电平，证明跟踪装置与太阳光线方向不垂直。
然后把这个信号传给控制单元，控制跟踪器工作，从而实现对方位角的实时跟踪。
同样的原理，高度角的跟踪也是这样的。
2.2方案论证
根据以上的论述可以确定使用光电式双轴跟踪方式实现对太阳光的实时跟踪是可行的。
本方案的太阳光跟踪系统是有光电二极管、AT89c52单片机、NE555定时器、控制电路等主要模块组成。
传感器部分采用光敏二极管，将光信号变换为电信号。
经过NE555构成的单稳态触发器输出数字信号。
控制电路以单片机为核心，能够对采集的数字信号进行处理和判断，使用一定的算法判断出太阳光的方向，然后控制动力装置实现对太阳的跟踪。
系统框图如图2.3所示。
图2.3方案设计系统框图
3硬件电路的设计和选择
3.1光线传感模块
（1）NE555定时器
图3.1555定时器内部结构
如图3.1这是555定时器内部结构。
他主要有比较器C1和C2、SR锁存器和三极管V1三部分构成。
555定时器最开始的用途是作为定时器使用，不过经过开发现在可以很轻松的构成斯密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
NE555各管脚的功能
图3.2NE555封装图
图3.3NE555实拍图
555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图3.2所示，图3.3为NE555实拍图
1脚为地端；
2脚为比较器C2的输入端也称触发输入端（用TR’标注）；
3脚为输出端，输出电平受到C1比较器6管脚和C2比较器2管脚的控制；
4脚是置零输入端。
当4管脚被接上低电平输出端3管脚输出低电平，且不受其他影响；
5脚是控制端。
当5脚悬空时UR1=2/3Ucc，当5管脚连接固定电压时UR1=Uco，UR2=1/2Uco；
6管脚是比较器C1输入端；
7脚称放电端，他和输出端3管脚一样，都输出电平不同的是3管脚还输出电流而7管脚不输出，可以理解为虚高；
8脚就是电源输入端。
（2）NE555定时器构成单稳态触发器
本次设计是用NE555定时器构成单稳态触发器，来测定入射光强度。
图3.4光线检测模块
在学习数字电子技术基础的时候我们学习了由555定时器构成的单稳态触发器的工作原理。
NE555定时器的2引脚为脉冲信号输入端，当2引脚没有脉冲信号时是处于高电平的，无论接通电源时SR锁存器的Q端是0还是1，定时器的输出端3引脚的输出U0始终为零。
当有触发脉冲输入到NE555时并使引脚2的输入电压跳变到1/3Ucc一下时，输出管脚3的电平跳变为高电平即U0=1，此时电路在暂稳态。
如果此时输入端触发信号消失，输入端2引脚再次回到高电平，同样输出端也会回到低电平。
若不消失，输出继续维持高电平。
这是555定时器构成单稳电路的工作特性。
图3.4是本次设计使用的光检测模块，单稳电路的输入端跟光敏电阻和滑动变阻器相连。
这里是根据光敏电阻的特性光越强阻值越小、光越弱阻值越大，当光线不足时滑动变阻器两端的电压会减小，当减小到Ucc的1/3时，输出端引脚3就会输出高电平，这时单片机读取信息并处理。
图3.5光检测模块分布示意图
（3）如何判断太阳光方向
虽然单片机接收到高电平知道光线不足，但是单个光线检测器不能够确定到底太阳光在哪个方向。
这里我们用到了四个光敏电阻构成的检测模块，分别分布在圆柱形挡板外侧，P1和P3比较可以得出太阳的方位角，P2和P4比较可以得出太阳的高度角。
四个传感器相符配合能够确定出太阳光线准确方向。
3.2单片机处理模块
STC89C52功能简介
图3.6单片机的DPI封装图
关于单片机功能以及各个引脚功能的介绍已经太多，这里只是简单介绍一下。
本次设计使用的的STC89c52RC单片机，片内有8k的Rom满足本次设计程序存放。
需要注意的一点事本次设计中并没谁有给单片机设置复位电路（图3.7），因为这款单片机自带自动上电复位电路，无需外接复位电路。
图3.7单片机的复位电路图
3.3控制装置的选择
（1）各种可用于本设计电机的比较
直流电机顾名思义就是用直流电驱动的电机，能够把电能转化成机械能。
直流电机的优点就是转速均匀机械强度高，缺点就是转动角度难以控制。
步进电机（图3.8）是通过PWM波信号控制电机转动角度来实现角度变化。
也可以这样说PWM波信号驱动电机转动给定角度，然后根据信号个数来确定转动几次。
在正常工作下步进电机转动角度是不受外接负载影响的。
图3.8步进电机实拍图
图3.9舵机实拍图
舵机（图3.9）又称伺候机，在航模和自动化中有广泛应用。
舵机是由外壳、电路板、无核心马达、减速齿轮组和位置判断电路组成。
他主要是接收指令，根据指令转动到一个特定位置来达到精确控制目的。
舵机工作电压为4-6伏，一般取5伏，所以舵机不能跟单片机直接相连，因为单片机管脚的输出电压只有3伏，需要额外电源供电。
如果供电不足舵机会出现抖动现象。
舵机是用PWM波控制的并且这个PWM波的周期一定要是20ms（频率为50Hz），一般情况下舵机型号不同可转动角度不同通常情况下舵机能转动180度，舵机在接收不同宽度脉冲时转动角度不同，一般情况下舵机只能接收宽度为1ms-2ms的脉冲信号，如图3.10所示
图3.10不同脉冲宽度对应转动角度
（2）动力装置选择
直流电机不易控制转动角度，不适合本设计。
现在只剩舵机和步进电机，步进电机不仅能够精确控制转动角度，还能360度全方位旋转，很符合本设计需要。
但是如果选用步进电机就要面临一个很棘手的问题，对于没有学习过结构力学的我来说动手做一个安放两个步进电机的支架是很困难的。
舵机虽然只能旋转180度，但是舵机有云台可以使用。
现初步选择舵机作为本次设计的动力装置。
不过还有一个更重要的问题就是舵机只能旋转180度能不能达到对太阳光的实时跟踪？
我们现在以北京为例（东经116.3o，北纬39.95o）来计算一天中太阳方位角的变化，根据公式
A—太阳方位角；h—太阳高度角；δ—太阳赤纬；Ω—太阳的时角
计算出北京在6月21日这一天中太阳方位角的变化结果如表1
表1太阳方位角一天中变化
从表可以看出，在太阳最靠近北回归线时太阳在一天中的方位角变化差值也只有180o左右。
所以选择舵机是能够满足实时跟踪太阳光线的设计需要。
最终选择舵机作为动力装置。
4系统程序设计
4.1程序设计总体框图
本次设计利用单片机读取光线检测器P2和P4的电平高低，如果都为高电平则跟踪装置回到初始位置（旋转到最东边，俯仰角度为90o），证明此时光线强度不足。
若至少有一个为低电平，这时检测P1和P3电平高低，先调整方位角即东西方向旋转直到P1和P3电平都为低电平为止。
然后再检测P2和P4电平高低调整高度角，直到电平都为低。
系统设计框图如图4.1
图4.1系统框图
4.2程序源代码
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitp12=P1^2;
sbitp13=P1^3;
sbitp32=P3^2;
sbitp33=P3^3;
sbitp34=P3^4;
sbitp35=P3^5;
voiddelay10us（uinta）//10us
{
uinti;
for（i=0;i_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
}
voidpwm（uintx,uinty）
{
if（xp12=1;
p13=1;
delay10us（x）;
p12=0;
delay10us（y-x）;
p13=0;
delay10us（2000-y）;
}
else{
p12=1;
p13=1;
delay10us（y）;
p13=0;
delay10us（x-y）;
p12=0;
delay10us（2000-x）;
}
}
voidmain（void）
{
uintm=70;//p12
uintn=70;
while
（1）{
pwm（m,n）;
if（p32==1&&p33==0&&m<=110）
{
m++;
}
if（p32==0&&p33==1&&m>=30）{
m--;
}
pwm（m,n）;
if（p34==1&&p35==0&&n<=110）
{
n++;
}
if（p34==0&&p35==1&&n>=30）{
n--;
}
if（p34==1&&p35==1）
{
m=n=70;
}
}
}
5系统电路的仿真
图5.1系统电路在proteus中的仿真图
本次设计使用的是舵机由于舵机没有在proteus原件库中，所以有一示波器测试P1.2和P1.3输出波形。
从上边我们的介绍可知舵机的控制是受到周期为20ms的PWM波控制的，通过观察这两个端口输出波形占空比的变化可以推测出舵机做了什么运动。
例如P3.0端口的光线传感器光线变弱，从图5.2可以观察到P3.0端口接收到了高电平，而P3.1以及P3.4和P3.5都为低电平，当单片机接收到这个信号时可以判断出P1传感器光线不足，这时单片机就会增大给舵机输出PWM波的占空比（如图5.3），当P3传感器光线不足时，同样道理单片机也会输出PWM波来改变跟踪装置位置，不同的是输出的是减小占空比的信号（如图5.5），其中图5.4是初始位置PWM波。
图5.3占空比变大
图5.4初始占空比
图5.5占空比变小
致谢
大学生活即将结束，大学期间，我的老师和同学给予我生活上的照顾以及学习上帮助。
有了他们的真心帮助，我才能顺利并愉快地完成本科生的学习任务。
借此机会我对他们致以最诚挚的感谢和最衷心的祝福。
感谢我的导师王珂，他学识渊博，独具匠心，对工作认真负责。
王老师严谨治学和精益求精的工作态度以及提出的许多富有启发性的意见使我受益匪浅。
在论文的撰写过程中，我遇到许多困难，是王老师百忙之中帮我解惑，在王老师的悉心指导和严格要求下，我才能顺利完成自己的毕业论文。
同时，从王老师身上，我学到了许多书本上难以学到的东西，使我的人生观和价值观更加成熟。
在此，对他表示深深的感谢!
另外，感谢我的家人和朋友，谢谢他们对我的理解和支持，以及无微不至的关怀。
我衷心地想对你们说：
谢谢你们！
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：
高等教育出版社，2006,590.
[2]肖看，李群芳.单片机原理
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