毕业设计论文用于追踪太阳光的传感器研究.docx
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毕业设计论文用于追踪太阳光的传感器研究
题目用于追踪太阳光的传感器研究
学生姓名学号
所在学院物理与电信工程学院
专业班级通信工程专业1204班
指导教师
完成地点物理与电信工程学院实验室
2013年6月6日
陕西理工学院
毕业论文﹙设计﹚任务书
物电学院院（系）通信1204班学生
一、毕业论文﹙设计﹚题目用于追踪太阳光的传感器研究
二、毕业论文﹙设计﹚工作自_2016_年_1__月__1___日起至__2016_年6月__15___日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:
物电学院实验教学中心
四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：
1、追踪太阳光可以大大提高太阳能光伏发电的效率，准确、方便追踪的核心是光电传感器。
根据光电器件的特性、电路原理、控制理论或计算机技术设计一个传感器，能够满指出的方位角、俯仰角，便于控制器及执行机构快速定位。
2、具体做好系统设计、原理分析、实验测试方案和步骤说明。
3、掌握撰写毕业设计报告的方法。
要求格式正确，文字流畅，突出“目的、原理、方法、结论”四要素；对所选题目的研究有系统、深刻的认识，报告陈述、答辩中概念准确，逻辑严密，主题鲜明。
4、要求方案论证有报告；硬件设计有原理，制版、调试有方法、有过程；报告有论文，参考有文献。
进度安排:
1、2016年3月15日前完成毕业设计开题报告，并提交至毕业设计管理系统，进入实验室开始设计任务。
2、2016年4月30日前学院组织毕业设计中期检查。
3、2016年5月30日前完成毕业设计成果验收。
4、2016年6月10日前完成设计论文定稿、毕业答辩等工作。
5、2016年6月15日完成毕业设计所有材料的整理归档。
指导教师教研室通信工程
教研室主任（签名）批准日期
接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名：
用于追踪太阳光的传感器研究
（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1204班，陕西汉中723003）
指导教师：
[摘要]在太阳能发电中，因太阳能电池板接受太阳光照强度的不同,太阳能电池板的发电效率会有较大差异,根据太阳活动规律,有效调整太阳电池板与太阳光线的角度是决定太阳能电池板发电效率的关键因素。
本设计的原理是选用STC89C51单片机作为智能单元，利用传感器（光敏电阻）把接收到的光信号转换成电信号，然后经过信号处理及单片机控制后，由控制电路输出相应的控制数字信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。
经测试，最终可以实现水平和垂直方向双轴同时对太阳光的检测，以实现太阳能电池板自动追踪太阳光的目的。
[关键词]太阳跟踪;单片机;光敏电阻;步进电机
Asensorusedtotrackthesun'slight
Dengxin
（Grade12,Class4,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsand
telecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,China）
Tutor:
FuMingxing
Abstract：
Insolarpower,duetosolarpanelsacceptanceofsolarilluminationintensityisdifferent,solarpanelspowergenerationefficiencywillhavebiggerdifference,accordingtothelawofsolaractivity,effectivelyadjustthesolarpanelsandsolarlightangleiskeyfactortodeterminethepowergenerationefficiencyofsolarpanels.TheprincipleofthedesignisusingSTC89C51MCUastheintelligentunit,thereceivedopticalsignalintoanelectricalsignalbysensor（photosensitiveresistance）andafterthesignalprocessingandmicrocomputercontrol,drivingrangeangleadjustmentmechanismandelevationangleadjustingmechanismtoachievethecorrespondingpositionadjustmentbyacontrolcircuitoutputsthecorrespondingcontrolsignal.Aftertesting,thehorizontalandverticaldirectioncanberealized,andthesolarlightcanbedetectedbythetwoaxissimultaneously.
Keywords:
thesuntracking；microcontroller；photosensitiveresistance；steppermotor
1.绪论
1.1研究的背景和意义
随着社会的飞速发展，人们保护环境的意识也随之提高，致力开发一些环保能源。
比如，在风能，水力发电，太阳能等各种新型能源中，有很多专家学者都倾向于开发太阳能。
风能、水能、潮汐能、生物质能等它们都属于可再生能源，而且都来自于太阳能，所以，太阳能是那些可再生能源中最主要的基本能源。
太阳能是一种新型节能能源，它与普通的能源比较有四个特点：
第一、太阳能的总量十分巨大：
每年辐射到地球表面上的太阳能大约相当于130万亿吨煤碳燃烧的热量，并且跟据世界能源会议统计，世界已经探明可着手采煤炭储量总计为15980亿吨，估计还能开采200年，全世界可以开采的化石能源总量约相当于33730亿吨原煤，由此可以说太阳能的总量是现今世界上可以开发的最大的能源。
第二、太阳能具有无害性，太阳能是一种清洁无污染的能源，开发和利用太阳能不会污染环境，它是最干净的能源之一，在环境污染愈发严重的今天，这一点是非常可贵的，所以人类对太阳能的普及已经是重中之重。
第三、太阳能具有普遍性：
它是我们可以利用的最丰富的能源，自从地球上有生命诞生以来，它们就主要以太阳提供的辐射能生活，太阳光它普照大地，在地球上，无论哪里都有太阳能，尤其是对于交通不发达的村庄、岛屿和偏远地区更具有利用价值，也没地域限制无论陆地或海洋，到处都有，都可以直接开发利用，而且不需要开采运输。
第四、太阳能还有长久性：
科学家根据日前太阳产生的核能速率进行估算，得出结果，氢的储存量可以维持上百亿年，而且地球的寿命约为几十亿年，单从这一点上，就能够说明太阳能量是用之不竭的。
由此可见，大规模开发和利用太阳能是我们面向未来，实现可持续发展的必经之路。
随着社会日益发展，人类对电的需求每年以很大的幅度增加，所以对能源的需求也极速增长。
全世界对这些能源的消耗在1970年约为83亿吨的标准煤，但是在1995年，这种消耗竟然达到了140亿吨的标准煤，也就是说在25年间增长了69.7%，据这种增长速率，科学家预计，到2020年全世界对能源的消耗会高达195亿吨的标准煤。
据公认的估计，假如人类对能源的需求一直以现在的速度增长，那么全世界的石油将在今后40年间被消耗完，还有天然气和煤也最多分别能维持60年和200年左右。
不仅如此，我们大量使用化石能源已经开始造成全球气候变暖，燃烧煤碳会通过煤渣、烟尘释放出大量的有化学毒性的重金属和有放射性的物质，严重污染了我们的生活环境。
所以，利用和开发用新兴能源和可再生能源来渐渐减少和替代化石原料的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。
这个举措对于世界尤其是我国来说是十分迫切的。
太阳能不仅可以再生产，不污染环境，而且最主要是总量可观，分布范围广泛，所以，它是世界上公认的理想新兴清洁替代能源。
1.1.1课题研究的目的和意义
根据现况，开发利用太阳能受到科学家们越来越普遍的重视，因此，它是各国都在研究的重大课题。
它对人类来说是一种取之不竭而且能自由免费利用的绿色能源。
我国的太阳能资源非常丰富，它作为一种清洁无污染的能源，发展前景也是非常广阔，太阳能发电已成为全球最受欢迎的利用新型能源的方法。
但是也存在一些瑕疵，太阳能也有间歇性、光照方向和光照强度随时间不断变化等等问题，这样我们就对太阳能的采集和利用提出了更高的要求。
目前，我们都不能充分利用太阳能资源，因为很多太阳能电池板的排列规律基本上是固定的，所以发电的效率特别低。
根据实验，在太阳能光生电中，相同条件下，采用太阳跟踪发电的装置要比固定发电的装置的发电量高出35％，因此在太阳能利用中，进行追踪是十分重要的!
智能型自动跟踪太阳的装置设计是为了解决太阳能转换效率低的问题，并且为了更大限度的利用太阳能。
太阳光照射的角度不能固定，要想达到最大的集热效果，太阳能电池板应和太阳光线保持垂直。
本设计要求设计一种可以自动跟踪太阳的控制系统，使太阳能电池板可以随着太阳光线的移动而转动方向，保持太阳板与太阳光线基本垂直，以达到最大的发电效率，成本低，有较好的推广利用价值。
长期以来，世界能源主要消耗石油，煤炭等矿物燃料，但是这些都是不可再生能源数量有限，同时矿物燃烧时会产生大量的二氧化碳，污染环境。
所以，根据现状，各国加大力度开发新能源。
于是，太阳能这个清洁可再生能源已经受到许多国家的重视和利用，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。
1.2国内外的研究情况
我国很多科学家也都陆续展开了这方面的研究。
1994年《太阳能》杂志简述了单轴液压的自动跟踪器，完成了单向跟踪，国家气象局计量站在1990年研制出了FST型全自动太阳跟踪器，成功用于太阳辐射观测。
2005年与以色列合作，在江苏省南京市建立成了第一座功率为75kw的太阳能塔式热发电示范电站。
此外，国外对太阳跟踪研究也有了突破性进展。
1997年美国的Blackace研制出了单轴的跟踪器，这种装置根据赤道坐标系下的太阳运行原理完成东西方向的自动跟踪，但南北方向通过手动的调节，接收器的接收效率提高了15%。
1998年美国，加州成功的研制出了ATM两轴的跟踪器，使热接收率得到进一步提高。
据现阶段国内外科学家对太阳跟踪的研究情况来看，普遍采用单轴的跟踪方式。
随着科学技术的发展，太阳跟踪装置会朝着双轴的跟踪方向发展，做到同步跟踪太阳，太阳能的接收率有了很大提高。
1.3论文的主要研究内容
本设计要求设计一种自动的跟踪太阳的智能控制系统，从而更有效的利用太阳能。
所以采用双轴跟踪的方法对太阳进行跟踪，使太阳能接受装置能够始终垂直于太阳。
主要内容包括：
（1）分析太阳的变化规律，由此为基础制定比较合理的跟踪策略。
（2）分析所需要的传感器（光敏电阻）的功能及工作原理，设计光电转换电路。
（3）分析系统的硬件要求，选取符合条件的控制芯片，设计控制系统。
（4）设计控制方案，步进电机以及驱动电路。
（5）软件设计及实物平台搭建。
1.4本章小结
本章主要介绍了本课题的研究背景和意义，说明了太阳能是一种新型的清洁无污染能源，并且含量丰富，分布范围广，属于可再生能源，国内外已经开始开发利用太阳能了，并且受到国际上认可，对社会主义建设有着深远的战略意义。
还介绍了本设计的总体思路和需要研究的内容。
2.系统的总体设计
2.1太阳跟踪方式
目前对太阳能利用最好的方式是太阳板将通过太阳能转换成热能，为了尽可能多的收集太阳能，采取最好的方式是跟踪方式，使太阳正对太阳能板。
跟踪方法在传统的方式下主要采用以下两种方法：
视日运动轨迹跟踪和光电追踪，后者是闭环的随机系统，前者是开环的程控系统。
2.1.1光电跟踪
光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。
在这些装置中，通过调整遮光板的位置使太阳对准遮光板、硅电池位于阴影区；当太阳移动时遮光板的阴影位置会发生偏移，阳光直射光电板会输出一定的微小电流，作为偏差信号，放大电路被放大后，由执行机构调整步进电机的角度使追踪装置垂直太阳完成追踪。
光电追踪灵活度高，结构设计较为不难；但受天气的影响不小，如果在较长时间段里出现乌云挡住太阳的情况，太阳光线一般不能照射到硅电管上，导致追踪装置无法垂直太阳，甚至会引起执行机构的误动。
2.1.2视日运动轨迹跟踪
视日运动轨迹跟踪方式有两种方式，可分为单轴追踪和双轴追踪。
（1）单轴追踪。
单轴跟踪又可分为水平方向的单轴跟踪、不同倾角的单轴跟踪、最佳倾角的跟踪。
单轴追踪一般会采用三种方式：
①倾斜方向放置东西追踪；②焦线南北方向放置，东西追踪；③焦线东西方向放置，南北追踪。
这三种方式都是南北向或东西向追踪的单轴追踪。
单轴追踪的优点是结构不困难，但是由于入射光线不能始终和主追踪轴平行，收集太阳能的效果并不太理想。
（2）双轴追踪。
如果可以在太阳俯仰角和方位角的变化上都可以追踪太阳就能获得最大利用的太阳能，双轴就是根据这样的要求而设计的全追踪方式。
双轴追踪又可以分为两种方式：
极轴式全追踪方式和俯仰角方位角式全追踪方式。
2.2系统总体设计要求及分析
2.2.1系统总体设计要求
对于本设计课题的整体要求是造价低廉、结构简单、性能可靠、充分考虑其经济性。
在结构设计过程中，避免复杂和浪费，力图简单整洁，并且要便于安装和维护。
另一方面，在控制单元设计中，要充分考虑到系统的全天候要求，要选用耐用和抗干扰性强的执行单元，避免发生故障。
本设计所要达到的目的是提高太阳能的利用率，确定使用太阳板将太阳能转化为电能。
通常对太阳能进行转换的时候，因为太阳是不停运动的，所以如果接收装置是固定的，则无法时刻做到与太阳光线垂直，只能在固定时间吸收某一部分太阳能，而在其他时间的吸收效率不高甚至根本无法吸收到太阳能，因此，如果使太阳的吸收效率提高，必须要使太阳能吸收装置与太阳运行轨迹一致，从而可以持续吸收太阳能。
在本设计中采用的是双轴跟踪法对太阳进行实时跟踪，使太阳能板能够始终正对太阳，从而提高吸收效率。
设计要求如下：
1.此装置能根据天气条件进行工作，晴天自动跟踪，阴天或黑夜停止跟踪。
2.在进行跟踪时，能确保太阳板始终与太阳光线垂直，更充分吸收太阳能。
3.在本设计中，要求硬件部分和软件部分能准确合理的配合和工作。
2.2.2系统总体设计分析
本设计主要模块包括：
单片机控制电路,光电转换电路，AD转换电路，电机驱动电路。
本部分首先主要介绍各个模块的硬件电路，以及整体实物平台搭建部分的原理分析，还有软件设计方面的研究。
硬件方面：
采用全方位跟踪系统，能够同时在方位角和俯仰角两个方向同时进行跟踪，包括光电传感器，信号处理及控制电路，方位角及俯仰角控制机构组成。
被传感器接收到的光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路及控制电路后，由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和俯仰角调整机构实现对应的位置调整。
软件方面：
以单片机芯片作为控制核心部分，经过数模转换模块，最后通过AD电压采样控制步进电机的正反转。
综上所述，本设计采用的具体方案是阳光照在光敏电阻上，通过光电转换变成电压值，输入AD转换电路，进行DA转换，然后进行AD电压采样，输入控制核心单片机，经处理后最后经过驱动芯片从而控制步进电机的正反转，使太阳板始终与太阳光线垂直。
下图为系统的总体设计方案
照射电压值数字信号
图2.1系统总体设计方案
2.3本章小结
本章主要介绍了太阳跟踪系统的两种跟踪方式，分别简述了两种跟踪方式的特点和原理，并最终决定采用双轴自动跟踪的方式。
此外，也大体上说明了总体设计方案和原理，总结出了流程图。
3.系统的硬件设计
3.1单片机控制电路
为了使用方便，系统要求可以进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源，同时使系统使用尽可能少的外围扩展芯片，提高系统运行的可靠性，要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器，基于以上原因，选用STC89C51单片机。
它是通过复位电路和晶振电路组成。
STC89C51单片机也是最早期的典型产品，STC89C51单片机开发板是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统。
STC89C52RC具有在系统可编程（ISP）的特性，配合PC端的控制程序即可将客户端的代码下载到单片机里面，去除了购买通用编程器的麻烦，而且速度更迅速。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
有如下功能：
·8位的CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）
·128bytes的数据存储器（RAM）（52有256bytes的RAM）
·32条I/O接口线
·111条指令，基本为单字节指令
·21个专用寄存器
·2个可编程定时/计数器
·2个优先级（52有6个），5个中断源
·一个全双工的串行通信口
·外部数据存储器寻址空间为64kB
·外部程序存储器寻址空间为64kB
·逻辑操作具有位寻址功能
·单一+5V电源供电
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格；
五个中断源的中断控制系统；
一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；
图中各引脚连接：
LED1LED2是两个指示灯分别代表自动模式和手动模式；TXRX是指串口通讯接口即程序下载接口；KEY1-KEY5是代表五个按键，其中一个是手动和自动模式之间的切换，另外四个是手动模式下，手动控制电机的上下左右四个方向的转动；X1X2是连接晶振电路的；IN1-INT8是一个上拉排阻，它连接驱动芯片ULN2803，目的是提高输出电平，增加单片机的驱动能力；SDASCL分别代表连接I²C总线的数据线和时钟线。
图3.1单片机最小系统
3.1.1复位电路
单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。
当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。
单片机的两个机器周期必须小于复位电平的持续时间。
具体的数值可以由RC电路计算得到。
图3.2复位电路
3.1.2晶振电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。
高级的精度更高。
有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。
3.2光电转换电路设计
3.2.1光电传感器
光敏电阻的工作原理是基于光电效应。
在半导体光敏材料两端被装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管道里就构成光敏电阻，为了增加灵活度，两电极常被做成梳子状。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。
3.2.2光电转换电路工作原理及电路设计
光电转换装置接收太阳光，将光信号转换成电信号，根据所采集到的信号，由单片机分析得最终控制的步进电动旋转与转向来达到太阳能板,结果始终是垂直于入射光线，从而达到利用太阳能的最高效率。
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，单片机控制驱动芯片驱动电机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，单片机控制驱动芯片驱动电机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驱动芯片驱动电机M2的正反转，从而实现电池板垂直角度的调整。
光敏电阻的分布如图所示
图3.3光敏电阻模型
图3.4光电转换电路
3.3AD转换模块电路设计
3.3.1AD转换模块
1.AD模块的组成
AD转换电路包括电压信号输入部分，AD转换部分和AD电压采样，信号输出部分。
2.AD转换原理及电路设计
由光电转换电路所得到的信号为模拟信号，所以采用AD转换器，将模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机进行处理。
模拟量可以是电压、电流等信号，但在AD转换前，输入到AD转换器的输入信号必须是电压信号。
它是Philips（飞利浦）公司推出的串行总线，它与传统的通信方式相比具有读写方便，结构简单，可维护性好，易实现系统扩展，易实现模块化标准化设计，可靠性高等优点。
PCF8591为单一电源供电（2.56V）典型值为5V，CMOS工艺PCF8591有4路8位A/D输入，属逐次比较型，内含采样保持电路；1路8位D/A输出，内含有DAC的数据寄存器A/DD/A的最大转换速率约为11kHz，但是转换的基准电源需由外部提供。
它的输如、输出都是通过I2C串行数据接口传递的。
图3.5AD转换模块
3.4步进电机驱动电路设计
3.4.1步进电机的介绍
前面介绍了光电转换电路，AD转换电路，和单片机电路部分的设计，其最终的目的也就是要控制步进电机的正反转。
步进电机是将电脉冲转化为角位移的开环控制执行机构。
步进电机又称为脉冲电动机，当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的
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