基于单片机智能太阳能的设.docx

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基于单片机智能太阳能的设

摘要

随着社会的发展太阳能已经逐渐走进人们的生活；但是现在市场上的太阳能大多数为固定的、单一方向的对光源的吸收；经常会出现水温加热不到位给人们的日常生活带来不便。

本设计根据传感器对外部信号的收集、模拟电路对信号的转换、以及单片机对信号的处理来控制太阳能对光线的寻找；用来对水箱内的水进行长时间的加热；以保证人们的日常生活所需的热水；本设计的第一章来介绍和了解一些要用到的传感器的原理和应用的介绍；第二章节通过的模拟电路的工作原理的概述介绍本设计的核心工作；第三章节通过对本设计的核心驱动元件步进电动的驱动和控制做详细的介绍；第四章节通过对前几章节的总结系统化的设计此系统。

关键词：

传感器、单片机、太阳能

Abstract

Withthedevelopmentofsolarenergysocietyhasgraduallyenteredpeople'slife;butnowonthemarketofsolarenergymostsingledirectionisfixed,thelightabsorption;oftenheatingdoesnotreachthedesignatedpositioncausesinconveniencetopeople'sdailylife.

Accordingtothedesignofsensorofexternalsignalcollection,signalconversion,analogcircuitandsinglechipforsignalprocessingtocontrolsolartolightfor;heatingtothewaterinthewatertankforalongtime;inordertoguaranteetherequireddailylifehotwater;thedesignofthefirstchaptertointroduceandunderstandtheprincipleandapplicationofsomeusetothesensorisintroduced;theworkingprincipleofanalogcircuitthroughsecondchapterstheintroductiontothecoreofthedesignwork;thirdchapterthroughtothecoreofthedesignofthedrivingelementofstepmotordriveandcontroltodoadetailedintroduction;fourthchaptersummarizesthesystemthroughthedesignofthefrontsectionsthissystem.

Keywords:

sensor,microcontroller,solarenergy

第一章绪论1

第一节传感器的功能与作用介绍1

第二节传感器的工作性能指标2

第三节传感器的原理与应用3

第二章步进电动机的概述与控制5

第一节步进电动的概念与结构5

第二节步进电动机工作原理与启动6

第三章智能太阳能的设计7

第一节作品的介绍和工作原理7

第二节产品的工作流程8

第三节设计结构9

结束语11

谢辞12

参考文献13

第一章绪论

第一节传感器的功能与作用介绍

一、传感器的定义

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

二、传感器的功能与作用

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

三、传感器的原理

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

一、传感器工作原理分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

一、传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

2、化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

现在越来越受到工业控制青睐的激光传感器发展迅猛，激光传感器不仅应用广泛，更主要的是利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。

激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。

ZLDS10X系列品牌激光位移传感器具有数字化集成一体化结构，0.01%高分辨率，0.1%高线性度，9.4KHz高响应、IP67防护等级和可同步等高性能。

工作温度范围宽，特别适用于工业环境高精度应用。

第二节传感器的工作性能指标

一、传感器静态性能指标

传感器静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的主要参数有：

线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

1、线性度：

指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

2、灵敏度：

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。

其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。

用S表示灵敏度。

3、迟滞：

传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。

对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

4、重复性：

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

5、漂移：

传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。

产生漂移的原因有两个方面：

一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。

6、分辨力：

当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。

7、阈值：

当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称传感器的阈值电压。

二、传感器动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

第三节传感器的原理与应用

一、传感器的原理

传感器的原理主要是利用敏感元件对外界事物的识别和感应来工作的，传感器分为物性型和结构型两种；物性型主要是利用物质的某些特性来感应外界物质的变化；结构型主要是外界变化对物质结构的影响来监测外界事物的变化。

如电容式传感器、电感式传感器等。

二、热敏电阻和金属热电阻

（1）热敏电阻

①构造：

用半导体材料制成。

②特性：

热敏电阻的阻值随温度变化而发生显着的变化，其特性曲线是如图1-1所示。

能够将温度这一热学量转化为电阻这一电学量。

③应用：

用来测量温度及实现温度的自动控制。

④说明：

通常情况下热敏电阻的阻值随温度的升高而减少，但也存在随温度升高而增大的热敏电阻。

图1-1热敏电阻的特性曲线

（2）金属热电阻

①材料：

金属丝，常用的热电阻用铂做成。

②特性：

其电阻随着温度的升高而增大，它能够将温度这一热学量转化为电阻这一电学量，其电阻—温度特性曲线如图1-2所示：

图1-2金属热电阻特性曲线

③应用：

测量温度。

第二章步进电动机的概述与控制

第一节步进电动的概念与结构

一、步进电动机的概念

步进电动机又称脉冲马达，是将电脉冲信号转换成为线性位移或脚位移的电动机，是数字控制系统中的一种执行元件，广泛应用于数控机床和现在普通机床的数控化技术改造。

二、步进电动机的结构

步进电动机种类繁多，通常使用的有永磁式、感应永磁式和反应式步进电动机。

应用最多的一种，是反应式步进电动机。

下面以六极反应式步进电动机为例，分析其基本结构和工作原理。

六极反应式步进电动机的结构示意图如图2-1所示。

它分为定子和转子两部分。

它的定子具有分布均匀的六个磁极，磁极上装有绕组。

两个相对的磁极组成一相。

绕组的连接如图2-1所示。

转子具有分布均匀的四个齿。

图2-1六极反应式步进电动机

第二节步进电动机工作原理与启动

一、矩角特性和稳定平衡点

三相六极和转子四齿反应式步进电动机，当U相绕组通入直流电流是，有电磁力作用原理，电动机中产生反应转矩。

定子磁极的轴线方向与转子齿的轴线方向的夹角称为失调角θ。

设转子齿领先定子磁极的轴线为正，大小用弧度表示。

当控制绕组匝数一定，忽略磁路饱和的影响时，则静转矩T与失调角θ的关系为

T=-Tcsin

θ

式中，Tc是与控制电流的大小和匝数及气间隙磁阻有关的常数。

2、步进电动机通电运行方式

反应式步进电动机，按其相电流通电的顺序不同使它作旋转运行，有三种工作方式，即单三拍、单双六拍和双三拍工作方式。

（1）单三拍通电方式单三拍通电方式是每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电。

（2）双三拍方式双三拍方式是每两相绕组通电。

（3）三相单、双六拍工作方式单、双六拍工作方式也称六拍方式。

3、步进电动机的启动

设步进电动机原来处于某一相的平衡位置，当一定频率的控制脉冲加入时，电动机开始启动。

但其转速不是一下就能达到稳定数值，其间有一暂态过程，即为启动过程。

第三章智能太阳能的设计

第一节作品的介绍和工作原理

一、作品介绍

利用此设计来改变太阳能热水器的弊端。

原来的太阳能存在一定的弊端，水温有时达不到人们想要的温度，特别冬天水温达不到，或者只能产生少量热水；这些产品只能在夏秋季阳光充足的时候用，冬季日照弱时根本不能用，或者产生的热水太少，不好用，客户经常投诉；其实，真正的太阳能热水器必须是一年四季都能用的。

热水使用量比较大的时间是集中在冬天，而冬天的集热效果又不能满足使用要求，基本上受气候条件的限制，摆脱不了普通太阳能热水器“靠天吃饭”的局限，很难保证冬天照样有充足的热水。

很多现在太阳能经销商为弥补热水产量不足，需要增加电辅助或者油锅炉，但是这样形成双重投资，增加客户的经济负担给人们的日常生活带来一定的不便，为解决这一问题，我们设计出智能热水太阳板，使其自动的改变采光方向，以满足人们的需求，即在原来的技术上适当的改进，让太阳能板自动寻找光线强的方位；采集更好的光线，使其发挥更加优越的功能。

二、工作原理

本热水器系统采用盛群HT46R23作为主控CPU,它内部提供了8位双向输入/输出口，每个位可由掩膜选项设置成唤醒输入。

软件指令决定引脚是CMOS输出或斯密特触发器输入，OSC1、OSC2连接外部RC电路或晶体振荡器（由掩膜选项决定）作为内部系统时钟。

在RC模式下，OSC2的输出端信号是系统时钟四分频。

此系统可分为几个模块：

如图3-1所示

通过温度、光敏、水位三个传感器检测外界温度变化、光线的变化和水箱温度的变化。

将以上三种外界变化转换成电流信号传输给A/D转换器转换成数字信号发送给单片机，在通过单片机处理外界光线转换成的数字信号的大小输出最大光线的数字值；温度传感器检测水箱温度的数字信号与自己设置的单片机的内置信号条件比较是否有变化，如有变化就通过单片机发出控制指令，经D/A转换成模拟信号输入给脉冲发生器，脉冲发生器发出相应脉冲个数给驱动器控制步进电动机的旋转角度，达到控制目的。

图3-1智能太阳能的模块

第二节产品的工作流程

当光照强度强时，光敏电阻的阻值较小，给它们加上相同电压，然后把电流信号送给A/D转换器，然后由A/D转换器送给单片机，单片机对数字信号的大小进行判断，并将信号最大的送给D/A转换器；同时温度传感器的的输入信号经A/D转换器送给单片机，并和单片机内所设定的温度数字量进行比较，若符合电流转换后的数字量最大，水箱温度数字量小于设定值时，则由单片机发出信号经D/A转换，然后输送给脉冲发生器并输出对应的脉冲个数给步进电动机的驱动电路，最后驱动器接收信号来控制步进电动机的转动角度，若水箱温度达到设定值时，单片机只比较不发出信号给D/A转换器；电动机则不转动。

图3-2工作流程

第三节设计结构

一、感光模块

通过光敏电阻对光线的感应特性。

把其对光线的感应转化为电流的感应，通过A/D转换器传给单片机。

然后由单片机对电流信息进行处理输出。

二、脉冲发生模块

通过单片机输出的信号脉冲发生器做出相应的改变。

输出相应的脉冲个数。

用于控制电动机转动。

其工作电路如下图3-3所示：

图3-3脉冲发生模块工作电路图

三、动力模块

该设计主要是控制太阳能吸热板的方向问题，因此动力系统采用步进电动机进行驱动。

控制其转角和方向。

通过转动轴来转动太阳能吸热板的方向。

四、总体设计图

图3-4总体结构图

结束语

太阳能是我国住宅小区广泛应用的热水供应系统,传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，用单片机控制太阳能的加热，实现远程控制和就地控制，单片机的可靠性高、抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。

单片机由于采用微型计算机的原理，采用严格的生产制造，内部芯片采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

此外，单片机带有硬件故障自检功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除单片机以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，人们使用更加方便。

谢辞

在这次机械设计的大作业即智能寻光太阳能的设计与实践中我遇到了很多的问题。

但我的指导老师在我完成这次作业中给予了我很大的帮助，如我在做智能太阳能的设计时不知道该怎么进行时，老师给我讲解了其设计的精髓和应该注意的问题，帮助我很好的完成了这次设计和实践。

在此我深深的感谢老师你对我的帮助和指导。

让我在社会实践的道路上有了新的认识和体会，更加深刻的理解和明白了机械设计的精髓。

最后我对老师说一句：

老师你辛苦了！

参考文献

1．张忠夫主编，机电传动与控制，北京：

机械工业出版社，2001.7：

49-55.

2．李文方主编，单片机原理与应用，哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2010.5：

186-191.