太阳能自动追光系统的设计
摘 要随着常规能源的不断开发和利用，单单使用常规能源已经难以满足可持续发展的要求，作为可再生能源的太阳能受到了人们的关注。本文设计了一款由机械系统，硬件控制系统，太阳能采集系统和软件部分组成的太阳能自动追踪系统。太阳能电池板和蓄电池组成了太阳能采集系统。AT89C51单片机被硬件控制系统作为自动跟踪太阳控制电路的核心部件。信号处理电路，光电采集电路，基于C语言编程的太阳采集控制程序，步进电机转动控制电路，共同实现了对太阳采集过程的自动追踪功能，最大限度地使太阳能的光电转换效果得到提升，太阳能的利用程度也大大提升了。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.1.1能源发展和现状 1
1.1.2太阳能资源 1
1.1.3太阳能的开发和利用 1
1.1.4太阳能跟踪技术现状 2
第二章 跟踪系统的设计构想及框架 5
2.1跟踪器机械执行部分 5
2.2本设计的跟踪方案 7
2.3机械装置设计 8
第三章 硬件设计 10
3.1光线采集电路 10
3.2.A/D采集模块及电路设计 10
3.3光敏电阻 13
3.4 步进电机 14
3.4.1步进电动机介绍 14
3.4.2步进电机型号选择 14
3.4.3步进电机驱动芯片 15
3.4.4步进电机驱动电路设计 16
3.5单片机及其外围电路 17
3.5.1单片机芯片性能介绍 17
3.5.2单片机主要引脚工作介绍 18
3.5.3供电电源模块 20
3.5.4单片机外围电路 20
3.6硬件结构框图与原理图 21
第四章 系统的软件设计 23
4.1程序流程图设计 23
4.2系统软件程序设计 25
4.2.1主控制函数 25
4.2.2电机驱动 25
4.2.3光线采样 25
4.2.4按键和指示灯程序 25
第五章
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实物及结论分析 26
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
附录A 31
附录B 32
附录C 40
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.1.1能源发展和现状
全球清洁能源主要有水能、太阳能、风能等，化石能源主要有石油、煤炭、天然气等。化石能源尽管储量大，但在大规模开发利用下，正面临污染排放、资源枯竭等问题；清洁能源不但数量丰富，而且对坏境污染小、可以重复利用，未来开发的潜力很大。随着时代的进步，在能源消费需求持续增加的情况下，能源结构也在发生不停的变化着。尤其是近30年，能源结构发生了巨大的变化，在煤炭、石油、天然气三足鼎立的局势下，清洁能源也在快速的发展。
1.1.2太阳能资源
在可再生能源里最重要的基本能源当属太阳能，生物质能、太阳能、风能、水能、海洋能等都来源于太阳能。太阳能资源不仅仅是Primary energy，而且还是renewable energy resources。太阳能资源之所以能让人类拥有了新的生活方式，让人类进入了一个污染少节约能源的时代，主要归功于免费使用、资源丰富、无需运输和无任何污染等特点。
太阳能优点有很多，主要有四点：一是总量多：365天中照射到地球上的太阳能能量差不多和129万亿吨煤产生的能量相同。由此看来，太阳能的总量是相当可观的；二是永久性：通过计算太阳生成核能的速度，大概知道氢能源的储量能长达上百亿年之久，并且地球生命大概不到百亿年，所以说，太阳能能源是取之不尽，用之不竭；三是普遍性：采集方便，不需要开采和运输，不受地域的限制，能够直接开发和利用；四是无污染性：太阳能作为清洁的能源之一，开发利用不会造成任何环境的污染。
虽然太阳能优点众多，但也有两个主要缺点：一是因为众多因素（季节、气候、地点等）的严重影响，太阳能的强度很难稳定在一个正常量；二是能流密度低。这两大缺点使太阳能的利用程度大打折扣。
1.1.3太阳能的开发和利用
目前因为太阳能发电存在转换效果差、制作费用高的问题，所以太阳能的利用程度还不是很高。除了地热能资源之外，全部别的结构的可再生能源维持着人类的生存和发展，尽管太阳能能源数量巨大，但是由于能流密度低，而且能流密度在不同时间和地点不一样的特点，对太阳能的开发和利用造成了不小的影响。太阳能在整个能源家族中的地位受到不小的限制的原因也正是这些特点。
目前来说太阳能有四种利用方式：
（1）光能转换热能
光电转换基本原理是通过对太阳能的收集，转换成热能并利用。平板型集热器、聚焦集热器和真空管集热器是现在使用最多的太阳能收集装置。现在来说高温的利用有太阳能太阳炉等，中温的利用有热发电集热装置、太阳灶等，低温的利用主要有干燥器、热水器、太阳能房、蒸馏器、空调制冷系统、温室等。
（2）太阳能发电
现在实用的有下面两种太阳能发电方式。
光电转换。这种方式基本装置是太阳能电池，其原理是利用光生伏打效应把太阳辐射产生的能量转换为电能。
②光热电转换。基本原理是通过太阳能照射产生的热能量来发电。通常是用被集热器吸取的热能量转变成水蒸汽，然后水蒸气带动汽轮机使发电机发电。整个过程既有光能转换热能，又有热能转换电能。
（3）光生物利用
太阳能根据植光合的特点能转变成生物质能。目前有油料作物、速生植物和巨型海藻等。
（4）光化利用
这种转变方法是通过太阳能直接分解水，从而制作氢能源的光—化学。
1.1.4太阳能跟踪技术现状
现在，在太阳能跟踪系统领域有不少跟踪太阳的途径，大致能够有两种:一种是利用天文相关知识计算太阳的位置来实现跟踪太阳目的的主动跟踪;另外一种是实时跟踪太阳的方位，达到对太阳的角度控制功能的被动跟踪。主动跟踪主要有:控放追踪器、视日运动轨迹式追踪器和时钟式追踪器;被动跟踪主要有: 光电式跟踪器。以下是主动跟踪和被动跟踪中代表性方式的比较。
（1）视日运动轨迹跟踪
视日轨迹追踪的基本原则是基于太阳一天中的轨迹，通过计算机(计算出每一天中太阳升起至太阳落下这段时间里每时每刻的方位角参数与太阳高度角)控制步进电机转动，从而使跟踪装置实现跟踪太阳的功能。因为太阳位置的计算离不开经纬度和系统时钟等信息，所以此跟踪模式 属于开环控制。跟踪装置的精确度有以下因素决定：一是跟踪装置第一次安装时要调整水平和指北，二是，准确无误的输入信息。
（2) 光电跟踪
尽管光电跟踪的精确度较高，但是它也存在不小的缺点:在天气阴时，太阳能照射强度比较弱，光电转换器难以被太阳光照强度的变化所动作;在天气多云时，太阳因为在云层之上，所以光电追踪太阳的方式大概造成追踪器的错误动作，造成不必要的事故。对于太阳能发电来说，在天气晴朗情况下进行的是最好不过的，但是阴天和多云等天气情况也是避免不了的。总的来说，光电跟踪在天气好的条件下，精确度较高。在天气条件差的时候跟踪结果难以让人满意。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.1.1能源发展和现状 1
1.1.2太阳能资源 1
1.1.3太阳能的开发和利用 1
1.1.4太阳能跟踪技术现状 2
第二章 跟踪系统的设计构想及框架 5
2.1跟踪器机械执行部分 5
2.2本设计的跟踪方案 7
2.3机械装置设计 8
第三章 硬件设计 10
3.1光线采集电路 10
3.2.A/D采集模块及电路设计 10
3.3光敏电阻 13
3.4 步进电机 14
3.4.1步进电动机介绍 14
3.4.2步进电机型号选择 14
3.4.3步进电机驱动芯片 15
3.4.4步进电机驱动电路设计 16
3.5单片机及其外围电路 17
3.5.1单片机芯片性能介绍 17
3.5.2单片机主要引脚工作介绍 18
3.5.3供电电源模块 20
3.5.4单片机外围电路 20
3.6硬件结构框图与原理图 21
第四章 系统的软件设计 23
4.1程序流程图设计 23
4.2系统软件程序设计 25
4.2.1主控制函数 25
4.2.2电机驱动 25
4.2.3光线采样 25
4.2.4按键和指示灯程序 25
第五章
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实物及结论分析 26
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
附录A 31
附录B 32
附录C 40
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.1.1能源发展和现状
全球清洁能源主要有水能、太阳能、风能等，化石能源主要有石油、煤炭、天然气等。化石能源尽管储量大，但在大规模开发利用下，正面临污染排放、资源枯竭等问题；清洁能源不但数量丰富，而且对坏境污染小、可以重复利用，未来开发的潜力很大。随着时代的进步，在能源消费需求持续增加的情况下，能源结构也在发生不停的变化着。尤其是近30年，能源结构发生了巨大的变化，在煤炭、石油、天然气三足鼎立的局势下，清洁能源也在快速的发展。
1.1.2太阳能资源
在可再生能源里最重要的基本能源当属太阳能，生物质能、太阳能、风能、水能、海洋能等都来源于太阳能。太阳能资源不仅仅是Primary energy，而且还是renewable energy resources。太阳能资源之所以能让人类拥有了新的生活方式，让人类进入了一个污染少节约能源的时代，主要归功于免费使用、资源丰富、无需运输和无任何污染等特点。
太阳能优点有很多，主要有四点：一是总量多：365天中照射到地球上的太阳能能量差不多和129万亿吨煤产生的能量相同。由此看来，太阳能的总量是相当可观的；二是永久性：通过计算太阳生成核能的速度，大概知道氢能源的储量能长达上百亿年之久，并且地球生命大概不到百亿年，所以说，太阳能能源是取之不尽，用之不竭；三是普遍性：采集方便，不需要开采和运输，不受地域的限制，能够直接开发和利用；四是无污染性：太阳能作为清洁的能源之一，开发利用不会造成任何环境的污染。
虽然太阳能优点众多，但也有两个主要缺点：一是因为众多因素（季节、气候、地点等）的严重影响，太阳能的强度很难稳定在一个正常量；二是能流密度低。这两大缺点使太阳能的利用程度大打折扣。
1.1.3太阳能的开发和利用
目前因为太阳能发电存在转换效果差、制作费用高的问题，所以太阳能的利用程度还不是很高。除了地热能资源之外，全部别的结构的可再生能源维持着人类的生存和发展，尽管太阳能能源数量巨大，但是由于能流密度低，而且能流密度在不同时间和地点不一样的特点，对太阳能的开发和利用造成了不小的影响。太阳能在整个能源家族中的地位受到不小的限制的原因也正是这些特点。
目前来说太阳能有四种利用方式：
（1）光能转换热能
光电转换基本原理是通过对太阳能的收集，转换成热能并利用。平板型集热器、聚焦集热器和真空管集热器是现在使用最多的太阳能收集装置。现在来说高温的利用有太阳能太阳炉等，中温的利用有热发电集热装置、太阳灶等，低温的利用主要有干燥器、热水器、太阳能房、蒸馏器、空调制冷系统、温室等。
（2）太阳能发电
现在实用的有下面两种太阳能发电方式。
光电转换。这种方式基本装置是太阳能电池，其原理是利用光生伏打效应把太阳辐射产生的能量转换为电能。
②光热电转换。基本原理是通过太阳能照射产生的热能量来发电。通常是用被集热器吸取的热能量转变成水蒸汽，然后水蒸气带动汽轮机使发电机发电。整个过程既有光能转换热能，又有热能转换电能。
（3）光生物利用
太阳能根据植光合的特点能转变成生物质能。目前有油料作物、速生植物和巨型海藻等。
（4）光化利用
这种转变方法是通过太阳能直接分解水，从而制作氢能源的光—化学。
1.1.4太阳能跟踪技术现状
现在，在太阳能跟踪系统领域有不少跟踪太阳的途径，大致能够有两种:一种是利用天文相关知识计算太阳的位置来实现跟踪太阳目的的主动跟踪;另外一种是实时跟踪太阳的方位，达到对太阳的角度控制功能的被动跟踪。主动跟踪主要有:控放追踪器、视日运动轨迹式追踪器和时钟式追踪器;被动跟踪主要有: 光电式跟踪器。以下是主动跟踪和被动跟踪中代表性方式的比较。
（1）视日运动轨迹跟踪
视日轨迹追踪的基本原则是基于太阳一天中的轨迹，通过计算机(计算出每一天中太阳升起至太阳落下这段时间里每时每刻的方位角参数与太阳高度角)控制步进电机转动，从而使跟踪装置实现跟踪太阳的功能。因为太阳位置的计算离不开经纬度和系统时钟等信息，所以此跟踪模式 属于开环控制。跟踪装置的精确度有以下因素决定：一是跟踪装置第一次安装时要调整水平和指北，二是，准确无误的输入信息。
（2) 光电跟踪
尽管光电跟踪的精确度较高，但是它也存在不小的缺点:在天气阴时，太阳能照射强度比较弱，光电转换器难以被太阳光照强度的变化所动作;在天气多云时，太阳因为在云层之上，所以光电追踪太阳的方式大概造成追踪器的错误动作，造成不必要的事故。对于太阳能发电来说，在天气晴朗情况下进行的是最好不过的，但是阴天和多云等天气情况也是避免不了的。总的来说，光电跟踪在天气好的条件下，精确度较高。在天气条件差的时候跟踪结果难以让人满意。
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