太阳能追踪装置的设计
太阳能追踪装置的设计[20200128190555]
【摘要】
本论文主要阐述了太阳能追光装置的设计。本设计尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能的利用率。该系统是以单片机为核心，利用太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算，并利用计时芯片以及步进电机驱动双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳光，从而提高太阳能的利用率。单片机驱动东西向和南北向两路步进电机校正太阳能收集装置的位置，使之与太阳光方向垂直。使光能利用率大幅度提高，从而提高电池板的发电效率。
本文首先对太阳能追光装置的设计原理进行了阐述，接着提出了具体的设计方案，并对系统硬件电路和软件编程给出了详细的设计。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】太阳能；追光；单片机；步进电机
引言 1
一、方案设计 2
二、硬件介绍 4
（一）单片机 4
1.AT89C51的功能与结构 4
2.AT89C51的引脚 4
（二）时钟芯片 6
（三）驱动芯片 8
（四）步进电机 10
（五）减速装置 11
三、硬件设计 12
（一）复位电路设计 12
（二）时钟电路设计 12
（三）时间信号电路设计 13
（四）驱动电路设计 13
四、软件设计 14
（一）流程图设计 14
（二）角度的计算 15
（三）程序设计 16
1.返回控制子程序： 16
2.读计时芯片子程序： 17
3.东西向步进电机控制子程序： 17
4.南北向步进电机控制子程序： 18
5.延时子程序： 19
五、程序调试 20
总结 22
致谢 23
参考文献 24
附录 25
（一）源程序 25
（二）整体电路图 30
引言
随着时代的进步，社会和经济在不断发展，但是与此同时社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，对能源的需求就越大，利用化石能源时对环境造成很大的破坏。目前世界的主要能源是化石能源，如煤炭、石油、天然气等。
世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可开采量已经屈指可数了。
由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，引起全球气候变化。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。
太阳能的能源丰富，万物生长都要依靠太阳，地球上很多能源归根究底是来自太阳的。石油，煤炭都是很久以前由动物或植物存储下来的太阳能。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。并且全世界人们一年所用的各种能量之和也只有太阳能到达地球表面的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。而相对于日益枯竭的化石能源来说，取之不尽并可永久再生的太阳能是未来社会能源的希望所在。
虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。太阳能还能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
太阳能作为一种新型能源虽然有普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列的太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能电池等，对太阳的利用率不高。太阳每时每刻都是在运动，不管哪种太阳能设备，如果它的能量转化部分能始终保持与太阳光线垂直，那么他就可以使太阳能设备收集更多的太阳能。太阳能设备能量转换部分若想保持与太阳光垂直，就必须跟踪太阳。太阳光线自动跟踪装置为解决这一问题提供了条件。研究表明，太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪其能量的利用率相差37.7%。
在本课题中，本人尝试设计一种基于单片机的能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪装置以提高太阳能的利用率。此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的太阳能追光装置。该系统是以单片机为核心单片机好比一个桥梁，联系着程序和太阳能追光装置的控制系统。此次的设计先从硬件设计上着手。先要整理出太阳能追光装置的设计整体思路。确定出方案设计中需要的硬件设备。在确定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行规划。包括太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算；驱动芯片的运用；单片机如何控制；步进电机如何控制采光板；技术指标的确定等。然后针对课题，分析掌握太阳能追光装置的程序结构对于太阳能追光装置控制器系统的要求，分析其运行原理并根据要求编写程序。通过汇编语言对单片机实现其控制功能。本课题不仅与新能源相关，还及涉及专业知识（单片机应用、电路设计、软件调试），因此具有较高的现实意义。
本文首先对太阳能追光装置的设计原理进行了阐述，接着提出了具体的设计方案，并对系统硬件电路和软件编程给出了详细的设计。本设计是以单片机为核心，由计时模块，控制模块，驱动模块，跟踪系统模块共四个模块组成。本文阐述了系统的方案设计、硬件介绍、电路设计和软件编程，并进行了软件调试，实现了预期功能。
一、方案设计
系统由计时模块，控制模块，驱动模块，跟踪系统模块共四个模块组成，电路系统构成框图如图1.1所示。
图1.1 电路系统构成框图
计时芯片给出时间信号通过单片机驱动东西向和南北向两路步进电机。通过东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的跟踪校正太阳能收集装置的位置，使之与太阳光方向垂直。使光能利用率大幅度提高，从而提高电池板的发电效率。因此转向部分首先需要满足能够进行东西向和南北向的自由转动。同时，此跟踪系统的设计还必须本着造价低廉、可靠性高、结构简洁的原则进行。多番考虑本人设计了如图1.2所示机械转向机构结构图。此机械转向机构基本组成主要有：底座、平台、驱动电机、减速器、采光板固定框架等。
图1.2 机械转向机构结构图
二、硬件介绍
（一）单片机
在本控制中的单片机部件选择ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。AT89C15是一种低功耗、高性能的8位单片机，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS一51兼容。AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可以很好的满足本系统的设计要求。
1.AT89C51的功能与结构
（1）4KB可改编程序的Flash 存贮器(可擦写100次)
（2）全静态工作频率：0Hz一24MHz
（3）三级程序存贮器保密
（4）128字节内部RMA
（5）32条可编程I/O线
（6）2个16位定时器/计数器
（7）6个中断源
（8）可编程全双工串行通道
（9）片内时钟震荡器
2.AT89C51的引脚
AT89C51引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图2.1.2所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。
图2.1.2 AT89C51引脚
（1) 主 电 源引脚
A. Vcc: 电源端。
B. GND :接地端。
（2）外接晶体引脚XATL1和XATL2
XATL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
【摘要】
本论文主要阐述了太阳能追光装置的设计。本设计尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能的利用率。该系统是以单片机为核心，利用太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算，并利用计时芯片以及步进电机驱动双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳光，从而提高太阳能的利用率。单片机驱动东西向和南北向两路步进电机校正太阳能收集装置的位置，使之与太阳光方向垂直。使光能利用率大幅度提高，从而提高电池板的发电效率。
本文首先对太阳能追光装置的设计原理进行了阐述，接着提出了具体的设计方案，并对系统硬件电路和软件编程给出了详细的设计。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】太阳能；追光；单片机；步进电机
引言 1
一、方案设计 2
二、硬件介绍 4
（一）单片机 4
1.AT89C51的功能与结构 4
2.AT89C51的引脚 4
（二）时钟芯片 6
（三）驱动芯片 8
（四）步进电机 10
（五）减速装置 11
三、硬件设计 12
（一）复位电路设计 12
（二）时钟电路设计 12
（三）时间信号电路设计 13
（四）驱动电路设计 13
四、软件设计 14
（一）流程图设计 14
（二）角度的计算 15
（三）程序设计 16
1.返回控制子程序： 16
2.读计时芯片子程序： 17
3.东西向步进电机控制子程序： 17
4.南北向步进电机控制子程序： 18
5.延时子程序： 19
五、程序调试 20
总结 22
致谢 23
参考文献 24
附录 25
（一）源程序 25
（二）整体电路图 30
引言
随着时代的进步，社会和经济在不断发展，但是与此同时社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，对能源的需求就越大，利用化石能源时对环境造成很大的破坏。目前世界的主要能源是化石能源，如煤炭、石油、天然气等。
世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可开采量已经屈指可数了。
由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，引起全球气候变化。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。
太阳能的能源丰富，万物生长都要依靠太阳，地球上很多能源归根究底是来自太阳的。石油，煤炭都是很久以前由动物或植物存储下来的太阳能。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。并且全世界人们一年所用的各种能量之和也只有太阳能到达地球表面的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。而相对于日益枯竭的化石能源来说，取之不尽并可永久再生的太阳能是未来社会能源的希望所在。
虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。太阳能还能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
太阳能作为一种新型能源虽然有普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列的太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能电池等，对太阳的利用率不高。太阳每时每刻都是在运动，不管哪种太阳能设备，如果它的能量转化部分能始终保持与太阳光线垂直，那么他就可以使太阳能设备收集更多的太阳能。太阳能设备能量转换部分若想保持与太阳光垂直，就必须跟踪太阳。太阳光线自动跟踪装置为解决这一问题提供了条件。研究表明，太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪其能量的利用率相差37.7%。
在本课题中，本人尝试设计一种基于单片机的能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪装置以提高太阳能的利用率。此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的太阳能追光装置。该系统是以单片机为核心单片机好比一个桥梁，联系着程序和太阳能追光装置的控制系统。此次的设计先从硬件设计上着手。先要整理出太阳能追光装置的设计整体思路。确定出方案设计中需要的硬件设备。在确定了大的方向基础上，就应该对系统实现进行规划。包括太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算；驱动芯片的运用；单片机如何控制；步进电机如何控制采光板；技术指标的确定等。然后针对课题，分析掌握太阳能追光装置的程序结构对于太阳能追光装置控制器系统的要求，分析其运行原理并根据要求编写程序。通过汇编语言对单片机实现其控制功能。本课题不仅与新能源相关，还及涉及专业知识（单片机应用、电路设计、软件调试），因此具有较高的现实意义。
本文首先对太阳能追光装置的设计原理进行了阐述，接着提出了具体的设计方案，并对系统硬件电路和软件编程给出了详细的设计。本设计是以单片机为核心，由计时模块，控制模块，驱动模块，跟踪系统模块共四个模块组成。本文阐述了系统的方案设计、硬件介绍、电路设计和软件编程，并进行了软件调试，实现了预期功能。
一、方案设计
系统由计时模块，控制模块，驱动模块，跟踪系统模块共四个模块组成，电路系统构成框图如图1.1所示。
图1.1 电路系统构成框图
计时芯片给出时间信号通过单片机驱动东西向和南北向两路步进电机。通过东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的跟踪校正太阳能收集装置的位置，使之与太阳光方向垂直。使光能利用率大幅度提高，从而提高电池板的发电效率。因此转向部分首先需要满足能够进行东西向和南北向的自由转动。同时，此跟踪系统的设计还必须本着造价低廉、可靠性高、结构简洁的原则进行。多番考虑本人设计了如图1.2所示机械转向机构结构图。此机械转向机构基本组成主要有：底座、平台、驱动电机、减速器、采光板固定框架等。
图1.2 机械转向机构结构图
二、硬件介绍
（一）单片机
在本控制中的单片机部件选择ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。AT89C15是一种低功耗、高性能的8位单片机，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS一51兼容。AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可以很好的满足本系统的设计要求。
1.AT89C51的功能与结构
（1）4KB可改编程序的Flash 存贮器(可擦写100次)
（2）全静态工作频率：0Hz一24MHz
（3）三级程序存贮器保密
（4）128字节内部RMA
（5）32条可编程I/O线
（6）2个16位定时器/计数器
（7）6个中断源
（8）可编程全双工串行通道
（9）片内时钟震荡器
2.AT89C51的引脚
AT89C51引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图2.1.2所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。
图2.1.2 AT89C51引脚
（1) 主 电 源引脚
A. Vcc: 电源端。
B. GND :接地端。
（2）外接晶体引脚XATL1和XATL2
XATL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4269.html
