基于单片机的太阳光线跟踪系统的方案设计毕业论文(设计).doc
《基于单片机的太阳光线跟踪系统的方案设计毕业论文(设计).doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的太阳光线跟踪系统的方案设计毕业论文(设计).doc(27页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、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
2、、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 Title Sun Ray-tracing system based on single-chip design AbstractW
3、e all know that social progress and technological development are inseparable from the consumption of energy use , without energy we do not enjoy the convenience brought by technology . However, a harsh truth before the people , energy , etc. are now using either coal, oil or natural gas are finite
4、non-renewable energy sources, such as if one day these energy depletion how to do ? In order to present the need for sustainable development , wind, hydro and solar and other renewable energy by the people higher priority . With the development of semiconductor technology photovoltaic technology is
5、more mature , and his development is also growing. This paper discusses the methods and principles of the suns rays to track , data acquisition equipment to receive and drive control hardware and software design .This design is a real-time dual-axis solar tracking system is the core of the light det
6、ector , microcontroller and motor drive circuits. Light is detected by detecting the intensity of light sensitive resistor suns rays , and the results transmitted to the microcontroller ; each point MCU function is to receive the returned light detector to determine the direction of the light intens
7、ity and control of motor rotation ; motor drive is receiving microcontroller instruction came under the instruction rotational motor. After a series of actions can make solar panels and other equipment to keep the suns rays with the vertical so that the device can receive as much light to improve eq
8、uipment utilization. The advantage of this design is to keep track of my limited knowledge of the sun while still limiting defects , such as: How to adverse weather conditions , such as under cloudy track .Keywords Dual-axis tracking Light Detection SCM Servos目 次1 引言111能源的重要性112能源形势113新型能源的开发和利用22 方
9、案论证和总体设计思路321光线跟踪322方案论证53 硬件电路的设计和选择531光线传感模块532单片机处理模块833控制装置的选择94 系统程序设计1241程序设计总体框图1242程序源代码135 系统电路的仿真16致 谢19参考文献20III1 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
10、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。18
11、59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,
12、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
13、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,
14、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
15、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
16、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。太阳实际位置执行机构集热装置光敏传感器+-集热装置实验位置图2.1 光电式太阳跟踪装置原理图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
17、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
18、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
19、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。光敏电阻检测电路NE555定时器AT89C52单片机电源模块电机控制模块图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3.1 555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3.2 NE555封装图图3.3 NE555
20、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
21、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
22、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。P2P4P3P1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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 太阳 光线 跟踪 系统 方案设计 毕业论文 设计
限制150内