2论文基于MCU的太阳能电池板追日系统设计

本文由ｔｉａｎｓｕｒｅ贡献ｄｏｃ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机查看。第六届大学生物理实验科技作品创新竞赛论文基于 ＭＣＵ 的太阳能电池板追日系统设计作者： 闫阿泽 温韬 指导老师：刘斌 贾肖婵 （天津市，河北工业大学，３００１３０）摘要： 摘要：自行设计一种太阳能电池板自动跟踪太阳光的系统，并对比了各种太阳追 踪方法，设计出基于 ＭＣＵ（微处理器）的太阳能追日系统的结构，工作原理．系 统通过不断判断由光敏传感器传来的光信号强度，并设置一定的电压阀值，当光 信号的电压差值大于设定阀值时，由 ＰＩＣ 单片机发出相应驱动控制信号来控制作 为执行机构的步进电机正向或反向旋转，带动太阳能电池板转动，使太阳光与电 池板垂直，从而实现实时跟踪的目的．关键词： 关键词：太阳能 光敏传感器 ＭＣＵ 追日系统在新能源发展中， 太阳能有其相当的优势， 储量丰富， 普遍存在， 无污染，因此太阳能的开发利用具有重大的现实意义．在太阳能电池 板发电的相同条件下， 采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发 电量提高 ３５％，因此有必要实行太阳追踪． １．追踪太阳光的发展过程 １．追踪太阳光的发展过程 经查阅资料，随着时代的发展，共有以下几种追踪太阳的方法： （ｌ）时钟式太阳跟踪装置是一种被动式的跟踪装置，有单轴和双轴两 种形式， 其控制方法是定时法． 根据太阳在天空中每分钟的运动角度， 计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转 速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动．（２）重力差式跟 踪器．重力差式跟踪器是 １９７９ 年美国公布的一项专利．跟踪器是装１在太阳能利用装置枢轴两侧的一对装有低沸点液体的密闭容器． 其中 的液体（如氟里昂 Ｒ 一 １２）可以互相流通．在容器的适当位置装有太 阳能挡板，只有在装置对准太阳时，太阳辐射能才可等量地照射到两 个容器上．否则一个容器接收的辐射能便较另一个容器多，从而导致 液体蒸发上的差异，使容器内的压力不同，于是液体便流向压力低的 容器．液体多的容器重量增加，使装置倾斜而跟踪太阳，直至对准时 为止．整个装置的重心低于枢轴，以防容器完全翻转．这种太阳跟踪 器在夜间能自动返回原来的位置．因为日落后空气变冷，并且容器内 液体冷却速度预先已经调整，东面容器比西面容器冷却得快，其内压 力下降也快，于是东边变重，使整个装置向东倾斜，以待日出． （３） 液压式跟踪器．（４）控放式太阳跟踪装置．电池装在集热装置的上方， 前面设有遮光板，当集热装置对准太阳时恰好遮住阳光，使太阳能电 池处于阴影区．一但太阳西移，遮光板的阴影随之移动，太阳能电池 便受到阳光照射，输出一定数值的电流，从而发出偏移信号．信号经 放大，使高灵敏的继电器动作，并通过执行继电器控制电磁铁吸合， 于是制动装置松开，集热装置向西旋转，直至对准阳光．此时遮光板 又重新挡住阳光，太阳能电池进入阴影区，电磁铁释放，完成跟踪． ２．本次设计的硬件电路 ２．本次设计的硬件电路本设计与前两种跟踪装置相比，随着单片机技术水平的提高，光 电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较易实现， 成本低廉，因此受到普遍关注．本次采用的太阳能追日系统系统主要 由三个模块组成： （１）光电检测模式检测电路模块． （２）步进电机驱 动和执行机构模块． （３）机械传动模块．整体框架如下图所示．２（１）光电检测模式检测电路模块示意图和硬件电路图光电检测具体就是检测太阳高度角和方位角的变化， 电压电流传 感器采用如图方式， 使用的元件是 ３ 个光敏电阻， 它是电阻性传感器， 在所受到的光强度发生变化时，其电阻值相应变化，可将光信号转换 为电信号．如图所示，将 ３ 只完全相同的光敏电阻置于一个平面上， 他们之间用一个呈＂Ｔ＂字型的遮光板分别隔开在 ３ 个区域中，遮光 板的高度可调，用以实现精度的调节．选取其中两个电阻组成桥式电 路分别通过如图电路接通 ＰＩＣ 单片机的 Ａ／Ｄ 通道． 如果太阳光完全垂 直照射到光敏电阻上，则它们所得到的电压差完全相等．微处理器根 据得到的电压数据，控制电机不动作； 如果太阳光不是完全垂直照射， 则 ３ 只中必定有 ２ 个电压或 ３ 个电压都不相等，一旦差值高于一定的ｐａｇｅ １３设定值，微处理器会控制相应电机转动，以使得太阳光再次垂直照射 到平面上．具体实施方案是这样的——１ 和 ２ 检测高度角的变化，当 １ 和 ２ 组成桥式电路，由于光照的不同输出不同的阻值，引起相应的 电压差发生变化， 单片机取该时刻的电压差值， 判断是否高于设定值． 如果高了， 则输出脉冲信号控制执行机构的动作， 使高度角发生变化， 朝向太阳的方向． 如果低了， 执行机构不动作， 减少追踪次数． 同理， 利用 ２ 和 ３ 号通道的电压比较值控制执行机构的动作， 使方位角发生 变化，朝向太阳方向．如果 ３ 个通道的电压同时小于一个限值，则判 断为黑夜，引起一个中断，控制执行机构反方向旋转，返回到注视位 置，等待第二天的追踪． （２）步进电机驱动和执行机构模块 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构．通俗一点 讲：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（及步进角） ．我们可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；同时可以通过控制脉冲频 率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的．由于步进 电机有此特点，因此我选用步进电机来作为执行机构，选取 Ｌ２９８ 作 为它的驱动元件，来实现上平台需要的输入角度，达到整个机构对太 阳跟踪的要求．硬件电路图如下４３．本次设计的不足之处 ３．本次设计的不足之处 （１）光电式追踪设备的样机没有做好，目前只是实验的方案， 具体的电路板等在逐步创作之中． （２）由于知识水平的缺陷，机械部分的创意还没有实现，必须 依靠老师的指导和兄弟学院的支持． ４．研究总结和展望 ４．研究总结和展望 在本次设计中，我运用光敏电阻元件，设计出了一款光电式自动 追光系统． 在此过程中， 通过老师的指导， 我认识了光敏电阻的特性， 了解了光电传感器的原理，并把它应用于实际的工作电路中；进一步 认识了桥式电路的原理，把实验书本上抽象的理论运用到了实践中； 学习了步进电机的原理和驱动方法，开阔了视野；初步用汇编语言编 写了驱动步进电机的程序，接触了 ＰＩＣ 单片机的开发环境，看到步进 电机在自己编写的程序下运行起来，很受鼓舞，体会到了学习中有无 穷的乐趣．同时，我又感到自己知识的有限，学然后知不足，今后我 一定在老师的指导下，完成样机的开发，努力学习，提升自己综合能 力．５参考文献： 参考文献： 文献［１］张常年，赵红怡，吕原．太阳能电池自动追踪系统的研制．计算机应用．２００１ ［２］徐文灿．太阳能自动追踪系统的探索与试验．物理实验．２００２ ［３］张鹏，王兴君，王松林．光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用．陕西国防 学院电路设计研究所，西安电子科技大学．２００７ ［４］时剑，单春贤，童红，方攀，ＭＣＵ 控制的太阳能电池最大功率跟踪控制器． 江苏大学 ．２００８６１ｐａｇｅ ２