太阳光照射角度双轴自动跟踪系统（可编辑） .doc

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1、太阳光照射角度双轴自动跟踪系统 摘要 随着以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将越来越适应可持续发展的需要,包括太阳能在内的可再生资源将会越来越受到人们的重视。利用洁净的太阳光能,以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有这十分广阔的应用前景。 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电池的光-电转化率。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入射光线,从而提高太阳能的吸收效率。 目前本设计仅通过简单的计算公式得到的数据,对东西向进行每小时一次的角度改变

2、,南北向进行每天一次的角度改变,再通过单片机的判断进行每晚的东西向回归控制以及每半年的南北向跟踪方向的改变控制。 由于时间及作者目前的知识限制,跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪,有较大误差,今后如有机会再进行改进。关键词:太阳能电池 太阳照射角 自动跟踪 单片机 步进电机Abstract With the conventinuous consumption of resources , the conventional enenrgy-based energt strcucture has not already more and more adapt to the needs for sust

3、ainable development,sppeing-up the development of and utilization of solar energy , the photovoltaic technology based on the photovoltaic effect has a very bord application prospect. In the design , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar light - electric

4、ity conversion efficiency. The system is based on single-chip, orbit the sun elevation angle formula using the sun and calculating azimuth and take the time chip advantage of dual-axis stepper motor driven tracking system, make the solar panels perpendicular to the solar incidence line, to improve t

5、he absorption efficiency of solar energy At present, the design of a simple formula was only for calculating the data, the east-west to the point of view will be changed once an hour, the north-outh perspective will be changed once a day, and then the MCU to return to control things through the nigh

6、t to determine, as well as every haif a year to track the direction of the north-south change in control Because of the time and the current limitations of the knowledge of the authors , the tracking system to track the point of view is rough , there are many errors , if the opportunity arised the d

7、esign will be iomproved in the future.Keywords: solar cells Inrradiation angle of sun tracking automatically single-chip Stepping motor目录第一章 绪论41.1背景和意义41.2太阳追踪系统的国内外研究现状41.2.1光电追踪51.2.2视日运动轨迹追踪51.3论文系统设计方案71.3.1机械运动实现方案71.3.2控制系统方案8第二章 跟踪系统的设计构想及框架92.1 跟踪系统的设计要求92.2 跟踪系统的组成92.1.1.太阳能采集装置102.1.2.转向机

8、构102.1.3.控制部分102.1.4.贮能装置112.1.5.逆变器112.1.6.控制器122.3 太阳照射规律122.3.1.地球围绕太阳的运行规律122.3.2.太阳高度角和方位角的确定13第三章 机械部分设计173.1整体框架的设计173.2 减速装置的选型183.3驱动电机的选型193.4支撑架设计203.5机械结构的整体布局21第四章 控制部分的设计234.1 整体电路图的设计234.2辅助电路最小理论值234.2.1振荡电路234.2.2复位电路244.3电机驱动电路264.4太阳能控制电路274.5液晶显示电路28第六章 总结35参考文献36致谢38第一章 绪论1.1背景和

9、意义 当前,以石油,煤,天然气等为主的常规能源,面临着日益“枯竭”的紧迫情势。现有的已探测储量仅够人类使用几十年。并且,这些常规能源的使用,对环境有着很大的影响,是导致温室效应的罪魁祸首。因此,开发和利用新能源的来取代常规能源变的十分紧迫,也是人类当务之急的“任务”之一。目前,所开发和利用的新能源主要有太阳能、风能、核能、潮汐能等。太阳能与其他新能源相比可以普遍使用,并且技术上要求没有其他的能源苛刻。自古以来,人类就开始利用太阳能。太阳能作为一种“绿色”能源,是解决能源危机和温室效应的主要途径之一。因此,世界上越来越多的国家已经或开始重视太阳能的开发利用。 虽说太阳能具有很多优点,但是在有效利

10、用上还是有所不足。尽管太阳能的总能量是巨大的,但是平均密度不高。太阳能的利用一般都是靠面积比较大的太阳能光电池板来吸收能量。每一块电池板由许多的太阳能电池组成。太阳能电池造价较高,这就为开发和利用太阳能提高了门槛。另外,太阳能的利用对自然环境比较“敏感”,刮风,下雨,阴天等恶劣的天气情况都影响太阳能的使用。 太阳追踪系统是利用太阳能不可缺少的重要组成部分,而完善太阳追踪装置是充分利用太阳能和环境保护必不可少的重要组成部分。另外,计算机在自动化技术中发挥着极其重要的作用。而单片机在一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、I/O接口、定时器、计数器等,使其具备了一台微型计算机的特征。但单片机的应用

11、领域有别于通用计算机,其主要应用于控制领域。本课题在前人研究的基础上设计出一套以单片机为控制核心的太阳自动追踪控制系统,能够随着太阳光照射方向的变化而使太阳能板始终与太阳光线垂直。具体要求为结构简单、成本低,不但能在晴天时正常追踪太阳,当突然出现阴天时也能自动追踪,这样就提高了追踪的精度。 基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题,本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率,而进行太阳追踪系统的开发研究,这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源,加强太阳能的开发,对节约能源、保护环境也有重大的意义。1.2太阳

12、追踪系统的国内外研究现状 太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在缺点,如能量密度低,不易收集,不稳定,随季节气候和天气昼夜变化而变化等,使太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的,无法保证太阳光的垂直照射,不能充分利用太阳能资源,使其发电效率低下。据实验得知,在太阳能光发电中,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40%,因此在太阳能利用中,有必要进行太阳追踪。 目前,太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多,但

13、是不外乎采用如下两种方式:一种是光电追踪方式;另一种是根据视日运动轨迹追踪。前者是闭环的随机系统,后者是开环的程控系统。1.2.1光电追踪 目前,国内常用的光电追踪有重力式、电磁式和电动式。这些光电追踪装置利用光敏传感器,如硅光电管进行太阳光的检测。在这些装置中,光电管的安装靠近遮光板。通过调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区;当太阳西移时遮光板的阴影偏移,光电管受到阳光直射输出一定值的微电流,作为偏差信号,经放大电路放大,由伺服机构调整角度使追踪装置对准太阳完成追踪。光电追踪灵敏度高,结构设计较为简单;但受天气的影响很大,如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况,太阳光线往往

14、不能照射到硅光电管上,导致追踪装置无法对准太阳,甚至会引起执行机构的误动。1.2.2视日运动轨迹追踪 视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数,可分为单轴和双轴两种。1单轴追踪 单轴追踪一般采用:倾斜布置东西追踪;焦线南北水平布置,东西追踪;焦线东西水平布置,南北追踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪,工作原理基本相似。图1-2是第3种追踪方式的原理,追踪系统的转轴或焦线东西向布置,根据事先计算的太阳赤纬角的变化,柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动追踪太阳。采用这种追踪方式,一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直,此时热流最大;而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴追踪的优点是结构

15、简单,但是由于入射光线不能始终与主光轴平行,收集太阳能的效果并不理想。 图1.1 单轴焦线东西水平布置2双轴追踪 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能,全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴追踪又可以分为两种方式:极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。极轴式全追踪 极轴式全追踪原理如图1-3所示:聚光镜的一轴指向天球北极,即与地球自转轴相平行,故称为极轴;另一轴与极轴垂直,称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转,其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化,通常根据季节的变化定期调整。这

16、种追踪方式并不复杂,但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线,极轴支承装置的设计比较困难。 图1.2 极轴式追踪高度角-方位角式太阳追踪 高度角和方位角式太阳追踪方法又称为地平坐标系双轴追踪,其原理如图1-4所示。集热器的方位轴垂直于地平面,另一根轴与方位轴垂直,称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角,绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角,从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。这种追踪系统的特点是追踪精度高,而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内,支承结构的设计比较容易。集热器采光面上直接日射入射角由太阳赤纬角、太阳时角、集热器倾角、集热器方位角和试验地的纬度的

17、计算,可按下式求得: cossinsincos-sincossincos+coscoscoscos +cossinsincoscos+ cossinsinsin 1-1 式1-1中一年内第n天的太阳赤纬角计算为: 23.5sin360284+n/3651-2 可以看出,当、确定以后,集热器倾角和方位角的值决定了直接日射入射角,因此只要控制集热器的角度使其具有合适的倾角和方位角,就可以保证太阳光线入射角为0,从而最大限度地收集太阳光能。 图1.3 高度角-方位角式全追踪 由上文得知,目前的几种太阳追踪方式各有优缺点,要想进一步提高太阳能利用率,完善太阳追踪系统,需要更深一步地研究和探讨。本文就是

18、在此基础上作的进一步的研究。1.3论文系统设计方案1.3.1机械运动实现方案 本太阳能跟踪控制器设计为两个自由度,即一个水平方向转动自由度和一个竖直方向转动自由度,由两个步进电机来分别驱动,以实现调整太阳能电池板的姿态使其板面接近于与太阳光线垂直的方向,达到最大限度接收太阳能量的目的。1.3.2控制系统方案 高精度太阳能跟踪器的硬件系统包括三大部分:检测系统电路、控制系统电路和电机系统。检测系统电路是整个控制系统的重要部分,其主要由传感器检测电路和信号处理电路组成。传感器检测电路主要是通过光电池采集板,由光电池传感器检测周围光信号,把相应的光信号转变成电压信号。控制系统主要由单片机主控、时钟电

19、路、电源电路、信号采样等部分组成,完成整个电路的控制和驱动。电机系统主要由步进电机和步进电机驱动器组成。第二章 跟踪系统的设计构想及框架2.1 跟踪系统的设计要求 本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。对太阳能的利用一般都是采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用,在本研究中,确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能。对太阳能进行电能转换的时候,由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的,如果采用固定式的太阳能接收装置,此装置的位置无法随太阳改变,只能在固定时段有效的吸收太阳能,在其他时段的吸收效率就十分低下,因此,要使太阳能的吸收效率提高,采用太阳跟踪系统对太阳进行实

20、时跟踪是可行和有效的。在本课题中采用的是双轴跟踪的方法对太阳进行即时跟踪,使太阳能接收装置能够始终正对太阳,从而提高吸收效率。 本系统的整体研发要求是经济、结构简单、性能可靠。根据本系统的整体要求,装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件,充分考虑其经济性.在结构设计中,要使系统机构尽量简洁,避免过于复杂和昂贵,要便于安装和维护。在控制部分的设计中,要考虑到系统的全天候性要求,选用耐用和抗干扰性强的执行元件,避免频繁发生系统故障。2.2 跟踪系统的组成 跟踪系统主要构成一般为:(1)太阳能采集装置;(2)转向机构;(3)控制部分;(4)贮能装置;(5)逆变器。系统组成如图2.1

21、所示。 2.1.1.太阳能采集装置 本光伏发电系统的目的即是对太阳能进行有效的吸收,从而尽可能多的把太阳能量转化为可用电能,提供给耗电负载使用,起到节省能源的目的。在本系统的研发中,太阳能电池是太阳能采集装置的首选部件。 但是太阳能电池本身容易破碎、易被腐蚀,若直接暴露在大气的环境中,光电转化的效率就会由于环境潮湿、灰尘、酸雨等影响而下降,最后以至于破碎失效。不能满足本系统经久耐用的研发要求。因此,太阳能电池需要通过胶封、层压等方式封装成平板式结构才能投入使用,如层压的封装方式,即将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、黏结性好的热熔性胶膜封装,并采用透明度高、耐冲击的低铁钢化玻璃做为

22、盖板,用耐湿抗酸的复合薄膜或者玻璃等其他材料做背板,通过真空层压工艺将电池片、正面盖板和背板薪合为一个整体,从而构成一个使用的太阳能电池发电器件,称为太阳能电池组件。 目前市场上的太阳能电池基本都为封装后的成品,通过封装处理的太阳能电池就可以应对各种气候条件,并且耐冲击,可以适应各种应用条件,达到了长期使用的目的,从而很好的满足了本太阳能光伏发电系统的研发要求。2.1.2.转向机构 由于本太阳能光伏发电系统要求最大限度的利用太阳能,因此必须要研制一套机构用来跟踪太阳的实时位置。 转向机构机械部件的选取必须满足性能可靠、价格低廉和结构简单的研发要求。选取的是普通的市面常见的装置,这样能使整个转向

23、机构结构紧凑、性价比高。转向结构的构成设想基于简单易安装的要求,主要由底座、驱动电机、联轴器、减速机构、电池板固定框架等构成。 在转向机构的组成中,底座主要由普通的钢材加工而成,便于拆卸和移动。驱动电机选用的是步进电机,此种电机性能可靠,对于角度量转向控制精确。连轴器选用的是普遍使用的弹性联轴器,耐冲击,经久耐用。由于研发要求系统要结构紧凑,电机选取的为小型步进电机,输出扭矩达不到转向要求,因此要选用减速机构来提升输出扭矩,在本光伏系统中,选取的是小型涡轮蜗杆减速机构;并且,太阳的角度控制要求精确,要合理的选取涡轮蜗杆减速机构的传动比,在系统设计中选用的传动比为50:1即可达到要求。电池板固定

24、架用来对太阳能电池板进行固定,要求设计合理,稳定。2.1.3.控制部分 在本系统中,要根据即时时间进行太阳角度的运算,调整系统精确转向,因此要合理选用控制芯片完成此功能。 由于太阳的位置角度和时间有关,要对时间进行实时监控和有效读取,必须选取计时芯片完成此功能。在本系统中使用的时间芯片是8563,用来进行时间的控制。 在本系统中,考虑选用的控制核心为单片机。单片机将中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器单元集成在一块芯片上,构成一个完整的计算机体系。单片机把各项功能部件都集成在一块芯片上,因此它的结构紧凑、超小型化、价格低廉、易于开发应用。本太阳能光伏发电系统的控制部分选用的

25、AT89C51单片机。2.1.4.贮能装置 本系统的制造目的是对太阳能进行采集,并加以利用,因此需要将太阳能电池组件产生的电能储存起来,用于其他耗电场合.蓄电池组是本太阳能光伏发电系统的贮能装置,它的作用是将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来,以供应用。 蓄电池在太阳能光伏发电系统中的充电方式为:当太阳能电池板的电势大于蓄电池的电势时,电能充入蓄电池,蓄电池处于充电状态。当太阳能电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时,由于阻塞二极管的作用,蓄电池不会通过太阳能电池方阵放电。 在本光伏发电系统中考虑使用的蓄电池可以选用铅酸蓄电池和碱性蓄电池。比对两种蓄电池的特点,铅酸蓄

26、电池价格低廉,原材料易得,维护方便,原材料丰富,但体积较大。碱性蓄电池维护容易,寿命较长,结构坚固,不易损坏,但价格昂贵,制造工艺复杂。从技术和经济方面综合考虑,在本系统中贮能装置应采用铅酸蓄电池为宜。2.1.5.逆变器 本系统能对太阳能量加以吸收和转化,并将其产生的电能贮存起来,但是因为铅酸蓄电池提供的是直流电,不能直接给交流用电器供电,普通的用电器的电压为220V交流电,因此必须采用逆变器将蓄电池的直流电转化为普通用电器可以使用的交流电。 逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置,逆变器技术在电力电子技术中已经较为成熟。 作为在本太阳能光伏发电系统中应用的逆变器,要满足以下要求: 1)对

27、输出功率和瞬时峰值的要求; 2)对逆变器输出效率的要求; 3)对逆变器输出波形的要求; 4)对逆变器输入直流电压的要求。 逆变器与正变换正好相反,它使用具有开关特性的全控功率器件,通过一定的控制逻辑,由主控制电路周期性的对功率器件发出开关控制信号,再经变压器耦合升(降)压、整形滤波就可得到交流电。通过逆变器产生的交流电,就可以广泛应用于普通的交流用电器。2.1.6.控制器 为了最大限度地利用蓄电池的性能和延长使用寿命,必须对它的充电条件加以规定和控制。无论太阳能光伏发电系统是大还是小,是简单还是复杂,充电控制器都必不可少。一个好的充电控制器能够有效地防止蓄电池过充电和深度放电,并使蓄电池使用达

28、到最佳状态。 蓄电池充电控制通常是由控制电压或分并联调节器、串联调节器,齐纳二级管(硅稳压管),次级方阵开关调节器控制电流来完成的。一般而言,蓄电池充电方法有三种:恒流充电、恒压充电和恒功率充电,每种方法具有不同的电压和电流充电特性。光伏发电系统中,一般采用充电控制器来控制充电过程,并对过充电进行保护,最常用的充电控制器有:完全匹配系统、并联调节器、部,脉冲宽度调制(PWM)开关,脉冲充电电路。针对不同的光伏发电系统可以选用不同的充电控制器,主要考虑的因素是要尽可能的可靠、控制精度高及低成本。所用开关器件,可以是继电器,也可是MOS晶体管。但采用脉冲宽度调制型控制器,往往包含最大功率的跟踪功能

29、,只能用MOS晶体管作为开关器件。此外,控制蓄电池的充电过程往往是通过控制蓄电池的端电压来实现的,因而光伏发电系统中的充电控制器又称为电压调节器。 控制器可分为并联控制器和串联控制器两种,本设计中选择并联控制方式。第三章 机械部分设计3.1整体框架的设计 本设计中通过东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的跟踪达到使太阳能电池板能够始终正对太阳照射角,从而达到提高太阳能利用率的目的,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。机械转向机构在结构上要做到结构紧凑、布局合理,选件不能过大臃肿,在同等条件下,尽量选用小

30、型的构件。 通过对目前多种太阳能采集装置的机械结构的收集和对比,再在几种比较合适的结构的基础上进行一些修改以更加符合本设计的要求,最终得到的结构如图2.1所示。此结构在东西向和南北向都有很大的转动空间,并且结构简单,耗材较少,比较适合小型的太阳能跟踪发电系统。 如图2.1,本机械转向机构基本组成主要有:底座、下层平台、上层平台、驱动电机、减速装置、电池板固定框架等。图3.1 跟踪系统的机械结构 如图3.2,该示意图是太阳能跟踪控制器的机械结构总体外观图,包括以下部分:1 底座支架 2 水平旋转自由度方向机构 3 竖直旋转自由度方向机构 4 电池板支撑机构 5 传感器装置部分。图3.2 太阳能跟

31、踪控制器的机械结构总体外观图注:1 底座支架 2 水平旋转自由度方向机构 3 竖直旋转自由度方向机构 4 电池板支撑机构 5 传感器装置部分3.2 减速装置的选型 在本光伏发电系统的研制中,要求结构紧凑,因此要选用的电机体积不能太大,由于结构的限制,电机的功率和扭矩也不会很大,不能直接带动机械转向机构做跟踪太阳的运动。因此要选用合适的减速机构来提高扭矩,使转向机构正常运转。为了满足整个系统结构紧凑、体积小的要求,在本机械转向机构中可以选用的减速器有以下三种:涡轮蜗杆减速器、谐波减速器和行星减速器。这三种减速器的性能比较如表。 这三种减速器各自的特点如下: 1蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自

32、锁功能,可以有较大的减速比,输入轴和输出轴不在同一轴线上,也不在同一平面上。但是一般体积较大,传动效率不高。 2谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的,体积不大、精度很高,但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击,刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。 3 行星减速器其优点是结构比较紧凑,回程间隙小、精度较高,使用寿命很长,额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。 本系统由于起停比较频繁,冲击较大,因此不适合选用谐波减速器。行星减速器虽然精度较高,但价格昂贵,也不能满足本太阳能光伏发电系统的设计初衷。因此在本双轴跟踪机构中,选取涡轮蜗杆减速器是较为合适的。表3.1 减速器性能

33、比较表 类型 涡轮蜗杆减速器 谐波减速器 行星减速器体积 中 小 小刚性 高 中 低寿命 中 短 长效率 低 高 高 输入转速3000以上2000以下2000以下 在本设计中具体选用的涡轮蜗杆减速器为NMRV04O涡轮蜗杆减速箱,此减速机的结构小巧而紧凑、外形美观、体积小,箱体的各个面上都有安装孔位,可以适应各种安装方式。NMRV040技术参数: 功 率:0.06KW7.5KW 转 矩:2.6N?m2379N?m 传动比:5-1003.3驱动电机的选型 本太阳能自动跟踪光伏发电系统要求能够比较准确的跟踪太阳位置,因此要求驱动电机能够准确的把电信号转化为电机轴上的角位移。本系统选取步进电机作为驱

34、动电机。 步进电机又称为脉冲电动机,是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换成相应的角位移或直线位移,即给一个脉冲电信号,电动机就转动一个角度或前进一步。步进电动机的移量或者线位移量S与脉冲数k成正比;它的转速n,或者线速度v与脉冲频率f成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化.因而可适用于开环系统中作为执行元件,使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速;能够快速反转和制动。它不需要变换可直接将数字脉冲信号转换为角位移,很适合采用微型计算机控制。步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移,即给一

35、个脉冲信号,步动机就转动一个角度,因此作常适合于单片机控制。 按励磁方式分类,步进电动机可分为3大类: (1)反应式步进电动机anv baelelrcutance,简称VR 反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。它的结构简单,成本低,步距角可以做得很小,.但动态性能较差。 (2)永磁式步进电功机Pemranentmanegt,简称PM 永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的.转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大,动态性能好。转子的极数与定子的极数相同,所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。 (3) 混合式步进电动机(hybird,简称HB) 混

36、合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点,它的输出转矩大,动态性能好,步距角小。 在本设计中,考虑到驱动电机带动的负载较大,故选用了两相混合式步进电机做为系统驱动源。本设计选用的步进电机为85BYGH350A。表3.2 步进电机的技术参数型号相数步进角静力矩N.m电流(I)重量(kg)85BYGH350A21.22.42.42.03.4支撑架设计 底部支撑架设计为梯形立体,四角打孔可以固定。3.5机械结构的整体布局1水平旋转自由度方向结构 水平旋转自由度方向主要由1个步进电机、1个步进电机驱动器、1个电机法兰、1个轴承和1个竖直自由度支撑法兰组成,如图2.3所示(

37、步进电机驱动器未在图中显示)。 电机法兰安装在底座支架上,由两个支架支撑,相对于底座固定不动。水平旋转自由度电机安装在该法兰上,电机输出轴穿过法兰中间的孔与上面的竖直自由度支撑法兰通过紧定螺钉固连。另外,竖直自由度支撑法兰通过轴承安装到电机法兰上,由安装在电机法兰下面的电机直接驱动。图3.3 水平旋转自由度方向结构爆炸图注:1 步进电机 2 电机法兰 3 轴承 4 竖直自由度支撑法兰(2)竖直旋转自由度方向结构 竖直旋转自由度方向主要由1个步进电机、1个步进电机驱动器、1组蜗轮蜗杆、1个蜗轮轴、1个蜗杆支承座、1个电机支承座、2个蜗轮支承座以及3个轴承等组成。 竖直旋转机构通过竖直自由度支撑法

38、兰安装在水平旋转机构上,并由水平旋转机构驱动,可实现水平面内的360旋转。 竖直机构通过1组蜗轮蜗杆实现电池板在竖直平面内的倾角调整。蜗杆一端与电机输出轴通过紧定螺钉固连,另一端通过轴承与支座相连,支座固定安装在竖直自由度支撑法兰上。蜗轮通过键安装在蜗轮轴上,蜗轮轴两端通过轴承连接到蜗杆支承座上,蜗轮支承座同样固定安装在树枝自由度支撑法兰上。电机则安装在电机支承座上。 另外,在蜗轮轴上,蜗轮两侧安装有电池板的两个支撑架,这两个支撑架与蜗轮相对静止,通过两侧的紧固螺母固定在蜗轮两侧。 图3.4 竖直旋转自由度方向结构注:1、蜗杆支承座 2、轴承a 3、蜗轮 4、紧固螺母a 5、蜗轮轴 6、轴承b

39、 7、蜗轮轴支承座a 8、太阳能电池板支撑架a 9、太阳能电池板支撑架b 10、竖直自由度驱动电机 11、紧固螺母b 12、轴承c 13、蜗杆 14、电机支承座 15、蜗轮支承座b第四章 控制部分的设计4.1 整体电路图的设计 本跟踪系统设计的电路图如图3.1所示,计时芯片的时间数据由P1.0、P1.1两口读入单片机,经过处理后单片机通过P0.1P0.4以及P2.0P2.4分别向控制东西方向以及南北方向的步进电机驱动芯片传输控制信号来控制太阳能电池板始终正对太阳。图4.1 整体电路图4.2辅助电路最小理论值4.2.1振荡电路 在XTAL1和XTAL2引脚上接上石英晶体和电容构成振荡器,C1,C

40、2起稳定振荡频率、快速起振的作用,典型值为47pF。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定,实用电路中应用较多。连接如图4.3所示: 图4.2 系统复位电路 图4.3 振荡电路4.2.2复位电路 复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时,都需要先复位,以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。因而,复位是一个很重要的操作方式。但是单片机本身是不能自动进行复位的,必须配合相应的外部电路才能实现。MCS-51的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效,持续时间要有两个机器周期以上。1复位信号的产生 整个复位电路包括芯片内外两部分,外部电路产生的复

41、位信号通过复位引脚RST进入片内的斯密特触发器(抑制噪声作用)再与片内复位电路相连。80C51内部复位电路原理图如图3-22所示。复位电路每个机器周期对斯密特触发器的输出采样一次,当RST引脚端保持两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平时,80C51进入复位状态。2复位状态 复位时,ALE和PSEN成输入状态,即ALEPSEN1,片内RAM不受复位影响。复位后,P0P3口输出高电平且使这些双向口都处于输入状态,并且将07H写入堆栈指针SP,同时将PC和其余专用寄存器清为“0”。此时,单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。3外部复位电路的设计图4.4 复位电路原理图单片机的外部复位电路

42、就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平设计的。通常有两种形式:上电自动复位和按键手动复位。本系统采用的是上电复位电路,也就是在通电瞬间在RC电路充电过程中,RST端出现正脉冲,从而使单片机复位56。本系统的复位电路就是采用了如图3-23所示的方式,其中电容C的值为22F,电阻值为1k?,连接之后,经过多次试验,电路很稳定,能够保证每次上电都能准确地复位。4 检测电路图4.5 检测电路原理图5 PO按键电路 本系统中需要调整时间,因此设置了3个按键K1、K2、K3,将按键的一端连在一起与GND相接,另一端分别与单片机引脚P2.4、P2.5、P2.6相接。如果无键按下,则P2.4、P2.5

43、、P2.6口为高电平;如果有键按下,则P2.4、P2.5、P2.6口为低电平。为提高按键工作稳定性,给P2.4、P2.5、P2.6口分别加上一个4.7K的上拉电阻。按键输入电路如图3-25所示:其中K1是功能键用于选择调整系统的月、日、时、分,K2是加键,K3是减键,K2和K3分别用于对月、日、时、分进行加1或减1。在调整时,按一下加键则加1,长按加键则系统自动连续加1,直到松开为止,减键也是一样。 图4.6 按键电路原理图 4.3电机驱动电路 步进电机不能直接接到交直流电源上工作,而必须使用专用设备?步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能,除与电机自身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器

44、的优劣。因此,对步进电机驱动器的研究几乎是与对步进电机的研究同步进行的。常见的驱动方式有:单电压驱动;高低电压驱动;斩波型驱动;调频调压型驱动;H桥双极性驱动;细分驱动等。 本文选用的是ULN2803步进电机驱动芯片驱动,ULN2803用来功率放大的驱动芯片也就是单片机输出的电流信号特别小无法直接驱动大的负载,所以可以用ULN2803来实现单片机与负载的连接,应用电路图如图: 图4.7电机驱动电路 图4.8 ULN2803 内部电路图(1/8单元) 4.4太阳能控制电路 如图所示,双运放LM358与R1、R2构成两个电压比较器,参考电压为VDD+12V的1/2。光敏电阻RT1、RT2与电位器R

45、P1和光敏电阻RT3、RT4与电位器RP2分别构成光敏传感电路,该电路的特殊之处在于能根据环境光线的强弱进行自动补偿。如下图所示,将RT1和RT3安装在垂直遮阳板的一侧,RT4和RT2安装在另一侧。当RT1、RT2、RT3和RT4同时受环境自然光线作用时,RP1和RP2的中心点电压不变。如果只有RT1、RT3受太阳光照射,RT1的内阻减小,LM358的3脚电位升高,1脚输出高电平,三极管VT1饱和导通,继电器K1导通,其转换触点3与触点1闭合,同时RT3内阻减小,LM358的5脚电位下降,K2不动作,其转换触点3与静触点2闭合,电机M正转;同理,如果只有RT2、RT4受太阳光照射,继电器K2导

46、通,K1断开,电机M反转。当转到垂直遮阳板两侧面的光照度相同时,继电器K1、K2都导通,电机M才停转。在太阳不停地偏移过程中,垂直遮阳板两侧光照度的强弱不断地交替变化,电机M转-停、转-停,使太阳能接收装置始终面朝太阳。 4只光敏电阻这样交叉安排的优点是:LM358的3脚电位升高时,5脚电位则降低,LM358的5脚电位升高时,3脚电位则降低,可使电机的正反转工作既干脆又可靠。可直接用安装电路板的外壳兼作垂直遮阳板,避免将光敏电阻RT2、RT3引至蔽阴处的麻烦。使用该装置,不必担心第二天早晨它能否自动返回。早晨太阳升起时,垂直遮阳板两侧的光照度不可能正好相等,这样,上述控制电路就会控制电机,从而驱动接收装置向东旋转,直至太阳能接收装置对准太阳为止。图4.9太阳能控制电路4.5液晶显示电路引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RSCSH/L并行的指令/数据选择信号;串行的片选信号5R/WSIDH/L并行的读/写选择信号;串行的数据口6ECLKH/L并行的使能信号;串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L