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1、毕业设计报告(论文) 基于TMS320F2812太阳能跟踪系统的设计（二）电池板仰角跟踪模式所 属 系 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化起讫日期 2012.2 - 2012.5 设计地点 东南大学成贤学院 东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）诚 信 承 诺本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。学生签名： 日期：基于TMS320F2812太阳能跟踪系统的设计摘要人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，这些矿物燃料是一次性不可 再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的
2、二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境 恶化。太阳能作为一种新型能源具有储量无限、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，对太阳能的利用率不高。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377。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。一种基于TI(Texas Instrument Inc)DSP控制器 (TMS320F2812)的运动控制系统. 并利用DSP芯片以及步进电机驱动双轴跟踪系统，使太阳
3、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。关键词：太阳能电池;太阳照射角;自动跟踪;TMS320F2812 The design of solar tracking system based on TMS320F2812ABSTRACTHuman being is seriously threatened by cxhausting mineral fuel，such as oil and coal These mineral fuds are one-off and non-reproducible seurces and have limited rervcs When t
4、hey are burned，a great deal of carbon dioxide will releaseThe consequences of it are global temperature hoist and entironmeat deteriorating .As a kind of new type of energy sources，solar energy has the advantages of unlimited reserves，existing everywhere，use clean and economical. But it also has dis
5、advantages，such as low density，intermission,change of space distributing and so onThese disadvantages induce that solar energy equipment，like solar energy water heater and solar battery，has the low using perecnt of solar energy. It has been showed that，the energy inception enhance by 37.7，if solar e
6、quipment track the movement of the sunIn the design , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar light - electricity conversion efficiency. In order to drive the stepper motor,this paper presents a control method based on TIs DSP controller(TMS320F2812). Use
7、 DSP and stepper motor driven tracking system. make the solar panels perpendicular to the solar incidence line, to improve the absorption efficiency of solar energy. Keywords: solar cells;Inrradiation angle of sun;tracking automatically;DSP 目录摘要IABSTRACTII目录III第一章引言11.1能源与环保11.2太阳能的特点11.3太阳能利用的现状与发展
8、趋势21.3.1太阳能利用现状21.3.2太阳能发展趋势21.4太阳能跟踪技术的现状3第二章系统实现方案42.1跟踪系统的设计要求42.2系统实现的原理42.2.1太阳位置的确定42.2.2跟踪方式的确定5第三章控制部分的设计63.1控制器的选择63.1.1数字信号处理DSP芯片63.1.2TMS320F2812的介绍63.1.3步进电机驱动器83.1.4控制信号放大器83.1.5系统链接图83.2传感器电路的设计93.2.1光敏传感器的选择93.2.2光敏传感器的模型设计93.2.3光敏传感器的电路设计113.3步进电机驱动电路的设计123.4显示电路的设计123.4.1LCD的介绍123.
9、4.2LCD1602接口电路133.5按键电路的设计143.6电源电路的设计14第四章机械结构的设计164.1云台机械设计要求164.2云台结构简介164.3云台电机选样17第五章软件的设计185.1系统初始化模块185.2光电跟踪控制模块185.3手动复位模块19第六章结束语20致谢21参考文献22第一章 引言1.1能源与环保随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类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，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形
10、成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面：1.能源短缺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，但全球己探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。2.环境污染由于燃烧煤、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，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。3.温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全
11、球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国二氧化碳等温室气体的排放量。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。1.2太阳能的特点太阳是一个巨大的能源，万物生长都要依靠太阳，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。而
12、相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。太阳辐射能与煤炭，石油，核能相比较。有如下的优点:1.储量的无限性太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75 X 1021 kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73 X 1011kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1X1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7 X 1013kW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。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
13、的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。2.存在的普遍性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。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。3.利用的清洁性太阳能像风能、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，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。4.利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，
14、可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。1.3太阳能利用的现状与发展趋势1.3.1太阳能利用现状1.太阳能热水器太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，目前真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。2.太
15、阳能建筑一体化我国太阳能建筑技术经近20年的努力，获得了可喜的发展。到2004年底，太阳能热水器年生产能力达到1350万，利用量达到6500万，占全球安装量的60%，居世界首位，并出口世界30多个国家和地区。太阳能光伏发电约达6.5万千瓦，解决了700多个乡镇，约300万偏远人口基本用电问题。如西藏已建成近400个县级和乡级太阳能光伏电站，总装机容量达近8000千瓦，成为我国集中型光伏电站最多的省区。近年来，在科研开发、住宅小区大面积推广应用、太阳能建材化、太阳能与建筑一体化设计等方面都取得了骄人的成绩。北京清上园为北京第一个全部使用太阳能热水器的板式小高层建筑住宅小区，全小区共519户，每户
16、阳台护栏外都安装了由山东澳华电器有限公司生产的“澳华维丽亚”牌阳台壁挂式太阳能热水器；阳台内分户墙壁上安装着与电热水器一模一样的分体式水箱，管道经地下直通卫生间，业主只需轻轻扳动把手，70左右的热水便顺畅流淌，即可轻松洗浴。此系统还配有电辅助设施，无论在春夏秋冬，还是雨雪天气都可正常使用，实现了自动控制，恒温出水，达到了安全、舒适、节能的目的。据初步估算，通过利用太阳能采暖器，每平方米每年可节省近600度电。1.3.2太阳能发展趋势1.太阳能交通工具完全用太阳能为驱动力代替传统燃油，是几代汽车工作者的梦想。1982年澳大利亚人汉斯和帕金用玻璃纤维和铝制成了一部“静静的完成者”太阳能汽车。车顶部
17、装有能吸收太阳能的装置，给两个电池充电，电池再给发动机提供电力。12月19曰，两人驾驶着这辆车，从澳大利亚西海岸的珀思出发，横穿澳大利亚大陆，于1983年1月7曰到达东海岸的悉尼，实现了一次伟大的创举。这种太阳能汽车与传统的汽车不论在外观还是运行原理上都有很大的不同，太阳能汽车是由电池板、储电器和电机组成利用贴在车体外表的太阳电池板，将太阳能直接转换成电能，再通过电能的消耗，驱动车辆行驶，车的行驶快慢只要控制输入电机的电流就可以解决。2.空间太阳能电站这个太阳能空间站的项目，是由日本政府和能源研究员一起构想出来的。他们设想在地球22360英里（3万6千千米）的上空的对地静止轨道上建立一个太阳能
18、空间站。这个空间站每天可以产生10亿瓦特的电能，并将电能传输给地球上的能源接受站，这样就可以供给30万家庭的日常用电1.4太阳能跟踪技术的现状现阶段国内外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。1.单轴跟踪倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。跟踪系统的转轴(或焦线)东西向布置，根据事先计算的太阳方位的变化，太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式，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，此时太阳能接收率最大;而在早上或下午太阳光线都是斜射。单
19、轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行，接收太阳能的效果并不理想。2.双轴跟踪双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。太阳能设备的能量转换部分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。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，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。高度角-方位角式太
20、阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪。太阳能设备的能量转换部分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。工作时太阳能设备的能量转换部分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太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分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。第二章 系统实现方案2.1跟踪系统的设计要求在太阳能应用系统中，为了研究一种结构简单，成本低廉且跟踪精度高的太阳能跟踪方法，提出了一种新型的双轴跟踪系统，实现太阳法线方向的跟踪。以TI公
21、司32位定点数字信号处理器TMS320F2812为主协处理器，构建根据太阳光线与太阳能电池板夹角变化追踪太阳位置的光电传感器模式，通过步进电机驱动双轴跟踪装置控制太阳能电池板的方位角和高度角，达到跟踪太阳的目的。如图2.1所示。图2.1 系统整体框图本设计的主要功能是用TMS320F2812微控制器控制两个步进电机，实现太阳能跟踪系统在高度角和方位角方向跟踪太阳，同时，将时钟芯片的时间显示在LCD上，另外，通过按键来调整时间，达到人机相互交流的目的。控制太阳能电池板的精度达到2。2.2系统实现的原理2.2.1太阳位置的确定1.太阳运行的规律众所周知 ，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴
22、”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占=0)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90- (为观察者当地
23、的地理纬度)。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值90-+2327，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬=0)，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太阳正午高度达最小值90-2327，黑夜最长，这时地球北半
24、球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道。2.太阳位置的确定虽然太阳在地球上的位置每日、每时都有变化，但是其运行具有严格的规律性。根据其相互运动规律，可以通过天文公式计算出太阳在赤道坐标系中的太阳赤纬角和太阳时角。在实际使用中，由于太阳赤纬角和太阳时角是建立在赤道坐标系中，不便于直接应用，所以一般将其转换到人们所熟悉的地平坐标系中，即由太阳赤纬角和太阳时角计算出太阳高度角和方位角。当太阳高度角和方位角确定之后，太阳的位置也就唯一确定了。 2.2.2跟踪方式的确定1.主动式跟踪主动跟踪是指提前预设太阳
25、能电池板的位置，按照时间而不是按照检测到的光强信号来调整太阳能电池板。其中，高度角、方位角式双轴太阳跟踪是主动式跟踪的一种。高度角、方位角式双轴太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪。跟踪的方位轴垂直于地面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时，太阳能跟踪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跟踪器的倾斜角，从而使反射镜面的主轴始终与太阳光线平行。 主动跟踪虽然在任何天气条件下都可以正常运行，但是在跟踪过程中产生的累积误差自身并不能消除。2.被动式跟踪被动式跟踪一般是将两个光敏元件对称安装在太阳能电池板上接受太阳光。当太阳光直射太阳能电池板时，两个光敏元件接收到相
26、同的阳光辐射，输出相同的控制信号。当太阳光线偏射到太阳能电池板的时候，两个光敏元件接收到不同的阳光辐射，输出两个强弱不同的控制信号，利用这两个信号的差值对电池板的位置进行调整，直至太阳光再次直射到太阳能电池板。 被动式跟踪控制思路简单，控制器设计容易且追踪精度高，可以大大的提高太阳能的利用效率。3.本设计采用的太阳跟踪方式本设计采用的是被动式跟踪方法，基于TMS320F2812设计太阳能跟踪系统，每隔10分钟计算一次，根据两次的差值，由微处理器控制电机转动到相应位置。机械装置由电机驱动，可以使电池板在水平方向的360和垂直方向的090之间自由旋转。两个转动轴的转动部分都安装装轴承，是摩擦力减小
27、，以降低方位角和高度角两电机的调整功率。第三章 控制部分的设计3.1控制器的选择3.1.1数字信号处理DSP芯片DSP(di gital Signal processor)是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件I舶。其工作原理是接收模拟信号， 转换为0或l的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化， 并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。 它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复 杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。如图3.1所示。图3.1 DS
28、P芯片根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：(1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； (2) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； (3) 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； (4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； (5) 快速的中断处理和硬件I0支持； (6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； (7) 可以并行执行多个操作； 3.1.2TMS320F2812的介绍本文DSP选择的是TI公司于2003年正式推出的面向控制领域的TMS320F2812 DSP作为主控单元，如图3.2所示为该DSP内部结构原理图。该D
29、SP是目前控制领域中高档的DSP之一，与TI公司较早的TMS320LF2407ADSP相比，各项性能指标都有了显著提高； 该芯片资源丰富，可大大简化外围电路设计。其主要资源和性能指标如下：图3.2 TMS320F2812内部结构原理图1高性能静态CMOS技术，主频最高可达l50MHz(时钟周期 6.67ns)，低功耗，1.8V核电压和3.3V I0电压供电。 2支持JTAG边界扫描。 332位高性能CPU，可实现3232位或双1616乘法累加，哈佛总线结构，与TMS320F24xLF240x DSP源代码兼容。 4片上内存丰富，含有128KX 16bits可加密FLASH，18Kx16 bit
30、sSARAM。 5外部接口可达IMX16bits的存储器，可编程等待周期，三个独立的片选信号。6片上集成了16个通道的l 2位AD接口，最小转换时间80nS，可灵活设置采样方式，虽然在本系统中没有用到此功能模块，可用 于本系统的升级设计。7看门狗定时器模块，支持锁相环模块PLL比率动态改变。8中断资源丰富，可支持96个外设级中断和3个外部中断，提取中断向量和保存现场只需9个时钟周期，响应迅速。 9通用输入输出多路复用器(GPl0)拥有多达56个IO口。 10片内功能丰富：两个事件管理模块(EV)，包括4路16位事件定时器，12路PWM输出通道及6路光电码盘接口；2路串行通 信接口(SCI)以及
31、1路多通道缓冲串行接口(McBSP)和1路eCAN 总线模块。 本系统设计中正是使用片内外设事件管理器(EV)的定时器比较输出I0口发送控制步进电机所需要的控制脉冲和方向信号。3.1.3步进电机驱动器步进电动机是一种将电脉冲信号直接转换成角位移或直线位移的一种增量运动电磁执行元件。给它一个电脉冲，它就会在空间按照指令给定的步距相应地走一步，并准确地锁走在希望的位置上，它能将数字脉冲输入转换成模拟输出的微步运动。它是数控系统和 计算机控制系统中理想的运动驱动元件。其驱动原理如图3.3所示：图3.3 步进电机驱动原理步进电机具有结构简单、可动部分重量轻、惯性小、无漂移、 无累计定位误差，可靠性高的
32、特点，在开环控制的条件下，就能够 做到高速、高精度定位，是一种理想的高科技运动驱动器。近年来， 随着集成电路、计算机的发展，步进电动机在需要高速、高精度、 高可靠性的数字直线随动调节系统中发挥着越来越重要的作用。3.1.4控制信号放大器从DSP出来的驱动信号，驱动电流为4mA，高电平只有3.3V，而电机驱动器所需要的驱动信号电压为5V一24V，电流为815mA。因此，必须对信号进行放大处理。放大模块主要运用三极管开关特性来增大信号驱动能力的。本课题所采用的电机驱动器需要524V，815mA的控制信号，对于不同的电机驱动器来说，输入信号的要求不同。但是由于接口电路输出端采取了集电极开路门的接线方
33、式，只需要改变供电电压和上拉电阻的数值就能适应各种驱动器的输入要求。这使本系统控制不同的电机成为可能。3.1.5系统链接图把上述各个部分连接起来就构成了整个的运动控制系统。具体的连接方式如下图3.4所示：图3.4 系统连接图3.2传感器电路的设计3.2.1光敏传感器的选择光敏传感器是应用半导体材料的内光电效应，分为两类，其一是光电导效应：在光作用下，电子吸收光子能量，使半导体材料电导率显著改变。基于这种效应的光电器有光敏电阻。其二是光生伏特效应：在光作用下，使半导体材料产生一定方向的电动势。基于这种效应的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。在光控电路中所使用的元件以光敏二极管和光敏三极
34、管为主，下面介绍两者的主要区别。1.光电流光敏二极管的光电流一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管的光电流一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差10倍以上，因此在实用电路中光敏二极管产生的光电流往往要经放大后去驱动其他负载，如继电器等。光敏二极管和光敏三极管两者的暗电流相差不多，而且一般都不超过1A，大多在0.5A以下。2.响应时间光敏二极管的响应时间一般在一百纳秒以下，而光敏三极管的响应时间却长达510s，复合型光敏三极管的响应时间还要长。因此，在调制光信号和光脉冲下工作的光敏三极管，必须慎重选择。3.输出特性光敏二极管在很宽的入射光照度范围内都具有线性的光电流，这也就是所谓的照度特
35、性；而光敏三极管输出特性的线性度较差，且在低照度是灵敏度低，而在高照度时，光电流又有饱和趋势，只在照度适中时有一个线性区，不同类型光敏三极管的光电流照度特性的线性区域范围不同，即使是同类型的管子的特性也是有差异的，但光敏二极管则不然，一般都有很好的线性特性。根据整个电路的需要，由于光敏二极管在很宽的入射光照度范围内都具有线性的光电流，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪音低，小型轻量以及耐振动与冲击的特点，所以，系统采用光敏二极管作为光敏传感器。3.2.2光敏传感器的模型设计传感器电路主要是检测太阳高度角和方位角的变化，电路中用了5个光敏二极管，中间放置一个光敏二极管D4，其余4个
36、排成圆形分布在D4周围。将此检测板用一个不透光的下方开口的空心圆柱体盖住，如图3.5所示，圆柱体的直径略大于图中的外圆。圆柱体的上方开一个洞，以让光线通过。将整个传感器检测装置安装在太阳板上，光电二极管的检测面与太阳能管平行。图3.5 传感器整体外观光电二极管的安装原则如图3.6所示，周围的四个传感器主要用来检测太阳的方向，相对的两个为一组，分别用来检测太阳的高度角和方位角，中间的传感器用来判断太阳能电池板是否正对太阳，具体工作过程是这样的，先检测周围的四个方向传感器，以D1和D3为例，搭建电路，对D1和D3的电压进行采样，通过微处理器TMS320F2812的AD转换，对电压进行比较，把D1和
37、D3的电压差设定一个阀值，当其大于这个阀值时，可以通过判断太阳的方向，通过TMS320F2812微控制器，控制步进电机转动一个角度，以此循环，直到其差值在阀值内，然后接着判断方向每次转动一个小的角度，检测中间传感器的电压值，直到其达到最大值，电机停止转动。图3.6 光敏二极管安装传感器具体安装尺寸如图3.7所示，本设计中，光电传感器在设定的角度=60范围内能跟踪太阳，传感器的高度h=30mm，光敏二极管的直径p=3mm，当太阳光的偏差角度是时，出现一个阴影，其大小可以通过公式获得：d=tanh传感器模型上面的开口直径可以根据模型的高度、跟踪太阳的最大角、二极管尺寸大小来确定：r=（tanh）（
38、p+d）图3.7 传感器安装原理图3.2.3光敏传感器的电路设计传感器电路的设计主要是利用光敏二极管的光敏特性，受到光照越强，电流越大，通过对检测电压的大小来检测光照的强弱以及光照的方向，光敏二极管的接法如图3.8所示，光敏二极管的负极接到电源的正极，光敏二极管的负极接到电源的正极，这样当光敏二极管受到光照时导通，当光敏二极管没有受到光照时截止。光电检测电路中正是利用了光敏二极管的这个特性来对电路进行控制。它封装在一个金属管壳内，管壳顶部装有透明的玻璃，入射光线通过玻璃直接照射在管芯的PN结上。图3.8 光敏二极管电路 3.3步进电机驱动电路的设计步进电机驱动电路的设计如图3.9、图3.10所
39、示。图3.9 步进电机A驱动电路图3.10 步进电机B驱动电路本设计对步进电机的控制采用PWM控制，通过控制PWM发生频率控制电机的转速，控制脉冲的个数控制电机的转动位置。3.4显示电路的设计3.4.1LCD的介绍在日常生活中，对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家的电子产品都一看见，显示的主要是数字、专用符号和图形。在人际交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。在嵌入式系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点。1、显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而
40、不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2、数字是接口液晶显示器都是数字式的，和DSP系统的接口更加简单可靠，操作更加方便3、体积小且重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。4、功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其他显示器要小得多。3.4.2LCD1602接口电路 为了对太阳能独立发光系统的运行状态有更好的状态监控，更加直观的显示供电系统的工作状态，系统使用北京铭正同创科技有限公司的LCD1602，显示系统的工作状态，表3.1注明了
41、各引脚功能。该液晶的背光控制引脚，采用了I/O可控，该液晶显示模块、接口标准、背光可控具有良好的可编程性。图3.11是液晶的显示电路。表3.1 液晶接口管脚定义图3.11 液晶显示接口电路3.5按键电路的设计 按键使用的是英飞凌公司高精度的霍尔开关TLE4906，图3.12为本设计的按键电路，其中二极管的电容构成了去抖电路。图3.12 按键电路3.6电源电路的设计 TMS320F2812工作时所要求的电压分为两部分：3.3V的Flash电压和1.8V的内核电压。TMS320F2812对电源很敏感，所以在此推荐选择电压精度比较高的电源芯片TPS767D318。TPS767D318芯片的输入电压为
42、+5V，芯片起振，正常工作之后，能够产生3.3V和1.8V两种电压供DSP使用。图3.13为电源电路。图3.13 电源电路第四章 机械结构的设计4.1云台机械设计要求鉴于该云台用于承载太阳能发电板，通过云台自身转动带动太阳能电池板转动，从而达到使太阳能发电板始终垂直于太阳光入射的角度，从而在任何时刻都达到最大的发电效果的这种实际需要，云台设计必须满足以下几个设计要求。1.转动角度的灵活性由于云台设计的目的是为了在任意时间环境中都能正确的捕捉到太阳直射的正确方位，因此要求云台在转动角度上必须具有灵活性，能够转动任意角度，单位转动角度越小，云台捕捉方位角的性能就越理想。2.转动角度的可调节性由于太
43、阳的入射角每时每刻都在变化，因此云台的设计应考虑到角度调整的随机可变性，即满足云台随时调整自身角度参数来达到对准太阳的要求。3.转动的顺滑性由于云台必须在24小时内做间断的持续运动，因此对云台的转动顺滑性提出了很高的要求，即云台必须在没有阻力或者低阻力的环境下进行转动，这就要求在机械结构设计过程中尽量匹配好中心位置，减少偏心力矩和机构间的摩擦阻力，使机构达到转动顺畅的目的。4.2云台结构简介根据云台的设计的上述几点要求，云台结构设计如图4.1所示。图4.1 太阳能云台结构图云台采用两个自由度的两级转动设计，该云台装置既能绕X、Y平面做180的圆周运动，又能以既定X、Y矢量为轴，在其与Z轴构成的
44、平面上做最大转动角度为90的转动。4.3云台电机选样由于云台具有两个自由度，因此必须选用两款电机作为驱动装置。下面介绍的是选取步进电机的方案。该方案选择两个步进电机来带动云台的二级转动。步进电机有步距、静力矩、及电流三大要素。确定电机就是对这三大要素的确定。1.步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分表率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于这个角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.2度（三相电机）等。这里，选择步距角为1.8的二相步进电机。经过驱动器的细分和减速之后，它可以
45、分别适应两级转动的扭矩和转速要求。2.静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。位于云台底部的步进电机由于要带动整个云台上部的转动，必须选择扭矩较大的步进电机，预测云台的上部重量在3kg左右，因此应选用扭矩为0.5以上的电机。云台的上部因为预计重量在1
46、kg之内，因此应选用扭矩为0.3左右扭矩较小的电机。3.力矩与功率的换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M =2n/60 P=2nM/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米，其中f为每秒脉冲数（简称PPS）P=2fM/400(半步工作）第五章 软件的设计5.1系统初始化模块 太阳能跟踪器的大致工作流程是这样的，开机后，跟踪器回到基准位置，微控制器TMS320F2812根据当地的经度、纬度以及时间计算出此时的太阳高度角和方位角，与基准位置的相比较，算出电机需要转动的角度，由微控制器TMS320F2812控制跟踪器转动到正对太阳光的位置。每隔十分钟计算一次，根据两次的差值，由微处理器控制电机转动到相应的位置。日落后，跟踪器停止跟踪，并按原路返回到基准位置，以避免连线的缠绕。第二天日出时重新开始跟踪，以此循环。图5.1为系统初始化流程。图5.1 系统初始化流程5.2光电跟踪控制模块 光敏二极管是敏感元件，太阳光强的变化通过电路转化为电流和电压的变化，经过微控制器TMS320F2812对电压的采样和A/D转换，根据分析的结果驱动电机转
