太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)(共14頁)

1、 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)課程作業(yè)太陽能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)小組(xioz)成員： 120740116 靳 侃120740117 雷千里(qin l)120740118 林遠(yuǎn)明120710119 馬 亮120740120 邱占軍太陽能自動(dòng)(zdng)追蹤(zhuzng)控制系統(tǒng)小組(xioz)成員分工情況：組長(zhǎng)：馬亮負(fù)責(zé)任務(wù)分配與整合，完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)組員：林遠(yuǎn)明負(fù)責(zé)動(dòng)力源、執(zhí)行器模塊選型設(shè)計(jì)組員：邱占軍負(fù)責(zé)機(jī)械本體模塊選型設(shè)計(jì)組員：靳侃負(fù)責(zé)檢測(cè)傳感模塊選型設(shè)計(jì)組員：雷千里負(fù)責(zé)電子控制模塊選型設(shè)計(jì)目錄1.1 概述(i sh) 31.2系統(tǒng)(xtng)的總體設(shè)計(jì)思想. 32.1 動(dòng)力源與執(zhí)行(zhxng)單元 4

2、機(jī)械本體模塊. 62.3 檢測(cè)傳感模塊. 82.4 電子控制單元 93.1 設(shè)計(jì)總結(jié) 121.1 概述太陽能作為一種新型的綠色能源，有著廣泛的發(fā)展前景。但是由于太陽能本身的缺點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)太陽能的利用率普遍較低，并且現(xiàn)有跟蹤控制器也有著各種缺點(diǎn)。為了盡可能的提高(t go)太陽光能的利用效率，改進(jìn)現(xiàn)有太陽能跟蹤控制的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的一種高精度太陽能跟控制系統(tǒng)。這種跟蹤控制系統(tǒng)采用軟件控制和傳感器控制相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過硬件控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)高精度的太陽跟蹤。1.2系統(tǒng)(xtng)的總體設(shè)計(jì)思想通過大量查閱資料以及(yj)了解一些具體實(shí)例，為了很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的功能，將該系統(tǒng)的

3、總體設(shè)計(jì)框架分為四大模塊：動(dòng)力源、執(zhí)行器模塊、機(jī)械本體模塊、檢測(cè)傳感模塊、電子控制模塊。具體分析如下：采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心。利用傳感器進(jìn)行白天還是黑夜，晴天還是陰天的程序運(yùn)行。對(duì)光電檢測(cè)部分進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并連接單片機(jī)，以達(dá)到有效地控制?？梢允褂肔ED顯示器，時(shí)鐘電路可以采用串行時(shí)鐘芯片DS1302.控制部分首先將單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)放大，然后發(fā)送給電動(dòng)機(jī)，電機(jī)獲得信號(hào)后執(zhí)行動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)追蹤功能。機(jī)械裝置采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，達(dá)到減速和改變運(yùn)動(dòng)方向的目的。系統(tǒng)框架圖如圖1.2 所示。圖1.2 太陽自動(dòng)(zdng)跟蹤系統(tǒng)框圖2.1 動(dòng)力源與執(zhí)行(zhxng)單元本太陽能自動(dòng)跟蹤(gn

4、zng)系統(tǒng)要求能夠比較準(zhǔn)確的跟蹤太陽位置，因此要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠準(zhǔn)確的把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸上的角位移。于是本系統(tǒng)選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的控制電機(jī)。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，每輸入一個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在任何一個(gè)方向的任意機(jī)械位置都可以啟動(dòng)和停止，并且，它的轉(zhuǎn)子按照每一個(gè)輸入步進(jìn)指令以準(zhǔn)確的角度運(yùn)動(dòng)和停止。這種精確的角度運(yùn)動(dòng)可隨每一個(gè)輸入(shr)步進(jìn)指令重復(fù)，從而使其轉(zhuǎn)子可在任一方向(fngxing)上精確定位。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、精確度高、調(diào)速范

5、圍大、起動(dòng)、制動(dòng)反應(yīng)靈敏(ln mn)等特點(diǎn)。而且如果停機(jī)后某些相仍保持通電狀態(tài)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于電脈沖頻率，并與頻率同步，由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型，電磁式步進(jìn)電機(jī)最為常見。電磁式步進(jìn)電機(jī)一般又分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)和混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)三種。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，步距角可以很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源，它輸出轉(zhuǎn)距大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距

6、角一般很大?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)則是綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，即不僅定子和轉(zhuǎn)子上開了很多小槽，同時(shí)其磁路內(nèi)含有永久磁鋼，這使得混合式步進(jìn)電機(jī)不僅可以像反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)那樣小步距的轉(zhuǎn)動(dòng)，也具有永磁式控制功率小動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指產(chǎn)生不同對(duì)極N、S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常見的步進(jìn)電機(jī)有兩相、四相和五相。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)指完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的步距角指對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的移量或者線位移(wiy)量S與脈沖數(shù)k成正比；它的轉(zhuǎn)速n，或者線速度v與脈沖頻率f成正比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系(gun

7、 x)不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。因而可適用于開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速;能夠快速反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。它不需要變換可直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此作常適合于單片機(jī)控制。在查閱了步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品(chnpn)參數(shù)資料后，并且考慮到本次設(shè)計(jì)的裝置，所選用的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的特性，通常留有倍的余量。所以本系統(tǒng)選用56BYG250D-0241、56BYG250C-0241兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

8、表2-1列出兩電機(jī)的相關(guān)主要參。表2-1 步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)型號(hào)相數(shù)步距角（）相電流（A）保持轉(zhuǎn)矩（）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（g）重量(kg)外形尺寸（mm）56BYG250D-024121.82.41.72460156BYG250C-024121.82.41.042600.62.2 機(jī)械本體(bnt)模塊機(jī)械本體是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身(j shn)、框架、支撐、聯(lián)接等。方案(fng n)一：本結(jié)構(gòu)中通過東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的跟蹤達(dá)到使太陽能電池板能夠始終正對(duì)太陽照射角，從而達(dá)到提高太陽能利用率的目的，因此轉(zhuǎn)向部分首先需要滿足能夠進(jìn)行東西向和南北向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，此

9、跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還必須本著造價(jià)低廉、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的原則進(jìn)行。機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上要做到結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，選件不能過大臃腫，在同等條件下，盡量選用小型的構(gòu)件。通過對(duì)目前多種太陽能采集裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的收集和對(duì)比，再在幾種比較合適的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些修改以更加符合本設(shè)計(jì)的要求，最終得到的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。此結(jié)構(gòu)在東西向和南北向都有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)空間，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗材較少，比較適合小型的太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)。如圖2.2，本機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基本組成主要有：底座、下層平臺(tái)、上層平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速裝置、電池板固定框架等。圖2.2 太陽能自動(dòng)跟蹤裝置原理圖方案二：本追光(zhu un)機(jī)構(gòu)(jgu)采用(

10、ciyng)雙軸跟蹤方法，即太陽能電池板通過繞數(shù)值軸和水平軸獨(dú)立動(dòng)作而改變系統(tǒng)的方向角和俯仰角。此機(jī)械部分由太陽能電池板（中間帶有光電傳感器）、T型支架、連桿、凸輪、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和2個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成。如圖所示，由步進(jìn)電機(jī)A帶動(dòng)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速后驅(qū)動(dòng)T型支架（上裝有豎直軸）圖2.3太陽能自動(dòng)跟蹤裝置原理圖實(shí)現(xiàn)水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即方向角的調(diào)整。由步進(jìn)電機(jī)B帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)使太陽能電池板繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角的調(diào)整。通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，從而使太陽能電池板與太陽光線垂直。 本機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)。該結(jié)構(gòu)可將運(yùn)動(dòng)依靠?jī)蓚€(gè)交錯(cuò)的軸承來傳遞（一般交錯(cuò)角為90度），蝸桿是主動(dòng)件，渦輪為從動(dòng)件。蝸

11、桿傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1.傳動(dòng)比大：在動(dòng)力傳動(dòng)中，單級(jí)傳動(dòng)比一般為880，在分度機(jī)構(gòu)中或傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)比可達(dá)1000，因傳動(dòng)比大，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。2.工作平穩(wěn)噪聲?。簻u輪齒為連續(xù)不斷的螺旋形，在與渦輪嚙合過程中是連續(xù)的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)數(shù)又較多，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小。3.可以自鎖：當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于當(dāng)量(dngling)摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)自鎖。蝸桿傳動(dòng)適用于傳動(dòng)比大、而傳動(dòng)效率不大且做間歇運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。故該方案正適合本系統(tǒng)(xtng)的傳動(dòng)要求。2.3 檢測(cè)(jin c)傳感模塊光電傳感式太陽跟蹤控制系統(tǒng)采用光敏硅光電管、硅光電池等元件。目前國內(nèi)較常用的光電跟蹤系統(tǒng)有電動(dòng)式、重力式、電磁式。這些光

12、電跟蹤控制系統(tǒng)都采用光敏元件作為傳感器。在這類跟蹤控制系統(tǒng)中，傳感器一般安裝在采光板上或固定的位置，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整采光板的位置使采光板正對(duì)太陽。當(dāng)太陽向西移動(dòng)時(shí)，采光板的跟著偏移，光電傳感器因受到陽光照射會(huì)輸出一定值的電壓或電流，作為輸入信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整太陽能采光板的角度使跟蹤系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)太陽。光電傳感器式跟蹤具有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是容易受天氣的影響，若出現(xiàn)陰天或云遮住太陽的情況，太陽光線經(jīng)過散射，就會(huì)導(dǎo)致跟蹤控制系統(tǒng)無法對(duì)準(zhǔn)太陽實(shí)際的位置，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，使跟蹤失敗。而對(duì)于光敏晶體管和光敏電阻而言，光敏晶體管隨光照強(qiáng)度的增加而增

13、加且靈敏度與入射光的方向有關(guān)，對(duì)于測(cè)量結(jié)果影響較大。而光敏電阻靈敏度受高溫溫度影響較大，此工作條件是在一般溫度對(duì)其靈敏度影響不大。故在本系統(tǒng)中應(yīng)該選用光敏電阻作為檢測(cè)傳感元件。做一半球形的光敏傳感器，像地球經(jīng)緯度一樣對(duì)其劃分區(qū)域，利用不同的光照強(qiáng)度傳感器會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電信號(hào)來確定光線垂直照射的位置（電信號(hào)最強(qiáng)處）。 圖2.3 光敏電阻元件(yunjin)外形輪廓2.4 電子(dinz)控制單元1. 判斷(pndun)陰晴天氣的電路設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是將光電追蹤模式和太陽角度追蹤模式結(jié)合起來，當(dāng)陰天的時(shí)候，太陽光比較弱，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)由光電追蹤模式轉(zhuǎn)換到太陽角度追蹤模式，此電路中使用一個(gè)光敏二極管

14、來檢測(cè)太陽光的強(qiáng)弱，用一組運(yùn)放做比較電路，運(yùn)放的輸出端接到單片機(jī)引腳P0.4上。即是，晴天時(shí)，光電二極管受到的光照強(qiáng)度足以使其導(dǎo)通，運(yùn)放輸出高電位，這時(shí)P0.4檢測(cè)到高電位，程序繼續(xù)運(yùn)行，通過光電追蹤模式進(jìn)行追蹤；當(dāng)太陽光的強(qiáng)度不足以使電路中的光敏二極管導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)過比較電路之后，運(yùn)放輸出低電平，這時(shí)單片機(jī)的引腳P0.4檢測(cè)到低電位。2. 判斷(pndun)晝夜的電路設(shè)計(jì)：白天時(shí)，運(yùn)放輸出高電位，中斷0檢測(cè)到高電位，系統(tǒng)沒有中斷請(qǐng)求，程序繼續(xù)運(yùn)行，開始檢測(cè)是陰天還是晴天；黑夜時(shí)，運(yùn)放輸出低電位，INT0檢測(cè)到低電位，外部中斷0是低電平有效地引腳，因此INT0=0時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，單片機(jī)接

15、到中斷請(qǐng)求后，外部中斷0被激活，進(jìn)入外部中斷0處理程序，從而進(jìn)入等待(dngdi)狀態(tài)。3. 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路是用來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的，由上文所介紹的檢測(cè)電路檢測(cè)到光信號(hào)(即太陽光的朝向),經(jīng)過比較電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，單片機(jī)據(jù)此檢測(cè)到的電信號(hào)來命令控制電路的工作，以達(dá)到系統(tǒng)追蹤的目的，控制電路時(shí)通過兩級(jí)NPN管的導(dǎo)通而來控制繼電器的吸合或斷開，進(jìn)而控制電機(jī)的工作狀態(tài)。圖3.5是控制電路中的一組。當(dāng)光電二極管受到光照時(shí)，通過光電檢測(cè)電路之后，AT89C51單片機(jī)的P2.0引腳會(huì)檢測(cè)到低電位，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變，這時(shí)系統(tǒng)需要軟件將光電檢測(cè)部分與控制部分聯(lián)系起來?？赏ㄟ^軟

16、件設(shè)計(jì)程序，當(dāng)P2.0檢測(cè)到低電平時(shí)，將P1.4清零，這時(shí)控制電路中的第一個(gè)晶體管截止，而第二個(gè)晶體管導(dǎo)通，從而(cng r)繼電器吸合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就達(dá)到了對(duì)電機(jī)的控制。4. 時(shí)鐘(shzhng)電路設(shè)計(jì)：選擇DALLAS公司(n s)生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時(shí)序控制，且具有寫保護(hù)位，抗干擾效果好，同時(shí)體積小，連線少，外圍只有一個(gè)32.768Hz晶振，使用靈活。具有318RAM，可供保存(bocn)有用數(shù)據(jù)，時(shí)鐘SCLK是上升沿后繼以下降沿的序列。數(shù)據(jù)輸入時(shí)，在時(shí)鐘的上升沿前必須有效，而數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘的下降沿之后輸出。如果RST輸出低電平，則I/O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，中止數(shù)據(jù)傳送。上電時(shí)，Vcc2.5V，RST必須為邏輯0，當(dāng)RST由0至1狀態(tài)時(shí)，SCLK必須為邏輯0。 3.1 設(shè)計(jì)(shj)總結(jié)本篇對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述(chnsh)，并且對(duì)其中的主要部件進(jìn)行了簡(jiǎn)介和選型。通過兩個(gè)減速裝置對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換，使該裝置東西向能夠進(jìn)行360旋轉(zhuǎn)(xunzhun)，南北向也有將近360的轉(zhuǎn)角，有足夠的能動(dòng)性。同時(shí)在本篇中對(duì)步進(jìn)電機(jī)、減速裝置及蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了概述和選型，確定了較適合本系統(tǒng)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用于本系統(tǒng)?？傮w來說，通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析及機(jī)電一體化系