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1、大学课程设计目录一、传感器课程设计任务书2二、课题背景意义3三、总体方案设计53.1太阳运行规律分析53.1.1地球的公转与赤纬角53.1.2地球的自转与太阳时53.2太阳方向光电辨向方案设计63.3总体方案框图7四、系统硬件设计74.1电源模块设计74.1.1相关元器件介绍74.1.2应用电路84.2太阳位置检测传感器设计94.2.1元器件选择94.2.2相关元器件介绍104.2.3传感器结构设计114.3窗口比较电路设计124.3.1相关元器件介绍124.3.2电路设计134.3.3关于窗口比较电路的引申思考154.4LED显示模块设计174.4.1相关元器件介绍174.4.2电路设计18
2、五、心得体会19六、参考文献19七、附录197.1 电路原理图197.2 电路仿真图结果197.3 实物照片19一、传感器课程设计任务书1、总要求能够独立进行小型检测模块系统方案的设计及论证，选择合理的传感器、设计必要的接口电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。2、总任务针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。3、设计题目太阳方向指示系统4、设计内容设计一个太阳追踪系统，实现对太阳方向的追踪。受时间条件限制，要求使用实验室提供的材料，结合所学知识以及自己查阅的资料
3、，设计一个系统，能对太阳在天空不同位置作出反应。5、具体要求：（1）根据资料，理论计算，选择好相应电子元器件，并画出相应电路图。（2）将所得电路导入protues，调试，得出仿真结果。（3）在面包板上连接出系统实物。在实验室内，应用人工光源将系统调试好，针对太阳在空中东西南北四个方向，分别对应四个LED指示太阳的方位。(如太阳在东边升起，则指示东边的LED亮起。若在东南方向，则指示东边和南边的指示灯调试亮起。若太阳垂直照射，则不亮)6、设计进度或计划（1）准备及查阅资料 一天（2）方案设计及论证（总体方案） 二天（3）硬件电路设计、画图（PROTEL） 三天（4）实验室调试及结果分析 二天（5
4、）整理报告及准备答辩 二天7、设计说明书包括的主要内容（1）封面（2）目录（3）设计任务书 （4）正文8、考核方法考核可根据学生平时学习态度（含出勤率）20%、设计完成情况（样机）40%、图纸及说明书质量（含答辩）40%确定。二、课题背景意义人类社会的存在与发展离不开能源。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，大规模使用化石燃料所带来的严重后果严重阻碍了人们物质生活和精神生活的提高。资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，寻求一种新的、安全、清洁、可靠的可持续能源系统势在必行
5、！我国经济正处在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。我国长期的能源发展战略，也是我国建立可持续能源系统最主要的政策措施是：加强环境保护，开展煤清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全；坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元发展；依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等。面临这样一个能源发展的形势，我国鼓励开发风能、太阳能、生物质能等可再生能源。其中，太阳能因具有储量的无限性、普遍性、清洁性、经济性得到了大力发展，尤以太阳能发电发展最快。目前，塔式发电、碟式发电、光伏发电等是太阳能发电的主要方式，但利用率不高。如何最大限度的提高太阳能利用率，
6、仍是国内外学者研究的热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决1。在国内，很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，存在余弦效应的影响，无法保证太阳光的垂直照射，光伏电池不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。太阳能的多方向收集为解决这一问题提供了可能，不管是哪一种发电方式，要提高太阳能利用率就要多方向收集，即跟踪太阳位置，理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差3772。精确的跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高，进而提高了太阳能发电系统的太阳能利用率，降低了太阳能发电成本
7、，拓宽了太阳能的利用领域。三、总体方案设计3.1太阳运行规律分析3.1.1地球的公转与赤纬角贯穿地球中心与南、北极相连的线称为地轴。地球除了绕地轴自转外，还在椭圆行轨道上围绕太阳公转，运行周期为一年。椭圆的偏心率不大，1月1日近日点时，日地距离为147.1106km，7月1日远日点时为152.1106km，相差约为3%。地球自转轴与椭圆轨道平面（称黄道平面）的夹角为6633，该轴在空间的方向始终不变，因而黄道平面与赤道平面的夹角2327。但是，地心与太阳中心的连线（即午时太阳光线）与地球赤道平面的夹角是一个以年为周期变化的量，它的变化范围为2327，这个角就是太阳赤纬角。赤纬角是地球绕日运行规
8、律造成的特殊现象，它使处于黄道平面不同位置上的地球接收到的太阳光线方向也不同，从而形成地球四季的变化。北半球夏至（6月22日）即南半球冬至，太阳光线正射北回归线，=2327；北半球冬至（12月22日）即南半球夏至，太阳光线正射南回归线，=2327；春分及秋分太阳正射赤道，赤纬角都为零，地球南、北半球日夜相等。每天的赤纬角可由下式计算3： （1）式中n是一年中第几天。3.1.2地球的自转与太阳时地球始终绕着地轴由西向东自转，每转一周（360）为一昼夜（24小时）。时间可以用角度来表示，每小时相当于地球自转15。在以后导出的太阳角度公式中，涉及的时间都是当地太阳时，它的特点是午时（中午12点）阳光
9、正好通过当地子午线，即在空中最高点处，它与日常使用的标准时间并不一致4。转换公式为： （2）式中 制定标准时间采用的标准经度，（）；当地经度，（）。所在地点在东半球去负号，西半球取正号。我国以北京时间为标准时间，式（2）成为 （3）3.2太阳方向光电辨向方案设计为了降低成本，提高跟踪的可靠性，设计采用光电跟踪方式，由四个光敏电阻构成太阳方向的一级传感器辨向方式，通过位置检测器检测太阳位置，根据此信号驱动LED实现太阳方向指示。本方案中的位置检测器是在一个平面上东南西北方向成十字形对称安装性能相同的光敏元件，并由十字遮光板均匀隔开。如图1所示。图1 光电跟踪传感器结构太阳光垂直照射检测传感器，在
10、遮光板周围的四个光敏元件接收到的光照强度相同，此时所有LED不亮。当太阳光线与位置检测传感器有一夹角时，由于遮光板的遮挡作用，产生阴影，使光敏元件照度不同，此差值信号经放大后集后驱动LED，指示太阳方向。系统的指示精度基本由传感器精度决定，只要光敏元件接收到的光强有一定差别，就会有相应的信号输出，点亮LED指示。其结构比较简单，精度较高。因为四个光敏元件都安放在十字型遮光板的交点处，理论上该系统的指示范围为0。3.3总体方案框图电源模块LED指示太阳位置检测传感器窗口比较电路图2 多方向太阳能收集控制系统系统框图四、系统硬件设计4.1电源模块设计本电路用7805稳压集成块供电，7805由实验室
11、稳压直流电源提供12V直流电压。4.1.1相关元器件介绍三端稳压集成电路lm7805。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压
12、为正6V，7909表示输出电压为负9V。图3 7805外形及其引脚 4.1.2应用电路图4 三端稳压电源应用电路4.2太阳位置检测传感器设计本设计采用四个光敏电阻对四个方位的光强进行检测，从而得出太阳光的位置。4.2.1元器件选择本设计要求的检测对象是太阳光，太阳光为可见光，其光谱特性如下：图5 太阳光光谱其辐照特性如下：图6 太阳光辐照特性对太阳光的光谱，辐照特性进行分析，容易看出，其中400nm750nm为可见光波段，而可见光波段的辐照强度在500nm700nm范围内最强。根据太阳光特性的分析结果，按照传感器选用的匹配原则，决定选用LXD4537硫化镉光敏电阻。4.2.2相关元器件介绍产品
13、名称：CdS（硫化镉）光敏电阻，LXD4537产品规格(mm)： 4mm最大电压(VDC)：150最大功耗(MW)：50环境温度：-30+70光谱峰值(nm)：540亮电阻（10LUX光源下）：18-50 K 图7 光敏电阻暗电阻（MIN）/ M：2.0 4.2.3传感器结构设计本设计采用光电跟踪方式，由四个光敏电阻构成太阳方向的一级传感器辨向方式，通过位置检测器检测太阳位置，根据此信号驱动LED实现太阳方向指示。本方案中的位置检测器是在一个平面上东南西北方向成十字形对称安装性能相同的光敏元件，并由十字遮光板均匀隔开。太阳光垂直照射检测传感器，在遮光板周围的四个光敏元件接收到的光照强度相同，此
14、时所有LED不亮。当太阳光线与位置检测传感器有一夹角时，由于遮光板的遮挡作用，产生阴影，使光敏元件照度不同，此差值信号经放大后集后驱动LED，指示太阳方向。其结构如图8所示。图8 太阳光位置检测传感器结构系统的指示精度基本由传感器精度决定，只要光敏元件接收到的光强有一定差别，就会有相应的信号输出，点亮LED指示。其结构比较简单，精度较高。因为四个光敏元件都安放在十字型遮光板的交点处，理论上该系统的指示范围为0。4.3窗口比较电路设计4.3.1相关元器件介绍HA17393为汽车应用和控制系统的使用而设计的。他们提供了单一电源宽电压范围，电源电流的变化很小，因为它是与电源电压无关。它们可以广泛应用，如限制比较器，简单的模拟/数字转换器（通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比
