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1、“太阳能跟踪系统追日装置”的设计与实现摘要:摘要:本追日装置是由 STC51 单片机、光敏三极管和云台等组成闭环控制系统, 主要组成模块有主控模块、光能检测模块和云台控制模块。在日照环境下,通 过光能检测模块比较各方位日照强度,控制云台转动,使光能检测模块正对光 源,实现追日功能。本装置具有高效、简易的特点,能应用于太阳能领域,以 提高太阳能的转换效率。关键词:单片机,感光模块,云台控制The design and implementation of“Solar Tracking System” Zhang zhe Wen yi Yu hai (Science and Technology I
2、nnovation Center of Electrician and Electron, HuaZhong University of Science and Technology, WuHan 430074) Abstract:The Silversun device was made from STC51 MCU, PTZ composed of photosensitive transistor, and closed-loop control system.The main component modules are main control module, light detect
3、ion module and PTZ control module. Meanwhile ,through light detection module to compare sunshine intensity and control PTZ rotation, it can devote to the device being in line to the light ,which reaches the eternal function. This device has high efficiency, simple features, which can be applied to s
4、olar energy, to enhance solar energy conversion efficiency.Key Words: Microcontroller Unit, hotosensitive module, PTZ一、一、总体方案设计与论证总体方案设计与论证1.方案的设计与选择方案的设计与选择方案一方案一:设计一个二维电机转动装置,通过单片机来控制两个电机的转动, 以实现对任意方向的跟踪。单片机通过记忆或者计算任何时刻的太阳的位置, 然后控制电机转动对准太阳直射方向。单片机利用时钟提供的日期和时间,计 算出太阳的预期位置,与编码器提供的当前位置比较,输出控制信号。驱动装 置
5、根据单片机提供的信号转动,同时通过编码器将运行速度或位置增量反馈到 单片机,形成闭环控制系统。由于当前位置是由增量式计算得到的,若当前位 置的计算出现偏差,则不能够由反馈得到校正,从而形成累积位置偏差。为此,必须通过传感器监视聚光镜的位置是否与太阳偏离,当偏离时启动一个校正程 序,达到消除当前位置误差的作用。此外还需要判断天空直射辐射的强度,在 直射辐射较弱时不启动校正程序,从而避免多云天气的盲目跟踪。在中科院的一篇论文中我们看到此种方法。通过查阅资料,发现该方案原 理比较复杂。另外,对太阳方位的计算超出我们知识范畴。若采用这种方法, 短时间内很难实现。方案二方案二:设计一个感光面板,将面板固
6、定在转动平台上,将光敏器件部署 在面板的不同位置,通过各位置反馈的光强信号差异,获得当前阳光的方位信 息。同时,使用单片机对光强信号进行采样,采集结果通过一系列运算后,产 生转动控制信号,控制转动平台,进而保证感光面板正对太阳直射的方向。实 现这个方案,主要解决两方面问题,一是光敏器件的选择,二是转动平台的搭 建。在光敏器件的选择方面,我们尝试了光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管, 甚至考虑了用四象限探测仪。由于考虑到装置的实用性和性价比,我们放弃了 用四象限探测仪。通过设计了不同的光照实验,我们检测不同光敏器件的感光 效果。实验结果显示,在不同的光照下,光敏三级管的导通电流与光照强度呈 线性关
7、系。在光敏三极管射极外加电阻,经过三级管放大的感应电流转变为电 压信号,便于后续的信号采样和信号处理。经过实验论证最终确定了光敏三极 管的方案,具体选型为 3DU33。在转动平台的搭建方面,我们考虑了自制转动 平台和云台。在实验测试中,由于受工艺、结构和控制接口等多因素的制约, 我们放弃了自制转动平台的方案,选择了云台作为转动平台。系统整体框图如图 1 所示:光照光信号接收信号转换单片机采样比较云台控制接收最强光照图 1、系统整体框图以下分别对各个子模块进行论证。以下分别对各个子模块进行论证。光能采集模块光能采集模块方案一方案一:采用光敏电阻来接收阳光。光照越强的时候,光敏电阻的阻值会 变小,
8、把光敏电阻连接在一个分压电路上,采集电流信号,则在不同的光照强度的时候电流的强度会不一样。将电流信号转变为电压信号,然后用但单片机 采样分析。通过程序进行判断,进而控制转动平台,使装置接收到最大电流。方案二:方案二:采用光敏三级管接收阳光。光敏三极管直接输出放大后的感应电 流信号,通过将电流信号转变为电压信号交给单片机分析,进而控制转动平台。选择:选择:方案二。光敏三级管光感应电流大,反应灵敏,电路简单,可以根 据本实验的需要来筛选光电参数。光敏电阻的阻值对度光照的变化反应不够灵 敏,不适合本项目的要求。光能采集结构模块光能采集结构模块方案一方案一:部分遮光法。使用一个光敏三级管,将光敏三极管
9、固定在转板上, 在光敏三极管的感光头上套一个遮光圆筒。只有当遮光圆筒正对着太阳的时候 才能使得光敏三极管达到最大电流,进而输出最大电压。方案二方案二: :差值比较法。使用四个光敏三极管,将光敏三极管以十字架形状放 置。当阳光从不同的方向照射时,在十字架对应端的两个光敏三极管的输出电 流值不同,用单片机分别采集并比较由这两组电流信号转变而来的电压信号, 产生对应输出信号控制转动平台。方案三:方案三:投影法。在转板上安装一根立柱,将立柱周围放置一圈的光敏三 极管。当阳光非直射时,立柱的投影会遮住某一个方向的光照,使得对应的光 敏三极管所在的回路的电流值与其它的回路电路不同。通过单片机对这些信号 进
10、行采样和分析,产生对应输出信号控制转动平台。选择:选择:方案二。方案一中,若光敏三极管与阳光直射角度偏差较大,则光 敏三极管将接收不到任何光照。这样就难以产生控制信号,控制转动平台。方 案三中,需要使用较多光敏三极管,而且光敏三极管方位需要采用坐标的方式 来定位,根据坐标来控制电机的转动比较有难度。方案二的控制比较方便,耗 材较少。经过试验效果比较理想。转动平台结构模块转动平台结构模块方案一:方案一:如下图所示,把装有感光器件的感光板固定在可以绕支点转动的 横杆上,通过横杆的垂直 90摆动,和水平 360转动,来控制转板的的朝向。 竖直的轴由底座内部的电机带动齿轮控制,另外一个控制横轴转动的电
11、机位于 右边的圆柱体内。经过论证,上面部分的重量比较大,底座的步进电机不足以 带动整个装置的转动。图 2、转动系统设计方案一方案二:方案二:将光敏器件固定在支架上,支架可以上下 90抬起和下降,通过 底座的水平 360转动,可以使光敏器件对准任何一个方向。该模型结构比较 好,调节起来也容易,图 3、转动系统设计方案二方案三:方案三:利用改装云台来实现。云台是摄像机的搭载平台,能实现二维的 转动。通过即触型开关闭合,控制云台的控制。实验中,使用单片机和电磁继 电器配合,控制即触型开关的导通和断开,从而达到控制云台的运动目的。选择:选择:方案三。在结构设计上,前两个方案设计较为复杂,制作和加工有
12、一定难度;在运动控制上,前两个方案需要同时控制两个步进,运动的精确度 较难保证。方案三使用现有的平台,在结构上比较容易实现,而且控制相对简 单,更适合转动平台实际需求。二、二、系统硬件设计系统硬件设计本系统由一个单片机最小系统、电源模块,光能采集模块,以及继电器控 制模块组成。各模块具体硬件设计如下:1.单片机最小系统单片机最小系统本系统采用 STC12LE5410AD 单片机。该单片机具有以下特点:高速,1 个时钟 / 机器周期,速度比普通 8051 快 8-12 倍低功耗,可有外部中断开启空闲模式或掉电模式工作频率 035M12K 程序存储器可擦除 10 万次以上512 字节 SRAM6
13、个定时器24 个 I/O 接口通用 I/O 口可由程序设定 4 种工作方式4 路 PWM8 路 10 位 AD其最小系统硬件电路图如下,图 5、STC12LE5410AD 最小系统图图 6、单片机管脚资源费配图2.电源模块电源模块使用电源适配器,将市电转变为 9V 的电源直流输出,采用 7805 和 1117M3 等电源转换芯片,输出 5V 和 3.3V 的电压,为单片机、继电器等提供稳定的工 作电压。具体电路见下图。3.光能采集模块光能采集模块将四个 3DU33 光敏三极管呈十字架状固定在感光面板的四个顶点处,得到 四个光电流。配合发光二极管,用于指示感光电路工作状态。图 8、光能采集单元模
14、块硬件电路图4. 继电器控制模块继电器控制模块运用电磁继电器的开关特性,控制云台的某个方向的转动。具体由单片机 引脚输出高低电平信号控制三极管开关电路的导通和截止,从而控制电磁继电 器的控制端电压,使云台某方向的转动控制信号在电磁继电器的常开和常闭之 间接环,达到控制云台的某个方向的转动的目的。P1.0 P1.2 P1.3 P1.4图 9、继电器控制模块硬件电路图三、软件系统设计、软件系统设计结合 STC12LE5410AD 的数据手册和本设计的实际需求,本系统的软件设计 流程图如下所示。主流程 开始初始化IO初始化AD初始化定时器开中断开始计时1更新AD控制字, 为下次采样准备是否4路 全部
15、采完更新转动状态中断返回定时中断到采样一路是否4路 全部采完左右转动标志左转右转上下转动标志上转下转YNYN水平是否跟踪 成功Y停止上下转动NY延时等待VAVBVA/VB/VC/VD左转标志右转标志VA-VBVD上转标志下转标志VC-VDVB 时,单片机通过采样分析,判定了应该输出电平的高低,并控制 电机带动光能接收板转动,直至出现 VAVB,如此往复,使得电机不停得转动而得不到停止,后来 经过改进,设定了一个阈值,只有当一个方向上的信号差值大于这个阈值时, 单片机才会输出高电平信号.五、结束语结束语这次作品制作从原理设计到电路焊接,我们遇到了很多困难,一些是由于 所掌握的知识太少,设计出来的
16、方案不合理所致。一些是由于考虑不周密所致, 如硬件焊接要模块化,原先我们没有考虑到,以致后来电路出现问题之后无法 修改。但在设计制作过程,我们都新学了许多知识,许多设计方法,用这些所 学到的新知识,新方法,我们克服了遇到的困难,达到了预定的目标。参考文献参考文献 1 李群芳,张士军,黄建单片微型计算机与接口技术(第 2 版) 北京: 电子工业出版社,2005 2 康华光,邹寿彬电子技术基础 模拟部分(第四版)北京:高等教育出 版社,1999 3 康华光,邹寿彬电子技术基础 数字部分(第四版)北京:高等教育出 版社,1999 4 STI 单片机实践教程武汉,2006 4 赵文博, 刘文涛单片机语言 C51 程序设计北京:人民邮电出版社, 2005