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1、I 摘要摘要 太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广， 具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着 太阳能技术的普及。太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径， 从而大大提高了太阳能的利用效率。本设计采用光电跟踪的方法，利用步进电 机双轴驱动，由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理 器。微机处理器运行程序，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制， 调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。采用单片机来实现的太阳能追踪 系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。 关键词：关键词： 太阳能；跟踪；
2、光敏二极管；单片机；步进电机 II A Abstractbstract Solar energy is known as the most primitive energy, and it is clean, renewable, rich, and wide distribution and has wide prospects of use. But the solar energy utilization efficiency is low; the problem has been influencing and hindering the popularity of solar en
3、ergy technology. Solar energy to be automatic tracking system designed to solve the problem provide the new way，which greatly improve the efficiency in the use of solar energy. This design uses the photoelectric tracking method, and use the stepping motor driver, by photoelectric sensor incident, th
4、en the strength of the lights changes produce feedback signals to the computer processor, and computer processor will run the program, through the horizontal tracking mechanism and pitch two degrees of freedom control to adjust the angle of solar panels to achieve the tracking of the sun. Solar trac
5、king system by single chip microcomputer to achieve can improve the efficiency of conversion of photoelectric solar panels, and has a broad prospect of application. Key words: Solar energy；Tracking；Photosensitive diode ；SCM；Stepping motor III 目录目录 1 绪论绪论 .1 1.1 课题背景.1 1.1.1能源现状及发展1 1.1.2我国太阳能资源1 1.1
6、.3目前太阳能的开发和利用2 1.1.4太阳能的特点2 1.1.5太阳能的应用领域2 1.2 课题研究的目的和意义3 1.2.1课题研究的目的3 1.2.2研究课题的意义3 1.3 太阳追踪系统的国内外研究现状4 1.4 论文的主要研究内容.4 2 系统总体设计系统总体设计 .6 2.1 系统总体设计要求.6 2.2 系统总体设计分析6 3 系统的硬件系统的硬件设设计计 8 3.1 器件的选型.8 3.1.1 AT89C51 单片机的特点及工作原理.8 3.1.2ADC0808芯片的选用及简介 .11 3.1.3 74LS373芯片的选用及简介.13 3.1.4 ULN2003 芯片的选用及简
7、介 14 3.2 光电转换电路设计16 3.3 AD 转换模块电路设计.18 3.4 电机驱动电路设计20 3.5 系统硬件电路及机械部分设计21 4 系统的软件设计系统的软件设计 .27 4.1 程序算法的简单介绍.27 4.2 系统软件程序设计.27 4.3 软件调用子程序30 5 结论结论 .34 致谢致谢 .35 参考文献参考文献 .36 1 1 绪论 1.11.1 课题背景课题背景 1.1.1能源现状及发展 众所周之，人类进入 21 世纪发展的快车道，而能源是人类发展的根本动力。 同时，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝 大多数国家都以石油、天然气和煤炭等
8、矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的 日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径， 积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。 虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结 构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生 物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显 著地提高。据统计，20 世纪 90 年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长 l%， 而太阳能发电每年增长达 20%，风力发电的年增长率更是高达 26%。预计在未来 5 至 10 年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天 下的
9、局面。 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。 而太阳能具有其他能源不具备的优势1,2。 1.1.2我国太阳能资源 我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每 年接受的太阳辐射能约为 50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达 335837kJ/cm2a，中值为 586kJ/cm2a。我国的国土跨度从南到北、自西 至东，距离都在 5000km 以上，总面积达 960104km，占世界总面积的 7%，居世界第三位。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、 内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和 西南部、广东东
10、南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部 等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是 青藏高原地区最大，那里平均海 拔高度在 4000m 以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。 例如被人们称为 “日光城”的拉萨市，1961 年至 1970 年的平均值，年平均日 照时间为 3005.7h，相对日照为 68%，年平均晴天为 108.5 天，阴天为 98.8 天，年平均云量为 4.8，太阳总辐射为 816kJ/cm2a，比全国其它省区 2 和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中 尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的 成都市
11、，年平均日照时数仅为 1152.2h，相对日照为 26%，年平均晴天为 24.7 天，阴天达 244.6 天，年平均云量高达 8.4。其它地区的太阳年辐射 总量居中 3,4。 1.1.3目前太阳能的开发和利用 人类直接利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转 换，此外，还有储能技术。 太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷， 温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳 能医疗器具。 1.1.4太阳能的特点 太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点： 第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的 11 亿
12、年中，太阳消耗了它本身能量的 2%，可以说是取之不尽，用之不竭。 第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问 题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。 第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、 废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。 太阳能的利用有它的缺点： 第一：能量密度较低，日照较好时，地面上 1 平方米的面积所接受的能量 只有 1 千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装 置占地面积大、用料多，成本增加。第二：天气影响较大，到达某一地面的太 阳辐射强度，因受地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响，时强
13、时弱，时有 时无给使用带来不少困难，为了克服推广应用中的困难，人们对水箱保温从选 择合适的材料和最佳厚度方面作了很大改进，可以做到在短期内使水温降低控 制在最小范围。另外，增加辅助热源使太阳热水器在任何情况下均可应用，成 为全天候太阳热水器6。 1.1.5太阳能的应用领域 人类利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化转换，此 外，还有储能技术。太阳光化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化 3 学作用及光分解反应，目前该技术领域尚处在实验研究阶段。太阳光电转换， 主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统。太阳电池是把太阳光直接转换 成电能的一种器件。太阳电池的光电效率约为 10
14、-14%，其产品类型主要有单晶 硅、多晶硅和非晶硅。国内产品（指光电装置全部费用）价格约 60-80%元/峰 瓦。太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中 继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯。 太阳光热转换技术的产品最多。如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷、 温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳 能医疗器具7。 1.21.2 课题研究的目的课题研究的目的和意义和意义 1.2.1课题研究的目的 本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动 跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳
15、光 线垂直，提高设备的能量利用率。 1.2.2研究课题的意义 1.新环保能源 长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一 次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气 温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严 重威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究 和开发新能源，如太阳能等。 能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署 资料，目前矿物燃料提供了世界商业能源的 95%，且其使用在世界范围内以每 10 年 20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，
16、 按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源 需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。 其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济企划厅和三泽公司合作研 究认为，到 2030 年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。 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 4 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。 2.提高太阳能的利用率 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能 的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳 能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究 其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高 太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入 手，一是提高太阳能
