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1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院综合设计报告 设计题目：光伏发电太阳跟踪装置设计实验单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 专 业： 电气工程与自动化 目 录一、课程设计任务.2二、SPWM逆变器的工作原理 .21.工作原理32.控制方式43.单片机电源与程序下载模块74.正弦脉宽调制的调制算法.85.基于STC系列单片机的SPWM波形实现.11三、总结.14四、心得体会.15五、附录：.171.程序172.模拟电路图.193.电路图.22摘 要近年，能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通
2、常最普遍且最方便使用的是电能。随着现代的能源越来越少，有些能源趋于匮乏状态。所以我们就根据实际情况设计了一个“太阳光自动跟踪控制器”。 现在，我们居住的家园以太阳光最为普遍，它给我们带来了光和热，我们就要合理的利用光和热，来为我们服务。我们就通过设计的“太阳光自动跟踪控制器”来实现太阳光跟踪。 我们设计的是根据光转换电来实现功能，首先，我们选光敏传感器来实现光电转换，其次，通过OPA2132PA来实现差分运算放大，再由继电器实现电机的正、反转，去控制翻转板的运动。从而实现太阳光自动跟踪。光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏
3、置电阻：一只检测太阳光照，另一只检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳光，调试简单，成本不高，运行可靠。关键词：光敏电阻，ULN2803，单片机，直流步进电机，74HC573。一、引言随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、
4、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工
5、作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。电机的工作原理：步进电机原理 步进电机本质上是一个数字角度转换器。以三相电机为例, 其结构原理见图1。各相夹角为120的定子磁极上均匀分布了5个矩形小齿, 没有绕组的转子圆周上也均匀的分布着40个小齿（相邻齿夹角为9）。利用电磁学的性质, 在某相绕组通电时, 相应的磁极产生磁场, 与转子形成磁路如此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐, 则在磁场作用下, 转子就转动
6、一定角度, 达到齿的对齐。在单三拍控制方式下, 若A相通电, B、C相不通电, 在磁场作用下使转子齿和A相定子齿相对假设此时为初态并且令与A相中心对齐的转子齿为0号齿, 因为B相与A相相差120，可知120/9=13 39, 不为整数, 即此时转子齿与B相不对齐, 只是13号齿靠近相的中心, 且相差3。如果此时突然变为B相通电, 而A、C相都不通电, 那么, 13号齿会在磁场的作用下转到与相中心对齐的位置, 这就是常说的走一步, 此时,转子转了。这样, 按照A一B一C一A顺序通电次, 可以使转子转动9。那么步进电机的步距角Q=(360/NZ)（式中N=MC为运行拍数；M为控制绕组相数；C为状态
7、系数, 单三拍或双三拍时C=1, 单六拍或双六拍时C=2为转子齿数）。直流电机的原理：由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的结构：电机要实现机电能量变换，电路和磁路之间必须有相对运动。所以旋转电机具备静止的和旋转的两大部分。静止和旋转部分之间有一定大小的间隙，称为
8、气隙。静止的部分称为定子，作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。旋转部分称为转子或电枢，作用是感应电势实现能量转换。包括电枢铁心，电枢绕组，换向器、轴和风扇等。二、工作原理 本设计是基于双单片机系统，搭载于三维转动结构上，通过光敏电阻检测阳光并通过转换电路 转换成单片机能识别的数字信号，从而控制步进电机转动，完成对光动作。 该作品主要由水平检光系统和仰角检光系统，每个检光系统又由辅助检光模块和中心检光模块，当辅助检光模块检测到阳光后会产生相应的信息让单片机控制步进电机向相应的方向旋转，直到中心检光模块检测到阳光后停止步进电机的旋转，至此完成了对光
9、的过程。系统上电后，先手动让水平辅助检光模块在一定范围内检测到阳光，然后水平检光系统将会自动调整到中心检光能检测到阳光的位置，此时水平方向检测完成，然后程序启动仰角检光系统，工作过程和水平检光系统一样，然后程序将不停地检测检测水平检光系统，直到水平辅助检光模块检测到阳光后调整机构重新对光，如此重复。为了提高太阳能电池的转换效率，以及号召当今社会“低碳”的环保主题，设计了一款基于盛群HT46Ru232的双单片机的太阳能随动系统，分析了传感器的工作原理，研制了跟踪传感器，设计了系统的信号处理及控制电路 ，设计了三维转动结构，阐述了系统控制的软件实现原理。该装置能使太阳能电池板在晴天始终保持与太阳光
10、垂直，在夜晚、阴天或太阳光辐照度低于工作照度时将停止工作。机械机构在三维空间可以自由搜寻，同时系统可以显示温度，太阳的方位角，仰角，并且通过串口与PC上位机通讯，实时控制与信息处理。2.1系统可行性分析系统结构简单，在一定范围内寻光准确，性价比高。跟踪误差小，反应快，并且能实时显示环境温度，太阳在天空中的位置。检光部分的设计独具特色，放弃了以往昂贵的检光系统，采用简单易实现的狭缝检光，只有阳光和狭缝平行的时候就认为对光成功，提高了检测精度。系统制作成本低，便于大规模推广与应用，为太阳能电池进一步推广奠定了基础。号召当今“低碳”主题，加快原有能源的开发利用与改进，加速太阳能电池的推广和降低化石燃
11、料的依赖。2.2概述现有的太阳光能自动跟踪控制器主要有二类：一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器所构成的光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转；二是采用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器来控制电机的正反转。由于一年四季、早晚与中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两类控制器很难使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。下面电路框图可有效解决上述难题。光敏传感器运算放大器驱动电路电源步进电机转动执行电路光线图1图1为太阳能随动系统的原理框图，太阳能自动跟踪装置通过两个步进电机设计成双轴跟踪系统，同时在方位角和高度角（仰角）两个方向上跟踪，由传感器、信号
12、处理及控制电路、方位角及高度角调整机构组成。传感器把接收到的光信号转换成电信号，电信号经过信号处理及控制电路后，由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。输入端的光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻：一只检测太阳光照，另一只检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳光，调试简单，成本不高，运行可靠。2.3设计原则1.3.1 通用性本设计为自动跟踪控制器，就是为了能突出它的功能的强大，能适应较为广泛的应用场合。可
13、靠性高、控制功能强等特点。1.3.2 实用性太阳光自动跟踪控制符合实际需求，不能华而不实。实用性是第一原则，同时具有可学性。三、硬件系统组成及功能3.1 太阳光自动跟踪控制器的组成太阳光自动跟踪控制的主要是由以下几个部分组成。主要是由光敏电阻，ULN2803，运算放大器，单片机，继电器驱动（放大）电路，直流步进电机，电源供电部分等。3.2 功能及工作原理介绍现在就主要介绍太阳光自动跟踪控制器的功能和原理：（1） 光敏电阻它的电阻值随光照的变化而变化。图1-1是它的外形和电路中的符号。图1-2为光敏电阻的连接电路。接通开关，先观察光敏电阻被光照射时发光二极管的发光情况，再观察光敏电阻被不透明物体
14、遮盖时，发光二极管的发光情况。一般光敏电阻的电阻值，不受光照射时是受光照射时的1001000倍.例如有一种型号的光敏电阻，光照时的阻值为2千欧，不受光照时的阻值为1000千欧。（2）ULN2803ULN2003 是高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅NPN 达林顿管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，可以用来驱动一些设备如图1-3。图1-3图1-4：信号采集电路（3）信号采集电路如图1-4所示，J1为光敏电阻，当有阳光照射时，其阻值变的很小并且阻值范围变化很大，故此图是用光敏电阻在检测到阳光是阻值剧烈变化而制作的比较器电路，适当调整可变电阻V1、V2的阻值，当检测到阳光时，比较器电路将输出高电平。根据不同位置的光敏电阻检测到的信号，编程控制单片机向相应的方向转动，从而完成对光的过程。图1-5 信号放大电路 （4）信号放大电路 如图1-5所示有信号采集系统所采集的信号有图1-5所示电路放大，输入单片机后，单片机对该信号进行判断，是否产生对应的中断来响应，该电路由两个运算放大器组成对小信号有较强的放大效果，可靠性高，稳定性强。（5）单片机最小系统图1-
