【導(dǎo)讀】為了提高太陽(yáng)能的利用率，設(shè)計(jì)一種循日追光系統(tǒng)，使太陽(yáng)能利用裝置最大限度的。本文對(duì)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)，機(jī)械部分分

　　

【正文】 Y 圖 310 光敏電阻光強(qiáng)比較法流程圖 此程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，需要單片機(jī)檢測(cè) 4個(gè)光敏電阻所對(duì)應(yīng)的單片機(jī)的 4個(gè)引腳的電位的高低，就可以判斷出當(dāng)時(shí)太陽(yáng)的方位，并對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)出相應(yīng)的命令。 4 系統(tǒng)軟件流程及調(diào)試 主控制模塊的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的控制作用主要由主控芯片來(lái)完成 ,兩個(gè)任務(wù)，即光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。 當(dāng)清晨太陽(yáng)升起 的時(shí)候，跟蹤裝置的處于跟蹤的起始位置。完成初始化以后，系統(tǒng)依靠檢測(cè)光伏電池的兩端的電壓來(lái)判斷此時(shí)天氣的情況。通過(guò)光伏電池可知：如果光照強(qiáng)度越高，那么電池板兩端電壓就會(huì)越大。如果測(cè)出的電壓 Vout 超出了閾值 Vturn,則太陽(yáng)輻照的光強(qiáng)強(qiáng)度達(dá)到了光電跟蹤的條件。如果經(jīng)過(guò)光照強(qiáng)度達(dá)到?jīng)]有規(guī)定，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)的變?yōu)橐暼者\(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的程序。不管哪種跟蹤的方式 , 電機(jī)驅(qū)動(dòng)所發(fā)出的脈沖數(shù)都將會(huì)被單片機(jī)記錄下來(lái)。 為了使系統(tǒng)更加的科學(xué)化、精確化，本系統(tǒng)采用了間隔性的跟蹤方法：系統(tǒng)采用間隔式跟蹤方式，這樣在既節(jié)省了發(fā)電成本 又不會(huì)影響跟蹤的準(zhǔn)確度。當(dāng)黃昏時(shí)，光線變?nèi)?，為避免系統(tǒng)裝置發(fā)生錯(cuò)誤判斷，在方位角跟蹤裝置上安裝兩個(gè)位置開(kāi)關(guān)。當(dāng)跟蹤接近于尾聲，如果位置開(kāi)關(guān) K1 被碰觸到 ,步進(jìn)電機(jī)采用反轉(zhuǎn)的方式，直到與開(kāi)關(guān) K2 碰觸 ,結(jié)束這一天的跟蹤。 主流程圖如圖 41 所示： 返回 開(kāi)始 R3是否小于 R4？ 電機(jī) 正轉(zhuǎn) 電機(jī) 正轉(zhuǎn) 電機(jī) 反轉(zhuǎn) 電機(jī) 反轉(zhuǎn) R1是否小于 R2？ 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 N Y N 圖 41 主程序流程圖 光電跟蹤模塊程序設(shè)計(jì) 光電跟蹤是本跟蹤系統(tǒng)的主要跟蹤方式。 太陽(yáng)光照到光敏傳感器上后將會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)。不同光照強(qiáng)度在不同的傳感器上，產(chǎn)生不同的電壓值。水平方向 上， D1和 D2會(huì)產(chǎn)生不相同的電壓值，如果將兩電壓的值采用差分放大的方式，將其產(chǎn)生的差值 Vd1d2 和預(yù)設(shè)值 Vref1 對(duì)比，并多次求值。如果Vd1d2 比 Vref1 大 ,那么水平方向上的光強(qiáng)檢測(cè)電路的輸出端為低電平，此時(shí)單片機(jī)傳出控制脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) Ml 發(fā)生正轉(zhuǎn)。 太陽(yáng)在水平方向上自東向西運(yùn)動(dòng)，因此電機(jī) Ml 不需要反轉(zhuǎn)就可完成方位角的跟蹤。電機(jī) Ml 產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)一直到跟蹤裝置在水平方向與太陽(yáng)相對(duì)。調(diào)整完方位角，再對(duì)俯角進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法基本相同。 其程序流程圖如圖 42所示。 起始位置 程序初始化 天氣條件符合（電壓大于閥值） 光電跟蹤 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并記錄 轉(zhuǎn)動(dòng)角度 規(guī)定間隔時(shí)間 （ 10分鐘）到 待機(jī)等待下次跟蹤 碰觸位置開(kāi)關(guān) K1？ 結(jié)束 開(kāi)始 視日跟蹤 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 Y N N N Y Y Y N 圖 42 光電跟蹤模塊的程序流程圖 通過(guò)單片機(jī)的端口 和 可對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng) 為低電平，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng) 為低電平時(shí)，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。隨著太陽(yáng)方位角與高度角相繼跟蹤之后，跟蹤結(jié)果的驗(yàn)證階段隨即展開(kāi)，跟蹤結(jié)果的檢驗(yàn)由光敏傳感器 DO 及周圍的元件組成的驗(yàn)證電路完成，如果跟蹤的結(jié)果符合所需要求，程序隨后進(jìn)入待機(jī)的狀態(tài)，等候下次跟蹤。如果跟蹤的結(jié)果超出規(guī)定的范圍，單片機(jī) 端口的電平將被驗(yàn)證電路拉低，這樣程序就自動(dòng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，重新對(duì)方位角與高度角進(jìn)行跟蹤，直結(jié)果完全符合要求 為止。 在光電跟蹤的時(shí)侯，程序完成一次跟蹤之后，就會(huì)等待進(jìn)入下次跟蹤。當(dāng)光線的條件不夠時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤模式。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊程序設(shè)計(jì) 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的方式和光電跟蹤的方式都在水平與豎直方向跟蹤。系統(tǒng)每隔一定的時(shí)間，就會(huì)對(duì)高度角和方位角采取一次跟蹤。機(jī)每隔一定的時(shí)間，單片會(huì)向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送 CP 脈沖和方向電平信號(hào)。我們可根據(jù)對(duì)電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和機(jī)械裝置的傳動(dòng)比，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)在輸出軸發(fā)生改變的角度。太陽(yáng)自東向西運(yùn)動(dòng)，在中午 12時(shí)以前，方位角 a 是小于 0 的；在 12 時(shí)以后， 方位角 a則是大于 0。高度角的范圍是 0? 120176。, 在正午時(shí)達(dá)到最大之后開(kāi)始下降，直至為 0。 其程序流程圖如圖 43 所示： 開(kāi)始 為低電平？ 方位角調(diào)整 俯仰角調(diào)整 為低電平（驗(yàn)證跟蹤結(jié)果） 天氣條件符合？ 待機(jī)等待下次跟蹤 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 ？ 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 Y N 圖 43 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊程序流程圖 實(shí)驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)分析 表 41 中列出了 2020 年 3 月 18 日中午至下午三時(shí)左右的理論數(shù)據(jù)，并用系統(tǒng)的手動(dòng)校準(zhǔn)功能，記錄下不同時(shí)刻的步進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行步數(shù)。 表 41 太陽(yáng)自動(dòng)循日系統(tǒng)記錄表 當(dāng)?shù)鼐暥?、太?yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角的取值影響著跟蹤的精度，同時(shí)也影響了步進(jìn)電時(shí)間 /(t) 太陽(yáng)方位 /(。 ) 太陽(yáng)高度 /(。 ) 鏡面方位 /(。 ) 鏡面高度 /(。 ) 步進(jìn)電機(jī)俯仰方向 /步 步進(jìn)電機(jī)水平方位 /步 初始數(shù)值 實(shí)際數(shù)值 初始數(shù)值 實(shí)際數(shù)值 12:02 12:12 12:22 12:32 12:42 12:52 13:06 13:15 13:25 13:36 13:46 13:56 14:06 14:16 14:26 14:36 14:46 14:56 15:01 320 300 280 260 240 230 230 260 280 340 460 530 590 620 660 700 730 760 780 310 290 270 250 240 230 250 280 330 410 480 540 600 610 600 720 750 780 800 690 940 1570 1680 2240 3090 4210 7030 8630 10890 12070 13160 14070 14760 15260 15750 15760 16020 16160 970 1070 2330 2340 2610 3650 4890 6770 7980 11470 12690 13682 14390 15040 15550 15860 15990 16160 16280 開(kāi)始 計(jì)算方位角 γ 根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)角度，計(jì)算所需脈沖 N1 電機(jī) M1轉(zhuǎn)動(dòng) 計(jì)算高度角 h1 根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)角度，計(jì)算所需脈沖數(shù) N2 電機(jī) M2轉(zhuǎn)動(dòng) 天氣條件達(dá)到？ 等待下一次跟蹤 光電跟蹤 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 機(jī)的精度，這與跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械的結(jié)構(gòu)也存在密切聯(lián)系。因次對(duì)跟蹤軌跡的程序進(jìn)行校正是非常必要的。校正采用的是手動(dòng)操作，通過(guò)對(duì)水平俯仰方位的步進(jìn)電機(jī)的控制，使平面鏡反光裝置在兩個(gè)軸帶的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)要不斷對(duì)平面反光鏡 中的太陽(yáng)的影子進(jìn)行觀察，當(dāng)影子于指定點(diǎn)聚焦，此時(shí)記錄下兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)從原點(diǎn)到該點(diǎn)各自走過(guò)的步數(shù)，由實(shí)際運(yùn)行步數(shù)之差和理論之差，計(jì)算實(shí)際數(shù)值，所得為高度角與方位角之間的修正值。校正可以選擇任一天中幾個(gè)不同時(shí)刻進(jìn)行。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，觀察到太陽(yáng)在正午至下午 3 點(diǎn)期間，高度角方位角變化曲線存在明顯拐點(diǎn)，變化比較顯著，在此期間內(nèi)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)位置的跟蹤存在誤差。 為了得到實(shí)際位置的參數(shù)值，在四季的不同時(shí)刻了分別進(jìn)行觀察和記錄，將會(huì)得到一組比較精確的高度角與方位角的校正值。在控制程序中存入用校正洗漱矯正的理論值，可有效提高跟 蹤的精度。 5 結(jié)論 本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用光電檢測(cè)追蹤模式，配合機(jī)械裝置使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的追蹤精度。 （ 1）選擇了以單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，由于光電檢測(cè)追蹤模式和太陽(yáng)角度追蹤都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，經(jīng)過(guò)比較用光電檢測(cè)追蹤模式。 （ 2）選擇 AT89C51 單片機(jī)，通過(guò)比較選擇了光敏電阻作為光電傳感器，用 4個(gè)光敏電阻連接成 2 組比較電路，實(shí)現(xiàn)判斷太陽(yáng)所在位置的功能，這樣可以大大簡(jiǎn)化電路。 （ 3）機(jī)械部分零件圖，裝配圖的繪制，按照各部分電路的設(shè)計(jì)將電路元件焊接到電路板上。聯(lián)合硬件 、軟件、機(jī)械裝置來(lái)調(diào)試電路。 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 參考文獻(xiàn) [1] 陳維，李戩洪．對(duì)太陽(yáng)能跟蹤控制方式的研究 [J]．能源工程， 2OO3， (03):1821． [2] 李云 .中國(guó)太陽(yáng)能高效利用研究取得的新進(jìn)展 [J]．發(fā)明與創(chuàng)新， 2020， (01)： 0809. [3] 李建庚，呂文華等．一種智能型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置的機(jī)械設(shè)計(jì) [J].2020， 24(03) ： 330333． [4] 范志剛．光電測(cè) 試技術(shù) [M]．北京：電子工業(yè) 出版社， 2020:2426. [5] 徐文燦．太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的探索與試驗(yàn) [J]．物理實(shí)驗(yàn)， 2020， 23（ 09）： 4548. [6] 薛建國(guó)．太陽(yáng)能電池自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]．長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2020， 24（ 3） :2630. [7] 濮良貴，紀(jì)名剛等．機(jī)械設(shè)計(jì) [M]．北京 :高等教育出版社， 2020:7890. [8] 邱宣懷．機(jī)械設(shè)計(jì) [M]．北京：高等教育出版社， 2020:100360. [9] 于永泗，齊民．機(jī)械工程材料（第七版） [M]．遼寧 :大連理工大學(xué)出版社． 2020:2228. [10] 劉鴻文．材料力學(xué)（第四版） [M]．北京 :高等教育出版社， 2020:3032. [11] 孫俊逸，盛秋林．單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M]．北京：清華大學(xué)出版社 .2020:88100. [12] 余永權(quán)． ATMEL89系列 Flash單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020:5560． [13] 朱定華．單片機(jī)原理及接口技術(shù) [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020:2527. 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27 致謝 時(shí)間走的真快，來(lái)不及徘徊，來(lái)不及回憶，來(lái)不及留戀，我的大學(xué)生活 已走到了盡頭，在大學(xué)四年里，我很高興能來(lái)到菏澤學(xué)院這所院校，在這里我不僅僅學(xué)到了專業(yè)知識(shí)，認(rèn)識(shí)了很多值得一輩子擁有的朋友和同學(xué)，各科老師認(rèn)真負(fù)責(zé)，在我所學(xué)專業(yè)課程里，每一位老師都很認(rèn)真的傳道授業(yè)，受益頗豐。在為人處世，社交等各個(gè)方面都有所提高，是這所大學(xué)改變了我的人生，當(dāng)然我的人生走上社會(huì)現(xiàn)在只是個(gè)開(kāi)始，但我相信，從這所大學(xué)出去，我會(huì)很快的步入新的人生旅途。 設(shè)計(jì) 得以完成，要感謝的人實(shí)在太多了， 在本文的撰寫(xiě)的過(guò)程中，導(dǎo)師侯建華副教授給我提出了很多有價(jià)值的意見(jiàn)，使我的這篇論文提升到了一個(gè)更高的水平。 在與侯 老師相處的三年時(shí)間里，她 淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和忘我的工作精神給我留下了深刻的印象，使我受益匪淺。在論文完成之際，謹(jǐn)向 侯 老師 說(shuō)一聲“謝謝您” 。 在感謝侯老師的同時(shí)，我還要感謝田秀梅老師，謝謝她對(duì)我論文上的指導(dǎo)，在田老師的指點(diǎn)下，我的論文才最終順利完成。我還要感謝我的同學(xué)們，他們不僅對(duì)本文的撰寫(xiě)提出了很多寶貴意見(jiàn)，使我解決 了所遇到的 很多問(wèn)題，順利完成了論文。同時(shí)還在思想、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷。 最后，感謝各位專家老師在百忙之中抽出時(shí)間來(lái)評(píng)審我的論文。