【正文】 可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。運(yùn)算放大器是一個(gè)減法器，其輸出為 u2與 u1 的電壓差值的常數(shù)倍。 光電轉(zhuǎn)換電路 如圖 所示為光電轉(zhuǎn)換電路是其中的一組，另一組電路與此相同 [17]。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子 — 空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。 額定功率。 伏安特性曲線。光照特性指光敏電阻輸出的電信號(hào)隨光照度而變化的特性。 光譜響應(yīng)。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時(shí)候，流過的電流 稱為暗電流。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和位置檢測(cè)器，極薄零件的厚度檢測(cè)器，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。 2) 主要參數(shù)與特性 根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器： 紫外光敏電阻器：對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫外線。 1) 光敏電阻結(jié)構(gòu) 通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其 阻值迅速減小的特性。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位。新 技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。 (1) 傳感器的作用 人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂茩C(jī)構(gòu)將分別對(duì)東西方向與南北方向進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。 基于以上各種聯(lián)軸器的對(duì)比，考慮到該裝置的要求，所以在連接步進(jìn)電機(jī) 2 和滾珠絲杠副時(shí)，本設(shè)計(jì)選擇采用剛性凸緣式聯(lián)軸器 [11]，如圖 ，而不采用齒輪傳動(dòng)，以便節(jié)省空間，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，保證傳遞精度。無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器：承載能力大，但也不具有緩沖減震性能 ，在高速或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)時(shí)，有沖擊噪聲。 起動(dòng)安全聯(lián)軸器：除了具有過載保護(hù)作用外，還有將機(jī)器電動(dòng)機(jī)的帶載起動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻瓶蛰d起動(dòng)的作用。 (3) 彈性聯(lián)軸器 特點(diǎn)：緩沖吸振，可補(bǔ)償較大的軸向位移，微量的徑向位移和角位移。 (1) 凸緣式聯(lián)軸器 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，成本低，可傳遞較大轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。選擇時(shí)先應(yīng)根據(jù)工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計(jì)算扭矩和轉(zhuǎn)速，再?gòu)挠嘘P(guān)手冊(cè)中查出適用的型號(hào)，最后對(duì)某些關(guān)鍵零件作必要的驗(yàn)算。②可移式聯(lián)軸器。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。/(60300179。=10178。 相 對(duì) 軸 向 載 荷 為Fa/Co=2700/19200=，它介于 ～ 之間，對(duì)應(yīng)的 e 值為 ～ ， Y 值為～ 。 179。同時(shí)可得 X=， Y值需在已知型號(hào)和基本額定靜載荷 Co 后才能求出。/ 60300179。=10178。 相 對(duì) 軸 向 載 荷 為Fa/Co=5500/24500=，它介于 ～ 之間，對(duì)應(yīng)的 e 值為 ～ ， Y 值為～ 。 179。同時(shí)可得 X=， Y值需在已知型號(hào)和基本額定靜載荷 Co 后才能求出。 σ =F/S=σs = 353MPa。又 45 鋼是塑性材料，所以，要用屈服極限 σs 來校核。 底座的設(shè)計(jì) 底座材料選用 45 鋼 [14]， 底座要有足夠的支撐強(qiáng)度，同時(shí)也要滿足盡可能節(jié)省材料，所以，選擇用焊接法組合底座，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 所示。（ 2） 光 — 電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光 — 電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。 一、 太陽(yáng)能發(fā)電 方式太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光 — 熱 — 電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光 — 電直接轉(zhuǎn)換方式。 1994年全世界太陽(yáng)能電池的總產(chǎn)量只有 69MW，而 2021年就接近 1200MW，在短短的 10年里就增長(zhǎng)了 17倍。多晶硅材料的生產(chǎn)技術(shù)長(zhǎng)期以來掌握在美、日、德等 3個(gè)國(guó)家 7個(gè)公司的 10家工廠手中，形成技術(shù)封鎖、市場(chǎng)壟斷的狀況。由于太陽(yáng)能的直接輸出一般都是 DC12V、 DC24V、 DC48V。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。其作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，或送 往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng) 負(fù)載 工作。 化學(xué)染料電池板：染料敏化太陽(yáng)能電池。 考慮到本設(shè)計(jì)裝置的軸向載荷不大，所以選擇深溝球軸承，并采用簡(jiǎn) 易単推 — 単推式作為支承方式，如圖 所示。 (2) 雙推 — 簡(jiǎn)支式 圖 雙推 — 簡(jiǎn)支式 特點(diǎn)：預(yù)緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、精度較高的長(zhǎng)絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。 =25mm； Ph=5mm。螺紋長(zhǎng)度 L1 在允許的情況下藥盡量短，一般煙臺(tái) 大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 取 L1/d。 滾珠絲杠副尺寸的選擇 選用滾珠絲杠副時(shí)通常主要選擇絲杠的公稱直經(jīng) d。 材料選擇 由于絲杠必須具有高耐磨性、高熱硬性及足夠韌性的要求，所以，選擇刃具鋼，其中低合金 工具鋼由于合金元素的加入，更適合制造絲杠，所以選擇 T20211（ CrWMn） [12]。 無(wú)側(cè)隙、剛性高。 高精度的保證。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和 制造工藝簡(jiǎn)單，使用廣泛。滾珠每一個(gè)循環(huán)閉路稱為列，公稱直經(jīng) 煙臺(tái) 大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 每個(gè)滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密 儀器。 (1) 計(jì)算分度圓直徑 d1=z1m=28=70mm d2=z2m=90=225mm (2) 計(jì)算中心距 a=(d1+d2)/2=(70+225)/2mm= (3) 計(jì)算齒輪寬度 b=?dd1=170mm=70mm 取 B2=70mm， B1=75mm。 7) 計(jì)算大、小齒輪的 YfaYsa/[σf]并加以比較。 K=KaKvKfαKfβ=11= 5) 取齒形系數(shù)?！?(2KT1YfaYsa)/(?dz1178。√175。 由 b/h=， Khβ= 得 Kfβ=；故載荷系數(shù) K=KaKvKhαKhβ=11= 6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑為： d1=d1t179。 b= ?dd1t=1=。 [σh]) = 。 (u＋－ 1)Khn2=。N2=N1/=10179。 5) 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 σhlim1=600MPa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σhlim2=550MPa。 mm。 u√ {KT1太陽(yáng)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用 7 級(jí)精度（ GB 10095— 88）。絲杠上的滑塊與支承桿相連，連接到太陽(yáng)能板，太陽(yáng)能板一端固定在托盤上，托盤焊接安裝在主軸上 [10]。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，其中每相對(duì)兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于 目前許多大型太陽(yáng)能發(fā)電裝置。如果兩者結(jié)合，各取其長(zhǎng)處，可以獲得較滿意的跟蹤結(jié)果。 (3) 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合 由上述討論可知，開環(huán)的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開始運(yùn)行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動(dòng)調(diào)整等。同時(shí)，還要通過儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點(diǎn)處于地面水平面內(nèi)。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復(fù)雜，計(jì)算量的增 大會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)按照太陽(yáng)的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算太陽(yáng)的高度角和方位角。太陽(yáng)跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系較為直觀方便，操作性強(qiáng)，但也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒有具體公式可用的問題。 本設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能板運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)理念就是來源于平面四桿機(jī)構(gòu)的演化，即采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 轉(zhuǎn)動(dòng)副演化成移動(dòng)副，如引進(jìn)滑塊等構(gòu)件。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，如果兩對(duì)邊構(gòu)件長(zhǎng)度相等且平行，則成為平行四邊形機(jī)構(gòu)。如果以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的兩個(gè)構(gòu)件可以做整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱之為整轉(zhuǎn)副，反之稱之為擺轉(zhuǎn)副。同時(shí)，采用平面四桿機(jī)構(gòu)原理，用一對(duì)滾珠絲杠副來實(shí)現(xiàn)高度角的調(diào)整。再考慮到該地位置因素及一年四季的太陽(yáng)方位變化，可以初步確定所設(shè)計(jì)裝置的尺寸、高度角、方位角等的范圍。 煙臺(tái) 大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律 由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽(yáng)位置相對(duì)于地面 靜止物體的運(yùn)動(dòng)。在國(guó)內(nèi)近年來有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究， 1992 年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)， 1994 年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器完成了單向跟蹤。總之，大力發(fā)展太陽(yáng)能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。根據(jù)我國(guó) 1996～ 2020 年太陽(yáng)能光電 PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計(jì)劃，在 2021 年和 2020 年的太陽(yáng)能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到 萬(wàn)千瓦和 30萬(wàn)千瓦。法國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)了代號(hào)為“太陽(yáng)神 2021”的太陽(yáng)能利用計(jì)劃，按照該計(jì)劃，每年將投入 3000 萬(wàn)法郎資金，到 2021 年，法國(guó)每年安裝太陽(yáng)能熱水器的用戶達(dá) 2 萬(wàn)家。預(yù)計(jì)到 2021 年，美國(guó)光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的 21～ 40 美分 /千瓦時(shí)降到 6 美分 /千瓦時(shí)，屆時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)大大增強(qiáng)。目前，美國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較 完備的生產(chǎn)體系。另?yè)?jù)德新社報(bào)道 [5]，全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠已在德國(guó)南部巴伐利亞州正式投入運(yùn)營(yíng)。從 2021 年起，日本太陽(yáng)能發(fā)電量一直居世界首位， 2021 年太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約為 86 萬(wàn)千瓦，占世界太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量的 %，并計(jì)劃到 2021 年達(dá)到 482 萬(wàn)千瓦，增加約 6 倍。日本太陽(yáng)熱能的利用，從 1979 年第二次石油危機(jī)后開始， 1990 年進(jìn)入普及高峰。 課題研究的目的和意義 本課題研究一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光線的運(yùn)動(dòng)，保證太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽(yáng)光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。第三，太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。 目前太陽(yáng)能的開發(fā)和利用 人類直接利用太陽(yáng)能有三大技術(shù)領(lǐng)域 [3]，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲(chǔ)能技術(shù)。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市， 1961 年至 1970 年的平均值，年平均 日照時(shí)間為 ，相對(duì)日照為 68％，年平均晴天為 天，陰天為 天，年平均云量為 ，太陽(yáng)總輻射為 816KJ/cm2a，比全國(guó)其它省 區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。我國(guó)的國(guó)土跨度從南到北、自西至東，距離都在 5000km以上，總面積達(dá) 960 10 km，占世界總面積的 7%，居世界第三位。預(yù)計(jì)在未來 5 至 10 年內(nèi)，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物 燃料一統(tǒng)天下的局面。當(dāng)前，包括我國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。并且對(duì)該系統(tǒng)采用二維跟蹤方式，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板東西方向和南北方向共同調(diào)整跟蹤，達(dá)到進(jìn)一步提高利用效率、跟蹤精度的要求。解決如何提高太陽(yáng)能利用效率就成為了所有問題的關(guān)鍵。太陽(yáng)能效率的提高將直接影響我國(guó)能源利用結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展以及建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)有著重大影響。 [關(guān)鍵詞 ]： 太陽(yáng)能 ；自動(dòng)跟蹤 ；單片機(jī) ；步進(jìn)電機(jī) ；二維運(yùn)動(dòng) 。隨著礦物燃料的日漸枯竭 和全球環(huán)境的不斷惡化，很多國(guó)家都在認(rèn)真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作。相對(duì)于日益枯竭的化石能源來說，太陽(yáng)能似乎是未來社會(huì)能源的希望所在。據(jù)估算 [2]，我國(guó)陸地表面每年接收的太陽(yáng)輻射能約為 50 10 kJ，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá) 335～ 837KJ/cm2A，中值為 586KJ/cm2A。全國(guó)以四川和貴州兩省的太陽(yáng)年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品很多，如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽(yáng)房，太 陽(yáng)灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽(yáng)能醫(yī)療器具。太陽(yáng)能的利用有它的缺點(diǎn)：第一，能流密 度較低，日照較好的地面上 1平方米的面積所接受的能量只有 1 千瓦左右。 基于當(dāng)今世界能源問題和環(huán)境保護(hù)問題已成為全球的一個(gè)