【正文】 123 控制系統(tǒng)設計 13 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 13 光電轉(zhuǎn)換器 14 步進電動機 14 單片機及其外圍電路 16 系統(tǒng)的流程圖 194 系統(tǒng)軟件流程及調(diào)試 20 主控制模塊的軟件設計 20 光電跟蹤模塊程序設計 21 視日運動軌跡跟蹤模塊程序設計 22 實驗觀察數(shù)據(jù)分析 235 結(jié)論 24參考文獻 26致謝 27太陽能自動追光系統(tǒng)的設計太陽能自動追光系統(tǒng)的設計機械電子工程專業(yè)學生 韋忠爽指導老師 侯建華摘要：目前，太陽能利用裝置的放置位置大多是固定不變的，而一天當中太陽與太陽能利用裝置的相對位置是時刻變化的，這也就無法保證太陽能利用裝置時刻受到陽光直射，從而使太陽光能的利用率大大降低。為了提高太陽能的利用率，設計一種循日追光系統(tǒng)，使太陽能利用裝置最大限度的利用太陽光能。關(guān)鍵詞：太陽能；循日追光；步進電動機；單片機The Design of Automatic Tracking SystemStudent majoring in Mechanical and electrical engineering Li YanTutor Hou JianhuaAbstract： At present, the solar energy utilization device placed most of the position is fixed ,but the sun and solar energy utilization of the relative position of the device is everchanging in the day , this is to guarantee the solar energy utilization device moment is direct sunshine , so that the sun light energy utilization greatly reduced . In order to improve the utilization rate of solar energy, design a system of solar tracking, to make solar energy utilization device maximum use of the sun light energy .The solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed. The mechanical part design is to realize the sun tracking through the joint work of stepper motor1and stepper motor 2。太陽能是一種干凈環(huán)保而且取之不盡用之不竭的可再生新能源，隨著社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的這種趨勢，太陽能在人類生活中起到越來越重要的作用。眾所周知，太陽在一天中的位置由東向西發(fā)生著變化，而目前太陽能利用裝置的擺放位置大多是固定不變的，這也就無法使太陽能利用裝置時刻正對著太陽，太陽光也就無法時刻直射到其上面。自動追光系統(tǒng)以AT89C51單片機為基礎，工作可靠穩(wěn)定，能夠精確追蹤太陽，使太陽光在一天當中始終直射到太陽利用裝置上，最大限度的提高太陽能利用率。1 太陽能自動追光系統(tǒng)總體設計方案 太陽運行的規(guī)律太陽在一天中的位置變化是周期性的，是可以被預測的。因為地球極軸與黃道天球極軸存在27度夾角，使得太陽的赤尾角在一年當中發(fā)生變化。 跟蹤器機械執(zhí)行部分比較選擇分析考慮成本、跟蹤器機械執(zhí)行部分等各方面問題，有以下幾種跟蹤器。馬達2的輸出軸連接蝸桿，接收器安裝在環(huán)形支架上面(接收器相對于環(huán)形支架可以轉(zhuǎn)動)，傳動箱Ⅱ的輸出軸連接接收器[1]。 系統(tǒng)的優(yōu)勢：跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單。蝸桿蝸輪對自鎖性能好，可防風防雨。傳動裝置安裝在傳動箱，受到了良好的保護，提高了設備的使用壽命。機構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當太陽光線偏離發(fā)生時，控制部分所發(fā)出的控制信號驅(qū)動馬達1，進而帶動小齒輪Ⅰ轉(zhuǎn)動，小齒輪會帶動齒圈B1和主軸A轉(zhuǎn)動；在同一時間，控制信號會驅(qū)動馬達2帶動小齒輪Ⅱ轉(zhuǎn)動，進而小齒輪Ⅱ帶動齒圈B2和轉(zhuǎn)動架D轉(zhuǎn)動，通過馬達馬達2的共同努力實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。在兩個方向的跟蹤，都利用齒輪副傳遞動力，在同一時間，使用功率較小的馬達，不僅傳遞足夠大的動力，而且降低了其能源成本和制造成本；盡管使用了半個齒圈，然而能在緊湊的結(jié)構(gòu)下獲得了較大的傳動比。(三) 立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器該跟蹤器所具有的結(jié)構(gòu)：將在底座上固定好的大齒輪與小齒輪嚙合，且小齒輪與馬達1的輸出軸連接，主軸與它的支撐軸承分別安裝在底座的上面。跟蹤器所實現(xiàn)的自動追循原理：當太陽的光線發(fā)生偏離時，控制部分將控制信號發(fā)出，來驅(qū)動馬達1帶動小齒輪的轉(zhuǎn)動，因為大齒輪是固定的，那么小齒輪不僅自轉(zhuǎn)，而且繞大齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)動架的轉(zhuǎn)動，同時將固定在轉(zhuǎn)動架上的主軸、支架與接收器也發(fā)生相應的轉(zhuǎn)動；在同一時間，通過控制信號來驅(qū)動馬達2，并且?guī)咏邮掌鬓D(zhuǎn)動，通過馬達1和馬達2的共同努力來實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。對于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳遞動力，在同一時間，使用功率較小的馬達，不僅傳遞足夠大的動力，而且降低了其能源成本和制造成本。 本課題的機械設計方案圖14為機械設計方案，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)：在支架上馬達1固定好，馬達1的輸出軸與小齒輪1連接，小齒輪1與大齒輪嚙合。圖14 本課題的機械設計方案機構(gòu)所要實現(xiàn)的自動跟蹤的原理為：若太陽光線的位置發(fā)生偏離時,控制信號將會驅(qū)動馬達1并且?guī)有↓X輪1進行工作，進而小齒輪帶動大齒輪和主軸工作；在同一時間,控制信號驅(qū)動馬達2帶動小齒輪2工作。 跟蹤方案的比較選擇目前采用跟蹤太陽的方法有很多：(1)視日運動軌跡跟蹤；(2)光電跟蹤[4]。(一) 光電跟蹤采用一級傳感器跟蹤方式是傳統(tǒng)的光電跟蹤，這種跟蹤系統(tǒng)由控制組件、跟蹤頭、和位置檢測器組成[5]。位置檢測器主要由經(jīng)過選定的光敏傳感器組成。 控制組件 跟蹤頭功效+ ——放大器1鏡子減速器電機放大器2 位置檢測器測速機云遮切換裝置圖15 跟蹤系統(tǒng)框圖象限光電轉(zhuǎn)換原理如下圖所示，接下來對五象限法太陽跟蹤儀做一簡單介紹。每個象限邊界線和X軸均成為45度，小圓為第V像限[6]。將5枚性能、面積、參數(shù)相同的光電池安裝在所設計的5個象限內(nèi)時，一旦陽光照射到5枚光電池上時會產(chǎn)生光電流，這時的光電流的強度與光強度成正比例關(guān)系。當光線穿過透鏡照到鏡筒底部的5枚光電池時，調(diào)整筒的長度，使光斑完全覆蓋5枚光電池。將經(jīng)過一系列處理的光電流差輸送給跟蹤頭，此時驅(qū)動電機開始動作,來調(diào)節(jié)所述跟蹤的裝置,直到光電池輸出的光電流相同，這個時候的太陽光線平行于透鏡光軸，而驅(qū)動電機沒有發(fā)生動作。將電壓V1和外來控制的電壓V2進行對比，可選擇適當?shù)腣1控制測量所需跟蹤設備的工作現(xiàn)狀，在夜間,當V2V1，該設備停止工作；當太陽光出現(xiàn)時V1V2，設備開始正常工作。通常，它是取10 30厘米最佳。但是,當云覆蓋很長一段時間,或當太陽剛升起的清晨,太陽光線與透鏡光軸之間角度超過一定的夾角范圍，由于鏡筒結(jié)構(gòu)的限制，透鏡聚焦的光點不能被光電池捕捉到,這時跟蹤裝置便無法跟蹤太陽，甚至引起執(zhí)行機構(gòu)的錯誤動作。(二) 視日運動軌跡跟蹤太陽跟蹤裝置采用地平坐標系統(tǒng)是相對直觀,方便可行的，而且操作性強，但對一個軌跡的坐標計算是沒有具體的計算公式的問題。根據(jù)太陽的軌跡算法分析，太陽軌跡位置,是由觀測點的位置和標準時間來確定的。在設置跟蹤地點和基準零點后，控制系統(tǒng)可以自動操作根據(jù)水平坐標公式的太陽能高度角和方位角的太陽。日落之后,停止跟蹤,跟蹤設備根據(jù)原來的軌道路線回到基準零點。跟蹤開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值，所以為了實現(xiàn)高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴格的要求，而且與儀器的安裝是否正確有密切的關(guān)系。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。 本設計的跟蹤方案光敏電阻光強比較法。光敏電阻的特點是它的阻值隨著光照強的大小發(fā)生變化，利用這種特點，把兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向的底部邊緣。但是太陽光的方向和電池板垂直的方向有一定夾角時，則接收光比較多的光敏電阻的阻值減少，驅(qū)動電動機發(fā)生轉(zhuǎn)動，一直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強度，這種形式稱為光敏電阻的光強比較法。 齒輪的選擇(一) 材料的選擇 選用直齒圓柱齒輪傳動[7]。小齒輪的材料選用40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪的材料選用45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。一般齒輪齒數(shù)Z1=25，分度圓螺旋角=8到15度 。分度圓直徑： 小齒輪直徑 ， 取d1=100mm。 （21）取齒寬系數(shù)=b==100=120則取大齒輪寬度b2=120,小齒輪寬度b1=125。 查文獻[8] =。 Ft=2T1/d1=22104=400NkAFt/b=1035400/120=405N/mm (25)εδ=[(1/Z1+1/Z2)]cosβ=[(1/25+1/100)cos10=Zz=√(4εδ)/3 =KHδ=1/Z2ε=式中圓周力；端面重合度；重合度系數(shù)。查文獻[8] 。 總工作時間Th=103602=7200h。 (28)接觸壽命系數(shù)ZN:查文獻[8] = ， = 。 底座的設計底座材料選用45鋼[9]，底座要有足夠的支撐強度，同時也要滿足盡可能節(jié)省材料