1、毕 业 设 计 报 告 (论 文 )基于 TMS320F2812 太阳能跟踪系统的设计（二）电池板仰角跟踪模式所 属 系 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化起讫日期 2012.2 - 2012.5 设计地点 东南大学成贤学院 东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）诚 信 承 诺本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。学生签名： 日 期：I基于 TMS320F2812太阳能跟踪系统的设计摘要人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，这些矿物燃料是一次性不可 再生资源，储量有
2、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。太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点， 但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列 的太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能电池等，对太阳能的利用率不高。研究表明，太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，其能量的利用率 相差377。本设计尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光-电转化率。一种基于 TI(Texas Instrument Inc)DSP控制器 (TMS320F2812)的运动控制系统. 并利用 DSP芯片以及步进
3、电机驱动双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线，从而提高太阳能的吸收效率。关键词：太阳能电池;太阳照射角;自动跟踪;TMS320F2812 IIThe design of solar tracking system based on TMS320F2812ABSTRACTHuman being is seriously threatened by cxhausting mineral fuel，such as oil and coal These mineral fuds are one-off and non-reproducible seurces and have limit
4、ed rervcs When they are burned，a great deal of carbon dioxide will releaseThe consequences of it are global temperature hoist and entironmeat deteriorating .As a kind of new type of energy sources，solar energy has the advantages of unlimited reserves，existing everywhere，use clean and economical. But
5、 it also has disadvantages，such as low density，intermission,change of space distributing and so onThese disadvantages induce that solar energy equipment，like solar energy water heater and solar battery，has the low using perecnt of solar energy. It has been showed that，the energy inception enhance by
6、 37.7，if solar equipment track the movement of the sunIn the design , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar light - electricity conversion efficiency. In order to drive the stepper motor,this paper presents a control method based on TIs DSP controller(T
7、MS320F2812). Use DSP and stepper motor driven tracking system. make the solar panels perpendicular to the solar incidence line, to improve the absorption efficiency of solar energy. Keywords: solar cells;Inrradiation angle of sun;tracking automatically;DSPIII目录摘要 .IABSTRACT.II目录 .III第一章 引言 .11.1能源与环
8、保 .11.2太阳能的特点 .11.3太阳能利用的现状与发展趋势 .21.3.1太阳能利用现状 .21.3.2太阳能发展趋势 .21.4太阳能跟踪技术的现状 .3第二章 系统实现方案 .42.1跟踪系统的设计要求 .42.2系统实现的原理 .42.2.1太阳位置的确定 .42.2.2跟踪方式的确定 .5第三章 控制部分的设计 .63.1控制器的选择 .63.1.1数字信号处理 DSP芯片 .63.1.2TMS320F2812的介绍 .63.1.3步进电机驱动器 .83.1.4控制信号放大器 .83.1.5系统链接图 .83.2传感器电路的设计 .93.2.1光敏传感器的选择 .93.2.2光敏
9、传感器的模型设计 .93.2.3光敏传感器的电路设计 .113.3步进电机驱动电路的设计 .123.4显示电路的设计 .123.4.1LCD的介绍 .123.4.2LCD1602接口电路 .133.5按键电路的设计 .143.6电源电路的设计 .14第四章 机械结构的设计 .164.1云台机械设计要求 .164.2云台结构简介 .164.3云台电机选样 .17第五章 软件的设计 .185.1系统初始化模块 .185.2光电跟踪控制模块 .185.3手动复位模块 .19第六章 结束语 .20致谢 .21IV参考文献 .22东南大学陈贤学院毕业论文1第一章 引言1.1能源与环保随着时代的前进，人类
10、社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面：1.能源短缺世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10 年内化石燃料能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。2.环境污
11、染由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。3.温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国二氧化碳等温室气体的排放量。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。1.2太
12、阳能的特点太阳是一个巨大的能源，万物生长都要依靠太阳，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。而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。太阳辐射能与煤炭，石油，核能相比较。有如下的优点:1.储量的无限性太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75 X 10 21 kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73 X 10 11kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1X1
13、0 13kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7 X 10 13kW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有东南大学陈贤学院毕业论文2限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。2.存在的普遍性虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏
14、的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。3.利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。4.利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。1.3太阳能利用的现状与发展趋势1.3.1太阳能利用现状1.太阳能热水器太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太
15、阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，目前真空管式太阳能热水器为主，占据国内 95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。2.太阳能建筑一体化我国太阳能建筑技术经近 20年的努力，获得了可喜的发展。到 2004年底，太阳能热水器年生产能力达到 1350万，利用量达到 6500万，占全球安装量的 60%，居世界首位，并出口世界 30多个国家和地区。太阳能光伏发电约达 6.5万千瓦，解决了 700多个乡镇，约 300万偏远人口基本用电问题。如
16、西藏已建成近 400个县级和乡级太阳能光伏电站，总装机容量达近 8000千瓦，成为我国集中型光伏电站最多的省区。近年来，在科研开发、住宅小区大面积推广应用、太阳能建材化、太阳能与建筑一体化设计等方面都取得了骄人的成绩。北京清上园为北京第一个全部使用太阳能热水器的板式小高层建筑住宅小区，全小区共 519户，每户阳台护栏外都安装了由山东澳华电器有限公司生产的“澳华“维丽亚”牌阳台壁挂式太阳能热水器；阳台内分户墙壁上安装着与电热水器一模一样的分体式水箱，管道经地下直通卫生间，业主只需轻轻扳动把手，70左右的热水便顺畅流淌，即可轻松洗浴。此系统还配有电辅助设施，无论在春夏秋冬，还是雨雪天气都可正常使用
17、，实现了自动控制，恒温出水，达到了安全、舒适、节能的目的。据初步估算，通过利用太阳能采暖器，每平方米每年可节省近 600度电。1.3.2太阳能发展趋势东南大学陈贤学院毕业论文31.太阳能交通工具完 全 用 太 阳 能 为 驱 动 力 代 替 传 统 燃 油 ， 是 几 代 汽 车 工 作 者 的 梦 想 。 1982 年 澳 大 利 亚 人 汉 斯和 帕 金 用 玻 璃 纤 维 和 铝 制 成 了 一 部 “静 静 的 完 成 者 ”太 阳 能 汽 车 。 车 顶 部 装 有 能 吸 收 太 阳 能 的 装置 ， 给 两 个 电 池 充 电 ， 电 池 再 给 发 动 机 提 供 电 力 。
18、12 月 19 曰 ， 两 人 驾 驶 着 这 辆 车 ， 从 澳 大 利 亚西 海 岸 的 珀 思 出 发 ， 横 穿 澳 大 利 亚 大 陆 ， 于 1983 年 1 月 7 曰 到 达 东 海 岸 的 悉 尼 ， 实 现 了 一 次 伟大 的 创 举 。 这 种 太 阳 能 汽 车 与 传 统 的 汽 车 不 论 在 外 观 还 是 运 行 原 理 上 都 有 很 大 的 不 同 ， 太 阳 能 汽车 是 由 电 池 板 、 储 电 器 和 电 机 组 成 利 用 贴 在 车 体 外 表 的 太 阳 电 池 板 ， 将 太 阳 能 直 接 转 换 成 电能 ， 再 通 过 电 能 的 消
19、 耗 ， 驱 动 车 辆 行 驶 ， 车 的 行 驶 快 慢 只 要 控 制 输 入 电 机 的 电 流 就 可 以 解 决 。2.空间太阳能电站这个太阳能空间站的项目，是由日本政府和能源研究员一起构想出来的。他们设想在地球 22360英里（3 万 6千千米）的上空的对地静止轨道上建立一个太阳能空间站。这个空间站每天可以产生 10亿瓦特的电能，并将电能传输给地球上的能源接受站，这样就可以供给 30万家庭的日常用电1.4太阳能跟踪技术的现状现阶段国内外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。1.单轴跟踪倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三
20、种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。跟踪系统的转轴(或焦线)东西向布置，根据事先计算的太阳方位的变化，太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时太阳能接收率最大;而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行，接收太阳能的效果并不理想。2.双轴跟踪双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。太阳能设备的能量转换部分的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工
21、作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。高度角-方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪。太阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这
22、种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。东南大学陈贤学院毕业论文4第二章 系统实现方案2.1跟踪系统的设计要求在太阳能应用系统中，为了研究一种结构简单，成本低廉且跟踪精度高的太阳能跟踪方法，提出了一种新型的双轴跟踪系统，实现太阳法线方向的跟踪。以 TI公司 32位定点数字信号处理器TMS320F2812为主协处理器，构建根据太阳光线与太阳能电池板夹角变化追踪太阳位置的光电传感器模式，通过步进电机驱动双轴跟踪装置控制太阳能电池板的方位角和高度角，达到跟踪太阳的目的。如图 2.1所示。图 2.1 系统整体框图本设计的主要功能
23、是用 TMS320F2812微控制器控制两个步进电机，实现太阳能跟踪系统在高度角和方位角方向跟踪太阳，同时，将时钟芯片的时间显示在 LCD上，另外，通过按键来调整时间，达到人机相互交流的目的。控制太阳能电池板的精度达到 2。2.2系统实现的原理2.2.1太阳位置的确定1.太阳运行的规律众所周知 ，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占=0)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90-
