1、西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分系 （部）： 电 子 信 息 系 专 业： 电气工程及其自动化2011 年 05 月西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分系 （部）： 电 子 信 息 系 专 业： 电气工程及其自动化2011 年 05 月I西安工业大学毕业设计（论文）任务书院（系） 电信学院 专业 电气工程及其自动化 班 070307 姓名 学号 B07030707 1.毕业设计（论文）题目： 太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分 2.题目背景和意义： 随着现代社会的发展及资源的
2、匮乏，目前人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。在计算机、光电子、电力电子等制造及 应用技术日趋成熟的今天，此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。 本设计基于典型的光电传感器检测、放大等环节，借助于计算机处理及控制，通过电力电子及运动控制技术，实现太阳能光伏发电系统光电池阵列对太阳的实时最佳跟踪，从而获得最大电能输出。 3.设计(论文) 的主要内容（理工科含技术指标）： 自主设计一个典型单片机系统，含以下部分及功能： I. 典型 51 内核的单片机系统（推荐采用 Silabs 公司的 C8051F 系列）。 II. 光电传感器检测、放大等环节。 III. 10-12 位的光电池阵列
3、朝向（电压）信号检测（推荐内置结构）。 IV. 电机随动跟踪驱动电路（PWM 直流调速或步进控制）。 V.常规可靠性设计。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 毕业设计（论文）工作 10 年 10 月 20 日起至 11 年 5 月 28 日止 毕业设计（论文）进行地点： 未央校区教 D 楼 217 室 作为毕业设计，应完成以下工作： I. 熟练掌握专业电工、电子（模、数）技术。 II. 掌握光伏发电光源跟踪控制系统结构、工作原理等 专业 技术。 III. 熟练掌握 MCS-51 系列单片机工作原理及应用技术。 （ 3 月上旬前） IV. 系统硬件设计。 V. 借助 PRO
4、TEL 技术，绘出系统 SCH、PCB 图。 （ 3 月下旬前） VI. 搭出系统硬件电路，在完成系 统通电调试的基础上，进行系统联机调试。（ 4 月下旬前） IIVII. 写出毕业论文（电子版）。 （ 5 月上旬前） 5.毕业设计（论文）的工作量要求： I. 论文（字数）： 2-3 万字 II. 外文翻译（字数）： 5000 字以上 实验（时数） *或实习（天数）： 20 天 图纸（幅面和张数） *： SCH、PCB 图（A4 图幅 4 份以上） 其他要求： 参考文献（篇数）： 15 篇以上（含 3 篇以上外文 ） 指导教师签名： 年 月 日学生签名： 年 月 日系（教研室）主任审批： 年
5、月 日说明：1 本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。毕 I-2III太阳能光伏发电光源跟踪控制系统硬件部分摘要随着现代社会的发展及资源的匮乏，目前人们对太阳能、风能等绿色洁净能源的渴求日趋强烈。在计算机、光电子、电力电子等制造及应用技术日趋成熟的今天，此亦成为广大科学工作者关注及研究的热点。在太阳能利用方面，理论分析表明:跟踪式太阳能发电装置与定点式太阳能发电装置相比，其能量的接收率可提高 35%，而目前太阳能利用转化率约为 1020。因此，在对目前国内外太阳跟踪器原理研究的基础上，本文设计了一种按仰角（太阳高度）和方位角（太阳方位）分别控制调节的
6、太阳跟踪控制系统。通过采用 MCU 计算发出脉冲，控制步进电机的转动角度，实现对太阳光的自动跟踪，使跟踪装置始终处于与发光源垂直的最佳位置。其结构简单、成本低廉且跟踪精度高，可广泛用于西部等偏远地区的能源供应系统太阳能发电系统，具有一定的实用价值。 本课题设计的太阳能自动跟踪与控制系统主要由四大部分构成：传感器、控制器、机械跟踪平台、通信模块。传感器由独立的四片光电池组成，用于大范围跟踪太阳光；通信模块则采用 RS-485 串行协议通信；控制器硬件以单片机C8051F330 为核心，完成了控制器的硬件电路设计和制作；系统的硬件电路包括模拟输入电路，电机驱动电路，电源电路等。关键词：太阳能；自动
7、跟踪；传感器；单片机；RS-485；步进电机IVSolar photovoltaic energy sources tracking control systemThe hardware partAbstractWith the development of modern society and the lack of resources. People on solar, wind and other green clean energy demand are becoming intense. In today, computer, optical-electronic, power el
8、ectronics and other manufacturing and application technology is becoming mature, this also attract the attention of scientific workers and has become a hot topic.In the solar energy utilization, analysis indicated shows that receiving rate of pointing device is lower as 35% than the tracking device,
9、 and in all current device conversion rate roughly is 10%20%. Therefore, by analyzing the principle of the solar tracking devices in nation and oversea, a solar tracking system which its elevation and azimuth is adjusted separately was designed in this dissertation. The MCU was used to control the r
10、otation angle and control the step motor by sending off the pulse. So, the system can control the tracking device to be the optimal place which is lighted by sun in the day. The system has simple structure, low cost and high tracking precision. It can be widely used in the west and the remote areass
11、 energy supply systems-solar power system, and it has certain practical value.In the paper, the designed solar tracking and drive control system are mainly composed of four major components: sensors, controllers, and mechanical tracking platform and communication module. The sensor is mainly compose
12、d of four photocells which could achieve large-scale tracking the sun. RS-485 is used in the communication module. C8051F330 is used as the core in the controller. Hardware circuit design and production are accomplished. The system hardware circuits are composed of analog input circuit, the motor dr
13、ive circuit, power circuit and so on.Keywords: Solar; tracking; sensor; microcontroller; RS-485; stepping motorV摘要 .IIIABSTRACT .IV1 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 发展太阳能的背景 .11.1.2 国内外太阳能利用现状 .21.1.3 太阳能利用的基本方式 .41.2 课题研究的目的和意义 .51.3 国内外研究现状分析 .51.4 课题的主要类容 .61.5 论文结构 .62 系统工作原理及总体设计 .72.1 太阳运动规律 .72.1.1 太阳与
14、地球的位置关系 .72.1.2 相关角度的计算 .82.2 跟踪方式的比较 .102.2.1 视日运动轨迹跟踪 .102.2.2 光电跟踪 .102.2.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 .102.3 跟踪方式的选着 .112.4 系统总体设计 .112.4.1 系统框图 .112.4.2 系统工作原理 .113 太阳跟踪控制系统的硬件设计 .133.1 硬件总体设计方案 .133.2 传感器结构及信号采集电路 .133.2.1 光电池的特性参数 .143.2.2 光电池的型号 .143.3 跟踪控制系统的硬件设计 .143.3.1 单片机的选型 .143.3.2 电源电路 .163.3.
15、3 外部时钟电路 .173.3.4 复位电路 .183.4 C8051F330 的 ADC0 子系统 .183.5 开关量输入电路 .193.6 步进电机驱动与控制模块 .203.6.1 步进电机概述 .203.6.2 步进电机的分类及工作原理 .213.6.3 步进电机的选着 .233.6.4 步进电机控制系统 .233.6.5 串并行控制 .233.6.6 步进电机细分驱动控制 .24VI3.6.7 步进电机加减速控制 .253.6.8 步进电机驱动电路 .253.7 传动部分 .283.8 通信模块 .283.8.1 RS-485.283.8.2 RS-485 芯片的选着及其电路设计 .
16、294 结论 .31致谢 .32参考文献 .33附件 .371 绪论11 绪论1.1 课题背景1.1.1 发展太阳能的背景能源是人类生存发展必须具有的基本资源。从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源、地下能源与天上能源等三个层面或者说成是三个阶段。地上能源主要是植物能源(柴、草)，还有水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能时代，或称地上能时代。到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源(煤炭、石油、还有天然气、地热能等)，可称为煤石能时代，或地下能时代。随着世界经济的发展进入 21 世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战，作为世界主要能源
17、的石油，其价格居高不下，前期每桶原油最高单价已突破 100 美元。虽然人类的科学技术正在高速发展，但面对石油这些不可再生性的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到 21 世纪 80 年代，石油、天然气资源将枯竭。到 22 世纪 20 年代，煤资源也将被耗尽。即使是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈，也存在资源短缺的间题，已探明储量的铀矿资源也将在 2030 年前开采完 1。从我国的能源利用状况来看，自上世纪 70 年代初开始，我国已经经历了三次大的能源危机：1970-1984 年间持续的能源
18、供应紧张局面使全国约 25%的企业开工不足；1988 年再次出现类似情况，农业用电缺口超过 60%，推动煤炭价格在当年涨幅达到 87%，成为 1989 年以后小煤窑遍地开花的驱动力；2000 年以来伴随着国际能源危机的逐步加深，我国能源供应紧张，主要常规能源的价格涨幅已达 103%，大量进口石油引起国际社会的严重关切，能源已成为国家安全的重要影响因素。资料表明，作为世界上最大的发展中国家，我国目前能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第 3 位；基本能源消费占世界总消费量的 10.4%，仅次于美国，居世界第 2 位，可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。2005 年一次能源消费量为 15.4 亿吨油当量，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到 30 多亿吨油当量。然而 2005 年，世界人均一次能源消费量为 1.65 吨油当量，日本、美国分别为 4.13 吨和 7.97 吨油当量，而中国仅为 1.18 吨油当量，约为世界平均水平的 3/4、日本的 1/4、美国的1/7。预计到 2010 年，我国石油供需缺口 1 亿吨，天然气缺口 400 亿立方米。而且，随着中国的工业化和城市化进程，在基础设施建设和民用建筑阶段，能1 绪论2源需求量特别大，
