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电气与电子信息***

《单片机课程设计》任务书

专业班级：

指导教师： 工作部门： 电气系

一、课程设计题目： 太阳能自动追光控制系统

自选：

二、课程设计内容

1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，以单片机为核心器件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，完成仿真操作。要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；

2. 熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原理和控制方法；

3. 熟练使用单片机汇编语言或C51进行软件设计；

4. 熟练使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试；（或用开发板联合调试）

5. 熟练使用Altium.Designer软件设计印刷电路板；

6. 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数；

7. 编写设计报告，参考毕业设计论文格式。

（1）根据课题要求确定系统设计方案；

（2）绘制系统框图、系统仿真原理图（印刷电路板图）；

（3）计算电路参数和选择元器件，画出软件框图，列出程序清单；

（4）打印仿真结果，根据测试结果进行误差分析与修改调整；

（5）对设计进行全面总结。

本课题技术指标：

三、进度安排 地 点:K2-414

教学第 17 周：2019.12.23～2019.12.27

时 间

星期一

星期二

星期三

星期四

星期五

星期六

星期天



1、2节

















3、4节

讲解设计题目、要求

方案的选择论证

系统硬件设计

系统硬件设计

系统硬件设计







5、6节



方案的选择论证













7、8节

















教学第 18 周：2019.12.30～2020.01.03

时 间

星期一

星期二

星期三

星期四

星期五

星期六

星期天



1、2节

















3、4节

系统软件设计

系统软件设计



仿真调试

设计答辩







5、6节



仿真调试



设计答辩









7、8节



















四、基本要求

根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。

评定项目

基本内涵

分值



平时表现

考勤

10分



答辩情况

回答问题情况

20分



操作能力

实物或仿真测试正常无故障运行

20分



课设报告

完成设计任务、报告规范性等情况

50分



90～100分：优；80～89分：良；70～79分：中；60～69分，及格；60分以下：不及格





五、课程设计参考资料

[1]贺某某.AT89S51单片机硬件设计与编程实例.XX：中国电力出版社.2012

[2]李泉溪.单片机原理与应用实例仿真.XX:XX航空航天大学出版社,2012.

[3]王平.单片机应用设计与制作.XX:清华大学出版社, 2012.

[4]彭为等.单片机典型系统设计实例精讲. XX：电子工业出版社，2007

[5]王某某等.单片机设计案例实践教程.XX：XX邮电大学出版社，2008

[6]韩某某等.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例.XX：机械工业出版社，2005

[7]皮大能等. 单片机课程设计指导书. XX：XX理工大学出版社，2010

[8]张某某.单片机原理及应用.XX:高等教育出版社,2011.

目 录

引言 1

1 太阳能自动追光系统总体设计方案 2

1.1 太阳运行的规律 2

1.2 跟踪器机械执行部分比较选择 2

1.3 本课题的机械设计方案 5

1.4 跟踪方案的比较选择 5

1.5 本设计的跟踪方案 8

2 控制系统设计 8

2.1 系统总体结构 8

2.2单片机及其外围电路 9

2.3 光敏电阻 13

2.4 舵机 14

2.5 模式切换电路 16

2.6电源管理 17

2.7 PID算法控制 18

3系统软件流程及调试 21

3.1系统流程图 21

3.2调试心得 22

参考文献 23

《单片机课程设计》成绩评定表 .......................................................................24

附录......................................................................................................................25

引言

目前，太阳能利用装置的放置位置大多是固定不变的，而一天当中太阳与太阳能利用装置的相对位置是时刻变化的，这也就无法保证太阳能利用装置时刻受到阳光直射，从而使太阳光能的利用率大大降低。为了提高太阳能的利用率，设计一种循日追光系统，使太阳能利用装置最大限度的利用太阳光能。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计，机械部分分设计主要是通过舵机1、舵机2的共同工作实现对太阳的跟踪；控制部分设计是基于单片机的自动控制系统，采用光电检测追踪模式，配合机械装置使系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。

随着经济发展和社会进步，自然资源被人为的任意开发和利用，面临枯竭的境地，人类的生活环境在大量自然资源使用过程中面临巨大的威胁，由于人类对自然资源的需求越来越高，因此，寻找可替代的新能源成为当务之急。太阳能是一种干净环保而且取之不尽用之不竭的可再生新能源，随着社会经济可持续发展的这种趋势，太阳能在人类生活中起到越来越重要的作用。于是，合理开发并提高太阳能的利用率具有非常重要的意义。 众所周知，太阳在一天中的位置由东向西发生着变化，而目前太阳能利用装置的摆放位置大多是固定不变的，这也就无法使太阳能利用装置时刻正对着太阳，太阳光也就无法时刻直射到其上面。因此，本文设计了一种自动循日的智能型太阳能追光系统，使太阳能利用装置最大程度的提高太阳能的利用率。 自动追光系统以stm32f103c8t6单片机为基础，工作可靠稳定，能够精确追踪太阳，使太阳光在一天当中始终直射到太阳利用装置上，最大限度的提高太阳能利用率。此装置利用广泛，可在太阳能发电站、太阳能电池、太阳能路灯、太阳能热水器等方面使用。

关键词：太阳能；循日追光；舵机；单片机

1 太阳能自动追光系统总体设计方案

1.1 太阳运行的规律

太阳在一天中的位置变化是周期性的，是可以被预测的。因为地球自转和地球绕太阳公转，使太阳相对于地面物体是运动的。因为地球极轴与黄道天球极轴存在27度夹角，使得太阳的赤尾角在一年当中发生变化。

夏至时赤纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小；冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，直到夏至，另一个变化周期开始。

1.2 跟踪器机械执行部分比较选择

分析考虑成本、跟踪器机械执行部分等各方面问题，有以下几种跟踪器。

(一) 陀螺仪式跟踪器

1-马达 2-马达 Ⅰ-传动箱 Ⅱ-传动箱 a-接收器 B-环形支架 C-支架

图1-1 陀螺仪式跟踪器

跟踪器所具有的结构：传动箱I安装在支架上,并将其固定；马达1安装在传动箱Ⅰ上，传动箱Ⅰ的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱Ⅰ的输出轴连接环形支架，传动箱ⅡXX.定装在环形支架上，马达2安装在传动箱Ⅱ上，传动箱Ⅱ内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)，传动箱Ⅱ的输出轴连接接收器[1]。

跟踪器朝向安装有很多种选择，根据图中所示的安装，跟踪器执行的原则如下：当太阳的光线偏离发生时，所述控制部分会发出的信号，此信号会驱动马达2带动传动箱Ⅱ中的蜗轮蜗杆旋转，驱动接收器输出相对于支撑环旋转，跟踪太阳从东到西的运动，在同一时间，控制部分发出的信号驱动马达1带动传动箱Ⅰ中的蜗杆和蜗轮的旋转，第二次输出带动环支撑架和接收器旋转，跟踪太阳北部和南部方向的运动，从而最终实现两个方向的太阳跟踪。

系统的优势：跟踪机构结构简单。追踪在两个方向上，使用蜗杆和蜗轮副传动,传动比大，结构紧凑，可以使用小功率电动机，且同一时间，使用小功率电动机，不仅降低能源成本和制造成本，而且提供足够的电力;蜗杆蜗轮对自锁性能好，可防风防雨。结构紧凑，运动空间是很大的。传动装置安装在传动箱，受到了良好的保护，提高了设备的使用寿命。

齿圈转动式跟踪器

1-马达 2-马达 Ⅰ-小齿轮 Ⅱ-小齿轮 a-接收器 A-主轴 B1-齿圈 B2-齿圈 D-转动架

图1-2 齿圈转动跟踪器

该机构结构：马达1的输出轴与小齿轮Ⅰ连接并将马达1固定在支架上，小齿轮Ⅰ与齿圈B1相啮合且齿圈B1连接到安装在支架上的主轴，而马达2安装在主轴前部的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮Ⅱ，小齿轮Ⅱ与连接着转动架的齿圈B2啮合，且转动架安装在主轴上[2]。

机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线偏离发生时，控制部分所发出的控制信号驱动马达1，进而带动小齿轮Ⅰ转动，小齿轮会带动齿圈B1和主轴A转动；在同一时间，控制信号会驱动马达2带动小齿轮Ⅱ转动，进而小齿轮Ⅱ带动齿圈B2和转动架D转动，通过马达1、马达2的共同努力实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

系统的优势：该跟踪机构结构简单，成本低。在两个方向的跟踪，都利用齿轮副传递动力，在同一时间，使用功率较小的马达，不仅传递足够大的动力，而且降低了其能源成本和制造成本；尽管使用了半个齿圈，然而能在紧凑的结构下获得了较大的传动比。本系统结构紧凑，运动空间是很大的。

(三) 立柱转动式跟踪器

该跟踪器所具有的结构：将在底座上固定好的大齿轮与小齿轮啮合，且小齿轮与马达1的输出轴连接，主轴与它的支撑轴承分别安装在底座的上面。在转动架上将马达1固定好，在主轴上将转动架与支架都固定好，将接收器、马达2相继安装在支架的上面，马达2的输出轴与接收器相互连接 [3]。

跟踪器所实现的自动追循原理：当太阳的光线发生偏离时，控制部分将控制信号发出，来驱动马达1带动小齿轮的转动，因为大齿轮是固定的，那么小齿轮不仅自转，而且绕大齿轮旋转，带动转动架的转动，同时将固定在转动架上的主轴、支架与接收器也发生相应的转动；在同一时间，通过控制信号来驱动马达2，并且带动接收器转动，通过马达1和马达2的共同努力来实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

1-马达 2-马达 a-接收器 A-主轴 C-支架 D-转动架 E1-大齿轮 E2-小齿轮 F-底座

图1-3 立柱转动式跟踪器

系统的优势：该跟踪机构结构简单，成本低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传递动力，在同一时间，使用功率较小的马达，不仅传递足够大的动力，而且降低了其能源成本和制造成本。它的结构紧凑，刚度较高,传动装置安装在转动架下，受到了良好的保护，有利于提高它的寿命。

1.3 本课题的机械设计方案

采用较为简单的双舵机控制，实现二自由度的转向。

机构所要实现的自动跟踪的原理为：若太阳光线的位置发生偏离时,控制信号将会舵机1控制左右方向太阳能板转动，舵机2控制上下方向太阳能板转动，通过舵机1和舵机2的共同努力完成对太阳光的跟踪。

1.4 跟踪方案的比较选择

目前采用跟踪太阳的方法有很多：(1)视日运动轨迹跟踪；(2)光电跟踪。简单介绍一下这两种跟踪方案。

光电跟踪

采用一级传感器跟踪方式是传统的光电跟踪，这种跟踪系统由控制组件、跟踪头、和位置检测器组成。1-5中所示的跟踪系统的框图。位置检测器主要由经过选定的光敏传感器组成。控制部分主要是接受来自位置检测到的微弱信号，然后经过放大后送到跟踪头，其实跟踪头为跟踪装置的执行元件。

图1-5 跟踪系统框图

象限光电转换原理如下图所示，接下来对五象限法太阳跟踪仪做一简单介绍。在半径为R /2的小圆外面包围一个半径为R的大圆，将两圆之间的圆环分为四个象限。每个象限边界线和X轴均成为45度，小圆为第V像限。

在上述5个象限中为跟踪定位测向象限，V象限为主测象限。将5枚性能、面积、参数相同的光电池安装在所设计的5个象限内时，一旦阳光照射到5枚光电池上时会产生光电流，这时的光电流的强度与光强度成正比例关系。

图1-6 五象限光电转换器原理

为了精确测量，在光电池前面放置可调节的光学镜筒，把凸透镜放在镜筒前，透镜安装在镜筒的外侧边缘，如图1-7中示出。当光线穿过透镜照到镜筒底部的5枚光电池时，调整筒的长度，使光斑完全覆盖5枚光电池。当太阳光与光轴形成某一角度时，光线经过透镜照射到5枚光电池时,所形成的光斑将会发生偏移，在这样条件下,光斑不能完全覆盖在光电池上，所以生成的光电流不全相同。将经过一系列处理的光电流差输送给跟踪头，此时驱动电机开始动作,来调节所述跟踪的装置,直到光电池输出的光电流相同，这个时候的太阳光线平行于透镜光轴，而驱动电机没有发生动作。

安全、可靠是测量跟踪装置的必要问题，该设备采用V象限的主测光电池的方法进行光强度的测量和判断，使设备在晚间停止工作。将电压V1和外来控制的电压V2进行对比，可选择适当的V1控制测量所需跟踪设备的工作现状，在夜间,当V2V2，设备开始正常工作。

图1-7 镜筒结构

从理论上讲，筒越长，光电池灵敏度的系数就越高，但是筒长度与透镜之间的参数也有存在关系，不可能没有限制增长。通常，它是取10 - 30厘米最佳。传感器精度的高低决定了系统的位置的精度，所以很容易实现高精度的跟踪装置。

但是,当云覆盖很长一段时间,或当太阳刚升起的清晨,太阳光线与透镜光轴之间角度超过一定的夹角范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光点不能被光电池捕捉到,这时跟踪装置便无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的错误动作。所以该跟踪装置只能在一定的角度范围内实现高精度的跟踪，其跟踪范围与镜筒的结构有关。

视日运动轨迹跟踪

太阳跟踪装置采用地平坐标系统是相对直观,方便可行的，而且操作性强，但对一个轨迹的坐标计算是没有具体的计算公式的问题。而且在一天中的任何时刻,赤道坐标系中赤纬角和时某某在相对运动中具体角度却是严格已知，在同一时间,赤道坐标系和水平坐标系统是密切相的与地球运动相关，然后通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观察者的位置之间的关系。

根据太阳的轨迹算法分析，太阳轨迹位置,是由观测点的位置和标准时间来确定的。在全球定位系统（GPS）的应用中，可以为系统提供高精度的地理经度和纬度,以及本地时间，控制系统则根据提供的地域和时间参数来确定即时的太阳位置，确保准确的定位和跟踪系统高精度及高靠性。

在设置跟踪地点和基准零点后，控制系统可以自动操作根据水平坐标公式的太阳能高度角和方位角的太阳。然后控制系统根据太阳的轨迹角每分钟改变驱动信号,实现跟踪装置二维旋转角度和方向的变化。日落之后,停止跟踪,跟踪设备根据原来的轨道路线回到基准零点。

因此，可以看出，跟踪的解决方案，无论是什么算法，这种算法的过程是非常复杂的，随着计算量的增大会增加系统成本。跟踪开环系统，无角度反馈值，所以为了实现高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确有密切的关系。必须要求在工程机械结构的加工精度中有足够高的生产。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。并且,用仪器底部的水平准直仪将底面与地面保持水平,使仪器的高度角处在地面的水平面内。

1.5 本设计的跟踪方案

光敏电阻光强比较法。

光敏电阻被选为本设计的光敏器件。光敏电阻的特点是它的阻值随着光照强的大小发生变化，利用这种特点，把两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向的底部边缘。如果太阳光线垂直照射太阳能电池板时，那么两个光敏电阻接收到的光照是同样的，因此它们的阻值是相同的，此时电机是不转动的。但是太阳光的方向和电池板垂直的方向有一定夹角时，则接收光比较多的光敏电阻的阻值减少，驱动电动机发生转动，一直到光敏电阻产生相同的光照强度，这种形式称为光敏电阻的光强比较法。

2 控制系统设计

2.1 系统总体结构

图2-1 系统总体结构

此系统由舵机、光电转换器、stm32系列单片机以及相应的外围电路等组成。太阳能电池板转动有两个自由度。控制机构将分别调整水平方向与垂直方向。单片机上电复位后，单片机会判断采样进来的光电传感器模数转换后的信号，控制舵机进行水平方向与垂直方向的调整，实现太阳光的追踪，当太阳能板正对于太阳光时，自动停止转动

手动模式下可以通过电位器模拟光源进行模数转换的值进行控制控制舵机进行水平方向与垂直方向的调整

2.2单片机及其外围电路

stm32f103单片机

STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K），芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。

每种STM32的产品都由16个字母或数字构成的编号标示，用户向ST订货时必须使用这个编号指定需要的产品。这16个字符分为8个部分，下面通过一个例子说明它们的意义：

STM32 F 103 C 6 T 7 xxx

1 2 3 4 5 6 7 8

第1部分：产品系列名，固定为STM32

第2部分：产品类型；F表示这是Flash产品，目前没有其它选项

第3部分：产品子系列；103表示增强型产品，101表示基本型产品

第4部分：管脚数目；

T=36脚

C=48脚

R=64脚

V=100脚

Z=144脚

第5部分：闪存存储器容量：

6=32K字节

8=64K字节

B=128K字节

C=256K字节

D=384K字节

E=512K字节

第6部分：封装信息；

H=BGA

T=LQFP

U=VFQFPN

第7部分：工作温度范围；

6=工业级，-40~+85°C

7=工业级，-40~+105°C

第8部分：可选项；此部分可以没有，可以用于标示内部固件版本号。

特点：

图2-2 stm32系统框架图

内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。

时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位（POR）、掉电复位（PDR）和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 京:清华大学出版社, 2012.

[4]彭为等.单片机典型系统设计实例精讲. XX：电子工业出版社，2007

[5]王某某等.单片机设计案例实践教程.XX：XX邮电大学出版社，2008

[6]韩某某等.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例.XX：机械工业出版社，2005

[7]皮大能等. 单片机课程设计指导书. XX：XX理工大学出版社，2010

[8]张某某.单片机原理及应用.XX:高等教育出版社,2011.

 电气与电子信息***

《单片机课程设计》成绩评定表

课题名称：



答辩或质疑记录：

1、

2、



最终评定成绩（以百分制评定）



附录

图1 总设计框架

图2控制系统 图3 控制系统焊接图

图4电源

图5光敏电阻采集光强电路 图6 光敏电阻采集光强焊接电路

图7舵机结构

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