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点光源跟踪系统.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.43M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    学号： 常 州 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） （2012 届） 题 目 学 学 生 院 校内指导教师 校外指导老师 专业班级 专业技术职务 专业技术职务 二○一二年六月 I
    点光源跟踪系统 摘要：本系统实现对点光源的追踪。其中微控制器采用 TI 公司的 MSP430F149 单片机。 信号采集部分采用光敏二极管进行对光信号的采集，用 TLC085 运算放大器进行信号的 放大。1602 液晶用来显示采集到的光照强度。传执行部分通过两个步进电机来实现，电 机驱动采用 THB6064。电源模块采用 12V 直流电源，通过 LM7805 转换成 5V，通过低 压差线性稳压芯片 LM1117-3.3 转换成 3.3V。光源为普通白炽灯光源。 本系统通过光敏二极管采集其周围的光照强度，用 TLC085 运算放大器进行信号的 放大，通过 MSP430F149 单片机自带的 12 位 AD 采集其模拟数据量。单片机读取后， 进行比较和运算得出电机控制方案，然后根据当前产生的控制方案将 PWM 波信号传输 给电机驱动，电机驱动控制两个步进电机的转动来追踪点光源。 本系统以简洁、迅速、精确的方式实现对点光源的跟踪。 关键词：MSP430F149；12 位 ADC；光敏二极管；步进电机；追踪点光源 II
    Point light source tracking system Abstract: The system can achieve the goal of tracking the point light source. It uses MSP430F149 of TI company as the microcontroller. The signal acquisition part collects light signal with photodiode. TLC085 op amp is used for signal amplification and 1602 LCD is used to display the light intensity. The operative part is made up of two stepper motors, which uses THB6064 as motor drives. The 12V DC power supply is used for power module.And it can be converted to 5V by using LM7805.With Low-dropout regulator chip LM1117-3.3 it can also be converted to 3.3V. The light source is an ordinary incandescent light source. linear The system acquire the information of light intensity with photodiode. TLC085 op amp is used for signal amplification. Its analog data is collected by 12-bit ADC of the MSP430F149 microcontroller.After reading the data,the MCU will produce a motor control program by comparing and computing. And then PWM wave signal will be transported to the motor drive according to the current control program.At last, the motor drive control two stepper motors to keep track of the point source. This system achieves the tracking of point light sources by a simple, rapid, and accurate way. Key words: MSP430F149；12-bit ADC；Photodiode；Motor drive；tracking point light source III
    目 录 摘要........................................................................................................................................... Ⅰ Abstract..................................................................................................................................... Ⅱ 1.绪论..........................................................................................................................................1 1.1 课题背景以及意义...............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...................................................................................................................1 1.3 课题研究的内容及意义.......................................................................................................2 2.系统简介及方案论证..............................................................................................................4 2.1 传感器的选择.......................................................................................................................4 2.1.1 光敏电阻............................................................................................................................4 2.1.2 光敏二极管........................................................................................................................5 2.1.3 传感器的确定....................................................................................................................7 2.2 传感器的布局.......................................................................................................................7 2.2.1 方案一................................................................................................................................7 2.2.2 方案二................................................................................................................................8 2.2.3 传感器布局方案的确定....................................................................................................8 2.3 电机的选择..........................................................................................................................8 2.3.1 方案一...............................................................................................................................8 2.3.2 方案二...............................................................................................................................9 2.3.3 电机的确定.....................................................................................................................10 2.4 单片机的选择....................................................................................................................11 2.4.1 STC89C51 单片机...........................................................................................................11 2.4.2 MSP430 单片机...............................................................................................................14 2.4.3 单片机的确定..................................................................................................................16 2.5 THB6064 电机驱动............................................................................................................17 2.6 系统整体方案确定.............................................................................................................20 3.系统硬件设计........................................................................................................................21 3.1 硬件开发环境....................................................................................................................21 3.2 系统硬件框图....................................................................................................................21 3.3 电源模块............................................................................................................................22 3.4 微控制器模块....................................................................................................................23 3.5 传感器模块........................................................................................................................23 3.6 电机驱动模块....................................................................................................................25 3.7 1602 液晶模块....................................................................................................................25 4.系统软件设计........................................................................................................................27 IV
    4.1 软件开发环境.....................................................................................................................27 4.2 系统软件流程图.................................................................................................................27 5.系统调试中出现的问题及其解决办法................................................................................31 5.1 硬件调试.............................................................................................................................31 5.2 软件调试.............................................................................................................................31 5.3 系统调试.............................................................................................................................31 6.结论与展望............................................................................................................................33 参考文献...................................................................................................................................34 致谢...........................................................................................................................................35 附录 A.......................................................................................................................................36 附录 B.......................................................................................................................................37 附录 C.......................................................................................................................................38 V
    常州大学本科毕业设计（论文） 1. 绪论 1.1 课题背景以及意义 随着我们生活水平的不断提高，人们对节能环保的意识也越来越强了。废纸回收利 用、风力发电、太阳能发电、乙醇汽油、电动汽车等等，这些都是节能环保的成功实例。 但是我们的节能环保的装置的利用率到底有多高呢？比说说太阳能电池板的利用率就 不会太高，因为当太阳光直射太阳能电池板时太阳能电池板对太阳能的利用率才最高。 所以我们不仅要节能环保，而且要尽可能的将利用率提高到最大。 太阳能是一种清洁并且无污染的能源，发展的前景十分广阔，已经成为各国竞相开 发的绿色能源。但太阳能存在着不少问题，如间歇性、密度低、强度和光照方向随时间 不断变化等，传统的太阳能电池板大都采用固定式安装，即电池板固定在某个位置，不 随太阳位置的变化而移动，严重影响光电转换效率，据测算：如果发电系统与太阳光线 角度存在 25°偏差，就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列的输出功率下降 10% 左右。一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效保 证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。如何始终保持太阳能 电池板与太阳光垂直,使其最大化地接收太阳能,充分利用丰富的太阳能资源的问题不 容忽视，特别是在高纬度地区，问题更加突出，太阳跟踪系统(Sun Tracking System)的作 用尤为重要。采用光线自动跟踪的方式，使太阳能电池板的朝向精确跟随太阳位置的变 化而变化，始终保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，将大大提高光电转换效率。单轴 太阳能跟踪系统比固定式系统能增加 25%的功率输出，而双轴太阳能跟踪系统比固定式 系统能增加 41%的功率输出。 太阳能跟踪系统能增加光伏模块接收的太阳能,提高日用功率和年输出功率,但比 固定式系统成本高,且更复杂。在商业领域,太阳能跟踪系统有单轴系统、双轴机械跟踪 定位系统及准双轴系统。单轴系统只能自东向西跟踪太阳；双轴系统能在自东向西跟踪 太阳的同时,太阳能板倾斜角度也随太阳高度变化而变化，从而准确跟踪太阳位置；而 准双轴跟踪系统选取单轴的低价优势、双轴的精确优势，集中体现低价高效等特点，但 适用范围较双轴跟踪窄。太阳跟踪系统存在产品系统可靠性不能满足要求、跟踪误差大、 成本过高等问题，如何选择性价比及发电增益高的太阳跟踪系统，既提高发电量，又降 低投资成本成为投资光伏发电市场的关键问题。 基于以上的思想设计出点光源跟踪系统。此系统可使传感器所在的平台随点光源的 运动而运动，使平台始终正对点光源，这样就保证了利用率达到最大。 1.2 国内外研究现状 在商业领域,太阳能跟踪系统有单轴系统、双轴机械跟踪定位系统及准双轴系统。单 轴系统只能自东向西跟踪太阳；双轴系统能在自东向西跟踪太阳的同时,太阳能板倾斜 角度也随太阳高度变化而变化，从而准确跟踪太阳位置；而准双轴跟踪系统选取单轴的 低价优势、双轴的精确优势，集中体现低价高效等特点，但适用范围较双轴跟踪窄。 第 1页，共 38 页
    常州大学本科毕业设计（论文） 因为地球自转的缘故，对于一个固定地点的太阳能光伏发电系统，每天日升日落， 太阳的光照角度无时无刻不在变化，一年四季天天如此。若能有效保证太阳能电池板始 终正对太阳，发电效率才会达到最好的状态。目前世界上通用的太阳能跟踪系统都需要 根据安放点的经纬度等信息来计算一年四季的每一天在不同时刻太阳所在的角度，将一 年中每个时刻太阳所在的位置存储到单片机、电脑软件或 PLC 中，都需要计算此固定 地点的每一时刻的太阳位置来实现跟踪。该系统采用的是电脑数据理论，需要地球经纬 度地区的的数据和设定，安装完成后，就不便装拆或者移动。电路、设备、原理和技术 等都相当复杂，若非专业人员不能随意地操作。如果经过移动必须重新设定数据、计算 和调整各个参数。河北某太阳能光伏发电企业独家研发出了具有世界领先水平、不用计 算各地太阳位置数据、无软件、不怕阴天、雷雨、多云等各种恶劣天气、已经预设系统 设备保护程序、防尘效果好、抗风能力强、简单易用、成本低廉、可在移动设备上随时 随地准确跟踪太阳的智能太阳能跟踪系统。该太阳能跟踪系统在该公司第一代跟踪仪的 技术基础上，综合各地各种环境下的使用情况，对太阳能跟踪系统进行了全面的升级和 改进，使该太阳能跟踪系统成为全天候、全功能、超节能、智能型太阳能跟踪系统。该 太阳能跟踪系统具有常态（好天气情况）下的对日跟踪状态和恶劣气候条件下的系统自 我保护装态以及从自我保护状态自动快速转为常态对日跟踪三种情形。 增加了 GPS 定位系统，该太阳能跟踪系统是国内首家完全不用电脑软件的太阳空间 定位跟踪仪，具有国际领先水平，能够不受地域、天气状况和外部条件的限制，可以在 -50℃至 70℃环境温度范围内正常使用；跟踪精度可以达到±0.001°，最大限度的提高 太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率。该太阳能跟踪系统 可以广泛的使用于各类设备的需要使用太阳跟踪的地方，该太阳能跟踪系统价格实惠、 性能稳定、结构合理、跟踪准确、方便易用。把加装了太阳能跟踪系统的太阳能发电系 统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不 论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，该太阳能跟踪系统都能保证设备的要求跟踪部位 正对太阳！ 跟踪太阳的方法可概括为两种方式：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪 是由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微控制器，微控制器运行程 序调整采光板的角度实现对太阳的跟踪。光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方 便。本设计实现对点光源的跟踪，采用光电跟踪的方式。 1.3 课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题 本文是点光源跟踪系统的研究，主要内容如下： 信号采集采用光敏二极管，使用 TLC085 运算放大器对采集到的信号进行放大， MSP430F149 单片机作为微控制器，使用其自带的 12 位 ADC 处理采集到的模拟信号。 数据通过 MSP430F149 单片机进行比较，控制电机进行调整。执行部分采用两个步进电 机构成 XY 双轴跟踪系统，使用 THB6064 作为电机驱动。本系统以简洁，快速，精确 的方式实现了对点光源的跟踪。 本系统实现的功能如下： 第 2页，共 38 页
    常州大学本科毕业设计（论文） （1）点光源为一白光白炽灯灯泡，能够持续点亮。 （2）点光源在一固定位置时，跟踪系统的传感器能够尽快指向点光源，使放置传感 器的平台正对点光源。 （3）当平台正对光源时，缓慢移动光源平台能够连续跟踪指向光源实现动态跟踪的 功能。 本文在结构上共分为六章和附录。 第一章为绪论，介绍了课题的目的和意义，并简要介绍了太阳跟踪系统的发展历史 和现状。 第二章主要介绍了点光源跟踪系统整体的概况，详细说明了系统方案的选择与论证。 第三章主要介绍了点光源跟踪系统整体硬件的构成和连接方法。 第四章详细介绍了整个系统的软件部分流程。 第五章主要介绍了调试过程中出现的问题及解决办法，分为硬件调试、软件调试和 系统调试。 第六章为本文的总结与展望部分，对本文所做的工作作出一个总结。 附录为整体电路图、实物图及主程序。 第 3页，共 38 页
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