基于單片機的太陽能跟蹤充電系統設計(畢業論文-文庫吧

【正文】 今天，在經濟快速發展下，傳統能源越來越少，迅速地接近枯竭。根據經濟學家和科學家的普遍估計，石油儲量的綜合估算，可以支配的化石資源的極限大約為 1180 億噸 ~1510 億噸，以 1995 年世界石油的開采量 億噸計算，石油儲量大約在 2050 年左右宣告枯竭；天然氣儲量估計131800~152900 兆立方米，年開采量維持在 2300 兆立方米，將在 57~65 年內枯竭；煤的儲量約為 5600 億噸， 1995 年煤開采量為 33億噸，可以供應 169 年；鈾的年開采量目前為每年 6 萬噸，據 1993 年世界能源委員會的估計可維持到 21世紀 30 年代中期；核聚變到 2050 年還沒有實現的希望（楊園靜等， 2020）。 中國國民生產總值持續幾年高速的增長受到世人矚目，同時受到關注的還有中國能源消耗的迅速增長。據統計， 2020 年中國成為世界能源第一消耗大國，能源消耗總量為 百萬噸油當量，同比增長 %，占 世界總能源消耗的 % 。據統計，在 2020 年國內一次性能源消耗結構中，煤炭占 70%，原油占 18%，天然氣占 4%，非石化能源（水電、核能和可再生能源）消費比重上升到 %。中國煤炭比重遠遠高于其他國家，占世界煤炭消費總量的 %。 經濟的高速發展，石化能源大量使用的同時也加劇了環境的污染和危害，這種危害表現為大量溫室氣體排放引起全球溫度升高加劇、南極臭氧層空洞擴大、酸雨和暴雪等極端氣候出現以及各種疾病的復活等。 傳統能源的緊缺和使用傳統能源帶來的環境問題，迫使各國開始想對策來應對這些問題。這時 候，大家把目光投向新能源的開發和利用。太陽能的利用開始逐漸被人類重視。太陽能作為一種可再生能源，可以說取之不盡，用之不竭，在新能源利用發展中具有很多優勢。太陽能是完全環保的能源，對環境沒有污染。太陽能的分布廣泛，在偏遠地區及地理環境相對惡劣的山區、農村等地方提供太陽能所轉化的各種能量，可以降低運輸壓力，而且能緩解能源供應的矛盾。太陽能是綠色無污染能源，能減少對環境的污染，符合人類可持續發展的要求。太陽能具有這么多優點，開放和利用太陽能，將太陽能轉化為其他可利用能源將對我們人類的可持續發展具有深遠的意義。 2 太陽能跟蹤系統的國內外研究現狀 隨著科學技術的迅猛發展，人們對已經把太陽能應用到許多領域，太陽能的使用逐漸進入人類的生活。太陽能光伏發電是太陽能利用的一個重要領域。太陽能光伏發電的工作原理是利用太陽能電池板接收太陽光輻射，通過電池板的接收和電路的轉化為可以利用的電能。雖然，太陽能有很多優點，但也存在太陽光的密度低、空間分布不斷變化、輻照時間間歇性等缺點，因此收集和利用的難度較大、成本較高。理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差 %，因此進行高精度的太陽跟蹤是很有必要的（ 楊金煥等， 2020） 。高精度的太陽跟蹤器可以大大提高太陽接收效率，在太陽能發電中有著重要的作用。 目前太陽跟蹤的方法主要有兩種。一種是視日運動軌跡跟蹤法，太陽相對與地球上某一點的位置，是可以近似計算的。視日運動軌跡跟蹤法，是通過計算地球上某一點某個時刻太陽的相對位置，從而對太陽進行跟蹤。另一種是傳感器跟蹤法。這種方法由光電轉換器根據太陽光和接收板之間的偏差產生一個反饋信號，經過放大整理后，控制步進電機轉動，使得接收裝置對準太陽（ 鄭小年等， 2020） 。 目前國內外常見的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。單軸 跟蹤，電池陣列只能沿一個軸旋轉，能夠調節電池陣列方位角，使之與太陽方位角相同。這類跟蹤方式具有結構相對簡單，控制較為容易的特點，比較合適在光照強度充足和光照比較穩定的地區。但這類跟蹤方式存在一個缺點 ,就是不能保持電池陣列平面與太陽光線始終垂直，經常有光線和電池板有一定角度，這樣一定程度上降低了光電轉換效率，造成了能源的流失，影響了整個系統發電效率。雙軸跟蹤，雙軸跟蹤彌補了單軸跟蹤方式的不足之處，它是一種全方位的跟蹤技術。它能夠對太陽的高度角和方位角進行全面跟蹤，實現更高的采集效率。近年來，隨著自動控制技術的 飛速發展與制造成本的不斷降低，實現對太陽方位角和高度角精確跟蹤的雙軸跟蹤技術已成為人們研究與運用的熱點。 本設計的主要研究內容 本設計所介紹的太陽跟蹤裝置利用 光電檢測方式雙軸追蹤太陽，并對鋰電池進行充電。設計的主要工作包括 : （ 1） 分析跟蹤原理，選擇合適的光電傳感電路。 （ 2） 選擇合適的主控芯片，對硬件電路進行設計。 （ 3） 編寫軟件程序，實現太陽能跟蹤和充電控制等要求。 （ 4） 設計控制方案，對步進電動機以及驅動電路進行設計。 3 2 總體方案確定 方案簡述 本方案的太陽能跟蹤充電系統以 ATmega16 單片機為主控 芯片，由光電檢測模塊、時鐘模塊和電機驅動模塊等組成。光電檢測模塊的傳感器部分采用光敏電阻，通過 ATmega16內置的 A/D 轉換，轉換成單片機可以處理的數字信號。時鐘模塊采用實時時鐘芯片DS1302。單片機對采集到的數字信號進行處理和判斷，控制水平電機和俯仰電機運行，對水平方向和垂直方向進行調整，達到跟蹤太陽的目標。采用太陽能充電管理專用充電芯片 CN3063 對鋰電池充電。每 20 分鐘對太陽進行一次跟蹤，黑夜不進行充電。圖 1 為系統的總體框圖。 圖 1 系統 總體框圖 光電檢測跟蹤太陽 原理 太陽的位置會因為觀測位置和觀測時間的不同而發生改變，光電檢測是本系統中的重要部分，下面介紹光電檢測跟蹤太陽的原理。 圖 2 是太陽跟蹤系統中的光敏電阻分布圖的俯視簡圖，一共由 5 個光敏電阻組成。設計中為了使太陽能電池板能夠始終正對著太陽則需要四個光敏電阻對陽光強弱進行檢測，這四個光敏電阻為光敏電阻 光敏電阻 光敏電阻 3和光敏電阻 4，光敏電阻間由垂直的遮光板隔開。圖中光敏電阻 0 用于檢測當前是否為黑夜。光敏電阻均垂直于太陽能電池板板面安裝。其中光敏電阻 1 和光敏電阻 2 對水 平方向光線進行檢測，單片機通過計算光敏電阻 1 和光敏電阻 2 的電壓差值，判斷光強度較強的方向，控制水平步進電機正轉或反轉，實現太陽光的水平跟蹤。光敏電阻 3 和光敏電阻 4 對太陽垂直角度的 光電檢測模塊 電源模塊 A/D 轉換 電機驅動電模塊 太陽能充電模塊 時鐘模塊 ATmega16 單片機模塊 4 變化進行檢測，并將檢測到的光線變化信號傳輸給單片機，單片機進行進一步處理后驅動俯仰電機的正反轉，從而實現電池板垂直角度的調整。 圖 2 光敏電阻分布圖 3 系統的硬件設計 ATmega16 單片機最小系統電路 ATmega16 單片機的簡介及引腳功能說明 ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結 構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間， ATmega16 的數據吞吐率高達 1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾（郭天祥， 2020）。 ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術邏輯單元 (ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數據吞吐率。 ATmega16 有如下特點： 16K 字節的系統內可編 程 Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)， 512 字節 EEPROM， 1K 字節 SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器 /計數器 (T/C)，片內 /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的 ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時 CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉換 器、 SRAM、 T/C、SPI 端口以及中斷系統繼續工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續運行，允許用戶保持一個 5 時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態； ADC 噪聲抑制模式時終止 CPU 和終止除了異步定時器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉換時的開關噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續工作。 圖 3 ATmega16引腳分布圖 ATmega16 單片機引腳分布如圖 3 所示。 ATmega16 有 4 個 8位的雙向 I/O 端口 PA、 PB、 PC、 PD，他們對外對應 32 個 I/O 引腳，每一位都可以獨立地用于邏輯信號的輸入和輸出。在 5V 工作電壓下，輸出高點平時，每個引腳可輸出達 20mA 的驅動電流；而輸出低電平時，每個引腳可吸收最大為 40mA 的電流，可以直接驅動發光二極管（一般的發光二極管的驅動電流為 10mA）和小型繼電器等小功率器件。 AVR 大部分的 I/O 端口都具備雙重功能（有的還有第三功能）。其中第一功能是作 為數字通用 I/O 接口使用，而復用的功能可分別與片內的各種不同功能的外圍接口電路組合成一些可以完成特殊功能的 I/O 口，如定時器、計數器、串行接口、模擬比較器、捕捉器、 USART、 SPI 等。 ATmega16 單片機最小系統電路設計 ATmega16 單片機最小系統電路如圖 4 所示， 圖中包括復位電路、晶振電路和 AD 轉換濾波電路。 6 PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7GNDGNDPB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7AREFRESETXTAL2XTAL1Y122pfC822pfC9AVCC100nfC610mHL1C7VCCVCCVCCGNDC510KR1D1IN4148S1PB0 (XCK/T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0/INT2)3PB3 (AIN1/OC0)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8RESET9PD0 (RXD)14PD1 (TXD)15PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PD6 (ICP)20PD7 (OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0 (SCL)22PC1 (SDA)23PC2 (TCK)24PC3 (TMS)25PC4 (TDO)26PC5 (TDI)27PC6 (TOSC1)28PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7 (ADC7)33PA6 (ADC6)34PA5 (ADC5)35PA4 (ADC4)36PA3 (ADC3)37PA2 (ADC2)38PA1 (ADC1)39PA0 (ADC0)40VCC10U1ATmega16L8PI 圖 4 ATmega16單片機最小系統電路圖 復位電路由圖中的 D R S1和 C4 組成，接入單片機的 RESET 引腳。 ATmega16 單片機 已經內置了上電復位