双轴式太阳自动跟踪系统的研究

论文摘要

太阳自动跟踪系统是开发并有效利用太阳能资源不可或缺的重要的组成部分,目前使用的太阳能电池光电转换率非常低,实验室约为24%,产业化约为15%。理论分析表明：在太阳能发电系统中,在相同条件下,跟踪式系统的能量接收率比非跟踪式系统的接收率提高37.7%。因此,为了提高太阳能利用率,本文研究设计了一种以AVR单片机为控制核心的双轴式太阳自动跟踪系统。在对国内外各种太阳跟踪装置的原理进行研究分析的基础上,本文设计了一种光电检测跟踪和太阳方位-高度角跟踪相结合的双轴式太阳跟踪系统。系统通过读取GPS时间信息,判断白天和黑夜。根据天气状况选择跟踪模式,晴天时,系统采用光电检测跟踪；阴天时,系统处于暂停等待状态,不盲目跟踪；阴天变为晴天瞬间系统选择太阳方位-高度角跟踪模式,调整到位之后则进入光电检测跟踪模式。通过AVR单片机计算输出步进脉冲,控制步进电机的转动,实现对太阳轨迹的自动跟踪,使之与太阳能电池板组合之后太阳能电池板表面始终对准太阳。当遇到破坏性大风天气时,通过风速风向传感器检测,使系统驱动太阳能电池板转到最佳倾斜角度,之后电机停止转动。为了更好的管理系统,采集模块采集太阳能电池的参数和传感器检测的数据以无线通信方式发送到PC机上显示。本文在ICC AVR软件开发环境下完成了系统的主程序模块、光电检测跟踪模块、太阳方位-高度角计算模块、ATmega64L单片机读取GPS数据信息模块、步进电机脉冲计算模块、无线通信模块以及其他相关功能模块的软件设计。本系统的硬件选型和配置,核心控制芯片选用AVR单片机ATmega64L,设计了ATmega64L的外围硬件电路,并对各部分的原理做出了详细的介绍。系统选用两个脉冲分配器PMM8713和一个功率放大器ULN2803组成两台步进电机的驱动电路；无线收发芯片选用Nanotron公司的基于IEEE 802.15.4a通信协议的NA1TR8,该芯片和CDDL 1804、150Q:50Ω平衡-不平衡转换器Balun、带通滤波器BPF组成无线收发模块；GPS模块选用GS-15B,风速风向检测选用wi29612数字风速风向传感器。在设计的过程中,对每个模块实现功能、硬件结构和电路原理做了详细说明。经过调试,本文设计的双轴式太阳自动跟踪系统是切实可行的。该系统具有跟踪精度高、运行可靠、抗干扰性强、实用性强等特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 太阳跟踪器国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 论文的研究内容
• 1.5 论文结构
• 第2章 双轴式太阳自动跟踪系统的总体设计
• 2.1 太阳自动跟踪方式的选择
• 2.2 系统的设计思想和目标
• 2.3 系统的总体设计
• 2.4 太阳角度跟踪方式的理论分析
• 2.5 太阳能电池板的最佳倾斜角的设计方案
• 2.6 机械执行结构设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 控制系统的硬件设计
• 3.1 控制芯片的选择
• 3.2 ATmega64L单片机的外部接口分配
• 3.3 光电检测跟踪电路的设计
• 3.4 晴天阴天检测电路
• 3.5 风速风向检测
• 3.6 GPS与单片机通信设计与实现
• 3.7 步进电机的单片机控制
• 3.8 太阳能电池参数采集模块设计
• 3.9 本章小结
• 第4章 无线通信模块
• 4.1 无线通信基本结构及原理
• 4.2 NA1TR8无线收发芯片
• 4.3 IEEE802.15.4a通信标准中的数据帧格式
• 4.4 宽带线性调频扩频CSS
• 4.5 宽带线性调频信号的产生和扩频增益
• 4.6 宽带线性调频信号的接收
• 4.7 无线通信模块电路设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 控制系统软件设计
• 5.1 软件开发环境介绍
• 5.2 程序总体结构设计
• 5.3 光电检测跟踪模块设计
• 5.4 太阳角度跟踪模块设计
• 5.5 ATmega64L接收GPS GS-15B的数据信息
• 5.6 步进电机脉冲计算设计
• 5.7 无线通信模块设计
• 5.8 本章小结
• 第6章 课题总结
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文
• 参考文献