二維跟蹤太陽(yáng)光伏發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

1、黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 - 3 - 頁(yè)二維跟蹤太陽(yáng)光伏發(fā)電裝置設(shè)計(jì)（曲柄搖桿式） 摘要：人類正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅，太陽(yáng)能作為一種新型能源具有儲(chǔ)量無(wú)限、普遍存在、利用清潔、使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但是太陽(yáng)能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點(diǎn)，這就使目前的一系列太陽(yáng)能設(shè)備對(duì)太陽(yáng)能的利用率不高。太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置解決了太陽(yáng)能利用率不高的問(wèn)題。本文對(duì)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)。第一，機(jī)械部分設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括底座、主軸、齒輪和齒圈等。當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)，控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)8帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)

2、現(xiàn)水平方向跟蹤；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)4帶動(dòng)絲桿，絲桿帶動(dòng)可動(dòng)螺母和太陽(yáng)能板實(shí)現(xiàn)垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)8、步進(jìn)電機(jī)4的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。第二，控制部分設(shè)計(jì)：主要包括傳感器部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。系統(tǒng)采用光電檢測(cè)追蹤模式實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。傳感器采用光敏電阻，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處下方。當(dāng)兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度不相同時(shí)，通過(guò)運(yùn)放比較電路將信號(hào)送給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。關(guān)鍵詞: 太陽(yáng)能；跟蹤；光敏電阻；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)Two dimensional tracking solar photovo

3、ltaic power generation device design (crank rocker type)Author：Liu da ke Tutor：Li an sheng Abstract:Human being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing ev

4、erywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on. These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plum

5、b up the solar beam,it must track the movement of solar. In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed.First, the mechanical part is designed.Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on.

6、 When the suns rays has a deviation, small gear are rotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction. At the same time, another small gear is rotated by another stepper mot

7、or according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together. Second, control system part is designed.Control system mainly includes the sensors part,

8、stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection system is used to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive re

9、sistances received different light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors.Keywords ：Solar energy Tracking Photosensitive resistance SCM Stepping motor目錄1緒論11.1課題來(lái)源11.2課題背景11.2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展11.2.2我國(guó)太陽(yáng)能資源11.2.3目前太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用11.2.4太陽(yáng)能的特點(diǎn)11.3課題研究的目

10、的21.4研究課題的意義21.4.1新環(huán)保能源21.4.2提高太陽(yáng)能的利用率31.5太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀31.6太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.7論文的研究?jī)?nèi)容51.8論文結(jié)構(gòu)52太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)62.1本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案62.2跟蹤方案的比較選擇72.2.1本設(shè)計(jì)的跟蹤方案73機(jī)械設(shè)計(jì)部分83.1太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案83.2電池板的選擇及布局分析83.2.1太陽(yáng)能電池板的發(fā)展及種類83.2.2電池板的參數(shù)和選擇103.3太陽(yáng)能電池板的布局和分析113.3.1電池板的參數(shù)分析113.3.2邊框及其固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)113.4電動(dòng)機(jī)的選擇123.4.1電動(dòng)機(jī)功率的確定12

11、3.4.2確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速133.5齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算143.5.1材料選擇143.5.2尺寸計(jì)算143.5.3校核計(jì)算143.5.4齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算163.6絲桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算173.6.1材料選擇173.6.2尺寸計(jì)算173.7鍵聯(lián)接計(jì)算183.7.1主軸與大齒輪的鍵聯(lián)接183.7.2小軸與齒圈的鍵聯(lián)接193.7.3步進(jìn)電機(jī)1輸出軸與小齒輪1的聯(lián)接193.7.4步進(jìn)電機(jī)2輸出軸與小齒輪2的聯(lián)接193.8抗風(fēng)性分析193.8.1底座上螺釘校核194自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)214.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)214.2光電轉(zhuǎn)換器214.2.1光電轉(zhuǎn)換電路214.3單片機(jī)及其外圍電路224.3.1 AT89C51單片機(jī)2

12、24.3.2外圍電路244.4驅(qū)動(dòng)電路254.4.1驅(qū)動(dòng)電路254.5系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)264.5.1光敏電阻光強(qiáng)比較法264.5.2光敏電阻光強(qiáng)比較法的工作過(guò)程274.5.3系統(tǒng)的流程圖285結(jié)論305.1結(jié)論305.2展望30致謝31參考文獻(xiàn)32黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 1 頁(yè)1緒論1.1課題來(lái)源模擬生產(chǎn)實(shí)際課題:太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.2課題背景1.2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，同時(shí)全球還有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。于是，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。這之中太陽(yáng)能以其獨(dú)有的

13、優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)。豐富的太陽(yáng)輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無(wú)污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.61012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于世界上能耗的40倍，而且太陽(yáng)能發(fā)電的實(shí)施對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何的污染，是最理想的新型能源。1.2.2我國(guó)太陽(yáng)能資源中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊。中國(guó)地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上。在中國(guó)廣闊的土地上，有著豐富的太陽(yáng)能資源。大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時(shí)

14、以上，西藏日輻射量最高達(dá)每平米7千瓦時(shí)。年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)。與同緯度的其他國(guó)家相比，與美國(guó)相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開(kāi)發(fā)潛能。 1.2.3目前太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用人類直接利用太陽(yáng)能有三大技術(shù)領(lǐng)域4，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲(chǔ)能技術(shù)。 太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品很多，如熱水器、開(kāi)水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽(yáng)房，太陽(yáng)灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽(yáng)能醫(yī)療器具。1.2.4太陽(yáng)能的特點(diǎn)太陽(yáng)能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點(diǎn)5： 第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計(jì)，在過(guò)去漫長(zhǎng)的11億年中，太陽(yáng)消耗了它本身能量的2%，可以說(shuō)

15、是取之不盡，用之不竭。 第二，地球上，無(wú)論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開(kāi)發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問(wèn)題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。 第三，太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，在開(kāi)發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒(méi)有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。 太陽(yáng)能的利用有它的缺點(diǎn)： 第一，能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。 第二，大氣影響較大，給使用帶來(lái)不少困難。1.3課題研究的目的本課題研究一種基于光電傳感器的太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光線的運(yùn)動(dòng)，保證太陽(yáng)能

16、設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽(yáng)光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。1.4研究課題的意義1.4.1新環(huán)保能源長(zhǎng)期以來(lái)6，世界能源主要依靠石油和煤炭等礦物燃料，而這些礦物作為一次性不可再生資源，儲(chǔ)量有限，而且燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的二氧化碳，造成地球氣溫升高，生態(tài)環(huán)境惡化。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅。這種全球性的能源危機(jī)，迫使各國(guó)政府投入大量的人力和財(cái)力，研究和開(kāi)發(fā)新能源，如太陽(yáng)能等。能源危機(jī)，環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署資料7，目前礦物燃料提供了世界商業(yè)能源的95%，且其使用在世界范圍內(nèi)以每10年20%的速度增長(zhǎng)。這些燃料的燃燒構(gòu)成改變氣候的溫室氣體

17、的最大排放源，按照可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)模式，決不能單靠消耗礦物原料來(lái)維持日益增長(zhǎng)的能源需求。因此越來(lái)越多的國(guó)家都在致力于對(duì)可再生能源的深度開(kāi)發(fā)和廣泛利用。其中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)前景廣闊。日本經(jīng)濟(jì)企劃廳和三澤公司合作研究認(rèn)為，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽(yáng)能?；诋?dāng)今世界能源問(wèn)題和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題已成為全球的一個(gè)“人類面臨的最大威脅”的嚴(yán)重問(wèn)題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽(yáng)能、提高太陽(yáng)能的利用率，而進(jìn)行太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，這對(duì)我們面臨的能源問(wèn)題有重大的意義。同時(shí)太陽(yáng)能又是一種無(wú)污染的清潔能源，加強(qiáng)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)，對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境也有重大的意義8。1.4.2提高太陽(yáng)能的利用率

18、太陽(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源9，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽(yáng)能裝置如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能電池等等，但太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽(yáng)能裝置而言，如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問(wèn)題應(yīng)從兩個(gè)方面入手10，一是提高太陽(yáng)能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽(yáng)能的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)為解決這一問(wèn)題提供了可能。不管哪種太陽(yáng)能利用設(shè)備，如果它的集熱裝置能始終保持與太陽(yáng)光垂直，并且收集更多方向上的太陽(yáng)光，那

19、么，它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽(yáng)能。但是太陽(yáng)每時(shí)每刻都是在運(yùn)動(dòng)著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽(yáng)光，那就必須要跟蹤太陽(yáng)。香港大學(xué)建筑系的教授研究了太陽(yáng)光照角度與太陽(yáng)能接收率的關(guān)系，理論分析表明11:太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽(yáng)可使接收器的接收效率大大提高，進(jìn)而提高了太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率，拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。1.5太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀日本是世界上太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用第一大國(guó)，也是太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)強(qiáng)國(guó)。日本太陽(yáng)熱能的利用，12從1979年第二次石油危機(jī)后開(kāi)始，1990年進(jìn)入普及高峰。太陽(yáng)能技術(shù)日益創(chuàng)新，能量轉(zhuǎn)換率不斷提高，成本也是新能源中最低的

20、。日本將太陽(yáng)能的利用分為太陽(yáng)光能和熱能兩種。太陽(yáng)光能發(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。從2000年起，日本太陽(yáng)能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約為86萬(wàn)千瓦，占世界太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量的49.1%，并計(jì)劃到2010年達(dá)到482萬(wàn)千瓦，增加約6倍。德國(guó)對(duì)太陽(yáng)能資源的利用可追溯到20世紀(jì)70年代，現(xiàn)在德國(guó)已經(jīng)在太陽(yáng)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了一系列高效的太陽(yáng)能系統(tǒng)。1990年德國(guó)政府推出了“一千屋頂計(jì)劃” 13，至1997年已完成近萬(wàn)套屋頂系統(tǒng)，每套容量15千瓦，累計(jì)安裝量已達(dá)3.3萬(wàn)千瓦。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)的數(shù)字，在過(guò)去的幾年中，德國(guó)太

21、陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其他國(guó)家平均水平高出一倍。另?yè)?jù)德新社報(bào)道，全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠已在德國(guó)南部巴伐利亞州正式投入運(yùn)營(yíng)。這家太陽(yáng)能發(fā)電廠投資7000萬(wàn)歐元，占地77萬(wàn)平方米，發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)12兆瓦，能為3500多個(gè)家庭供電。截至2005年年底，德國(guó)共有670萬(wàn)平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽(yáng)能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已用4%的德國(guó)家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽(yáng)能，估計(jì)每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。目前，美國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005年，美國(guó)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到100萬(wàn)千瓦，排在日本和德國(guó)之后，居世界第3位

22、。為了降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國(guó)政府最近制定了陽(yáng)光計(jì)劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財(cái)政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材料的研發(fā)，提高太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，美國(guó)正在新建幾座新的太陽(yáng)能電站。預(yù)計(jì)到2015年，美國(guó)光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的2140美分/千瓦時(shí)降到6美分/千瓦時(shí)，屆時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)大大增強(qiáng)。太陽(yáng)能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，據(jù)美國(guó)博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽(yáng)能占第二位，21世紀(jì)末，太陽(yáng)能將取代核能占第一位，很多國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能的利用加強(qiáng)了重視14。意大利1998年開(kāi)始實(shí)行“全國(guó)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，將于200

23、2年完成，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_(dá)5萬(wàn)千瓦。印度也于1997年12月宣布，將在2002年前推廣150萬(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)。法國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)了代號(hào)為“太陽(yáng)神2006”的太陽(yáng)能利用計(jì)劃，按照該計(jì)劃，每年將投入3000萬(wàn)法郎資金，到2006年，法國(guó)每年安裝太陽(yáng)能熱水器的用戶達(dá)2萬(wàn)家。我國(guó)由建設(shè)部制定的建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)則中已將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項(xiàng)目。目前我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的推廣普及十分迅速15，1997年銷售面積近300萬(wàn)平方米，數(shù)量居世界首位。全國(guó)從事太陽(yáng)能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達(dá)1000余家，年產(chǎn)值20億元。根據(jù)我國(guó)19962020年太陽(yáng)能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)

24、展計(jì)劃，在2000年和2020年的太陽(yáng)能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到6.6萬(wàn)千瓦和30萬(wàn)千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽(yáng)光電站建設(shè)方面，計(jì)劃2020年前建成5座MW級(jí)陽(yáng)光電站。由國(guó)家投資1700萬(wàn)元修建的西藏第三座太陽(yáng)能電站安多光伏電站，總裝機(jī)容量100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國(guó)裝機(jī)容量最大的太陽(yáng)能電站?？傊?，大力發(fā)展太陽(yáng)能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。1.6太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在太陽(yáng)能跟蹤方面，我國(guó)在1997年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器16，并在太陽(yáng)

25、能面板上裝有集中陽(yáng)光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使效率進(jìn)一步提高。2002年2月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)近年來(lái)有不少專家學(xué)者也相繼開(kāi)展了這方面的研究，1992年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，1994年太陽(yáng)能雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單向跟蹤。目前17，太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開(kāi)環(huán)的程控系統(tǒng)。1.7論文的研究?jī)?nèi)容本文所介紹的太陽(yáng)跟蹤

26、裝置采用了光電追蹤方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括:(l)分析太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，比較國(guó)內(nèi)外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。(2) 機(jī)械部分是實(shí)現(xiàn)追蹤目的的關(guān)鍵，主要是機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算，裝配圖及其零件圖。(3)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性，還要設(shè)計(jì)光電轉(zhuǎn)換電路。(4)選取控制芯片，分析系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。(5)設(shè)計(jì)控制方案，及驅(qū)動(dòng)電路。1.8論文結(jié)構(gòu)第一章,緒論主要闡述了課題的研究背景、目的及意義，以及國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能的利用現(xiàn)狀、太陽(yáng)追蹤方式的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章,主要是對(duì)太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，確定了系統(tǒng)的追蹤方式。第三章,太陽(yáng)自動(dòng)追

27、蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)部分，主要是機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算，裝配圖及其零件圖。第四章,自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),光電轉(zhuǎn)換器,單片機(jī)及其外圍電路,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路。第五章, 課題總結(jié)及展望。2太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 圖2-4本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達(dá)固定在支架上，馬達(dá)8的輸出軸連接小齒輪，小齒輪與大齒輪5嚙合。把齒輪連接著主軸上，主軸安裝在地板上(主軸相對(duì)于地板可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)4安裝在底部支架的一塊板上，馬達(dá)4的輸出軸連接絲桿2，絲桿2與可動(dòng)螺母配合，是搖桿3可以有一定的移動(dòng)量。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)。控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小

28、齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。小齒輪2帶動(dòng)齒圈和太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。上圖為其效果圖。2.2跟蹤方案的比較選擇目前國(guó)內(nèi)外采用的跟蹤太陽(yáng)的方法有很多，但不外乎三種方式22: (1)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；(2)光電跟蹤；(3)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。2.2.1 本設(shè)計(jì)的跟蹤方案光敏電阻光強(qiáng)比較法。本設(shè)計(jì)的光敏器件選為光敏電阻。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值

29、相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，稱為光敏電阻光強(qiáng)比較法。3機(jī)械設(shè)計(jì)部分3.1太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案圖3-1自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：步進(jìn)電機(jī) 8固定在地板支架上，步進(jìn)電機(jī)8的輸出軸連接小齒輪，小齒輪與大齒輪5嚙合。齒輪連接著主軸上，主軸安裝在地板上(主軸相對(duì)于地板可以轉(zhuǎn)動(dòng))，步進(jìn)電機(jī)4安裝在底部支架，步進(jìn)電機(jī)4的輸出軸連接絲桿2，絲桿2與可動(dòng)螺母嚙合，可動(dòng)螺母連接著搖桿3。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏離時(shí)。控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒

30、輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。小齒輪2帶動(dòng)齒圈和太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。3.2電池板的選擇及布局分析3.2.1太陽(yáng)能電池板的發(fā)展及種類太陽(yáng)能電池是一種近年發(fā)展起來(lái)的新型的電池。太陽(yáng)能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽(yáng)的輻射光通過(guò)半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過(guò)程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，因此太陽(yáng)能電池又稱為“光伏電池”，用于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，半導(dǎo)體硅原子的外層有4個(gè)電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)

31、動(dòng)。當(dāng)受到外來(lái)能量的作用時(shí)，這些電子就會(huì)脫離軌道而成為自由電子，并在原來(lái)的位置上留下一個(gè)“空穴”，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由于這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導(dǎo)體，通常用符號(hào)P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導(dǎo)體，以符號(hào)N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個(gè)PN結(jié)。太陽(yáng)能電池的奧妙就在這個(gè)“結(jié)”上，PN結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)能電池受到陽(yáng)光照射時(shí)，電子接受光能，向N型區(qū)移動(dòng)，使N型區(qū)帶負(fù)電，同時(shí)空穴向P型區(qū)移動(dòng)，使P型區(qū)帶正電。這樣，在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，也就是通常所說(shuō)的電

32、壓。這種現(xiàn)象就是上面所說(shuō)的“光生伏特效應(yīng)”。如果這時(shí)分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)，如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。制造太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種，因此太陽(yáng)電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的太陽(yáng)電池要算硅太陽(yáng)電池。（ 1）單晶硅太陽(yáng)能電池 單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24，這是目前所有種類的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。由于單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹(shù)脂進(jìn)行封裝，因此其堅(jiān)固耐用，使用壽命一般可達(dá)15

33、年，最高可達(dá)25年。 （2）多晶硅太陽(yáng)能電池 多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池差不多，但是多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率則要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約12左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界最高效率多晶硅太陽(yáng)能電池)。 從制作成本上來(lái)講，比單晶硅太陽(yáng)能電池要便宜一些，材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。此外，多晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短。從性能價(jià)格比來(lái)講，單晶硅太陽(yáng)能電池還略好。 （3）非晶硅太陽(yáng)能電池 非晶硅太陽(yáng)電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)電池，它與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池的制作方法完全不同，工藝過(guò)程大大簡(jiǎn)化

34、，硅材料消耗很少，電耗更低，它的主要優(yōu)點(diǎn)是在弱光條件也能發(fā)電。但非晶硅太陽(yáng)電池存在的主要問(wèn)題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前國(guó)際先進(jìn)水平為10左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減。 （4）多元化合物太陽(yáng)電池 多元化合物太陽(yáng)電池指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)電池?，F(xiàn)在各國(guó)研究的品種繁多，大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，主要有以下幾種：a) 硫化鎘太陽(yáng)能電池b) 砷化鎵太陽(yáng)能電池c) 銅銦硒太陽(yáng)能電池(新型多元帶隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太陽(yáng)能電池)3.2.2電池板的參數(shù)和選擇根據(jù)以上太陽(yáng)能的介紹和比較，并綜合網(wǎng)上各廠家的發(fā)布的信息，以及所產(chǎn)的太陽(yáng)能電池板的性能參數(shù)，我選擇有由三門峽華豫

35、新能源科技有限公司提供的HSM125系列的電池板，其參數(shù)如下： 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求時(shí)期能用較長(zhǎng)的時(shí)間，并能夠達(dá)到較高的使用效率，并根據(jù)市場(chǎng)和廠家的查閱，我選擇使用由三門峽華豫新能源科技有限公司的產(chǎn)品。其市場(chǎng)報(bào)價(jià)相對(duì)較低，并且其產(chǎn)品HSM-125單晶硅系列太陽(yáng)能電池板功率從1峰瓦到260峰瓦的多種規(guī)格系列，從而滿足客戶的各種需求。HSM-125單晶硅太陽(yáng)能電池板產(chǎn)品通過(guò)了ISO9001（2000）質(zhì)量體系認(rèn)證，同時(shí)也通過(guò)了國(guó)際權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)的IEC61215，TUV，CE的認(rèn)證。符合國(guó)際電氣和防火規(guī)范，從而確保了產(chǎn)品在世界各地的安全可靠運(yùn)行。根據(jù)布局設(shè)計(jì)我選擇了該公司的HSM125-60 一款太陽(yáng)能電

36、池作為我所用的電池板。3.3太陽(yáng)能電池板的布局和分析3.3.1電池板的參數(shù)分析 HSM125-60系列的技術(shù)參數(shù)有上表可得，其功率120W 基本尺寸1470*680*35mm 重量為12KG。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需滿足輸出功率為1KW左右的發(fā)電裝置，則有1000/120=8.33則有其設(shè)計(jì)需要，可設(shè)定需要9塊電池板，滿足其輸出功率的要求。其總的功率為1209=1080W,總的重量為M板9*12=108KG。其布局的分采用33分布，并且布局于一個(gè)整體大平板之上。 3.3.2邊框及其固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池板需要一定的支撐和邊框，其中涉及到材料的選擇和其與電池板的配合問(wèn)題。電池板之間通過(guò)高標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝要求，焊

37、接在一起，需放在有一定的支撐上面，保證其穩(wěn)定性。首先，次出設(shè)計(jì)要求沒(méi)有固定的特殊要求，所以我初步選定用45鋼或鋁合金材料來(lái)做為材料來(lái)源。因?yàn)檫@兩種材料應(yīng)用比較廣泛，相對(duì)來(lái)說(shuō)購(gòu)買方便，并且其性能都能滿足需求。其次，是這兩種材料無(wú)需太過(guò)復(fù)雜加工，其型號(hào)和產(chǎn)品的種類較多，可以很好的滿足需求。45鋼是優(yōu)質(zhì)的碳素鋼，有很好的熱加工性能，經(jīng)熱處理后可滿足各種條件下的用途。其結(jié)構(gòu)有易切削加工的特點(diǎn)和其價(jià)格相對(duì)較低，因此在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而鋁合金做為一種綜合性能較高的材料，具有一定的強(qiáng)度和硬度，可加工性能較好，另外還有較好的抗氧化、腐蝕和防銹的特點(diǎn)，并且因其質(zhì)輕和外觀美觀大方而備受大眾的青睞。首先考慮

38、到，該設(shè)計(jì)為太陽(yáng)能發(fā)電裝置，要求其用到的條件相對(duì)惡劣。這樣來(lái)說(shuō)選擇鋁合金材料相對(duì)較好。其次是45號(hào)鋼的焊接性能不是太好，隨著碳元素含量的增加其焊接性能有所下降。而太陽(yáng)能電池板的焊接工藝要求很嚴(yán)格，必須要求其能很好的連接起來(lái)。最后是考慮到其價(jià)格和總體設(shè)計(jì)的要求，在材料選擇時(shí)我們應(yīng)該盡可能的選擇性能合適而價(jià)格低廉的材料。而45號(hào)鋼和鋁合金在價(jià)格方面是鋁合金明顯要貴的很多，但考慮到其用量不大的情況下，還是可以接受。另外從實(shí)用角度分析，我們要求整個(gè)裝置能實(shí)用15年左右，期間采用45號(hào)則要求能很好的抵抗外界環(huán)境的侵蝕，這樣增加更高的維護(hù)成本。所以我認(rèn)為采用鋁合金可以有效的改善這方面的不足，綜合比較這兩種

39、材料，我決定用鋁合金材料作為電池板的結(jié)構(gòu)框架。3.4、電動(dòng)機(jī)的選擇3.4.1電動(dòng)機(jī)功率的確定工作機(jī)各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)效率及總效率查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表9.2可知絲桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比為：i=1040；又根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表4-2可知蝸桿頭數(shù)為Z1=1，由表4-4可知蝸桿傳動(dòng)的總效率為： =0.750.82查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表9.1可知各傳動(dòng)部件的效率分別為：=0.97；工作機(jī)的總效率為：總 =（0.75 0.82）0.97 =0.7275 0.7954電動(dòng)機(jī)的功率確定 此裝置要求其轉(zhuǎn)速不能太高，并且轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角不是太大，是該裝置的速度為V1m/s。另有上述太陽(yáng)能電池板的結(jié)構(gòu)可計(jì)算得其參數(shù)。

40、電池板的總長(zhǎng)L1=14703=4410mm電池板的總寬L2=6803=2040mm根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)可知，由設(shè)計(jì)軟件算出M框45.5Kg 加上電池板自身的重量，由此可得電動(dòng)機(jī)所要帶動(dòng)的電池框架的總的重量為MMM板M框 45.5108 153.5 160KG由此可得 F板Mg 16010 1600N P板 F板V1000 （16001）1000 1.6KW 則電動(dòng)機(jī)的工作傳動(dòng)功率為P電 P電P板總 1.60.7275 2.199KW3.4.2確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速1) 傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比的確定：查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書書中表9.2得各級(jí)齒輪傳動(dòng)比如下：i=1040理論總傳動(dòng)比：i總i絲桿i（10 40）1.

41、2512.5 502) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：渦輪軸的工作轉(zhuǎn)速：n1（601000V）D（6010001）（3.14272）70.25r/min則電機(jī)的轉(zhuǎn)速為nn電n1i即得n電n1i總 70.25（12.5 50） 878.125 3512.5r/min所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為：n電878.125 3512.5r/min根據(jù)上面所算得的原動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速范圍，符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有1000 r/min和1500 r/min兩種。綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸、質(zhì)量及價(jià)格等因素，為使傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，決定選用同步轉(zhuǎn)速為1000 r/min的電動(dòng)機(jī)。其主要功能表如下：電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率kW滿載轉(zhuǎn)速/

42、r/min起動(dòng)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩Y112M-62.29402.02.23.5齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算3.5.1材料選擇齒圈及齒輪的材料選用滲碳鋼，熱處理為滲碳淬火。3.5.2尺寸計(jì)算初選模數(shù)m=4mm,中心距a=510，轉(zhuǎn)動(dòng)比i=32。一般齒輪齒數(shù)Z1=25，分度圓螺旋角=8到15度 。初選齒輪齒數(shù)Z1=27，分度圓螺旋角=10度，則齒輪齒數(shù)Z2=iZ1=2725=675。分度圓直徑： 小齒輪直徑 ， 取d1=100mm。大齒輪直徑 ，取d2=990mm。 式（3.1）取齒寬系數(shù)=1.2b=1.2100=120取大齒輪寬度b2=10,小齒輪寬度b1=120。齒頂高 式（3.2）齒根高 式（3

43、.3）齒高 式（3.4）3.5.3校核計(jì)算查文獻(xiàn)28表12.9得使用系數(shù)KA1.35。 查文獻(xiàn)28 圖12.9得動(dòng)載系數(shù)KV=1.1。 查文獻(xiàn)28表12.10得齒間載荷分配系數(shù)KHa 。 式（3.5）式中-圓周力； -端面重合度； -重合度系數(shù)。載荷系數(shù)K 式（3.6）查文獻(xiàn)28表12.12得彈性系數(shù)189.8。查文獻(xiàn)28圖12.16得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)2.5 。查文獻(xiàn)28表12.14得接觸最小安全系數(shù)為1.25。 總工作時(shí)間Th=103602=7200h。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 式（3.7）原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 式(3.8)接觸壽命系數(shù)ZN:查文獻(xiàn)28圖12.18得 =1.2 ， =1.3 。 許用接觸

44、應(yīng)力 式(3.9)驗(yàn)算許用接觸應(yīng)力 式(3.10) 計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。3.5.4 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算重合度系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 式(3.11)則齒向載荷分布系數(shù) =1.3載荷系數(shù)K 式(3.12)齒型系數(shù) YFa:查文獻(xiàn)28圖12.21得：應(yīng)力修正系數(shù)Ysa:查文獻(xiàn)28圖12.22得：彎曲疲勞極限:查文獻(xiàn)28圖12.23c 得1=600MPa ,2=450MPa 。 查文獻(xiàn)28表12.14得彎曲最小安全系數(shù)SFlim1=1.6 。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 式(3.13) 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。彎曲壽命系數(shù)尺寸系數(shù):查文獻(xiàn)28圖12.25 =1.0 。 許用彎曲應(yīng)

45、力 式(3.14)驗(yàn)算許用彎曲應(yīng)力 式(3.15)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算滿足。3.6絲桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算3.6.1材料選擇絲桿及可動(dòng)螺母的材料選用滲碳鋼，熱處理為滲碳淬火。3.6.2尺寸計(jì)算 設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，已知條件是：工作載荷F(N)或平均工作載荷F。(N)，使用壽命Lh(h)，絲杠的工作長(zhǎng)度(或螺母的有效行程)L(m)，絲杠的轉(zhuǎn)速n(平均轉(zhuǎn)速nm或最大轉(zhuǎn)速n)(rmin)，以及滾道硬度HRC和運(yùn)轉(zhuǎn)情況。設(shè)計(jì)步驟及方法如下：1)計(jì)算載荷F。(N)的計(jì)算Fc=KFKHKAFM (22) 式中，KF為載荷系數(shù)；KH為硬度系數(shù)；KA為精度系數(shù)；FM為平均工作載荷。各項(xiàng)參數(shù)按表22選取。絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)負(fù)責(zé)

46、電池板垂直方向的運(yùn)動(dòng)。電池板架的重量為150kg。所以F=1.2*1*1*150*1.6=288N。表選取外徑為35mm的絲桿螺母副。4）驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度及工作平穩(wěn)性是否滿足要求，不能滿足要求的禁忌使用，應(yīng)另選其他規(guī)格并需重新驗(yàn)算。3.7鍵聯(lián)接計(jì)算3.7.1主軸與大齒輪的鍵聯(lián)接選用普通圓頭鍵聯(lián)接。取直徑d=100mm 則鍵的截面尺寸為：b=20mm,高h(yuǎn)=12mm,鍵長(zhǎng)L=120mm。鍵的接觸長(zhǎng)度鍵的材料選用45鋼，則聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩 式(3.36)所以滿足要求。3.7.2 小軸與齒圈的鍵聯(lián)接選用普通圓頭鍵聯(lián)接。取真徑d=89mm ，則鍵的截面尺寸為：b=12mm,高h(yuǎn)=10mm,鍵長(zhǎng)l=

47、92mm。鍵的接觸長(zhǎng)度鍵的材料選用45鋼，則聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩 式(3.37)所以滿足要求。3.7.3 步進(jìn)電機(jī)8輸出軸與小齒輪的聯(lián)接選用花鍵聯(lián)接。材料選用45鋼，齒面經(jīng)過(guò)熱處理則。 聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩 式(3.38)所以滿足要求。3.7.4 步進(jìn)電機(jī)4輸出軸與絲桿2的聯(lián)接選用花鍵聯(lián)接。材料選用45鋼，齒面經(jīng)過(guò)熱處理。聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩 式(3.39)所以滿足要求。3.8抗風(fēng)性分析3.8.1底座上螺釘校核危險(xiǎn)截面面積 式(3.40)螺釘應(yīng)力副 式(3.41)選擇螺釘?shù)男阅艿燃?jí)5.6級(jí) 則 式(3.42)螺釘疲勞極限 式(3.43)極限應(yīng)力幅 式(3.44)許用應(yīng)力幅 所以螺釘強(qiáng)度滿足條件。4自

48、動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、89C51系列單片機(jī)以及相應(yīng)的外圍電路等。太陽(yáng)能電池板有兩個(gè)自由度。控制機(jī)構(gòu)將分別對(duì)水平方向與垂直方向進(jìn)行調(diào)整。單片機(jī)加電復(fù)位后，垂直方向?qū)⑻幱谛D(zhuǎn)狀態(tài)，單片機(jī)將對(duì)采樣進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，電壓有增大和減小兩種可能，如電壓增大，則讓電池板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦電壓減小，單片機(jī)將立即發(fā)出信號(hào)，讓電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。傳感器光電轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器單片機(jī)電源圖4-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)4.2光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器接收太陽(yáng)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析比較，得出結(jié)果最終控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向來(lái)達(dá)到太陽(yáng)能電池面板始

49、終垂直于入射光線，從而達(dá)到最高效率的利用太陽(yáng)能。本設(shè)計(jì)的光敏器件選為光敏電阻。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，稱為光敏電阻光強(qiáng)比較法。其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確且電路比較容易實(shí)現(xiàn)。4.2.1光電轉(zhuǎn)換電路下圖中光電轉(zhuǎn)換電路是其中的一組，另一組電路與此相同。當(dāng)陽(yáng)光正對(duì)太陽(yáng)能板時(shí)，光敏電阻R1、R2都是高電阻， A

50、、B兩點(diǎn)電壓相等。四運(yùn)放LM124的輸出的電壓相同，單片機(jī)收到的信號(hào)差為零，所以單片機(jī)不控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。若陽(yáng)光發(fā)生傾斜，使Rl被陽(yáng)光射中呈低電阻，則A點(diǎn)電位比B點(diǎn)高。運(yùn)算放大器U2A的作用是一個(gè)電壓跟隨器，起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，保持采樣信號(hào)的穩(wěn)定。U3A是減法器，其輸出為A與B的電壓差值。因?yàn)锳與B的電壓差值可正可負(fù)，而單片機(jī)的輸入端不能為負(fù)的電壓值，所以U3A正的輸入端接了個(gè)偏置電壓電路，使U3的輸出始終為正值。圖4-2光電轉(zhuǎn)換電路4.3單片機(jī)及其外圍電路4.3.1 AT89C51單片機(jī)控制部件選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C5l型單片機(jī)。AT89C5l是一種低功耗、高性能的8

51、位單片機(jī)29，片內(nèi)帶有4KB的Flash可編程可擦除只讀存貯器，它采用CMOS工藝和高密度非易失性存貯器技術(shù)，而且引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。片內(nèi)的Flash存貯器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存貯器編程器來(lái)編程。AT89C5l是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。一、結(jié)構(gòu)框圖AT89C5l的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-3所示。它具有如下的主要特征30:4KB可改編程序的Flash存貯器(可擦寫1000次)；全靜態(tài)工作頻率: 24MHz；三級(jí)程序存貯器保密；128字節(jié)內(nèi)部RMA；32條可編程I/O線；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源；可編程全雙工串行通

52、道；片內(nèi)時(shí)鐘震蕩器 。圖4-3單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖AT89C5是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到OHz，并提供兩種可用軟件選擇的省電方式，即空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保持內(nèi)部RAM的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。二、AT89C51的引腳31：AT8C951引腳采用雙列直插式封裝(DIP)或方形封裝。雙列直插式封裝的如圖所示，共有40個(gè)引腳，下面將對(duì)這些引腳進(jìn)行說(shuō)明。圖4-4 AT89C51的引腳1.主電源引腳(1)Vcc:電源端。(2)GND:

53、接地端。2.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2：(1)XTAL1:接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩信號(hào)源時(shí)，該引腳接收外部振蕩源的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。(2)XTAL2:接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩信號(hào)源源時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。3 控制或與其它電源復(fù)位引腳RTS。RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。在對(duì)Flash存貯器編程期間，該引腳也用于施加編程語(yǔ)序電源。4.輸入/輸出引腳P0.0-P0.7、Pl.O

54、-P1.7、P2.0-P2.7 、P3.0-P3.7。(1)P0端口(PO.0-PO.7):P0是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向I/0端口。作為輸入口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8位TTL輸入，對(duì)端口鎖存器寫“1”時(shí)，又可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，在訪問(wèn)期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在對(duì)Flash編程時(shí)，PO端口接收指令字節(jié);而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。(2)P1端口(P1.0-P1.7):P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。Pl的輸出可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL輸入。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些

55、被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì)Flash編程和程序驗(yàn)證期間，P2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。(3)P2端口(P2.0-P2.7):P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流方式)4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口鎖存器寫“1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P2作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。4.3.2外圍電路電源管理部分電路。電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障60%來(lái)自電源，因此作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)元件，電源受到越來(lái)越多的重視。系

56、統(tǒng)電源設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)極其重要的工作，它對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。電源設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)考慮功率、電平及抗干擾等問(wèn)題。電源功率必須能滿足整個(gè)系統(tǒng)的需要。在系統(tǒng)電路中，除單片機(jī)系統(tǒng)需要+5V直流電源外，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器還需要一個(gè)模擬電源12V。選用印刷線路板焊接式電源變壓器PKB05將220V交流電壓變換成正負(fù)12V的電壓。這種變壓器結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、抗震、防潮、阻燃，外型美觀，使用方便，抗電強(qiáng)度高。它的初級(jí)是220V，50HZ/60Hz，次級(jí)既可以是單路輸出，也可以雙路輸出。由于這種變壓器變出的電壓仍是交流電壓，且又不十分準(zhǔn)確和穩(wěn)定，所以再利用全橋整流，電容濾波電

57、壓穩(wěn)定后，分別用三端穩(wěn)壓電源模塊7812，7912，輸出正負(fù)12V。電路在7812和7912的輸入端分別接上0.33uF的CBB電容、2000uF/25V的電解電容和2.2uF的CBB電容、2000uF/25V的電解電容。CBB電容可以濾掉高頻干擾，電解電容組合可以濾掉低頻干擾。在輸出端接上104瓷片（0.1uF）電容，對(duì)輸出的+5V電源再次進(jìn)行濾波，以得到干凈的電源。 圖4-5電源管理部分電路4.4驅(qū)動(dòng)電路4.4.1驅(qū)動(dòng)電路1. B L- 240 BL-240型驅(qū)動(dòng)模塊1)適用電壓范圍寬 (12-40V)； 2)恒流斬波,雙極性全橋式驅(qū)動(dòng)； 3)運(yùn)行特性良好； 4)自動(dòng)半流鎖定； 5)可靠性

58、高； 6)適配4A以下兩相和四相混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù):1）輸入電壓: 12-40V 單電壓供電； 2)相電流:本模塊相電流可在0-4A之間調(diào)節(jié)； 3)驅(qū)動(dòng)模式全橋驅(qū)動(dòng)； 4)運(yùn)行方式半步(0.9)； 5)運(yùn)行特性:優(yōu)于原電機(jī)出廠指標(biāo)； 6)保護(hù)方式:過(guò)熱保護(hù),鎖定自動(dòng)半流； 7)外形尺寸:126 mm73mm32mm； 8)重量300g； 9)運(yùn)行環(huán)境:溫度-15-40 濕度90%。接線端子:(I/O PORTS)1)VCC:供電電源12-40V 注:切忌超過(guò)40V,以免損壞模塊； 2)GND:VCC對(duì)應(yīng)地線； 3)B； 4)A； 5)CP IN:時(shí)鐘脈沖輸入端，光藕輸入端，上升沿有效； 6

59、)CP IN:光藕輸入負(fù)端； 7)CW/CCW:電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制，光藕輸入端； 8)CW/CCW:光藕輸入負(fù)端； 9)FREE:脫機(jī)電平； 10)FREE:脫機(jī)電平。圖4-7 BL-240型驅(qū)動(dòng)摸塊2.MT-2HB03M驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)：雙極驅(qū)動(dòng)； 驅(qū)動(dòng)器工作電壓12-40 V； 驅(qū)動(dòng)電流0.8-3.5 A；用戶可根據(jù)需要采用共陽(yáng)極接法、共陰極接法或差分輸入接法。共陽(yáng)極接法：分別將CP+，U/D+，F(xiàn)REE+連接到控制系統(tǒng)的電源上，如果此電源是+5V 則可直接接入，如果此電源大于+5V，則須外部另加限流電阻R，保證給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光藕提供8-15mA 的驅(qū)動(dòng)電流。輸入信號(hào)通過(guò)CP-加入。此時(shí)，U/D-，F(xiàn)REE-在低電平時(shí)起作用。共陰極接法：分別將CP-，U/D-，F(xiàn)REE-連接到控制系統(tǒng)的地端（SGND，與電源地隔離），+5V 的輸入信號(hào)通過(guò)CP+加入。此時(shí)，U/D+，F(xiàn)REE+在高電平時(shí)起作用。限流電阻R 的要求與共陽(yáng)極接法相同。差分輸入接法：分別將CP-，U/D-，F(xiàn)REE-接差分信號(hào)的負(fù)端、CP+，U/D+，F(xiàn)REE+接差分信號(hào)的正端。圖4-8 MT-2HB03M驅(qū)動(dòng)器4.5系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.5.1光敏電阻光強(qiáng)比較法利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)