文档介绍：太阳光跟踪系统设计
石强
机电工程学院
04085159
太阳光跟踪系统设计
1,设计理念
太阳能是一种应用前景无限宽广的新型能源,如何高效的运用太阳能是当前的一大研究主题,应用太阳能一方面是要有很好的光能转化效率,最基本的是要能充分的利用能接收光照的时间,另一方面则是要降低系统设计的功耗,即尽可能少的消耗能量。
本设计利用光敏电阻构成的测光电路对太阳光方向进行检测,将检测信息传给CPU,CPU通过传来的检测信息,改变控制舵机的信号使检测系统能调整到正对太阳光的方向,即实现了对太阳光的跟踪;太阳的方位在一天的时间中总是在改变,能始终捕获到太阳的方向,就相当于可以提高接收光能的时间,这样就可以尽可能多的获取太阳能。
超低功耗处理芯片的使用,及小型舵机的使用,加上系统的低功耗设计模式(如一般分压时采用大的电阻来降低电流损耗)可以为系统尽可能的减小功耗。
本设计旨在能最大限度的使用新型能源——太阳能;因为有了对太阳光方向的跟踪,就可以实时的将系统调整到太阳光正对的方位,如太阳能电池板等,这样就可以获得最大的太阳光能量。
2,创意来源
当今社会,随着对新能源技术的重视度加深,新能源应用技术方面也得到了很大的发展;太阳能作为最有潜力的新型能源,其利用将是极具吸引力的。
当前由于太阳能的使用受到诸多的局限,一方面是自然条件的局限,因为太阳的方向是时刻改变着的,而基本架设的太阳能电池板是固定不动的,这样,在一天的时间内,固定方向的太阳能接收能力自然是有限的;另一方面是科技水平的局限,即当前生产出来的太阳能——电能转化设备的效率并不高,以至于无法提供较大的功率。
虽然后者本人暂时无能为力,但是却可以在前者上下功夫;曾听闻舍友说清华曾今有全太阳能供电车设计,这种车全身装载太阳能电池板,可以载一人(当然对人的体重还是有限制的),这就说明,相对较高的光电转化设备已经在展现,如果在此同时能提高接收光照的时间的话,效果定然更好。
本系统设计通过光照检测,最终达到系统能自动识别光照方向,实现自动调整,始终跟踪太阳光;至于加载高性能的太阳能电池板对系统进行供电,暂时不作扩充,但是本设计的最终目的在于配合太阳能电池板的使用,提高光能的使用效率。
3,系统框图设计
4, 系统主要元器件选择
CPU的选择
控制系统只需要输出PWM调制波形即可,一般的MSP430系列单片机均能满足要求,这里选用常用的MSP430F149单片机作为核心处理器件;通过软件的编程,周期的唤醒CPU以降低在其上的功耗。
MSP430F149引脚图
(2)舵机的选择
系统要求在满足需求的情况下尽量降低功耗,由于小型的太阳能电池板本身不是很重,一般的小型舵机足以满足载动需求,,要满足两个自由度方向调整,需小型舵机两个
技术参数:

产品尺寸:
产品扭矩: ()
反应速度: ()
工作电压:
使用温度: 0-55度
动作死区: 10us
齿轮介质: 尼龙
工作模式: 模拟
5,系统电路图设计
原理图说明(图中用光敏二极管代表光敏电阻):
除单片机最小系统的基本外设外,通过两个3孔排针,用来连接方位控制用的舵机,,使用第二功能,即分别接的是TB1和TB2口,通过PWM调制来控制转动方向。
测光系统由四只光敏电阻组成,四只光敏电阻分别放在正四面体的四个面上,通过分压之后接入单片机的A/D端口;光敏电阻在暗光条件下,阻值在几百千欧或者几兆欧,而在光照条件下阻值降到几千欧;当系统复位后,接收光照的光敏电阻阻值下降,使端口呈现接地(电路使用的是100K的电阻与光敏电阻串联后接地),通过对A/D采样值的比较及对控制算法的设计,可以调整到最终四个光敏电阻均对太阳光方向,从而实现太阳光跟踪。
6,设计难点
设计主要使用到MSP430F149的定时器B来输出PWM波,定时器A作辅助设计,A/D采集模拟信号,舵机控制要求必须是周期为20ms,~,不同脉冲宽度对应的是舵机转动的不同角度,一般给定的参数如下:
——转到0°位置;
——转到45°位置;
——转到90°位置;
——转到135°位置;
——转到180°位置;
此为舵机在控制时的理论控制角度,实际的转动角度须经过实测得到,以免出现角度超过,损坏舵机;而且,舵机的一次转动角度不宜过大,尤其是当负载较重时,因为舵机的转动速度比较快,转动的负载会有一定的惯性,而舵机内部是塑料齿轮的卡位,容易损坏。
7,MSP43