小型太阳能电池板增效随动控制系统设计调研报告-solarbe文库

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湖南文理学院芙蓉学院本科生毕业论文设计调研报告题目小型太阳能电池板增效随动控制系统设计学生姓名陈鹏学号 11150107 专业班级自动化 1101 班指导教师杨民生完成时间 2014 年 12 月 3 日小型太阳能电池板增效随动控制系统设计一、主要目标任务综合运用所学知识，如模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、微机原理、单片机原理与应用，设计一个基于单片机小型太阳能增效装置。1）对以前所学知识进行系统的复习，全面的综合并将其联贯。2）学会了独立的分析和解决问题和进行相关社会调查的能力3）学会了查阅文献的方法和培养查阅文献的良好习惯。4）提高专业相关外文的阅读、翻译能力。提高专业英语水平。5）提高编写程序的水平，优化软件结构。提高电脑绘图水平。二、技术性能指标1）太阳能帆板角度控制在水平 0360 度。2）垂直 0180。3）按键复位功能三、简要工作原理以 AT89C51单片机为系统控制器，结合光线传感变送器， A/D 转换器、 5 线4 相步进电机、按键开关开关等，设计出一个基于单片机的小型太阳能电池板增效随动控制系统设计。在系统中，光线传感器将模拟信号传送给 A/D 转换器，转变数字信号，进入单片机内部。单片机将给定数字信号的 A/D 转换结果与测量数字信号的结果相比较，得出偏差量。然后跟据单片机得出控制量。在 5 线 4 相步进电机中调节，采用模拟的 PWM控制方法，将太阳能帆板面对太阳光直射 . 以达到控制效果的目的。四、课题文献综述1、一种新颖的太阳追踪采集系统设计2、作者倪玉峰，闰闹，刘建成，行鸿彦摘要采用 MSP430超低功耗 16 位单片机作为控制核心设计了一种新颖的太阳能追踪采集系统，该系统对机械装置中水平、俯仰两个自由度的步进电机进行驱动，先是根据时钟时间调整硅电池板到预定位置，再根据检测的光照强度系列值，把太阳能电池板精确调整到光照最强处，提高了处理速度和追踪的精度，使系统加稳定可靠。同时利用单片机的 AD12模数转换器实时监测充电电池电量状态。另外，系统具有无线射频传输模块，可以把系统采集来的时钟时间、温度、光强、电量状态等信息传输到上位机，实现远距离实时监控。该系统经过实际应用检验，达到了设计要求，能够稳定可靠的运行，实现了太阳能自动追踪的控制。模糊控制器的应用3、实施结果太阳能追踪采集系统利用步进电机双轴驱动，通过对机械装置端进行水平、俯仰两个自由度的控制，先是根据时钟时间调整太阳能电池板到预定位置，再是根据光电检测精确调整到光照最强处，能实现对太阳的全天候追踪及精确、快速定位，使追踪太阳更加稳定可靠。通过液晶显示和无线射频传输，既可现场监控又可远程监控太阳光照强度、天气温度、充电池电量状态和时钟时间等信息。通过键盘的动作则能完成液晶屏幕的切换、时间的调整以及图形化显示，而且将以太阳能电池板充电的锉电池作为实时时钟 DS 1302的备用电池，可在系统断电的情况下使实时时钟依然正常工作，从而保持准确的时钟时间。如果研究并设计电源管理模块，把系统的外部供电电源、给太阳能充电的电源、电机使用的电源和其他芯片使用的电源统一整合，分别管理，就可以实现系统的太阳能自供电。2、太阳追踪系统控制器的设计与应用1）作者余涛，马立新，陈国平，刘和勇摘要为提高太阳能板接收能量的效率，设训一了一种日光垂直追踪系统的电机控制方法。该方法与传统的使用单片机控制的步进电机控制系统不同，其利用 FPGA实现对步进电机的控制。根据步进电机的运转特点，设训一了步进电机控制算法，运用直接数宇式频率合成器 DDS技术，实现了对步进电机在各种运行模式下加减速、正反转及精确定位的控制仿真，其性能稳定可靠。同时，利用FPGA提供的可配置资源，在应用中，可以用同一块 FPGA芯片对多台电机进行控制，从而大幅度降低光伏发电的成本。采用 FPGA来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。2）结束语太阳能追踪系统对太阳的准确追踪、电机的控制起着至关重要的作用。该文采用 FPGA对步进电机进行控制，一方面考虑到 FPGA集成度高、可靠性强，增强了整个系统的稳定性 ; 另一方面，考虑到太阳能发电的可观前景，今后太阳能追踪装置肯定将逐渐取代传统的、固定的太阳能发电设备，而 FPGA具有资源丰富、I/U 管脚多的优点，一片 FP-GA芯片就可以控制多台电机，这样就能较大幅度地降低太阳能发电场建设的投入，进而降低太阳能发电的成本。本文分析的系统很好地完成了三相步进电机在各种工作模式下的加减速、转向调节和定位的仿真控制。随着近年 FPGA芯片不断向高密度、高速度、低价格的趋势快速发展，可以预见 FPGA在电机控制领域将有很大的发展空间， FPGA的广泛应用将在能源领域及控制技术方面为我国的节能减排提供重要的技术支撑。3、太阳跟踪自动化控制系统设计 1）作者王东江 , 刘亚军摘要随着太阳能不断被人类发现利用，如何应用自动控制系统有效捕捉太阳能更是当前自动化业界所面临的最新课题，本次设计就是利用自动控制技术实现了对太阳能的最大化合理应用。本系统阐述了自动化控制系统的设计过程以及软硬件部分的设计，系统采用 AT89S52单片机作为整个系统的控制核心，系统采用了两种追踪模式光电检测追踪模式和太阳角度追踪模式晴天时系统采用光电检测追踪模式，而阴天时系统进入太阳角度追踪模式。在光电检测追踪模式下，光电检测部分采用光电二极管作为光电传感器，利用硬件装置通过光电二极管的比较电路来判断太阳的方位，从而达到了追踪太阳的目的在太阳角度追踪模式下，要是通过软件计算当时当地太阳高度角和太阳方位角，再配合硬件来实现对太阳的追踪。系统的软件和硬件采用模块化设计思想，完成了系统的制作。1）结语本设计能够自动检测昼夜，自动检测阴晴天。当检测到是黑夜时会启用中断服务程序，进入等待状态检测到晴天时会直接在光电追踪模式下进行追踪检测到阴天就会进入太阳角度追踪模式这样能避免阴天情况下不能准确追踪的问题。因此即使在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常的运行，提高了追踪的精度。如果将此利用于太阳能电池板的话，就可以直接从电池板上获得电能，无需另外电能输入，降低了系统的成本。4、能量自给的果园信息采集无线传感器网络节点设计 1）作者姜晨，王卫星，孙道宗，李震2）摘要针对果园中所存在的无线通信障碍与电池更换困难问题，该文设计了一款适介果园信息采集的无线传感器网络 wireless sensor network WSN节点。节点以 MSP430F149为核心， nRF905 射频芯片及其外围电路作为无线通信模块，CN3058 和 HT6292 智能充电芯片及其外围电路作为太阳能充电模块，电机驱动芯片 ULN2003 及水平、垂自电机作为太阳追踪模块， DHT22 空气温湿度传感器和 TDR-3 土壤含水量传感器及其外围电路作为传感器模块，并以该硬件平台编写了通信协议、应用程序和时间同步算法。分析、测试了节点的功耗、通信距离以及太阳能充电时间，在空旷地带有效通信距离达到 202 m;主电路电池山 3V 充电至 3.6 V 所需时间为 580 min，传感器电路电池山 5.6 V 充电至 7.2 V 所需时间为 283 min;在无太阳能充电且节点系统工作周期为 30 min 情况下，主电路生命周期理论值为 497 d，传感器电路生命周期理论值为 147 d。组网试验结果表明网络丢包率小于 1.5，能够满足果园信息采集以及能量自给的应用要求。3）结果分析木文通过分析当前 W SN 技术在农业应用中存在的问题，结合果园信息采集数据周期性强、单次数据少和太阳能资源充足等特点，合理设计了节点软硬件系统，并对节点的各项性能指标进行测试，结果表明 1节点在空旷地带和有障碍物情况卜最大有效通信距离分别达到 202 m 和 121 m0 2在晴大的情况卜单节铿电池由 3 V 充电至 3.6 V 所需时间为 580 min，双节串联铿电池由5.6 V 充电至 8.4 V 所需时间为 283 minx 3在无太阳能充电且节点系统工作周期为 30 min 情况卜，主电路生命周期理论值为 497 d，传感器电路生命周期理论值为 147 do 4在为期 lOd 的组网试验中，网络丢包率为 1.5 o 综上所述，木文设计的节点具有工作稳定、低功耗、传输距离远、能量自给以及可靠性强等特点，能够满足果园中 W SN 信息采集系统的要求。虽然所设计的节点网络满足了实用要求，但对其网络扩展性考虑不足 ;另外节点应用程序采用周期性采集策略，虽在节能方而取得了理想的效果，但是实现主动式实时采集方而就不够灵活。这些要素将成为今后节点优化设计的要点。5、基于单片机的太阳追踪系统的设计作者李宗涛、李志刚、于存贵、陈娜摘要针对固定式太阳能利用装置的光能利用率低，设计一种太阳追踪系统、此系统由单片机智能控制，采用光电传感器检测太阳照射卜遮光器的阴影，从而精确定位太阳与太阳能利用装置相对位置，实现太阳能利用装置的全程太阳追踪，使太阳光能最大限度地得到利用、结束语太阳追踪系统创新之处在于仿照向口葵，遵循太阳运动规律，规律采用采用光电传感器检测太阳照射下遮光器的阴影精确定位太阳与太阳能利用装置相对位置通过单片机智能控制实现太阳能利用装置的全程太阳追踪 “ 本系统的主要功能是提高太阳光能的利用率以缓解当前能源紧张的现状 “将其应用在太阳能发电站太阳能路灯太阳能热水器太阳灶以及所有固定式太阳能电池板等处能够大大提高这些装置的利用率 839“ 随着人们节能环保意识的不断提高它将被应用到更广泛的场合6、太阳能发电用太阳跟踪器的设计1）作者朱方园，韩满林，丰济济2）摘要为提高太阳能电池光电转换率 ,提出了一种太阳追踪器的设计 ,让太阳能电池跟着阳光旋转 ,使太阳能电池与阳光入射角保持垂直 ,以达到光能最大获取率。首先提出了一种太阳跟踪器的结构设计 ,太阳跟踪器须在露天下工作 ,结构上需要较高的稳定性 ,设计时选择可以自锁的蜗轮蜗杆传动和滑动螺旋副 ,分别跟踪太阳在经度和纬度上的位置变化 ;其次提出了利用九个光敏电阻组成的阵列作为传感器的设计方法 ,并针对不同的太阳入射角设计出了 2 种太阳位置传感器 ,2 个传感器配合使用 ,以准确确定太阳的位置 ;最后讨论了该设计的控制策略。经样机试验 ,可以较好地进行对太阳的跟踪。3）引言太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源 ,与常规能源有本质上的区别。这就对太阳能的收集与利用提出了更高的要求。提高太阳能电池光伏电池最大功率 ,可以从太阳能电池的材质上入手 ,或从逆变电源设计上入手 ;另一途径是让太阳能电池跟着阳光旋转 ,使太阳能电池与阳要依靠太阳跟踪器来实现。太阳跟踪器。故名思意 ,基本功能就是使光伏阵列随着太阳而转动。太阳能跟踪器根据结构和控制原理不同有单轴控制和双轴控制。一般双轴系统可提高发电量 35左右 ,单轴系统可提高 20左右 ,聚光型跟踪系统会更高。本文主要阐述一种双轴太阳跟踪器的设计方案。4）结语本设计采用蜗轮蜗杆和滑动螺旋传动 ,具有自锁性 ,使得太阳跟踪器具有很好的稳定性。提出了使用 9 个光敏电阻组成阵列作为传感器 ,通过比较电路提取信号 ,避免了模数转换 ,降低了价格。经试验样机验证 ,可以很好地实现自动跟随太阳运转。在下一步的研究中 ,将提高系统的可靠性与易维护性。在传动机构中 ,丝杠暴露在空气中面积较大 ,长时间在户外工作 ,容易锈蚀 ,影响机构的可靠性 ,增加机构的维护成本。另外 ,在阴雨天的跟踪控制策略上仍有待提高 ,需以更快的速度实现对太阳的准确对位。7、太阳自动跟踪控制系统的设计1）作者默少丽、王鹏月2）摘要摘要为了提高太阳能电池光伏转换效率，通过对目前太阳追踪方式的研究，设计了一种基于光电检测和经纬度双重跟踪的智能追光系统。该系统以 STM32单片机为控制核心，并结合光电转换装置和 GPS 模块实现了对太阳的精确跟踪。系统启动运行时，通过基于经纬度的视日运动轨迹跟踪实现系统粗调，随后转入光电检测精确跟踪，使太阳能电池与太阳光垂直。系统同时加入光电检测装置的自诊断功能，当光电检测装置异常时，自动切换到视日运动轨迹跟踪模式，使系统运行更加稳定和可靠。3）引言随着社会的进步和经济的发展，人们对能源的需求也不断增加，而太阳能作为一种清洁无污染的能源，并且具有取之不尽，用之不竭的特点，越来越受到人们的青睐 “目前，多数太阳能电池是固定的，而太阳光照方向和强度是不断变化的，这使得太阳能利用率较低 “ 数据资料表明，自动跟踪太阳装置比固定装置，太阳能的利用率可以提高 Xn 左右因此设计开发精确的太阳跟踪系统，具有非常高的现实应用价值跟踪，同时也对光强智能传感器硬件合理设计以及电机施动模块进行了重点的探讨，使得系统具有较小的追踪精度误差，干扰能力越强等诸多优点、4）自动追踪策略何实现对太阳的定位与追踪从而最大限度地提高发电效率成为当今世界关注的热点 “太阳光自动追踪系统通常可分为传感器控制和程序控制两种 “ 传感器追踪为被动追踪是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线当太阳光偏离电池板法线时传感器发出偏差信号经放大运算后控制执行机构使追踪装置重新对准太阳光 “ 这种追踪方式的优点是灵敏度高缺点是受天气影响大 “ 尤其在多云或阴天时无法对准太阳以及楼宇窗户的反光干扰而引起执行机构的误动作同时也经常会在稳定点附近来回振荡运行造成不必要的能量耗损 “ 程序控制方法是根据太阳的实际运行轨迹计算出太阳在一天中的位置并通过电机驱动装置运动到目标位置 “ 该方法可克服传感器控制的缺点但精度不高自身存在累积误差 “由于太阳光线的入射角是随着季节和日照时间的不同而时刻变化的因此本系统的机械结构采用二维极轴追踪实现高度角’方位角的全程式追踪自动追踪策略采用的是程序与传感器混合控制的方法 “ 首先进行粗追踪通过计算太阳的位置分别驱动高度角轴电机与方位角轴电机运动 “ 在整个粗追踪过程中传感器不断检测光线强度是否达到传感器追踪阈值若满足则追踪装置进入传感器精确追踪否则仍处于粗追踪状态 “若晴天出现短时间云遮追踪装置根据粗追踪程序计算结果运行云过后且检测光线强度达到阈值后再利用传感器精确追踪 “ 在阴雨或者大风天气可直接发出停止追踪命令太阳能电池板自动运行到复位状态 “ 这种控制方法结合了程序控制与传感器控制的优点’ 粗定位由程序控制不存在追踪死区追踪范围广精确追踪采用传感器检测无累积误差系统能够稳定可靠地对光线进行精确追踪从而提高了太阳能装置的效率。5）结束语木文设计的太阳光自动追踪系统控制系统采用程序控制和传感器控制相结合的方法，合理使用粗追踪和精确追踪两种模式，实现对太阳光线的精确追踪〔因为 PLC 控制器具有较好的稳定性，且运算速度快，能够实现各种条件卜大范围追踪，并具有以卜特点 1粗追踪采用查表方式实现〔避免在 PLC 内部进行复杂的数学三角函数运算以及浮点运算等 ; 2精确追踪过程由光强智能传感器模块完成，其结构简单，价格低廉，追踪稳定，具有很好的动态性能 ; 3任何情况卜可以随时开关系统，不影响追踪精确度 ; 4系统稳态误差小，追踪精度误差在 0.5以内 ; 5系统具有良好可扩展性 .可根据用户需求增加额功能、4）方案选择论证方案一1硬件组成 PLC、 A/D 转换器、光强智能传感器、风力检测传感器、触摸屏人机界面显示模块、电机拖动模块。2工作原理何实现对太阳的定位与追踪从而最大限度地提高发电效率成为当今世界关注的热点 “太阳光自动追踪系统通常可分为传感器控制和程序控制两种 “ 传感器追踪为被动追踪是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线当太阳光偏离电池板法线时传感器发出偏差信号经放大运算后控制执行机构使追踪装置重新对准太阳光 “ 这种追踪方式的优点是灵敏度高缺点是受天气影响大 “ 尤其在多云或阴天时无法对准太阳以及楼宇窗户的反光干扰而引起执行机构的误动作同时也经常会在稳定点附近来回振荡运行造成不必要的能量耗损 “ 程序控制方法是根据太阳的实际运行轨迹计算出太阳在一天中的位置并通过电机驱动装置运动到目标位置 “ 该方法可克服传感器控制的缺点但精度不高自身存在累积误差 “由于太阳光线的入射角是随着季节和日照时间的不同而时刻变化的因此本系统的机械结构采用二维极轴追踪，实现高度角’方位角的全程式追踪，自动追踪策略采用的是程序与传感器混合控制的方法 “ 首先进行粗追踪通过计算太阳的位置分别驱动高度角轴电机与方位角轴电机运动 “ 在整个粗追踪过程中传感器不断检测光线强度是否达到传感器追踪阈值，若满足则追踪装置进入传感器精确追踪，否则仍处于粗追踪状态 “若晴天出现短时间云遮追踪装置根据粗追踪程序计算结果运行云过后且检测光线强度达到阈值后再利用传感器精确追踪 “ 在阴雨或者大风天气可直接发出停止追踪命令，太阳能电池板自动运行到复位状态 “ 这种控制方法结合了程序控制与传感器控制的优点’ 粗定位由程序控制不存在追踪死区追踪范围广，精确追踪采用传感器检测无累积误差系统能够稳定可靠地对光线进行精确追踪从而提高了太阳能装置的效率。a 系统原理框图方案二、1 硬件组成单片机、 A/D 转换器、光电传感器、步进电机。2 工作原理由集成的光敏电阻变送器对系统太阳进行检测，并完成信号标准化、变送功能。单片机执行信号采集及运算功能、由步进电机对太阳能帆板角度的调节，从而达到控制帆板角度的目的。3 系统原理框图方案三、1）硬件组成 FPGA 控制器、光电传感器、 A/D 转换器、平衡传感器、步进电机。2）工作原理在系统中，先由平衡传感器和光电传感器发出信号，经A/D 转换后输入到 FPGA，作为给定量（给定量是变化的）。由 FPGA 经过计算，发出控制步进电机调节量的信号。从而达到控制太阳能帆板的角度。达到增效。3）系统原理框图论证分析1）每个方案都采用了不同的处理器，方案一用 PLC 为控制器，在进行A/D 、 D/A 转换，如引脚不够用，数据并行输出困难、及内部编程复杂等诸多不便。而方案二和方案三采用了单片机及 FPGA 的解决上述问题。2）方案一采用的是光强智能传感器模块。在测量精度及抗干扰性等都不能满足要求。而方案二、三采用的是光电传感器。在精度和调节速率来说比方案一好。3）方案二、三都用到了 A/D 转换器，计算值相对于方案一要方便些4）方案一有显示模块，而现实模块的驱动程序是很难编写的，故放弃方案一5）方案三用的 FPGA 做主控制器，其硬件平台不好搭建，故放弃方案三6）单片机体积小、造价低、易于大规模运用，利于产品的批量生产。7）组合性强，能方便的组成各种设备的控制单元。8）面向控制，不需要其他过于冗余的辅助功能，能够比较有针对性地解决各种任务，无论简单或是复杂，从而得到最高的性价比。9）抗干扰能力强，由于单片机的生产工艺得到很高程度的发展，所以保证了其能10）够在各种恶劣的环境下工作，尤其是军用的单片机，可以适应大部分的极端气候条件。11）可靠性强，单片机的技术己经趋于成熟，各种的配套软件和模块为整个控制系统的安全可靠、高效率提供了坚实的保障最终方案论述很显然，方案二较其它两种方案相比无论在经济上和实现容易程度上都要好。同时三种方案都存在着同一个问题，那就是在其内部怎么进行运算。由于运算是基于控制器，而且还有很多的矩阵运算，而这些运算对于单片机、或者 PLC 以及工控机来说都要用很复杂的编程才能实现。在现今的控制系统中，有这样的一种方法可以很好的解决这个问题，即在离线时通过 Matlabe 将其运算做好，留给处理机要完成的就只有查表了。这种方法能够很好的完成控制过程中大量的运算的问题，减少了编程的难度和处理机做这些运算所花费的时间。方案二在实行控制的时候采用 D/A 转换器，提高了运算精度。单片机做主控制器，功耗比较低，效率高，成本低。供电电源方便。单片机开发难度相对于FPGA， PLC 控制器要低，而检测部分，精度相对于要高。抑制干扰能力较强。故选定方案二。参考文献b 单片机原理及其应用张俊谟c 计算机控制系统吴坚、黄玉清d 过程控制系统邵裕森、戴先中e PIC 单片机原理及应用李克勤等f 自动化仪表学报自动化仪表编辑部g 自动化学报自动化学报编辑部h 微机控制技术湖南省自动化协会i 模糊控制技术原理及其应用刘剑波、柴文