太阳光线自动跟踪系统设计

课程名称：单片机原理及应用课程设计

实验题目：太阳光线自动跟踪系统设计

课程简要信息

课程名称：单片机原理及应用课程设计

课程学时：36学时

使用专业：电子信息工程、通信工程、自动化

学生年级：2015级(大三)

实验内容与任务（限500字）

本课题对太阳光线自动跟踪系统进行研究，主要研究内容包括：

1. 分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方法，提出合理的跟踪策略。

2. 根据跟踪方案，选取合适的控制芯片，设计控制电路。

3. 研究系统机械结构设计，给出合理的机械结构图。

4. 完成整个硬件电路的制作。

5. 编写程序，实现软、硬件综合调试。

基本任务：

1. 制作硬件电路，包括控制电路和机械电路。

2. 编写程序，能够实现1个自由度(水平方向)的太阳光线跟踪。

扩展任务：

1. 在完成基本任务的基础上，实现两个自由度的跟踪，即水平方向与垂直方向。

实验过程及要求（限300字）

1. 查找资料，研究总结太阳光线跟踪方法，比较不同跟踪方法的优缺点，了解国内外研究现状，并进行文献整理和总结，以文献综述的方式呈现总结结果。并在此基础上，提出合理的跟踪策略。

2. 根据制定的跟踪方案，分析系统的硬件要求，选取合适的芯片。电路设计主要包括两部分：控制电路和机械电路。

3. 画出硬件电路原理图。

4. 画软件流程图，并编写程序，能够熟练进行程序的编辑和调试。

5. 焊接硬件电路，电路布局要合理。

6. 进行软、硬件综合调试。要求能够找出问题，分析原因，给出解决方法。

7. 撰写课程设计报告。要求内容完整，格式规范，图表清晰。

8. 答辩。要求讲解清楚，回答问题准确。

相关知识及背景（限150字）

太阳光线自动跟踪装置可以提高太阳能的利用率，这是一个利用单片机和传感器技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例。本设计需要运用单片机知识、传感器检测技术、信号放大、A/D转换等相关知识与技术方法。同时需要学生了解步进电机的工作原理及控制方法。

教学目标与目的（限100字）

本次课程设计通过理论学习和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用所学的单片机理论知识和实验技能，掌握单片机应用系统的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。

教学设计与引导

本次课程设计是一个比较完整的工程实践项目，需要经历查阅资料、方案设计、硬件设计、软件设计、综合调试、撰写设计报告等过程。在实践教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1) 学习太阳光线跟踪的方法，了解不同方法的优缺点。

2) 设计光电转换电路时，选取合适的传感器，比较不同的光电传感器的性能。

3) 学习步进电机工作原理。单片机输出控制信号控制步进电机旋转一定的角度，但是单片机的输出信号一般比较弱，不能驱动步进电机工作，因此，需要步进电机驱动电路。要求学生自己根据系统需要，设计驱动电路。

4) 有些传感器输出的信号是模拟信号，而单片机只能处理数字信号，因此，需要将模拟信号转换为数字信号。要求学生学习A/D转换的工作原理。

5) 软、硬件综合调试时，要求学生自己进行测试，查找问题，分析问题可能产生的原因，引导学生寻求解决方法。

6） 撰写报告时，要求学生注意报告的规范性，内容要求完整，语言表达要准确、精炼、流畅。避免错字、漏字等低级错误。

7) 本次课程设计采用自动组队的形式进行，要求3人一组，需要学生之间相互合作，学生根据自身兴趣进行任务分配。

实验原理及方案

本设计对太阳光线自动跟踪系统进行研究，系统主要包括单片机控制单元、光电传感器、驱动电路、步进电机和执行机构，系统硬件框图如图1所示。

(1) 控制系统核心部件的选择

目前控制系统所采用的控制器种类很多，主要有工控机、可编程逻辑控制器(PLC)、单片机等。工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。但釆用光伏发电自动跟踪系统的目的就是为了节省光伏发电的成本，如果用工控机或者PLC等控制器来对系统进行控制，原则上系统所要实现的功能能够达到，但由于成本问题，反而达不到降低发电成本的目的。而单片机具有高可靠性、低成本的特点，且其控制能力完全能达到本系统要求，故采用单片机作为控制系统的主控芯片。

(2) 光强检测电路设计

光强检测电路的设计首先要将光电传感器进行合理的布局，其分布如图2所示。

光强检测电路主要是将光电传感器的输出电信号进行放大比较，然后将偏差信号送到单片机进行处理，从而控制执行部件对太阳光线进行跟踪。电路中用到了4个光电传感器，其中，D0和D1进行水平对称放置，进行水平方向的光强检测，完成水平方向对太阳光线的跟踪。D2和D3进行垂直方向对称放置，进行垂直方向的光强检测，完成垂直方向对太阳光线的跟踪。

LM358双运算放大器主要用来进行信号的放大。当光照射到光电传感器上时，由于光照的角度不同，导致光电传感器输出的电信号也不同，将光电传感器输出的电信号经过集成运放LM358放大后，由比较器进行比较，然后将两者的差值进行A/D转换后，送单片机进行处理。如果差值大于参照值，单片机发出控制信号控制电机转动。否则，电机无需转动。

光电传感器的选择有多种，例如光敏电阻、光电二极管、光强检测模块GY-30等。

(3) 执行部件设计

跟踪系统机械结构示意图如图3所示。主要由底座、水平方位步进电机、垂直方位步进电机、传统齿轮等组成。其中，水平方位步进电机驱动水平轴，实现水平方向跟踪太阳光线。垂直方位步进电机驱动横轴，实现垂直方向对太阳光线的跟踪。

(4) 程序流程图

水平方向的两个光电传感器采集光照强度信号，将两个传感器采集的信号进行比较，如果差值大于设定的阈值，单片机发送控制信号，控制水平方向的步进电机旋转一定的角度，当差值小于阈值时，旋转停止。如果一开始差值就小于阈值，则步进电机不旋转。垂直方向上的工作原理亦是如此。程序流程图如图4所示。

教学实施进程

1．课程介绍及基本理论知识讲解（2学时）

介绍本课程的基本要求。主要内容：

(1) 介绍教学目的、教学方法、本次课程设计的主要内容及设计任务、考核方法。

(2) 讲解单片机最小系统组成及工作原理。

(3) 学生分组并登记。

2．查找资料、确定方案和元器件（4学时）

主要内容：

(1) 按要求查找相关资料并学习研究，最后进行整理。

(2) 确定设计方案，并根据设计要求选取元器件。

3．硬件电路设计（8学时）

主要内容：

(1) 使用proteus画硬件电路原理图。

(2) 根据电路原理图焊接实物。

注意事项：

• 硬件电路的布局要合理，电路的焊接要准确，无虚焊点。

4．软件设计（8学时）

主要内容：

(1) 画程序流程图。

(2) 编写程序代码。

(3) 使用keil软件编译运行程序。

5．系统调试与测试（8学时）

主要内容：

(1) 程序调试无误后，烧写到单片机。

(2) 观察单片机运行情况，是否能实现本设计的要求。

(3) 指导老师现场查看调试结果。

注意事项：

• 如何烧写程序。

• 如果实物不能正常运行，会分析存在的问题并解决。

6．撰写实验报告（4学时）

主要内容：

(1) 根据要求撰写实验报告。

注意事项：

• 报告格式要规范，内容要完整，图表清晰，语言表达准确、流畅。无错字、漏字等低级错误。

7．答辩（2学时）

主要内容：

(1) 每组选派一个代表进行答辩，每组答辩时间8分钟，自述4分钟，老师提问4分钟。

注意事项：

• 老师提问面向全组同学，考察每个学生的掌握情况。

重点说明：在实际执行过程中，每一部分的学时可以根据每组情况适当调整。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 研究背景、相关知识

2. 设计任务及要求

3. 总体方案设计

4. 硬件电路设计

5. 软件设计

6. 系统仿真与测试

7. 总结

8. 参考文献

考核要求与方法（限300字）

总评成绩折合：

优：90-100分 良：80-90分 中：70-80分 及格：60-70分

不及格：60分以下

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：

1)项目的设计紧密结合生产实践，要求学生根据所学的理论知识解决实际问题。

2)项目设计方案多样化，要求学生掌握单片机、传感器检测、模拟电路等多门学科知识，是对学生比较好的一次综合训练。

参赛选手信息表