文档包括:

说明书一份，共86页，约43000字
任务书一份
外文翻译一份
CAD版本图纸，共8张

摘  要

科学家们公认，太阳能是未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代
能源。目前太阳能利用转化率约为10%~20%。理论分析表明:太阳的跟踪与非跟
踪，能量的接收率相差37.7%。研究开发太阳能双轴跟踪装置，可以提高太阳能
的接收效率，拓宽太阳能的利用领域。
本文研究的内容是基于单片机的太阳跟踪装置的控制系统。该跟踪机构采用
二自由度机构，实现了对太阳高度角和方位角的实时跟踪，冗余自由度增加了系
统的刚度。导出了机构的位姿反解，得出机构的输入角，并针对太阳跟踪装置的
工作要求，提出了利用单片机实现实时跟踪的控制方案。系统采用主动式跟踪，
即预先计算好对应于某时刻太阳位置的跟踪机构的输入角度，通过跟踪器上平台
不同位置上摆放的光电传感器感受该太阳位置的光照，反馈回电信号，单片机根
据该信号调用子程序发出脉冲对步进电动机的转动角度和方向进行控制，实现了
机构对太阳的自动跟踪，使跟踪装置的上平台始终处于垂直于光照方向，达到了
能量最大限度的接收。控制系统硬件选用AtmeL公司的At89C52(与Intel公司
MCS-51系列兼容)作为控制核心来控制机构的执行部件——步进电动机。完成了
单片机外围硬件电路的设计和相应的软件的设计。系统驱动器采用了与步进电机
配套的专用集成模块，具有强抗干扰性、高频性能好、结构简单、运行平稳等特
点。
关键词：步进电动机； 驱动器； 89C52单片机； 光电传感器

目  录

1绪论…………………………………………………………..1
1．1利用太阳能的意

义........................................................................................

1
1．2太阳跟踪方式的发展概况…………………………………………………2
1．3一种全自动太阳跟踪器简介………………………………………………7
1．4本课题主要研究内容及意义………………………………………………9
2太阳跟踪装置的结构的设计………………………………...10
2．1立柱转动式跟踪平台………………………………………………………10
2．1．1跟踪范围要求…………………………………………………………..10
2．1．2传动方案的选择………………………………………………………..11
2．1．3立柱转动式跟踪平台…………………………………………………..13
2．2齿圈传动式跟踪平台………………………………………………………14
2．2．1跟踪范围要求…………………………………………………………..14
2．2．2传动方案的选择………………………………………………………..15
2．2．3齿圈传动式跟踪平台…………………………………………………..15
2．3陀螺仪式跟踪平台……...………………………………………………….16
2．3．1跟踪范围要求…………………………………………………………..16
2．3．2传动方案的选择…...…………………………………………………...17
2．3．3陀螺仪式跟踪平台..............................................18
3控制系统的总体方案设计......................................................20
3．1控制系统的选取..................................................................20
3．1．1开环控制系统.............................................21
3．1．2闭环控制系统..............................................22
3．2单片机的控制统................................................23
3．3基于单片机机构的太阳跟踪器控制方式..............24
3．3．1控制系统工作原理..............................24
3．3．2步进电动机的单片机控制.....................25
3．4控制系统的原理图.............................................28
3．4．1电原理

图.............................

..........28
3．4．2工作原

理........................................................................................

..........28
4控制系统硬件设计..................................................................32
4. 1系统参数的确定及减速器的设

计................................................................32
4．1．1直流电动机的选

择..................................................................................32
4．1．2减速器的设

计........................................................................................

..34
4．1．3圆柱直齿齿轮计

算..................................................................................35
4．1．4轴的设

计........................................................................................

..........38
4．2步进电机的工作原

理....................................................................................42
4．2．1控制电机在自动控制系统中的作

用......................................................42
4．2．2反应式步进电机工作原

理......................................................................43
4．3步进电机的驱

动........................................................................................

....48
4．3．1步进电动机的环型分配

器......................................................................48
4．3．2步进电动机的驱动电

路..........................................................................50
4．4步进电动机及其驱动器型号的选

择............................................................50
4．4．1步进电动机型号的确

定..........................................................................50
4．4．2驱动器型号的确

定..................................................................................51
4．5传感器型号的选

择........................................................................................

52
4．5．1传感器定

义........................................................................................

......52
4．5．2光电传感

器........................................................................................

......53
5控制系统软件及程序编制......................................................58
5．189c52单片机简

介........................................................................................

..58
5．1．1 AT89c52Flash单片

机..............................................................................58
5．1．2震荡器和CPU工作方

式........................................................................61
5．2时钟电

路........................................................................................

................63
5．3控制系统的程序设

计....................................................................................64
5．3．1步进电机转动角度计

算..........................................................................64
5．3．2程序设

计........................................................................................

..........64
6结论与展

望..............................................................................70
参考文

献........................................................................................

......72
英文原

文........................................................................................

......74
中文文..........................

......81
致

谢........................................................................................

..............86