西华大学
XIHUA UNIVERSITY
本科生毕业设计
题
目
太阳跟踪装置设计与制作
院
别
智能制造学部
专
业
机械电子工程
学生姓名
周方浩
学
号
1 17 7 205 51 1 453
年级
7 17 级
指导教师
袁杰
职 称
讲师
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在指导老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宜宾学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
作者签名
日期：2020 年 4 月 16 日
论文使用授权 本学位论文作者完全了解宜宾学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权宜宾学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
作者签名：
指导教师签名：
日期：2020 年 4 月 16 日
摘要 单片机的太阳能跟踪装置。此装置使用了单片机，外加两个步进电机，光电转换器和相关的外部元器件及传感器等等，其中太阳能电池板和云台都可以很好的完成 360°旋转，使用两个步进电机也可以更精确的定位旋转角度，通过太阳在赤道上的位置的不同，使用光敏电阻对阳光不同方向强弱度进行采样，再进行电平对比，实现方位和角度的控制，当两者没有电平差的时候，电机静止运作，当有电平差的时候单片机就控制步进电机运动，从而实现对太阳能的最高利用率。也可以通过手动和自动两种方式进行控制，同时在液晶显示器上面进行对应的显示。
关键词：单片机；太阳能；步进电机；光敏电阻；液晶显示屏；
Abstract Solar tracking device based on single chip microcomputer. This device uses a single chip microcomputer, plus two stepping motors, photoelectric converters and related external components and sensors, etc., in which the solar panel and the pan/tilt can complete 360 rotation well, and the two stepping motors can also position the rotation angle more accurately. According to the difference of the sun"s position on the equator, the photosensitive resistor of the single chip microcomputer is used to sample it, and then the level comparison is carried out to realize the azimuth and angle control. When there is no level difference between the two, the motor does not work at rest, and when there is a level difference. It can also be controlled manually and automatically, and the corresponding display can be performed on the LCD at the same time. Key words: solar energy; Stepping motor; Single chip microcomputer; Photosensitive resistor; Liquid crystal display screen;
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III
目
录 摘要 .............................................................. Ⅰ ABSTRACT .......................................................... Ⅱ 第一章 绪论 ........................................................ 1 1.1
前言 ........................................................... 1 1.2
研究太阳能追踪器的目的和一起 ................................... 1 1.3
对太阳能的认识 ................................................. 1 1.4
太阳能国内外现状与发展趋势 ..................................... 2 1.5
本文的主要贡献与创新 ........................................... 2 1.6
本论文的结构安排 ............................................... 3 第二章 系统设计与实现 .............................................. 4 2.1
单片机构成如下 ................................................. 4 2.2
电机控制框图如下 ............................................... 4 2.3
单片机方案的比较与选取 ......................................... 4 2.4
追光系统判断流程图如下 ......................................... 5 第 3 章 系统原理和器件介绍 .......................................... 6 3.1 系统功能设计 .................................................... 6 3.2
系统硬件系统分析设计 ........................................... 7 3.2.1
STM32 单片机核心电路设计 .............................. 7 3.2.2
28BYJ-48 步进电机 ULN2003 驱动电路设计 ................. 8 3.2.3
按键电路设计 ......................................... 9 3.2.4
光照检测电路设计 .................................... 10 3.2.5
TFT 触摸彩屏 1.44 寸模块 .............................. 11 3.2.6
太阳能发电路设计 .................................... 13 3.2.7
TP4056 锂电池充电模块电路设计 ........................ 14 3.2.8
USB-5V 升压模块电路设计 .............................. 16 3.2.9
USB-5V 升压模块电路设计 .............................. 18 3.3
STM32
单片机系统软件设计 ...................................... 19 3.3.1 编程语言选择 ......................................... 19 3.3.2
K EIL 程序开发环境..................................... 20 3.3.3
STM
ISP 程序烧录 ...................... 错误! ! 未定义书签。
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IV
3.3.4
CH340 串口程序烧写模块介绍 ............ 错误! ! 未定义书签。
3.4
软件开发工具 .................................................. 23 第 4 章 全文总结与展望 ............................................. 24 4.1
全文总结 ...................................................... 24 4.2
后期工作 ....................................... 错误! ! 未定义书签。
致
谢 ............................................................ 25
参考文献 .......................................................... 26
附录 1 系统部分 PCB ................................................. 27 附录 2 程序设计 ................................................... 288
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1
第一章 绪论 1.1 前言 随着时代的进步与科技的飞速发展，也使得对能源的需求也随之增加，对不可再生能源的过度依赖 [1] ，从而使得不可再生能源的存储量急剧减少，一些不可再生能源（石油）被视为战略资源，据目前统计，煤炭、石油、天然气也会在岁月的实践中而日趋枯竭，消耗殆尽。这些不可再生能源的产生显然跟不上人类对其的需求，为更好的实现可持续发展。
1.2 研究太阳能跟踪器的目的和意义 我们急需一种新的能源，具有安全、环保、高效率、以及取之不尽用之不竭的优秀特点，并且尽可能的完完全全的去利用——太阳，光能是一种有着无限大的存储量，对于分布面积广，也很方便就可以获取，和风能和潮汐能一样是绝对的无污染的清洁能源这也就很好的阐述了光能的可行性 [2] 。这也就很好的阐述了光能的可行性由此可见对太阳能更大利用率有着很重要的作用——太阳跟踪装置设计与制作。
1.3 对太阳能的认识 太阳能，顾名思义是以太阳为本体而释放出来的一种能量，这种能量指的是太阳光的辐射能量，在现如今也被用在取暖设备或者供电设备使用，在一定程度上就已经带给了便利，在科技不够发达的古代，当时的人们将太阳的能量用于烘焙食物，以便于食物的长期存储，以及晾晒衣物无一不是体现在太阳所赋予我们的能量。随着时代的进步，对太阳能的利用也开始从主动演变为被动，太阳能作为一种新的可再生能源。如：风能、潮汐能等等。太阳作为一个取之不尽用之不竭的能源。在《太阳能利用技术》 [3] 一书中就已经说到即便太阳能能够到达地球表面的能量只有其本身所释放热量的 22 亿分之一，相当于没秒钟先地球源源不断的投放了 500 万吨煤炭，换句话说这个也就是这个能量依然达到了惊人的 173.000TW，50 亿年对太阳的消耗也只是消耗了 0.03%。
它所富含着源源不断的丰富资源，这样一来，阳光所到之处，无一不是处处皆为财富，免费使用的同时，也不需要考虑任何的运输费用，以及对其使用也不会产生任何的污染，这些无一不是再次表明了其非同寻常的存在，即便如此的看似完美无缺，其实也存在着两个致命性缺点 [4] ：
一是能流密度很小，在每平方的面积上约为 100 瓦前后，而常规性能源则
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2 是大得很多，1 千克石油发热在 10000 千卡，而 1 千克铀 235 更是高达了 164 亿千卡的热量；二是太阳的光照强度也会因为（天气、白夜等）因素的不同而有着很大的差距，很难长时间维持在一个恒定值常量不变的情况下下，这也在一定程度上大大的影响了使用效率 [5] 。
1.4 太阳能国内外现状与发展趋势 国外太阳能现状：太阳能产业是在二十世纪八十年代，在全世界来说都是发展迅猛的一个新型领域之一，从两千零四年到两千零六年太阳能的发电量都是惊人的 4961MW [6] ，在以后也都是围绕着低成本，高效率，等方面出发，在太阳能游艇、太阳能热气球、太阳能烤箱、太阳能飞机、太阳能公路，太阳能瓦片等设备的投入和使用，也见证了太阳能利用的低成本与高效率性 [7] 。
国内太阳能现状：在二十世纪九十年代，那也是我们国内太阳能光伏发电增长速度最快的时期，伴随着时间的不断推移，在更多的方面也被不断地得到完善，在制造成本的基础上大大减少了投入，在应用市场上面也得到了不断扩张，对于太阳能的利用那也是一个相当热门的谈话主题，途径多年的经验，将其用在了太阳能热水器、太阳能路灯以及西部计划、利用太阳能发电、太阳能充电宝、太阳能供暖等等 [8] 。
1.5 本文的主要贡献与创新 一、太阳能板就将太阳光能的收集，收集的同时进行光能与电能的转换，通过电路的稳压过程，将电传递给备用电池进行电量的储存，在干锂电池经过升压模块和稳压模块稳压到5V给整个系统供电，有单独的电源控制开关可以进行电源的通断控制。在给设备系统进行上电后，系统最初的默认形式为随太阳运动而运动的“自动模式”，还有就是可以通人为控制改为“手动模式”也是可行的。
二、在系统通电的情况下不管是属于自动还是手动模式，此时的光敏电阻都会采集光线强度，并且在显示屏上面进行完美的显示出来，其中显示的效果为上、下、左、右四个方位。通过两个步进电机驱动来完成上下左右运动，将两个步进电机焊接在一块形成了一个角度多自由度的整体。两个电机都是通过连接线与主板进行的连接，通过光敏电阻对光强度的采集获得四个方位的不同关照强度值，最后通过与预计值的比较，最后来确定电机的运动轨迹。
三、工作模式可以是自动模式同样也可以是人为的手控方式。
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3 1.6 本论文的结构安排 本文的结构安排如下：
第一章：绪论。
第二章：系统设计与实现。
第三章：系统原理和元器件介绍。
第四章：全文总结与展望。
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4 第二章 系统设计与实现 2.1 单片机构成如下：
图 2–0–1 单片机构成示意图 2.2 系统整体控制框图如下：
图 2–2 系统整体控制框图 2.3 电机控制框图如下：
图 2-3 电机控制框图
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5 2.4 追光系统判断流程图如下：
图 2-4 追光系统判断流程框图
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6 第三章 系统原理和器件介绍 3.1 系统功能设计 整个系统使用了以STM32F103C8T6单片机作为核心板、太阳能板、锂电池充电、稳压电路、光敏采集电路、驱动电路、升压稳压模块、步进电机、按键电路组成。整个系统共计有光敏采集板与主控板和两块板子，以对应的连接线进行相互连接。其中光敏采集板主要放置光敏传感器，模拟太阳能板的运作；另外的主控板起着对显示器、电源接通管理、按键接通控制以及步进电机的相关驱动。
具体控制展现如下：
一、太阳能板将太阳光能进行收集，收集的同时进行光能与电能的转换，通过电路的稳压过程，将电传递给备用电池进行电量的储存，在干锂电池经过升压模块和稳压模块稳压到5V给整个系统供电，有单独的电源控制开关可以进行电源的通断控制。在给设备系统进行上电后，系统最初的默认形式为随太阳运动而运动的“自动模式”，还有就是可以通人为控制改为“手动模式” [9] 也是可行的。
二、在系统通电的情况下...