毕 业 设 计
太阳能自动跟踪装置的设计
The design of solar automatic tracking device
烟台大学文经学院毕业论文（设计）任务书
院（系）：机电工程系
姓名 学号 毕业届别 机械设计制造及其自 专业 动化 毕业论文（设计）题目 指导教师 指导教师 学历 学历 太阳能自动跟踪装置的设计 职称 职称 教授 助教 所学专业 所学专业 主要内容：本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统，它利用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻的变化，进而通过光电转换电路给单片机输入信号，并由驱动电路来控制步进电机，从而实现机械装置的方位角、高度角的调整。该机械装置主要采用机械传动原理实现，用一对直齿轮传动机构来实现方位角的旋转。同时，采用平面四杆机构原理，用一对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。 基本要求：满足该装置能精确自动跟踪太阳光的运动，以达到最大效率利用太阳能。 进度安排：1-2周 完成设计任务书和绪论;3-5周 提出自己的设计方案并论证（理论） 6-9周 部件零件的设计;10-11周 初稿完成;12-13周 根据格式，完成论文 指导教师（签字）： 年 月 日 II
院（系）意见： 教学院长（主任）（签字）： 年 月 日 备注： ［摘要］：
太阳能是自然界的一种天然资源，它具有分布范围广、丰富可再生、无污染的优良特点，它的开发和利用已成为当代研究领域的热点。解决如何提高太阳能利用效率就成为了所有问题的关键。太阳能效率的提高将直接影响我国能源利用结构的变化，对我国的可持续发展以及建设资源节约型和环境友好型社会有着重大影响。
基于太阳能利用效率的考虑，本设计选择太阳能自动跟踪装置，以达到时刻跟踪太阳光线位置，使太阳光最大限度的照射到该跟踪装置，满足太阳能的充分利用。
该装置是基于单片机控制的自动跟踪系统，通过考虑某地的位置、光照等因素，由单片机输出控制数据，从而来控制步进电机，并通过机械传动机构来实现太阳能电池板自动跟踪光线的目的。并且对该系统采用二维跟踪方式，以实现太阳能电池板东西方向和南北方向共同调整跟踪，达到进一步提高利用效率、跟踪精度的要求。
[关键词]： 太阳能 ；自动跟踪 ；单片机 ；步进电机 ；二维运动 。
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[Abstract]：
Solar energy is nature's natural resource and it has spread widly, richly ,renewablly and has pollution-free high characteristics.Its development and use has become hot spots in the field. The solution of the efficient use of solar energy become the key to all problem. The increase of solar energy efficiency will directly affect our energy structure and it will have major effects on national sustainable development , construction resource saving and environmental friendly type of society .
Based on solar energy utilization efficiency considerations , this design choices solar automatic tracking device in order to achieve to track the sun light position at any time and make the sun exposure to the tracking device to the max to meet the full use of solar energy.
The device is a control automatic tracking system which based on microcontroller . By considering the position, illumination somewhere, and other factors ,microcontroller outputs control data to control the stepping motor. This system realizes automatic tracking for the light to the solar panels through the mechanical transmission and it is used to track of two-dimensional way in order to realize common adjusting tracking for the solar panels east-west direction and north-south direction.This system further improves the utilization efficiency and the requirements of tracking precision.
[Key words]：solar energy；automatic track ；microcontroller ；stepping motor ；two-dimensional movement.
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目 录
第1章 绪 论 .................................................... 8 1.1 能源现状及发展 ........................................... 8 1.2 目前太阳能的开发和利用 ................................... 8 1.3 课题研究的目的和意义 ..................................... 9 1.4 太阳能利用的国内外发展现状 ............................... 9 1.5 太阳追踪系统的国内外研究现状 ............................ 10 1.6 本论文的研究内容 ........................................ 10 第2章 太阳能自动跟踪系统总体设计 .............................. 11 2.1 太阳运行的规律 .......................................... 11 2.2 总体设计原理 ............................................ 11 2.2.1 平面四杆机构原理 ................................... 11 2.3 跟踪方案的设计 .......................................... 12 2.4 总体结构 ................................................ 13 第3章 机械部分的设计 .......................................... 15 3.1 齿轮的选择 .............................................. 15 3.1.1 材料选择 ........................................... 15 3.1.2 尺寸计算 ........................................... 15 3.2 滚珠丝杠副的选择 ........................................ 17 3.2.1 材料选择 ........................................... 18 3.2.2 滚珠丝杠副结构的选择 ............................... 18 3.2.3 滚珠丝杠副尺寸的选择 ............................... 18 3.2.4 滚珠丝杠副支承方式的选择 ........................... 19 3.3 太阳能电池板 ............................................ 21 3.4 底座的设计 .............................................. 23 3.5 中心轴的选择 ............................................ 23
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3.5.1 尺寸设计 ........................................... 23 3.5.2 轴的校核 ........................................... 23 3.6 轴承的选择 .............................................. 23 3.6.1 轴承1的选择 ....................................... 23 3.6.2 轴承2的选择 ....................................... 24 3.7 联轴器的选择 ............................................. 25 第4章 控制部分的设计 .......................................... 27 4.1 光电转换器 .............................................. 28 4.1.1 光敏电阻传感器 ..................................... 28 4.1.2 光电转换电路 ....................................... 30 4.2 步进电动机及其驱动电路 .................................. 31 4.2.1 步进电动机介绍 ........................................ 31 4.2.2 步进电机的选择 ..................................... 33 4.2.3 驱动电路 ........................................... 33 4.3 单片机及其输入电路 ...................................... 36 4.3.1 8031单片机 ........................................ 36 4.3.2 单片机的输入电路 ................................... 37 4.4 控制的实现过程 .......................................... 39 4.4.1 系统的整体电路图 ................................... 39 4.4.2 系统的流程图 ....................................... 40 总结及展望 ...................................................... 42 致 谢 ........................................................... 43 参考文献 ........................................................ 44
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第1章 绪 论
1.1 能源现状及发展
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长 l%，而太阳能发电每年增长达 20%，风力发电的年增长率更是高达26%。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面
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积达960×10 km，占世界总面积的 7%，居世界第三位。据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×10 kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2A，中值为586KJ/cm2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东 南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低， 日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961 年至 1970 年的平均值，年平均 日照时间为 3005.7h，相对日照为 68％，年平均晴天为 108.5 天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816KJ/cm2a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为 26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。
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1.2 目前太阳能的开发和利用 人类直接利用太阳能有三大技术领域
，即光热转换、光电转换和光化学转换，此
外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。
太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。第二，地球上无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存
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在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的利用有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。
1.3 课题研究的目的和意义
本课题研究一种基于单片机控制的自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。
基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳跟踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。
1.4 太阳能利用的国内外发展现状
日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。 德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。1990年德国政府推出了“一千屋顶计划” ，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量1～5千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关
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产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用 4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005 年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材 料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电
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站。预计到2015年，美国光伏发电成本将从现在的 21～40 美分/千瓦时降到 6 美分/千瓦时，届时太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。 意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划” ，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神 2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。 我国由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和2010年规则》中已将
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太阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。根据我国1996～2020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。 在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站——安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。
1.5 太阳追踪系统的国内外研究现状
在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器
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，完成了东西方向的自
动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究出ATM 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994 年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器完成了单向跟踪。目前，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹跟踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。
1.6 本论文的研究内容
本文所介绍的太阳能自动跟踪装置采用了光电跟踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括: (l)分析太阳运行规律及所处地理位置，大致确定设计极限；(2)机械部分也是实现跟踪目的的关键，主要是机械零件的设计和计算，装配图及其零件图；(3)分析传感器工作原理及设计光电转换电路；(4)选取控制芯片C51，分析系统的硬件需求，设计控制系统；(5)设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。
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第2章 太阳能自动跟踪系统总体设计
2.1 太阳运行的规律
由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这
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种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为23度27 分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤纬角最大23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。再考虑到该地位置因素及一年四季的太阳方位变化，可以初步确定所设计装置的尺寸、高度角、方位角等的范围。
2.2 总体设计原理
本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统，它利用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻的变化，进而通过光电转换电路给单片机输入信号，并由驱动电路来控制步进电机，从而实现机械装置的方位角、高度角的调整。该机械装置主要采用机械传动原理实现，用一对直齿轮传动机构来实现方位角的旋转。同时，采用平面四杆机构原理，用一对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。
2.2.1 平面四杆机构原理
平面四杆机构是由四个刚性构件用低副链接组成的，各个运动构件均在同一平面内运动的机构。
(1) 平面四杆机构的基本形式 铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式，其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。选定其中一个构件作为机架之後，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动，则称之为整转副，反之称之为摆转副。铰链四杆机构中，按照连架杆是否可以做整周转动，可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。曲柄摇杆机构，两连架杆中一个为曲柄一个为摇杆的铰链四杆机构。双曲柄机构，具有两个曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，其特点是当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般做不等速转动。在双曲柄机构中，如果两对边构件长度相等且平行，则成为平行四边形机构。这种机构的传动特点是主动曲柄和从动曲柄均以相同的角速度转动，而连杆做平动。双摇杆机构，双摇杆机构是两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。 (2) 平面四杆机构的演化
铰链四杆机构可以通过以下方法演化成衍生平面四杆机构。 转动副演化成移动副，如引进滑块等构件。以这种方式构成的平面四杆机构有曲柄滑块机构、正弦机构等。选取不同构件作为机架，以这种方式构成的平面四杆机构有转动导杆机构、摆动导杆机构、移
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动导杆机构、曲柄摇块机构、正切机构等。变换构件的形态，扩大转动副的尺寸，演化成偏心轮机构。
本设计的太阳能板运动设计理念就是来源于平面四杆机构的演化，即采用曲柄滑块机构。
2.3 跟踪方案的设计
目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式 (1)视日运动轨迹跟踪；(2)光电跟踪；(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。 (1) 视日运动轨迹跟踪
不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的， 通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的 具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法：算法l，采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法2，采用世界气象组织气象和观测方法。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增 大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。
(2) 光电跟踪
传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件组成：位置检测器、控制组件、跟踪头。位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。
(3) 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装
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置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪 费和部件的额外磨损。如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。
本设计选用光敏电阻光强比较法，光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将四个完全相同的光敏电阻1、2、3、4分别放置于一块电池板的四个边界处，每两个相对，如图2.1所示。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，其中每相对两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，接收光强少的光敏电阻阻值增大，这样就产生了差值，从而通过控制部分驱动电动机转动，直至相对两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。
图2.1 光敏电阻位置
2.4 总体结构
如图2.2所示，机构结构：步进电机1固定在底座上，步进电机1的输出轴连接小齿轮 ，小齿轮与大齿轮啮合。齿轮连接着主轴上，主轴安装在底座上(主轴相对于底座可以转动)，步进电机2安装在主轴上端的一块托盘上，步进电机2的输出轴通过联轴器直
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接与滚珠丝杠副相连接，滚珠丝杠副两端由轴承支承。丝杠上的滑块与支承杆相连，连接
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到太阳能板，太阳能板一端固定在托盘上，托盘焊接安装在主轴上。
机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动步进电机2带动滚珠丝杆转动，滑块的左右移动通过支承杆带动太阳能板转动，通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。
图2.2 总体结构图
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第3章 机械部分的设计
3.1 齿轮的选择
3.1.1 材料选择
选用直齿圆柱齿轮传动。太阳能自动旋转装置为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095—88）。小齿轮的材料选用40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料选用45钢（调质），硬度为240HBS。
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3.1.2 尺寸计算
选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=3.2×24=76.8，取Z2=77。
1.按齿面接触强度计算d1：d1>=³√ {KT1·(u＋－1)·Ze²}/(ǿd·u·[σh]) (3-1) (1) 根据公式及查表确定各计算数值： 1) 试选公式载荷系数Kt=1.3。
2) 设输入功率大约为P1=10KW，小齿轮转速n1=960r/min，所以小齿轮传递的转矩T1=95.5×100000P1/n1N·mm=99480N·mm。 3) 选取齿宽系数ǿd=1。
4) 材料的弹性影响系Ze=189.8MPa¹/²。
5) 小齿轮的接触疲劳强度极限σhlim1=600MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限σhlim2=550MPa。
6) 应力循环次数N1=60n1jLh=60×960×1×(2×8×300×15)=4.147×10³·³，N2=N1/3.2=1.296×10³·³。
7) 取接触疲劳寿命系数Khn1=0.90;Khn2=0.95。
8) 计算接触疲劳许用应力：取失效概率为1%，安全系数S=1，可得： [σh]1=(Khn1×σhlim1) /S=0.9×600MPa=540MPa； [σh]2=(Khn2×σhlim2) /S=0.95×550MPa=522,5MPa。 (2) 计算
1) 试算小齿轮分度圆直径d1t，代入[σh]中较小的值得： d1t>=³√ {KtT1·(u＋－1)·Ze²}/(ǿd·u·[σh]) = 65.396mm。 2) 计算圆周速度v。 V=(πd1t×n1)/60×1000=3.29m/s。 3) 计算齿宽b。 b= ǿd×d1t=1×65.396mm=65.396mm。 4) 计算齿宽和齿高之比b/h。
模数 mt=d1t/z1=65.396/24mm=2.725mm 齿高 h=2.25mt=2.25×2.725mm=6.13mm b/h=65.396/6.13=10.67
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5) 计算载荷系数。
根据v=3.29m/s，7级精度，可得动载系数Kt=1.12； 直齿轮，Khα=Kfα=1；
使用系数Ka=1；Khβ=1.423。
由b/h=65.396/6.13=10.67，Khβ=1.423得Kfβ=1.35；故载荷系数 K=Ka×Kv×Khα×Khβ=1×1.12×1×1.423=1.594 6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径为： d1=d1t³√¯K/Kt¯=65.396׳√¯1.594/1.3¯¯=69.995mm 7)计算模数m
m=d1/z1=69.995/24mm=2.92mm
2.按齿根弯曲强度计算m：m>=³√ (2KT1×Yfa×Ysa)/(ǿd×z1²×[σf]) (3-2)
(1) 确定公式内的各计算数值
1) 小齿轮的弯曲疲劳强度极限σfe1=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限σfe2=380MPa;
2) 弯曲疲劳寿命系数Kfn1=0.85，Kfn2=0.88； 3) 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4得：
[σf]1=(Kfn1×σfe1)/S=0.85×500/1.4=303.57MPa [σf]2=(Kfn2×σfe2)/S=0.88×380/1.4=238.86MPa 4) 计算载荷系数K。
K=Ka×Kv×Kfα×Kfβ=1×1.12×1×1.35=1.512 5) 取齿形系数。
Yfa1=2.65；Yfa2=2.226。 6) 取应力校正系数。
Ysa1=1.58；Ysa21.764。 7) 计算大、小齿轮的Yfa×Ysa/[σf]并加以比较。 Yfa1×Ysa1/[σf]1=2.65×1.58/303.57=0.01379 Yfa2×Ysa2/[σf]2=2.226×1.764/238.86=0.01644 可知大齿轮的数值大。
(2) 设计计算
m>=2.05mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数2.05并就近圆整为标准值m=2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=69.995mm，算出小齿轮齿数 z1=d1/m=69.995/2.5≈28 大齿轮齿数 z2=3.2×28=89.6，取z2=90。
这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，
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并做到结构紧凑，避免浪费。 3.几何尺寸计算
(1) 计算分度圆直径 d1=z1×m=28×2.5mm=70mm d2=z2×m=90×2.5mm=225mm (2) 计算中心距
a=(d1+d2)/2=(70+225)/2mm=147.5mm
(3) 计算齿轮宽度 b=ǿd×d1=1×70mm=70mm 取B2=70mm，B1=75mm。
3.2 滚珠丝杠副的选择
滚珠丝杠副是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的
产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。如图3.1所示，它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密 仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
公称直经
图3.1 滚珠丝杠副
滚珠丝杠副常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，
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每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。1、外循环：外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。2、内循环：内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型：圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽，反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。
滚珠丝杠副具有以下优点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率，与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3，在省电方面很有帮助。2、高精度的保证。滚珠丝杠副是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高。滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能。滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给运动。
3.2.1 材料选择
由于丝杠必须具有高耐磨性、高热硬性及足够韧性的要求，所以，选择刃具钢，其中
[12]
低合金工具钢由于合金元素的加入，更适合制造丝杠，所以选择T20111（CrWMn）。
3.2.2 滚珠丝杠副结构的选择
根据防尘、可以防护条件以及对调隙及预紧的要求，可以选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时（如垂直运动）可选用具有单圆弧形螺纹轨道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。经综合考虑，本设置选择具有单圆弧形螺纹轨道的单螺母滚珠丝杠副。
3.2.3 滚珠丝杠副尺寸的选择
选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的公称直经d。和公称导程Ph。公称直经d。应根据轴向载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度L1在允许的情况下药尽量短，一般
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取L1/d。小于30为宜；基本导程Ph（或螺距t）应按承载能力、传动精度及传动速度选取，Ph大，承载能力也大；Ph小，传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。所以，根据GB/T 17587.1—1998标准及滚珠丝杠承载能力的要求和传动精度的考虑，最终选择：d。=25mm；Ph=5mm;L1=450mm。
3.2.4 滚珠丝杠副支承方式的选择
滚珠丝杠副支承方式自由式。
(1) 双推—双推式
[12]
有：単推—単推式、双推—双推式、双推—简支式、双推—
图3.2 双推—双推式
特点：适合于高刚度，高速度，高精度的精密丝杠传动系统。 (2) 双推—简支式
图3.3 双推—简支式
特点：预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。
(3) 双推—自由式。
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图3.4 双推—自由式
特点：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安装时，必须采用制动装置。 (4) 単推—単推式
图3.5 単推—単推式
特点：轴向刚度较高，预紧力大，寿命低，结构简单。
考虑到本设计装置的轴向载荷不大，所以选择深沟球轴承，并采用简易単推—単推式作为支承方式，如图3.6所示。既能达到装置要求又最大限度满足经济性要求。
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图3.1 简易単推—単推式
3.3 太阳能电池板
如图3.2所示，太阳能电池板分类
：晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅
太阳能电池。非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。 化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。
[13]
图3.2 太阳能电池板
太阳能电池板发电系统：太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或 110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电
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系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。（三）蓄电池：一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四）逆变器：在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。
太阳能电池板材料：当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。 1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。
太阳能电池板原理：太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。（1） 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。（2） 光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵
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活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。
3.4 底座的设计
底座材料选用45钢，底座要有足够的支撑强度，同时也要满足尽可能节省材料，所以，选择用焊接法组合底座，设计结构如图3.3所示。
[14]
图3.3 底座
3.5 中心轴的选择
3.5.1 尺寸设计
选择轴的直径为30mm，长度为400mm。轴的材料选择45钢，并进行调质处理。
3.5.2 轴的校核
可知材料的强度极限；σb =598MPa，屈服极限：σs = 353MPa。又45钢是塑性材料，所以，要用屈服极限σs来校核。设横截面受力F大约为70KN。材料的截面积为：S=πr²=706.5mm²。σ =F/S=99.1MPa<<σs = 353MPa。所以，该轴符合要求。
[15]
3.6 轴承的选择
3.6.1 轴承1的选择
该支承根据工作条件决定选用深沟球轴承
23
[11]
，轴承径向载荷Fr=1500N，轴向载荷
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Fa=5500N，轴承转速n=300r/min，装轴承处的轴颈直径大约为30mm，运转时有轻微冲击，预期计算寿命Lh=5000h。 (1) 求比值
Fa/Fr=5500/1500=3.67>e
(2)初步计算当量动载荷P，P=fp×(XFr+YFa)
因为轻微冲击，所以载荷系数fp=1.0～1.2，取fp=1.2。同时可得X=0.56，Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才能求出。现暂选一近似中间值，取Y=1.5，则 P=1.2×(0.56×1500＋1.5×5500)=10908N (3) 求轴承应有的基本额定动载荷值 C=P׳√ 60n×Lh/10²·³ =48758.76N (3-3) (4) 按照轴承样本或设计手册选择C=47500N的6406轴承。此轴承的基本额定静载荷Co=24500N。验算如下：
1) 求相对轴向载荷对应的e值与Y值。相对轴向载荷为Fa/Co=5500/24500=0.2245，它介于0.130～0.250之间，对应的e值为0.31～0.37，Y值为1.4～1.2。
2) 用线性插值法求Y值。 Y=1.2＋(1.4－1.2)×(0.25－0.2245)/(0.25－0.130)=1.2425 故 X=0.56 ，Y=1.2425 3) 求当量动载荷P。 P=1.2×(0.56×1500＋1.2425×5500)=9208.5N 4) 验算6406轴承的寿命： Lh=10²·³×C³/60n×P³=10²·³×47500³/60×300×9208.5³ (3-4) =7625h>5000h
可知大于预期计算寿命，所以选择6406轴承符合要求。
3.6.2 轴承2的选择
该支承根据工作条件决定选用深沟球轴承，轴承径向载荷Fr=5500N，轴向载荷Fa=2700N，轴承转速n=300r/min，装轴承处的轴颈直径为大约25mm，运转时有轻微冲击，预期计算寿命Lh=5000h。 (1) 求比值
Fa/Fr=2700/5500=0.49>e
(2)初步计算当量动载荷P，P=fp×(XFr+YFa)
因为轻微冲击，所以载荷系数fp=1.0～1.2，取fp=1.2。同时可得X=0.56，Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才能求出。现暂选一近似中间值，取Y=1.5，则 P=1.2×(0.56×5500＋1.5×2700)=8556N
(3) 求轴承应有的基本额定动载荷值 C=P׳√ 60n×Lh/10²·³ =38245.32N (3-5)
[16]
(4) 按照轴承样本或设计手册选择C=38200的6405轴承。此轴承的基本额定静
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载荷Co=19200N。验算如下：
1) 求相对轴向载荷对应的e值与Y值。相对轴向载荷为Fa/Co=2700/19200=0.1406，它介于0.130～0.250之间，对应的e值为0.31～0.37，Y值为1.4～1.2。
2) 用线性插值法求Y值。
Y=1.2＋(1.4－1.2)×(0.25－0.1406)/(0.25－0.130)=1.382 故 X=0.56 ，Y=1.382
3) 求当量动载荷P。 P=1.2×(0.56×5500＋1.382×2700)=8173.68N 4) 验算6405轴承的寿命：
Lh=10²·³×C³/60n×P³=10²·³×38200³/(60×300×8173.68³) (3-6) =5715.7h>5000h
可知大于预期计算寿命，所以选择6405轴承符合要求。
3.7 联轴器的选择
联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭
矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。联轴器种类繁多，按照被联接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为：①固定式联轴器。主要用于两轴要求严格对中并在工作中不发生相对位移的地方，结构一般较简单，容易制造，且两轴瞬时转速相同，主要有凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等。②可移式联轴器。主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方，根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器和弹性可移式联轴器。刚性可移式联轴器利用联轴器工作零件间构成的动联接具有某一方向或几个方向的活动度来补偿，如牙嵌联轴器（允许轴向位移）、十字沟槽联轴器（用来联接平行位移或角位移很小的两根轴）、万向联轴器（用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方）、齿轮联轴器（允许综合位移）、链条联轴器（允许有径向位移）等，弹性可移式联轴器（简称弹性联轴器）利用弹性元件的弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移，同时弹性元件也具有缓冲和减振性能，如蛇形弹簧联轴器、径向多层板簧联轴器、弹性圈栓销联轴器、尼龙栓销联轴器、橡胶套筒联轴器等。联轴器有些已经标准化。选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的验算。
分类还包括球笼式万向联轴器；圆锥碗簧联轴器；SWP、SWC型十字轴式万向联轴器；弹簧管联轴器；WS、WSD型十字轴式万向联轴器；WSH型滑动轴承十字轴式万向联轴器；ML型薄膜联轴器；SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器。联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工
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作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器 ，齿式联轴器，梅花联轴器，滑块联轴器，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。 (1) 凸缘式联轴器
特点：简单，成本低，可传递较大转矩。不允许两轴有相对位移，无缓冲。用途：在转速低，无冲击，轴的刚性大，对中性较好的场合应用较广。
(2) 滑块联轴器
半联轴器1、3上的凹槽与中间滑块的凸榫→移动副→可补偿两轴偏移特点、应用： 无缓冲，移动副应加润滑→用于低速传动。
(3) 弹性联轴器
特点：缓冲吸振，可补偿较大的轴向位移，微量的径向位移和角位移。应用：正反向变化多，启动频繁的高速轴。
(4) 安全联轴器
在结构上的特点是，存在一个保险环节（如销钉可动联接等），其只能承受限定载荷。当实际载荷超过事前限定的载荷时，保险环节就发生变化，截断运动和动力的传递，从而保护机器的其余部分不致损坏，即起安全保护作用。 起动安全联轴器：除了具有过载保护作用外，还有将机器电动机的带载起动转变为近似空载起动的作用。
(5) 刚性联轴器 刚性联轴器不具有补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。
(6) 挠性联轴器
具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，最大量随型号不同而异。无弹性元件的挠性联轴器：承载能力大，但也不具有缓冲减震性能，在高速或转速不稳定或经常正、反转时，有冲击噪声。适用于低速、重载、转速平稳的场合。非金属弹性元件的挠性联轴器 在转速不平稳时有很好的缓冲减震性能；但由于非金属（橡胶、尼龙等）弹性元件强度低、寿命短、承载能力小、不耐高温和低温，故适用于高速、轻载和常温的场合。金属弹性元件的挠性联轴器：除了具有较好的缓冲减震性能外，承载能力较大，适用于速度和载荷变化较大及高温或低温场合。
基于以上各种联轴器的对比，考虑到该装置的要求，所以在连接步进电机2和滚珠
[11]
丝杠副时，本设计选择采用刚性凸缘式联轴器，如图3.4，而不采用齿轮传动，以便节省空间，降低设计复杂度，保证传递精度。联轴器材料选用铸钢。
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图3.4 联轴器
第4章 控制部分的设计
本系统包括光电转换器、步进电机、C51系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能
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电池板有两个自由度。控制机构将分别对东西方向与南北方向进行调整，实现电池板对太阳的跟踪。
4.1 光电转换器
光电转换器接收太阳光，将光信号转换成电信号，单片机根据采集来的信号进行分析比较，得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线，从而达到最高效率的利用太阳能。本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处，另将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板南北方向边沿处。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。
4.1.1 光敏电阻传感器
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、
热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 (1) 传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与
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其重要地位相称的新水平。 (2) 光敏电阻
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。 1) 光敏电阻结构
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片内光敏电阻外形图和电路符号就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。
光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。 2) 主要参数与特性
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和位置检测器，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
光敏电阻的特性包括：1、光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。2、暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。3、灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。4、光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单
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色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。5、光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。6、伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。7、温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。8、额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。 3) 光敏电阻工作原理
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体 光敏电阻原理图及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
4.1.2 光电转换电路
如图4.1所示为光电转换电路是其中的一组，另一组电路与此相同。当阳光正对太阳能板时，光敏电阻 R1、R2 阻值相等，u1、u2电压相等。运算放大器的输出的电压为零，则单片机收到的信号为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使Rl被阳光照射较R2强，即呈低电阻，则u1 [17] 30 烟台大学文经学院毕业设计 图4.1 光电转换电路 4.2 步进电动机及其驱动电路 4.2.1 步进电动机介绍 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 (1) 步进电机的分类 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）和混合式步进电机（HB）等。 1) 永磁式步进电机 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 2) 反应式步进电机 31 烟台大学文经学院毕业设计 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 3) 混合式步进电机 混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 编辑本段变频器对步进电机的节能改造 (2) 步进电机的基本原理 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 (3) 步进电机的特性 1)步进电机的静态指标术语：1、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。2、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数×运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度。3、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。4、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 2)动态指标及术语：1、步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角×100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3、失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系 32 烟台大学文经学院毕业设计 的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8、电机正反转控制： 如当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB时为反转。 4.2.2 步进电机的选择 (1) 步进电机1选择。估计步进电机1所需要的最大静力矩不大于200N，故选用57BYGH1001混合式步进电机。它的型号57BYGH1001，电压(V) 5 ，电流(A) 3，电阻(Ω) 1.4 ，最大静力矩(N.cm) 200，机身长(mm)100，输出轴直径(mm)10，转动惯量(g.cm2)1.5，重量(kg) 650。 (2) 步进电机2选择。估计步进电机2所需要的最大推力不大于2000N，故选用8700系列螺杆轴混合式步进电机。技术参数如下： 1)线圈双极性，2)最大推力2270 N， 3）位移分辨率0.127mm，4）工作电压5 V， 5）相电流3.12 Amps ，6）相电阻1.6 ，7）相电感 8.8 mH ，9）功耗 31.2 W, 10) 最高温度 130°C， 11）重量2.3 Kg，12）绝缘电阻20。 4.2.3 驱动电路 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须用步进电动机驱动电路来实现，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。 本设计选择专用环形分配器器件CH250和单电压功率放大电路来作为驱动电路。 (1) 脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作。本设计选择 [12] CH250环形脉冲分配器。 CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接 法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如图4.2、4.3所示。 33 烟台大学文经学院毕业设计 图4.2 CH250三相双三拍接法 图4.3 CH250三相六拍接法 J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。 CH250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列。 34 烟台大学文经学院毕业设计 工作方式 CL EN J3r J3L J3r J3L 六拍 双三拍 正转 反转 正转 反转 正转 反转 正转 反转 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 六拍 双三拍 1 本设计选择三相六拍的工作方式。 (2) 单电压功率放大电路：如图4.4所示，A、B、C分别为步进电机的三相，每项有一组放大器驱动。放大器输入端与环形脉冲分配器相连。在没有输入时，3DK4和3DD15功率晶体管均截止，绕组中无电流通过。电动机不转。当A相得电时，电动机转动一步。当脉冲依次加到A、B、C三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，使电动机一步一步地转动。电路中与绕组并联的二极管VD起续流作用，即在功放管截止时，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。 [12] 图4.4 单电压功率放大电路 与绕组W串联的电阻R为限流电阻，限制通过绕组的电流不致超过其额定值，以免电动机发热厉害而烧坏。R的阻值一般在5～20Ω范围内选取。 该电路结构简单，但R值串联在大电流回路中要消耗能量，使放大器功率降低。同时由于绕组电感L较大，电路对脉冲电流的反应较慢，因此，输出脉冲波形差、输出功率低。这种放大器主要用于对速度要求不高的小型步进电机中。 35 烟台大学文经学院毕业设计 4.3 单片机及其输入电路 4.3.1 8031单片机 8031是最常见的MCS—51系列单片机，是inter公司早期的成熟的单片机产品，应 [19] 用范围涉及到各行各业,下面介绍一下它的引脚图等资料。 图4.5 8031管脚图 8031引脚功能： （1）主电源引脚Vss和Vcc 1) Vss接地 2) Vcc正常操作时为+5伏电源 （2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 1) XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 2) XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。 （3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/ ， 和 /Vpp 36 烟台大学文经学院毕业设计 1) RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 2) ALE/ 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的 ）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲。 3) 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八LSTTL输入。 4) /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当 /Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。 ( 4 ) P0.0～P0.7:通道0，它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。 P1.0～P1.7:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。通道1吸收/发出一个TTL负载。 P2.0～P2.7:通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作高8位地址总线。通道2能吸收/发出一个TTL负载。 P3.0～P3.7:通道3准双向I/O通道，通道3能吸收/发出一个TTL负载。 4.3.2 单片机的输入电路 输入信号通过运算放大器后得到的是模拟量，须用A/D转换器如A/D0809，来输入单片机。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS [19] 组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 （1）ADC0809的内部逻辑结构 37 烟台大学文经学院毕业设计 图4.6 A/D0809内部逻辑结构 由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 （2） 引脚结构 图4.7 A/D0809引脚 IN0－IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进 行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表 38 烟台大学文经学院毕业设计 如下表所示。 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 选择的通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。 4.4 控制的实现过程 4.4.1 系统的整体电路图 根据以上分立元件的研究，确定了如下图4.所示的系统整体电路图 [20][21] 。 39 烟台大学文经学院毕业设计 图4.8 整体电路图 4.4.2 系统的流程图 如图4.9所示，为该系统的简易流程图。 40 烟台大学文经学院毕业设计 图4.9 系统流程图 41 烟台大学文经学院毕业设计 总结及展望 本文的主要研究内容是太阳自动跟踪系统。本系统是基于单片机的自动控制系统，采用光电检测追踪模式，配合机械装置使系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。（1）详细分析了国内外目前的太阳追踪方式，比较之后，选择了以单片机为控制核心的自动控制系统，由于光电检测追踪模式和太阳角度追踪都有各自的优缺点，因此，经过比较用光电检测追踪模式。（2）选择8031单片机，通过比较选择了光敏电阻作为光电传感器，用4个光敏电阻连接成2组比较电路，实现判断太阳所在位置的功能，这样可以大大简化电路。（3）机械部分零件图、装配图的绘制。 由于本系统的实现技术要求比较高，而且课题研究的时间仓促，以及本人能力有限， 因此还有很多地方存在着不足之处：（1）系统稳定性需要加强：复位电路有时会出现不能自动复位的情况，尽管这种情况不常发生，但是一旦发生就影响系统的运行。（2）在机械装置方面也存在问题：机械装置能够带动太阳板转动的角度还可进一步扩大等。为了解决能源危机，太阳自动跟追踪系统已经成为世界范围内的研究热点。本人在经过研究之后，对其有了充分的了解，并相信太阳能必将成为世界能源的主体。因此，太阳自动跟踪系统的研究对解决能源危机具有重大的意义。尽管，目前的太阳追踪系统还尚未成熟，但也有了很大的进步。希望有更多的人参与到这项研究中来，性能好、精度高、低成本的太阳自动追踪系统是我们的目标。 42 烟台大学文经学院毕业设计 致 谢 经过几个月的翻阅资料、整理材料、设计和写论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了，想了很久，写下了下面一段谢词。大学期间的点点滴滴涌上心头，时光匆匆飞逝，四年多的努力与付出，随着论文的完成，终于让学生在大学的生活，得以划下了完美的句点。设计的完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的指导老师张芹英老师，本设计从选题到完成，每一步都是在张老师的指导下完成的，倾注了张老师大量的心血。张老师指引我的设计的方向和架构，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，她的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，她的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。 在此，谨向张老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢张老师在我设计的过程中给予 我的极大地帮助。同时，设计的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的设计中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，设计得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是设计得以完成的基础。通过此次的设计，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在设计过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业设计，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。总之，此次毕业设计的过程，我收获了很多，即为大学四年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。 43 烟台大学文经学院毕业设计 参考文献 [1]李申生．太阳能．北京人民教育出版社，1988。 [2]王炳忠．太阳能—未来能源之星．高教出版社，1990。 [3]练亚纯．太阳能的利用．北京人民出版社，1975。 [4]吕春生．日本的新能源开发及对我国的启示．现代日本经济，2006。 [5]戴闻．太阳能利用前景光明．物理，2003。. [6]孙孝仁．太阳能利用的现状与未来．山西省科技情报研究所，2005。 [7]姚伟．太阳能利用与可持续发展．中国能源，2005。 [8]余海．太阳能利用综述及提高其利用率的途径．能源研究与利用，2004。 [9]陈维，李戬洪．太阳能利用中的跟踪控制方式的研究．能源工程，2OO3。 [10]薛建国． 基于单片机的太阳能电池自动追踪系统的设计．长春师范学院学报， 2005， [11]濮良贵 纪名刚等．机械设计．高等教育出版社，2006。 [12]张建民等．机电一体化系统设计(第三版)．高等教育出版社,2007。 [13]张顺心，宋开峰， 范顺成等． 基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究， 河北工业大学学报， 2003 [14]于永泗 齐民．机械工程材料（第七版）．大连理工大学出版社．2007。 [15]刘鸿文． 材料力学（第四版）．高等教育出版社， 2004。 [16]机械设计课程设计手册. 烟台大学出版，2009。 [17]秦曾煌．电工学(第五版)．高等教育出版社,1999。 [18]邓星钟等．机电传动控制（第四版）．华中科技大学出版社，2000。 [19]胡汉才．单片机原理及其接口技术(第二版)．清华大学出版社，2004。 [20]周志敏 纪爱华．太阳能LED路灯设计与应用．电子工业出版社，2009。 [21]J．理查德·威廉斯 著，赵玉文 郑敏樟 霍志刚 译 龚堡 校．太阳能采暖和热水系统的设计与安装．新时代出版社，1990。 44 烟台大学文经学院毕业论文 (设计)评审表 题 目 学生姓名 指导教师 姓 名 学号 职称 专业 所学专业 得分 是否同意参加答辩： 指导教师（签字）： 年 月 日 烟台大学文经学院毕业论文(设计)评审表 题 目 学生姓名 指导教师 姓 名 学号 职称 专业 所学专业 得分 是否同意参加答辩： 评阅人（签字）： 年 月 日 烟台大学文经学院毕业论文(设计)评审表 题 目 学生姓名 得分 评语： 学号 指导教师 姓 名 职称 答辩委员会（小组）（全体成员签字）： 年 月 日 烟台大学文经学院毕业论文(设计)综合评定成绩表 指导教师 评阅人评分 评分 综合评定成绩(按4：2：4) 答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日 答辩评分 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本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和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二〇一〇年九月二十日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 二〇一〇年九月二十日 基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。 毕业论文的基本教学要求是： 1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。 毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。 毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的 一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。 撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。 2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。 3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学 论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。 论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。 按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。 按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事 实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。 按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。 另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类： 1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写 成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。 写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。 首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。 教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。 第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。 第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从 以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。 致 谢 这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。 通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。 即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容