基于超声电机的双轴太阳能跟踪系统

【摘要】：超声电机是一种具有低转速，高转矩，特别是断电自锁等诸多优点的电机。本文将超声电机应用于双轴太阳能跟踪系统，以提高太阳能电池板的采光性能，使其有更高的光电转换效率。本文设计了一个双自由度的跟踪架，并由超声电机驱动，使电池板能够在二维平面内向天空任何方向旋转，以实现跟踪目的。设计了基于MSP430单片机的控制系统，通过光敏电阻传感器阵列采集光信号，判断太阳位置以控制超声电机驱动电池板转动来跟踪太阳，实现高效率能量收集。该系统具有结构简单，节能等优点。 本文主要内容概括如下： 1．介绍了超声电机的发展、特点和应用，目前国际上太阳能的发展状况和应用前景，以及几种常见的跟踪系统的跟踪方法、结构、原理。结合超声电机的诸多优点，讨论了太阳能跟踪系统对电机的需求，得出超声电机非常适合在太阳能跟踪系统中运用的结论。 2．介绍了本文中的太阳能跟踪系统的机械结构设计及其特点，包括涡轮蜗杆设计，轴承选择。然后运用ADAMS虚拟样机软件对整个跟踪系统进行动力学仿真。 3．详细介绍了本文设计的太阳能跟踪系统所使用的控制器-MSP430单片机，以及本系统的硬件电路的要求及设计。 4．介绍了以上述硬件为基础的软件设计，阐述了如何在以上硬件环境下实现跟踪系统的程序流程，包括：AD采集程序、跟踪控制程序、按键控制程序、串口通信等。并介绍了本文编写的上位机程序。上位机程序主要负责将下位机采集上传的电压电流数据用图表的方式显示出来，以方便对比跟踪的性能提升。 5．对光敏电阻传感器阵列和水平位置传感器的信号进行测试，揭示其信号的特点。对超声电机驱动器信号进行测量，验证驱动器的工作状况。最后对系统进行总体测试，将电池板在跟踪状态和固定状态输出电压和功率进行对比，验证系统的性能提升。 【关键词】：超声电机 MSP430 太阳能 跟踪系统 光敏电阻
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM359.9
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 太阳能跟踪系统概述12-15
• 1.1.1 太阳辐射状况简介12-14
• 1.1.2 太阳能跟踪系统方法简介14-15
• 1.1.3 光电传感自动跟踪技术简介15
• 1.2 超声电机的概述15-17
• 1.2.1 超声电机的特点16-17
• 1.2.2 超声电机的应用17
• 1.3 本论文研究的意义与内容17-19
• 第二章 机械结构设计19-26
• 2.1 机械结构方案及设计19-22
• 2.1.1 结构要求及实现原理19-20
• 2.1.2 旋转机构箱体设计20-21
• 2.1.3 涡轮蜗杆设计选择21
• 2.1.4 轴承选择21-22
• 2.2 ADAMS 仿真22-25
• 2.2.1 ADAMS 简介22
• 2.2.2 水平轴负载及电机仿真22-24
• 2.2.3 竖直轴负载及电机仿真24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 硬件电路设计26-41
• 3.1 概述26-27
• 3.1.1 系统设计要求26
• 3.1.2 系统总体方案26-27
• 3.2 MSP430F149 单片机的特点27-29
• 3.3 各个模块设计29-40
• 3.3.1 传感器设计29-31
• 3.3.2 电压电流采集31-35
• 3.3.3 ADC 采集通道选择35-36
• 3.3.4 LCD1602 显示器电路设计36-38
• 3.3.5 中断按钮设计38
• 3.3.6 充电开关电路设计38
• 3.3.7 串口硬件设计38-39
• 3.3.8 超声电机驱动器设计39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 系统软件设计41-51
• 4.1 集成开发环境简介41
• 4.2 程序总体要求41-42
• 4.3 下位机程序各个模块设计42-46
• 4.3.1 主程序42
• 4.3.2 ADC 采集程序设计42-44
• 4.3.3 跟踪程序设计44-45
• 4.3.4 按钮操作设计45-46
• 4.3.5 串口及通讯协议设计46
• 4.4 上位机程序设计46-49
• 4.4.1 Visual Basic 简介46-47
• 4.4.2 程序设计要求47
• 4.4.3 程序设计47-49
• 4.5 本章小结49-51
• 第五章 调试运行实验51-56
• 5.1 传感器信号检测51-53
• 5.1.1 光敏电阻阵列信号测试51-52
• 5.1.2 水平位置传感器信号检测52-53
• 5.2 电机驱动器信号检测53
• 5.3 电池板跟踪性能检测以及对比53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第六章 本文总结与展望56-58
• 6.1 本文工作总结56-57
• 6.2 后续工作展望57-58
• 参考文献58-61
• 致谢61-62
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文62

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