阳光光纤采集系统设计毕业论文.docx

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1、阳光光纤采集系统设计毕业论文目录摘要错误!未定义书签。Abstract错误!未定义书签。第1章绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外发展及研究现状21.3 课题主要研究内容3第2章 阳光光纤采集系统整体结构52.1 系统组成52.2 系统各部分工作原理52.3 本章小结8第3章光路系统设计93.1 聚光器的选择93.1.1 聚光器的种类93.1.2 菲尼尔透镜聚光器113.1.3 菲涅尔透镜汇聚特性143.2 光传导导体的选择与分析163.2.1 导光管的基本结构163.2.2 光纤的基本结构183.2.3 光纤导光原理193.2.4 光纤传输特性243.2.5 光纤的选择243.3 光

2、耦合条件253.3.1 横向误差对耦合效率的影响253.3.2 纵向误差对耦合效率的影响26333角度误差对耦合效率的影响273.3.4 太阳光与光纤耦合装置设计293.4 阳光光纤照明简易实验装置303.4.1 装置组成303.4.2 装置照明效果323.5 本章小结32第4章阳光跟踪系统设计334.1 硬件控制系统334.1.1 单片机344.1.2 光电检测电路的设计354.1.3 单片机控制电路设计384.1.4 时钟电路设计394.1.5 步进电机的选择404.2 软件控制系统494.2.1 光电追踪器模块的设计514.2.2 光电检测追踪模块的设计514.2.3 太阳固定轨迹追踪模

3、式的设计524.3 本章小节53总结55参考文献56致谢58附录光电追踪设计程序59II第1章绪论第1章绪论1.1课题背景及意义近年来，随着城市建筑趋向高层化和密集化，仅依靠传统的采光方式已经不能满足建筑物内部的采光要求。尤其是那些建筑较低、暗室及地下仓库,即使是晴天，室内光线也很昏暗，这在无形之中增加了人工照明的电能损耗,而且给长期在此环境中生活与工作的人身心健康带来不良影响。故如何做到高效地开发和运用新能源，使之成为人类主要的能源供给方式，现在看来，无疑是一个相当有价值的科研课题。根据国际能源协会公布结果，2013年全世界用电量为2650TW.h,世界各国平均照明用电量约占全球总发电量的1

4、9%o其中，全世界越28%的电能用于居住生活。在我国，每年北方新竣工的建筑面积为12亿平方米，照明用电量大约占发电量的12%左右，并且主要以低效照明为主，照明终端节能具有很大的潜力。同时照明用电大都属于高峰用电，照明节能具有节约能源和缓解高峰用电的双重作用。太阳是一个非常理想的天然光源，它发出的电磁波含有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、丫射线和宇宙射线，太阳辐射到地球的总功率约为1.73x1017 W,其光功率强度达到1367W/m2,其中红外光的能量约占太阳总辐射能的一半。太阳能开发和利用的技术包括太阳采光、热能利用和光伏发电，其中利用昼光进行采光照明，可实现建筑的昼间照明，若利用

5、太阳能电池给蓄电池充电，则夜间也可实现照明，充分利用太阳能是照明技术发展的一种趋势。20世纪70年代能源危机后，能源和环境问题举世瞩目。从现在算起全球的化石燃料耗尽的时间平均不足100年，太阳能是最典型、能量最强的自然光源，但仅有很少一部分通过玻璃窗、天窗射入室内，大部分随着日月交替而白白流逝了。照明能耗是人类生活能源消耗中最多的一项，约占总能耗的9%以上。太阳能的开发利用一般有间接和直接间接两种途径，间接方法通过光电转换或光热转换，面临转换效率低、转换成本高的难题，直接利用是太阳能利用的新思路。国家游泳中心“水立方”采用的ETFE膜透光性非常好，为场馆带来了每天近9小时的自然光照射，节能30

6、% ,然而其使用范围有限。所以太阳能光纤照明系统采用光纤引导自然光照明，是充分利用太阳能照明最为新颖的途径，在节能型城市的建设中，必将受到国际建筑和照明界的高度重视。太阳能光纤导光照明系统不仅能够把清洁健康的阳光均匀导入室内，随意改变室内光线的整体和局部布局，代替白天的电力照明，大大节省电费开支，而且节能环保，足不出户便能充分地沐浴阳光。传统的太阳追踪光纤导光照明系统存在很多缺陷油于采光结构接受光照的面积较大，面积大小也易发生变化;清理和维护需要定期进行，自动维护效果较差;弦光和亮光差问题导致光照效果不好;传导系数较低，需要附加制冷或者采暖设备，增加了消耗;由于缺少调节光亮的装置，设备不能根据

7、光线的变化随时调整输出照明效果;此外防火、隔音和防水等性能方面也有很多不足。光纤导光照明因其独特的优势，更直接、更好的利用室外阳光的采集来对室内光线做出改善,光纤照明作为一种特殊的传导光能的形式，同时因其传光具有安全、可靠且是自然光等优点，近几年来在照明领域的应用越来越广泛。它可应用于体育馆、机场、火车站、地下车库、高湿度、高温度场所、水下或水池边、甚至有火险、爆炸性气体的场所等地，它是一个安全的光源。光纤照明与电照明相比，具有不可替代的优势。随着光纤导光照明技术的日趋完善以及计算程序和测试方法上的成熟，简化了光纤照明设备的安装。该照明方式的优点是很少受到环境的影响。因上述该照明系统的优点，必

8、然促使光纤照明的需求增加。通过跟踪器、控制器、聚光器以及室内的散光器等各种各样的部件可组装成一套完整的光纤导光照明系统。光纤照明不仅安全、环保、美观、价格低廉，而且给室内照明提供来自大自然的自然光线，非常具有研究价值。1.2国内外发展及研究现状日本日本是将太阳光用于室内照明作为研发对象最为活跃的国家之一。1979年8月laforet公司制造出第一个采集太阳光的照明系统“Himanwari”，即“向日葵。Himanwari采光器的核心组成为菲涅尔透镜、太阳跟踪装置及光缆,还包括照明灯具和供夜晚、阴雨天用的人工照明光源设备。控制程序中包含计时功能，能够根据年、月、日、时来判断太阳的位置，使透镜面向

9、太阳，光缆采用石英光纤，长度不能超过20m。美国20世纪90年代中期，美国便开始进行将太阳光用于照明的研究。大概在1995年，美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)发明了组合太阳光照明系统。这里的组合照明，就是以太阳光照明为主，不足之处再用电照明填补。美国的研发时间比日本滞后，但是经过美国政府尤其是能源部的大力支持及企业、院校、科研机构等的共同努力，该技术发展速度非常快。欧盟总部位于瑞士的巴士(Hcliobus)公司与俄罗斯Aizenberg教授共同研发的太阳光室内照明系统采用定日镜收集太阳光，然后用美国3M公司提供的棱镜光管把阳光导入室内，1

10、997年此系统荣获欧洲环保技术交易会颁发的欧洲环境奖。中国在我国，八、九十年代，就已经有一部分科研院所和企业着手研究此类自然光导光管(光纤)照明系统。目前主要用于住宅等小型室内照明，技术水平与国外相比还相对落后，应用仍处于试验阶段，2008年北京奥运会中心区地下车库安装的19套导光管系统，是我国将太阳光照明系统用于大型地下空间的首次尝试。1.3课题主要研究内容所介绍的太阳能光纤照明系统采用了双轴追踪方式，可实现对太阳方位进行大面积、快速准确追踪。论文包含的研究内容有：(1)对传统聚光装置的性能进行了研究，设计出了基于菲涅尔透镜结构的聚光装置，并确定其结构尺寸的具体参数。根据光纤导光特点，不同材

11、质光纤导光强弱，选择合适光纤(2)对太阳能光纤照明系统的太阳光自动跟踪装置的硬件进行了总体设计，并对各个功能模块电路进行分别设计。分析传统的跟踪装置的性能参数，比较其设计的优缺点，设计出成本低、实时性好、跟踪精确度极高的二维跟踪装置。（3）对论文提出的太阳能光纤照明系统的内容进行总结，并对该种照明方式进行展望。3第2章阳光光纤采集系统整体结构第2章阳光光纤采集系统整体结构2.1 系统组成光纤太阳光照明系统主要功用是利用聚光装置将太阳光采集汇聚后，利用专用的光耦合装置将高密度的汇聚太阳光束耦合进入传光光纤，最后经由漫散射装置将光散射后供人类直接使用。本系统主要组成部分有，太阳光聚光器、光纤与汇聚

12、光的耦合器、光纤传输、传输终端漫散射装置、自动跟踪驱动装置、控制器件、光电传感器件和系统的机械结构等组成。其中太阳光汇聚后与光纤的耦合效率问题、太阳光跟踪精度问题是整个系统中最为关键散射器图2-1系统结构示意图2.2 系统各部分工作原理对该种自动跟踪装置进行设计所依据的理论是：位于控制系统中的由光敏二极管和其他的一些电子元器件组成的信号检测电路检测到太阳光线不能很好地照射到聚光装置的采光面上的时候，控制系统就会向电机的驱动电路发送由脉冲信号组成的控制指令来控制电机的转动。转轴与大齿轮的位置是相对固定的，再加上电机直接驱动小齿轮转动，而小齿轮又直接带动大齿轮进行转动，因此当太阳入射光线与聚光装置

13、采光面发生偏离的时候，控制部分就会驱动电机并带动小齿轮进行转动，进而聚光装置也就跟随着电机的转动而转动。聚光器采用了菲涅尔透镜涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜透可以建造更大孔径的透镜，其特点是焦距短，且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小，和普通透镜相比，菲涅尔透镜更薄，因此可以传递更多的光，是一种较为理想的太阳能采集器。根据选取的菲涅尔透镜聚光器的特性设计使用于本系统的专用耦合透镜组。一般情况下大尺寸的汇聚镜都存在较大的球差，这就对汇聚光束很好的耦合入光纤带来了困难。本文中通过设计一组凹凸透镜组作为专用耦合器对聚光透镜进

14、行消球差调整，同时解决了光纤对汇聚光束提出的一些性能要求。通过耦合器的调整，太阳光与光纤的耦合效率得到了较大的提高。目前对太阳方位进行追踪的原理有两种：一种是根据太阳随着时间变化的运动轨迹进行追踪；另一种是利用光电传感器检测并对太阳方位进行追踪。跟踪方案的性能如何将直接决定着太阳光自动跟踪装置对太阳方位追踪效果的好坏。通过把上述的两种跟踪方案进行简单的分析和比较，根据其各自的优点，进而选择出最佳的跟踪方案。光电跟踪就是利用光电传感器和其他的一些电子器件组成太阳方位的信号检测电路，从而能够将由于太阳的方位变化和天气等因素变化引起的太阳光照强度的变化转换为输出的电压信号的变化。然后通过对电压信号的

15、变化进行分析、判断以及处理后，单片机芯片对步进电机的驱动电路输出由相应的脉冲信号组成的控制字以控制步进电机的转动，从而实现跟踪装置带动聚光装置对太阳方位的精确追踪以及聚光装置实时采集到最强烈的直射太阳光的目的。视日运动轨迹跟踪方式的设计原理是根据观测地点的地理位置和标准时间等数据信息，利用天文学公式，并借助于控制系统中程序运算的方式，提前算出太阳的高度角和方位角，然后驱动步进电机带动聚光装置转动并使聚光装置的轴线指向太阳，聚光装置的采光面与太阳的福射光线相垂直。光纤的传输效果也对整个系统的实际使用意义有很大的影响，当会聚光很好的耦合入光纤后，无论装置安装在建筑物的顶部或是安装在地表，都需要几米到几十米的光纤将汇聚的太阳光束传输到室内或者地下空间。这就需要对不同种类光纤的性能进行分析，针对本系统对光纤提出的性能要求进