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论文范文基于AVR单片机的太阳辐射测量装置的研究

论文类型:论文范文
论文字数:
论点:辐照,太阳,测量
论文概述:

本文为单片机论文,主要论述课题的研究现状和发展趋势,太阳光辐照测量的原理与方法,光辐照测量装置硬件系统的设计,太阳光辐照量测量装置软件系统的设计。

论文正文:

第一章导言

 1.1 课题来源及其意义 1.1.1 能源短缺和太阳能利用能源是人类文明的基础,是人类社会生存与发展的重要物质基础。20 世纪以来,常规的化石能源在供给上的有限性和环保问题,给人类社会的发展带来持续压力。截止2006 年年底,世界煤炭探明剩余可采储量119. 091× 10吨,按目前的生产水平,可供开采147 年。与煤炭相比,世界常规石油和天然气资源相对较少,尽管每年新增探明储量仍在持续增长,但这无法掩盖日益凸显的能源危机。随着能源应用的日趋紧张,寻找并发展和利用可再生能源,有效改变人类的能源结构,维持人类社会的可持续发展,成为全世界共同面临的问题之一。在众多的诸如太阳能、风能、水能、地热能、海洋能等可再生能源中,太阳能的开发成本相对廉价且无污染,成为人们关注的焦点。如果将到达地球表面的太阳能收集用来发电,那么人类将获得取之不尽用之不竭的能源。据统计,太阳每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦,如果将到达地表太阳能的 0.1%转换为电能,转化率为 5%,人类每年发电量可以达到125. 6× 10千瓦小时,相当于目前世界总能耗的40 倍左右。因此,从长远来看,太阳能的利用前景不容忽视,潜力巨大。........ 1.2 课题的研究现状和发展趋势地球表面的太阳辐射是地球主要的能量来源,它决定了地球表面的气候状况,也为人类发展清洁能源、制造可控的光热能、光电能转换提供了直接能源。在地球表面进行太阳辐射测量,对于研究太阳辐射对地球生物的影响以及合理有效的利用太阳能具有十分重要的意义,因此日益受到人们的重视。目前,针对太阳辐射的测量,主要在大气光学、气象学和空气污染监测等领域下来研究。在这些领域,用于测量太阳辐射的仪器主要有直接辐射表、总辐射表、净辐射表等,较为常规的是测量直接辐照度的直接辐射表,即太阳辐射计。早在 1837 年,法国人 pouillet 就设计制造了第一台测量太阳辐射的仪器,由于设计简单,只能用于一些粗略测量。随着科技的发展,到 20 世纪 70 年代末,美国、意大利等国家都研制出了新一代的太阳辐射计,我国的许多大学和科研单位也在太阳辐射计的研究中取得了不小的成果。在文献中,详细对比分析了目前商用和科研中使用的多种功能各异的太阳辐射计,其中在国内具有代表意义的是我国安徽光学精密机械研究所设计研制的 DTF 系列太阳辐射计,其主要功能是测量直接太阳辐射和散射辐射的光谱特性。由于采用了多种新技术,仪器性能在国内领先,与欧美同类产品水平相当。文献[5]则介绍了一种安装在风云三号气象卫星上的太阳辐射监测仪,阐述了太阳辐射监测仪测量原理和测量流程,研究了卫星上太阳光扫过太阳辐射监测仪视场期间,太阳入射角的时间变化函数和在这种变角入射情况下辐射计接收腔的温度响应情况以及测量太阳辐照度的观测角变化修正问题。....... 第二章 太阳光辐照测量的原理与方法 2.1 太阳光辐照测量的基本概念 2.1.1 太阳辐射太阳能是由太阳的氢核在核聚变过程中产生的一种能量,太阳表面所释放出的能量约等同于 KW193. 8× 10的电力能源,这些能源只有约 70%到达地球,其余的 30%被反射回宇宙中。太阳光以电磁波辐射和粒子的形式到达地球表面,其波长范围在 300  1400nm,通常被称为短波电磁辐射,其中包含紫外光、可见光和红外光三大光谱区域。在大气层外,日地距离为一个天文单位时,单位时间内垂直于太阳辐射的单位面积上接收到的太阳辐射能约为21367W  /m,波动范围 ± 5%,这一值也被称为太阳常数。由于太阳辐射通过大气时各种粒子和气体的吸收与散射,到达地球的太阳光辐射值往往小于太阳常数。地球上某一点获得的太阳能量,一般包括两个部分:直接辐射和太阳光散射,二者之和称为全辐射,即总的太阳辐射。........ 2.2 太阳光辐照测量的原理与方法太阳光辐照测量的基本原理是将太阳辐射以最小的损失转换为其他便于计算和测量的能量形式,如热能或电能。利用太阳辐射产生的热量来计算太阳辐照量是测量太阳辐照的基本原理之一。该原理主要利用温差电效应,即用两块都安置热电偶材料做对比,一块接收太阳辐照,一块屏蔽并通电加热,在吸收率相同的情况下,当二者温差为零时,加热被屏蔽的材料所用的功率就是即时的太阳辐照功率。更为常见和被普遍利用的测量太阳辐射的原理则是采用基于光电效应的光电探测器将太阳辐射能量转换为电能。许多大中型太阳监测仪、太阳辐射计等测量仪器都基于这一原理。以积分法为例,该原理概括成公式表达:......... 第三章 光辐照测量装置硬件系统的设计 ................. 133.1 硬件总体设计方案...................... 133.2 光电传感器与前置放大电路................. 133.3 滤波调理电路......................... 193.4 AVR 单片机特性及其应用 ................... 213.5 A/D 转换电路 .......................... 233.6 液晶显示电路..................... 243.7 通信接口电路....................... 253.8 电源模块设计...................... 263.9 硬件抗干扰设计................. 283.10 本章小结..................... 29第四章 太阳光辐照量测量装置软件系统的设计 ............. 314.1 AVR 单片机软件开发平台介绍 ..............314.2 主程序的软件实现..........................324.3 各功能模块的程序设计........................334.4 本章小结....................38 第五章 RBF 神经网络的数据拟合及结果分析 5.1 神经网络人工神经网络的研究起源于上世纪 40 年代早期,之后经历兴起、萧条的多个阶段,自 20 世纪 80 年代中期以来,人工神经网络发展迅速,成为世界范围内的前沿研究领域。然而,目前为止,关于人工神经网络尚未有一个被大家普遍接受的严格的、统一的定义。美国神经网络学家 Hecht Nielsen 关于人工神经网络的定义是:“人工神经网络是由多个非常简单的处理单元彼此按照某种方式相互连接形成的计算机系统,该系统是靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信息的”[11]。简单说来,人工神经网络(Artificial Neural Networks,ANN)是人工神经元组成的模拟脑神经系统的结构和功能的数学算法模型。人工神经元是生物神经元抽象化后的模型,是网络中最基本的处理单元,模型示意图如图 5.1。它有三个基本的要素:一组连接权值、一个求和单元和一个激励函数。........ 第六章 结论 本文的研究从工程实际需要出发,对光伏利用领域的太阳光辐照能量测量技术及常用的太阳光辐照测量技术作了介绍,阐述了太阳光辐射测量的基本原理和方法,分别设计了一种太阳光辐照功率测量装置的硬件电路和软件,并给出了利用 RBF 神经网络对测量数据进行误差补偿和数据拟合的一种方法。主要完成的工作有:1、综述了太阳光辐照测量的重要意义,特别是在光伏利用领域——光伏发电数据采集监控和太阳能热风发电数据采集系统中的作用和意义,分析了太阳能光辐照测量的研究现状和发展方向。2、总结了太阳光辐照测量的基本原理和方法,给出一些基本的概念和定义,介绍了几种目前常用的测量太阳光辐射量的手段,并分析了各自的优缺点;提出了一种将辐照度测量转化为光照度测量的理论分析,从而简化了数据处理中的算法。3、设计了太阳光辐照量测量装置的硬件电路;细致研究了电路中各部分的设计方法和器件选用原则,着重介绍了光电转换电路的器件选用和设计原理;设计了简洁有效的光电转换、滤波放大、液晶显示、串行通信各部分电路。4、在 AVR Studio 平台下设计了各功能模块的软件程序;利用 JTAG 串行接口完成了软件的调试。5、给出了一种利用 RBF 神经网络拟合实测数据和标准数据的方法;设计了一种单输入单输出、单隐层结构的 RBF 神经网络模型,完成了网络的训练和测试,对比了三种数据:实测数据、仿真数据和标准数据的误差,给出了合理的分析。本文对太阳光辐照测量装置的研究,尽管取得了一些进展,但是仍然有许多工作有待进一步研究:1、在硬件电路的设计中,可以选择精度更高的独立 A/D 芯片,提高 A/D 转换的精度;主处理器可以选择仪表专用式的嵌入式处理器,增强数据的运算能力,优化算法。2、限于太阳光辐照测量装置的电源续航能力,本研究中对神经网络训练样本的采集有所不足。通过改进电源的性能,以适合长时间的室外工作环境,采集更多更精确的训练样本,优化 RBF 神经网络,得到更加理想的数据拟合结果。参考文献(略)