单片机应用课-单片机应用课B组

自动追踪太阳能充电站教学目标：
1、了解能源的知识（概念及分类）；
2、了解各种充电站；
3、了解光线传感器的原理；
4、认识太阳能电池板，锂电池及电压比较器；
5、了解步进电机及其驱动。

教学内容：
1、各种充电站
电动公交车充电站太阳能充电站
电动汽车充电站太阳能公交车充电站
手机充电站加油站
2、能源
（1）定义
关于能源的定义，目前约有20种。

例
如：《科学技术百科全书》说：“能源是
可从其获得热、光和动力之类能量的资
源”；《大英百科全书》说：“能源是一
个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术
语，人类用适当的转换手段便可让它为自
己提供所需的能量”；《日本大百科全书》说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。

”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。

确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。

能源亦称能量资源或能源资源。

是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称。

是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源.
（2）分类
来源分类
①来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。

除直接辐射外，并为风能、水能、生物能和矿物能源等的产生提供基础。

人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。

正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。

煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。

它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。

此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。

②地球本身蕴藏的能量。

通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源，如原子核能、地热能等。

温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。

地球可分为地壳、地幔和地核三层，它是一个大热库。

地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几公里至70公里不等。

地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为2900公里。

火山爆发一般是这部分岩浆喷出。

地球内部为地核，地核中心温度为2000度。

可见，地球上的地热资源贮量也很大。

③地球和其他天体相互作用而产生的能量。

如潮汐能。

产生分类
有一次能源和二次能源。

前者即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。

后者指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。

一次能源又分为可再生能源（水能、风能及生物质能）和非再生能源（煤炭、石油、天然气、油页岩等），其中煤炭、石油和天然气三种能源是一次能源的核心，它们成为全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内；二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。

能源性质
有燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材）和非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）。

人类利用自己体力以外的能源是从用火开始的，最早的燃料是木材，以后用各种化石燃料，如煤炭、石油、天然气、泥炭等。

现正研究利用太阳能、地热能、风能、潮汐能等新能源。

当前化石燃料消耗量很大，而且地球上这些燃料的储量有限。

未来铀和钍将提供世界所需的大部分能量。

一旦控制核聚变的技术问题得到解决，人类实际上将获得无尽的能源。

污染分类
根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源，污染型能源包括煤炭、石油等，清洁型能源包括水力、电力、太阳能、风能以及核能等。

使用类型
又可分为常规能源和新型能源。

利用技术上成熟，使用比较普遍的能源叫做常规能源。

包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源。

新近利用或正在着手开发的能源叫做新型能源。

新型能源是相对于常规能源而言的，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能、氢能以及用于核能发电的核燃料等能源。

由于新能源的能量密度较小，或品位较低，或有间歇性，按已有的技术条件转换利用的经济性尚差，还处于研究、发展阶段，只能因地制宜地
开发和利用；但新能源大多数是再生能源。

资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源之一。

形态特征
或转换与应用的层次对它进行分类。

世界能源委员会推荐的能源类型分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。

其中，前三个类型统称化石燃料或化石能源。

已被人类认识的上述能源，在一定条件下可以转换为人们所需的某种形式的能量。

比如薪柴和煤炭，把它们加热到一定温度，它们能和空气中的氧气化合并放出大量的热能。

我们可以用热来取暖、做饭或制冷，也可以用热来产生蒸汽，用蒸汽推动汽轮机，使热能变成机械能；也可以用汽轮机带动发电机，使机械能变成电能；如果把电送到工厂、企业、机关、农牧林区和住户，它又可以转换成机械能、光能或热能。

商品和非商品
凡进入能源市场作为商品销售的如煤、石油、天然气和电等均为商品能源。

国际上的统计数字均限于商品能源。

非商品能源主要指薪柴和农作物残余（秸秆等）。

1975年，世界上的非商品能源约为0.6太瓦年，相当于6亿吨标准煤。

据估计，中国1979年的非商品能源约合2.9亿吨标准煤。

再生和非再生
人们对一次能源又进一步加以分类。

凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源，反之称为非再生能源。

风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等是非再生能源。

地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。

核能的新发展将使核燃料循环而具有增殖的性质。

核聚变的能比核裂变的能可高出 5～10倍，核聚变最合适的燃料重氢（氘）又大量地存在于海水中，可谓“取之不尽，用之不竭”。

核能是未来能源系统的支柱之一。

（3）下面列举一些常见的能源：
A、石油
石油是一种粘稠的、深褐色液体。

地壳上层部分地区有石油储存。

石油的成油机理有生物沉积变油和石化油两种学说，前者较广为接受，认为石油是古代海
洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成，属于生物沉积变油，不可再生；后者认为石油是由地壳内本身的碳生成，与生物无关，可再生。

石油主要被用来作为燃油和汽油，也是许多化学工业产品如溶液、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。

“石油”这个中文名称是由北宋大科学家沈括第一次命名的。

石油开采石油产品
B、煤炭
煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。

是一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成，俗称煤炭。

煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。

煤炭开采煤炭产品
C、太阳能
太阳能一般是指太阳光的辐射能量和热量，在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。

自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。

在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。

太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。

广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。

海洋太阳能太阳能
太阳能的优点：
（1）普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。

（2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

（3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

（4）长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

3、太阳能的应用
太阳能发电广泛用于太阳能路灯、太阳能杀虫灯、太阳能便携式系统，太阳能移动电源，太阳能应用产品，通讯电源，太阳能灯具，太阳能建筑等领域。

通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（<200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（>800℃）。

目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。

太阳能热水器太阳能电池板
太阳能房太阳能路灯
太阳能冷柜太阳能杀虫灯太阳能充电宝太阳灶
太阳能计算器太阳能报警器
4、光线传感器
光线传感器是由光敏电阻和相关电路组成，主要用来检测周围环境的光线的亮度，并将其处理成单片机可以识别的信号，在环
境光线亮度达不到设定阈值时，光线传感器则输出
高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，光
线传感器则输出低电平，进而达到由光线传感器来
控制电路的目的。

使用方法：
光敏电阻：感受光线强弱的关键器件。

数据接口：将当前光敏电阻感受的光线强度转化成电压值输出。

根据下图可以看出这个传感器输出信号和光线强度的关系是光线越强输出电压越高。

5、电压比较器
电压比较器，是比较两个电压值大小的器件，如果我们无法理解电压值大小的深层含义，那么我们就抽象的将两个电压值看做是两个数字，而电压比较器则是比较两个数值大小的器件。

小试牛刀1
利用光线传感器，电压比较器，CPU，直流马达等制作一个强光寻找装置。

将光线传感器装到小车的两侧，让小车向朝光线比较强的一侧转弯，直到两侧光线一样强时就停止运动，这时车头所指的方向就是光线最强的方向。

参考搭建图如左图图所示，参考程序如右图所示：
OUT1与OUT2将比较结果输
出，如果IN1>IN2则OUT1输
出YES信号，反之则OUT2
输出YES信号，如果IN1=IN2
则OUT1与OUT1都输出YES
信号
小试牛刀2
利用光线传感器、电压比较器、CPU、LED板、蜂鸣器等光控声光报警器。

要求：CPU左右两侧各安装一个光线传感器，再各安装一个LED板，然后再安装上蜂鸣器及电压比较器。

当左边的光线传感器感应到光时左边的LED板亮，当右边的光线传感器感应到光时右边的LED板亮，当两边同时感应到光时蜂鸣器响。

参考搭建图如左图所示，参考程序如右图所示：
6、步进电机驱动与步进电机
有一定基础的同学都知道单片机要想控制电机必须得有电机驱动，那么步进电机也不例外，但步进电机与以往的直流电机相比控制方法更为复杂，为了同学们使用方便我们利用一块特殊的步进电机驱动来驱动步进电机，这使得步进电机与你以往使用的直流电机毫无区别，这样我们就轻松的获得了步进电机速度恒定，运动精准，惯性小等诸多优点。

7、太阳能电池板
定义
太阳能电池板（Solar panel）是由一个或多个太阳能电池片组成成为太阳能电池板。

太阳能电池是具有把光转换成电特性的一种半导体器件，它可以把照射在其表面的太阳能辐射能转换成直流电，太阳能电池板是光伏发电系统/产品中的最基本的组件，也是太阳能光伏发电系统中的核心部分。

它的最大作用是将太阳能转化为电能贮存到蓄电池中。

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。

（1）单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被普遍地使用。

由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

（2）多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。

从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。

从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。

（3）非晶硅太阳能电池
非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。

但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

（4）多元化合物太阳电池
多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。

各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)
Cu(In, Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。

以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。

可以达到的光电转化率为18%，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），其光电转化效率比商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

结构组成
（1）钢化玻璃其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的， 1.透光率必须高（一般91%以上）；2.超白钢化处理。

（2）EVA 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片）以及粘结封装发电主体和背板，透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命。

（3）电池片主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片。

（4）背板作用，密封、绝缘、防水。

（5）铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用。

8、电池板
电池板的作用是充电和放电。

电池板上有一个开关，它的作用是后序的放电系统的开关。

在开关没有开的时候，电池板的主要作用是将太阳能电池板转换来的电能存储在锂电池中，此时该机器人不能自动追光。

打开开关时，电池板会放电，一方面供给步进电机，使机器人动作，并自动追光，另外一方面可以供给外部电源供电，比如给手机等设备充电。

9、锂电池
电池是一种能量转化与储存的装置它通过反应将化学能或物理能转化为电能。

电池即一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供能。

电池的种类很多，常用电池主要是干电池、蓄电池，以及体积小的微型电池。

此外，还有金属-空气电池、燃料电池以及其他能量转换电池如太阳电池、温差电池、核电池等。

电池型号一般分为：1、2、3、5、7号，其中5号和7号尤为常用，所谓的AA电池就是5号电池，而AAA电池就是7号电池。

还有一种型号表示方法，是五位数字，例如，14500，17490，26500，前两位数字是指池体直径，后三位数字是指池体高，例如14500就是指AA电池，即大约14mm直径，50mm高。

锂电池(Lithium battery)是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的电池。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。

锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。

锂电池通常有两种外型：圆柱型和方型。

电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。

正极包
括由钴酸锂(或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等)及铝箔组成的电流收集极。

负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。

电池内充有有机电解质溶液。

单节锂电池的电压为3.7V(磷酸亚铁锂正极的为3.2V)，电池容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。

锂电池工作原理
锂金属电池：
锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

放电反应：Li+MnO2=LiMnO2
锂离子电池：
锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
18650锂电池
18650的意思是，直径18毫米，长65毫米。

因其在工作中的稳定性能非常好，广泛应用于各大电子领域:常用于高档强光手电、随身电源, 无线数据传输器，电热保暖衣、鞋，便携式仪器仪表，便携式照明设备，便携式打印机,工业仪器,医疗仪器等。

10、充放电系统
充放电系统由太阳能电池板、电池板、电池盒以及锂电池等组成。

它们究竟是什么关系呢，见下图。

太阳能电池板是整个系统能量的来源，锂电池则是用来储存能量的，那么电池板是负责充电和放电的。

在整个系统中，太阳能电池板的电压时12V，锂电池充电所需的电压时8.4V，而电池板给控制系统供的的是５Ｖ，这里涉及到三种不同的电压，那么这之间的转换与控制都是由电池板来完成的。

11、整体系统
自动追踪太阳能充电站可以分为充电部分（见左图），和自动追踪部分（见右图）。

系统功能讲解：
自动追踪太阳能充电站的整体工作流程是这样的，太阳能电池板把太阳能转化成12Ｖ的直流电，电池板控制这个12Ｖ的直流电给8.4V的锂电池组充电，同时把充好的电转化成5Ｖ给自动追踪系统供电。

自动追踪系统的工作原理是比较分布在太阳能电池板两侧的光线强度，让比较结果控制步进电机转动，一直转到两边的光线强度相等，这时我们就认为太阳能电池板是正对着太阳的。

此时即可达到最佳的充电效率。

12、故障处理
1、不自动追光，检查插线，插线正确的话有可能是电池电量不足，此时可以关闭电源开关，并且手动调节至合适角度，只对电池充电。

2、绿灯闪，代表没有电池或是电池接触不良。

3、步进电机驱动发烫，检查运动机构是否卡住，如果没有可能是步进电机驱动坏了。

4、写下你遇到的实际问题，以及解决方案。

13、课后拓展
1、利用步进电机及其驱动还可以创意出哪些好玩的机器人？
可以将沿线走机器人进行改装，把两个红外线传感器连接到电压比较器上，然后再通过步进电机驱动带动步进电机旋转，步进电机下部和沿线走机器人相连。

2、利用太阳能电池板、步进电机及其驱动及光线传感器还可以创意出那些机器人？
可以制作太阳能坦克。

参考搭建图如下：
迷你冰箱
教学目标：
1、了解冰箱的历史；
2、了解冰箱的分类；
3、了解半导体制冷片；
4、认识半导体制冷片、温度传感器及电源管理板等；
5、了解各种迷你设备。

教学内容：
1、各种迷你设备
车载冰箱迷你洗衣机
迷你电视迷你电磁炉
2、冰箱的历史
冰箱，又称冰桶，由古时的“冰鉴”发展而来，功能明确，既能保存食品，又可散发冷气，使室内凉爽。

它是古代人的发明创造，向我们揭示了古代生活的一个侧面。

冰鉴，是古代盛冰的容器。

《周礼·天官·凌人》：“祭祀共（供）
冰鉴。

”可见周代当时已有原始的冰箱，只是冰并不是一年里时时都有，特别是在炎热的夏季，冰可谓弥足珍贵。

冰鉴冰鉴的组成
现在，传世的有不少清朝时期的这种木胎冰箱，它们多用红木、花梨、柏木等较为细腻的木料制成，箱桶和底座均有华美装饰，只有当时的大户人家才能用得起。

清乾隆时期的皇家御用冰箱（如右图所示），冰箱外框由掐丝珐琅制成，为夔龙纹和回纹图案；四面开光处为镂空鎏金宝相花花卉纹饰，左右两侧为衔环狮头铺首。

盖为木制，中间为金漆盘龙纹。

这件小型冰箱是皇帝贮藏食物之用，是清宫御用器物。

1923年，在遥远的北欧瑞典，
Baltzar von Platen和Carl Munters，这两
位来自斯德哥尔摩皇家技术学院的年轻工
程师，在毕业时提交了个举世瞩目的选题
——一台用热量制冷的制冷机，伴随着这
个作品的完成，世界上第一台单压吸收式
冰箱诞生了。

在冰箱的发展历史上，有一个人的名字不得不提，维尔纳·冯·西门子，由他一手创办的西门子股份公司创建于1847年。

在世界制冷技术的发展进程中，几乎每一个具有里程碑意义的进步，都有来自西门子的突破性贡献。

1930年，西门子生产出了第一台家用
电冰箱，也让普通的家庭用户意识到，冰
箱并非是食品制造商的专利，普通人也能
用它来储存食物。

1956年，北京的雪花冰箱厂自主研发了中国的第一台冰箱。

3、能量守恒定律
能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一，。