摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1 论文的设计背景 1

1.2 论文研究的目的和意义 1

2 太阳能薄膜材料试验箱的方案设计 2

2.1 试验箱的功能简述 2

2.2 试验箱方案总体设计 2

3 太阳能薄膜材料试验箱装置的结构设计 4

3.1 转动平台及动画的设计 4

3.2 传动机构设计 6

3.3 试验台的线路连接 8

3.4惰性气体和密封设计 9

4 太阳能薄膜材料试验箱的舵机控制设计 10

4.1 舵机的控制原理 10

4.2 舵机电路设计 10

4.2.1 Protues介绍 10

4.2.2 舵机电路原理图 11

4.3 舵机程序设计 12

4.3.1 keil与C语言编程 12

4.3.2 舵机程序设计 13

4.3.3 舵机控制的仿真 14

5 太阳能薄膜材料试验箱温度控制设计 16

5.1 温度控制系统的主要电路元件 16

5.1.1 温度传感器 16

5.1.2 加热装置 16

5.1.3 LED显示器 17

5.2温度控制系统电路设计 18

5.3温度控制系统程序设计 19

5.3.1 温度控制系统程序原理 19

5.3.2温度控制系统子程序设计 21

5.3.3温度控制系统仿真 22

6 总结 24

参考文献 25

附录一：单片机控制舵机程序 26

附录二：温度控制程序 28

摘 要

太阳能，作为新世纪清洁能源中最被看好的一种，正在得到极其广泛的应用。为使光能转化为可供人类使用的能量，CZTS薄膜材料是一种具备良好前景的太阳能电池材料，其可通过X射线帮助进行光谱的分析。

本次设计发明了一种CZTS薄膜材料测量试验箱，这是一款针对辅助测量太阳能薄膜材料试品光谱的测量仪器，体积较小，可实现温度控制和保护气体填充的功能，这种试验箱可以通过较为简单的加热系统及传动系统以达到帮助测量薄膜材料光谱的目的。

本次设计的工作包括：

（1）针对太阳能薄膜材料的测量试验，给出相适应的试验箱设计方案。

（2）完成试验箱的箱体结构部分，包括箱身箱盖的结构、盛放材料的结构、通气口和相应的密封结构。

（3）基于单片机控制完成试验箱箱内相应机构的运动控制设计，利用protues软件对设计结果进行有效仿真。

（4）基于单片机控制完成试验箱内温度控制设计，包括温度检测、温度显示、加热温度范围控制，并利用protues软件对设计结果进行有效仿真。

关键词：太阳能薄膜材料；试验箱；温度控制；protues仿真

Abstract

Solar energy, as the new century clean energy in the most promising one, is getting a very wide range of applications. In order to convert light energy into energy for human use, the CZTS film material is a promising solar cell material that can be used for spectroscopic analysis by X-ray.

This design has developed a CZTS film measurement chamber, which is a measure of solar energy for the measurement of solar film materials, measuring instruments, smaller size. The chamber can achieve temperature control and protection of gas filling function, which The test chamber can be used to help measure the spectrum of the film material by means of a relatively simple heating system and transmission system.

The design work includes:

(1) given the appropriate test box design for the solar film material measurement test.

(2) to complete the box structure of the test chamber, including the structure of the box cover, filled with material structure, ventilation and the corresponding seal structure.

(3) Based on the single-chip control to complete the test box corresponding to the motion control design, the use of protues software on the design results for effective simulation.

(4) Based on the single-chip control to complete the test room temperature control design, including temperature detection, temperature display, heating temperature range control, and the use of protues software design results for effective simulation.

Key words: Solar thin film materials; test chamber; temperature control; proteus simulation

1 绪论

1.1 论文的设计背景

太阳能，作为近代起步不久的新生能源，在石油煤矿资源日渐稀少，环境变化越发恶劣的今天，受到了越来越多的关注。现代的太阳能电池技术可以利用太阳对地表的辐射，将其能量储存与电池之中，具有相当的便利性，效率性。研究组成太阳能电池的材料成为今天能源学科的重要话题。

太阳能薄膜材料Cu₂ZnSnS₄，简称CZTS，是一种常见的太阳能电池的薄膜材料。可用X光衍射，拉曼光谱仪，扫描电镜，能谱散射谱和紫外-可见光分读仪对其晶体结构进行表征。本设计将设计一种结构简便，价格低廉的测量箱，可以完成CZTS薄膜材料X射线衍射测量环节的装置。

此前国内外已经有了相对成熟的X光衍射仪测量装置，如荷兰的PANalytical 的锐影X光衍射仪测量装置、美国Innov-x的便携式X光衍射仪测量装置、国内的普析通用的自动X射线粉末衍射仪测量装置等等。此类装置价格昂贵，大都在50万人民币到200万人民币之间。功能齐全，制作精密。

本次设计将设计这些测量装置中盛放并测量CZTS材料光谱的试验箱体，以供材料研究人员或者是生产检测人员用于判断其CZTS材料或材料样品是否能够具有可利用的价值。

1.2 论文研究的目的和意义

本次设计的目的产品是CZTS薄膜材料X射线衍生测量试验箱，这是一款针对此太阳能薄膜材料试品的测量仪器，体积较小，可进行温度控制，且操作方便，成本便宜。

试验箱的设计对于CZTS薄膜材料的光谱测量有着重要的意义，它为该材料的重要测量环节提供了平台，为试验人员提供了有效安全的试验环境。

本次设计的意义是通过对太阳能薄膜材料试验箱的设计，使设计者进一步对自动化控制，机械工程的专业知识加深理解；对运用传感器、单片机、微机等工具在实际产品应用设计中的功能进行实践学习；对机械产品制造的环节所需的能力累积更多的技巧与经验；对计算机的工程设计软件的操作达到更熟练的运用。

2 太阳能薄膜材料试验箱的方案设计

2.1 试验箱的功能简述

本次设计的装置需要完成的总体功能是实现对CZTS材料的光谱测量，在测量的过程中，我们假设研究人员可以通过在装置外的手动操作，完成对装置内CZTS材料的测量。

CZTS材料的测量大致分为下面四步：测量准备阶段，研究人员需要将CZTS材料放置于箱内平台上，手动盖上箱体盖，打开X光衍射仪以及其数据读取装置。测量进行阶段，测量人员按下开始测量按钮，则测量开始，此时装置内部的加热装置缓缓加热，且中间平台开始转动，转动至45度夹角，使X光衍射仪所射出的光线能够顺利的反射至装置上方的光谱检测装置，与此同时，为了防止材料在高温的条件下发生氧化反应，故还需要向箱体内部输送惰性气体。测量冷却阶段：等待一小段时间，待检测装置顺利读取数据后，中间平台再转动至原位置。且此时加热装置停止加热，测量完备阶段：等待测量温度装置的LED灯显示温度安全时，测量人员即可拿出CZTS材料。至此，CZTS材料的测量完全结束。