自動轉(zhuǎn)向設(shè)計(jin)

1、基于51單片機實現(xiàn)的太陽能電池板轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計摘 要太陽能跟蹤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是針對太陽能空調(diào)、太陽能制氫、太陽輻照度測量、材料老化實驗、高效太陽能光伏發(fā)電、高效太陽能熱水器等需要對太陽進行實時跟蹤的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計的。太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計是綜合運用地理學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)，運動學(xué)、控制理論等學(xué)科體現(xiàn)，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點問題之一。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。所以實現(xiàn)對太陽全天候跟蹤，是提高對太陽能運用，利用率有重大意義。該太陽能跟蹤系統(tǒng)可以對太陽全方位跟蹤，具有兩個自由

2、度的跟蹤能力。經(jīng)過黑夜或陰天后，只要太陽一出即可跟蹤，工作可靠穩(wěn)定。該系統(tǒng)運用ATMEL公司AT89C52控制芯片，通過對運放器LM354N,LM358組成比較模塊對光敏電阻對光線的感應(yīng)強度和設(shè)定基準(zhǔn)電壓比較結(jié)果的檢測，并對檢測結(jié)果進行邏輯運算后，對負責(zé)方位角和高度角的步進電機進行控制，從而實現(xiàn)對太陽全方位跟蹤。1602液晶顯示模塊，顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)及時間。在該論文中詳細闡述了控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。該方法利用四個光敏三極管對當(dāng)前環(huán)境光線強度進行感應(yīng)，在不同強度亮度下，光敏三極管的阻值不一樣，所以比較器的正輸入電壓也不同。如果跟蹤板不是正對的太陽，那么四個光敏三極管的阻值也不一樣，

3、比較器正輸入的電壓也不一樣，如果正輸入電壓高于設(shè)定的基準(zhǔn)電壓，比較器將輸出一個信號給單片機，單片機根據(jù)比較器輸入的信號進行邏輯運算，然后控制相應(yīng)步進電機旋轉(zhuǎn)，直到四個光敏電阻感應(yīng)光線強度一樣。在接受控制電路中引入單片機，通過充分利用其軟、硬件資源，使系統(tǒng)具有優(yōu)異的智能性、可擴展性、可升級性和操作方便，為對太陽全天候跟蹤提供了合理、廉價的解決方案等特點。最后進行了系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，結(jié)果表明系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計合理可行，為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：光敏三極管 檢測元件 比較器模塊 單片機（AT89C52） 液晶顯示屏（1602）I河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）All-weather Solar

4、 Tracking SystemABSTRACTAll-weather solar tracking system for solar air conditioning、Solar hydrogen production、Solar irradiance measurements、materials aging test、solar photovoltaic、 solar water heaters and other high need for solar applications in real-time tracking designed.Solar Tracking System is

5、 a comprehensive application of physics, optics, kinematics, control theory and other disciplines reflected, is the current hot topic of research at home and abroad. Solar is an energy, is renewable energy. It is rich in resources, both free, then no transport, no pollution on the environment. To cr

6、eate a new human life forms, and human society into a era of energy conservation to reduce pollution. So, all-weather track to realize the sun is to improve the use of solar energy, utilization of great significance。The solar tracking system can be comprehensive tracking of the sun tracking capabili

7、ty, with two degrees of freedom. Through the night or cloudy days, the only one you can track the sun, reliable stability.ATMEL Corporation AT89C52 use of the system control chip, through the op amp device LM354N, LM358 module composed of relatively light on the photosensitive sensor resistance on t

8、he intensity and set the comparison reference voltage detection, and test results of logical operations, the responsible position angle and elevation angle of the stepping motor control, in order to achieve full-track the sun. 1602 LCD Module, Display System on the current work status and time. In t

9、he method described in detail the composition of the control system structure and working principle. The method uses nine photosensitive resistance on the current ambient light intensity sensor, at different intensity of light, the photosensitive resistor not the same, so the positive comparator inp

10、ut voltage is different. If the trackpad is not working on the sun, then the resistance of nine photosensitive not the same, the comparator input voltage is not the same, if the input voltage is higher than the set reference voltage, the comparator will output a signal to the SCM, SCM comparator inp

11、ut signal according to logical operations, and then control the corresponding stepper motor rotation, until 9 photosensitive resistance as light intensity sensor.In an interview with the introduction of single chip control circuit, by taking advantage of its software and hardware resources, the syst

12、em has superior intelligence, scalability, scalable and easy to operatly weather Genzong the sun provides a reasonable, affordable solutions characteristics.Finally, a joint trial, the results show that: the system software and hardware design is reasonably practicable, for the follow-up research fo

13、undation.Key words: Phototransistor Detection devices Comparator module Microcontroller (AT89C52) Liquid crystal display (1602)V目錄前言1第1章 總體概論21.1 太陽跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計思想21.1.1 檢測規(guī)劃21.1.2 定位21.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題21.3 研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題31.3.1 研究的目標(biāo)31.3.2 研究的關(guān)鍵問題41.4 論文結(jié)構(gòu)4第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計及元器件選擇52.1 元器件的選擇52.1.1 傳感器的選擇52.1.

14、2 主控芯片的選擇52.1.3 電機的選擇72.1.4 電機驅(qū)動的選擇72.1.5 LCD液晶顯示器的選擇72.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計8第3章 硬件設(shè)計103.1 主控芯片模塊103.1.1 控制器STC89C52的介紹103.1.2 89C52單片機的電源系統(tǒng)113.1.3 89C52單片機的儲存系統(tǒng)113.1.4 89C2051單片機的內(nèi)部I/O控制113.2 系統(tǒng)顯示模塊113.2.1 LCD1602顯示器特點113.2.2 1602標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口123.2.3 字符的顯示133.2.4 1602顯示電路143.3 電機驅(qū)動模塊163.3.1 步進電機的介紹163.3.2 步進電機控制原

15、理163.3.3 步進電機的特性163.3.4 步進電機驅(qū)動電路173.4 比較器及光線檢測模塊183.4.1 比較器設(shè)計183.4.2 光線檢測設(shè)計183.5 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計193.6 總體系統(tǒng)原理圖203.7 總體系統(tǒng)PCB版圖21第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計234.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計234.2 系統(tǒng)主流程圖24第5章 測試結(jié)果26參考文獻27致謝28附 錄29附錄一:太陽能跟蹤系統(tǒng)原理圖29附錄二：控制板PCB版圖30附錄三 源程序31外文文獻43（一）原文43（二）翻譯52前言燃燒煤炭，石油等能源不僅污染環(huán)境，而且它們屬于不可再生能源，照2003年的煤炭開采速度，中國的煤炭再開采80多年即

16、將枯竭。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。作為能源消耗大國，如何提高對太陽能利用率是解決能源危機的可行方法之一。設(shè)計一個對太陽實現(xiàn)跟蹤的系統(tǒng)，是提高太陽能利用率的一種有效方法。本設(shè)計是集機電、光學(xué)、計算機、控制理論為一體的，體現(xiàn)了電子信息專業(yè)多學(xué)科相結(jié)合，相互滲透的特點?？萍家匀藶楸荆菫槿祟惙?wù)的，本人設(shè)計的太陽能全天候跟蹤系統(tǒng)充分的體現(xiàn)了該特點，體現(xiàn)出人類與環(huán)境的和平相處，解決能源危機，造福于人類和社會，所以太陽能全天候跟蹤系統(tǒng)是值得研究和實際運用的。本裝置的研究成功，對創(chuàng)建能源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會具有較大的意義，也有較好的市場發(fā)

17、展前景本追日裝置是由AT89S52單片機、光敏三極管、和步進電機等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要組成模塊有主控模塊、光能檢測模塊和步進電機控制模塊。采用光電檢測追蹤模式實現(xiàn)對太陽的跟蹤。分別將兩組完全相同的光敏三極管分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處下方。在日照環(huán)境下，兩個光敏三極管接收到的光強度不相同時，通過運放比較電路將信號送給單片機，驅(qū)動步進電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電池板對太陽的跟蹤。本裝置具有高效、簡易的特點，能應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域，以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。本系統(tǒng)是將太陽能電池板一整塊從中間分成四塊，然后在分割線上插上3厘米的硬紙板，再在四小塊的太陽能電池板上安裝傳感器（盡量貼著紙板）組成的四鑒探測器，較

18、以往的單個光敏傳感器跟蹤或單筒光敏傳感器探測器，其跟蹤效果精確而又穩(wěn)定，曾強了其跟蹤的可靠性，蓄電電路、和供電電路都是基本的穩(wěn)壓電路。多傳感器設(shè)計思想解決了傳統(tǒng)的單個探測器一直存在的錯誤率高的問題，靈敏度低的缺點，增強了太陽能跟蹤系統(tǒng)的可靠性。第1章 總體概論太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。所以實現(xiàn)對太陽全天候跟蹤具有重大意義。1.1 太陽跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計思想1.1.1 檢測規(guī)劃檢測規(guī)劃是跟蹤系統(tǒng)的一個重要問題。它的目標(biāo)是在一個光亮強度差不多環(huán)境中，為跟蹤系統(tǒng)尋找

19、太陽的具體位置。一個重要的解決方法就是采用多元法三維，多元法三維就把檢測系統(tǒng)接受板分成四個單元，太陽光線從不同角照射到接受板，檢測元件感應(yīng)光線強度不同。當(dāng)考慮到元件誤差時，跟蹤系統(tǒng)與太陽實際位置可能會出現(xiàn)偏差。1.1.2 定位步進電機的步進角，是太陽跟蹤系統(tǒng)精確定位的一個基本問題，也可以說，太陽偏移一個微小的角度，步進轉(zhuǎn)動角度應(yīng)該比太陽偏移角度相等，這就要求步進電機的步進角要足夠小。1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題在太陽能跟蹤方面，我國在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器

20、16，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使效率進一步提高。2002年2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國內(nèi)近年來有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)，1994年太陽能雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器，完成了單向跟蹤。目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運動軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。 （一）光電追蹤。目前，國內(nèi)常

21、用的光電追蹤有重力式、電磁式和電動式。這些光電追蹤裝置利用光敏傳感器，如硅光電管進行太陽光的檢測。在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板。通過調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準(zhǔn)太陽、硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由伺服機構(gòu)調(diào)整角度使追蹤裝置對準(zhǔn)太陽完成追蹤。光電追蹤靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單；但受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照射到三極管上，導(dǎo)致追蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機構(gòu)的誤動。 （二）視日運動軌跡追蹤。視日運動軌跡系統(tǒng)根據(jù)追蹤系統(tǒng)的軸數(shù)，可分為單軸和雙軸兩

22、種。 （1）單軸追蹤。單軸追蹤一般采用：傾斜布置東西追蹤；焦線南北水平布置，東西追蹤；焦線東西水平布置，南北追蹤。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向追蹤。單軸追蹤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想。 （2）雙軸追蹤。如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠追蹤太陽就可以獲得最多的太陽能，全追蹤即雙軸就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計的。雙軸追蹤又可以分為兩種方式：極軸式全追蹤和高度角方位角式全追蹤。本系統(tǒng)采用光電追蹤以及雙軸追蹤相結(jié)合的方法，向大家呈現(xiàn)出成本更低的太陽自動追蹤裝置在大家面前。1.3 研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題1.3.1 研究的目

23、標(biāo)本裝置主要是利用單片機知識，設(shè)計一個太陽能跟蹤系統(tǒng)，其突破點在對太陽精確位置檢測的系統(tǒng)的設(shè)計、步進電機動作指令系統(tǒng)（與太陽同步偏移）的設(shè)計、實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)的設(shè)計。1.3.2 研究的關(guān)鍵問題本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路：(1)太陽高度角跟蹤的實現(xiàn)。(2)太陽方位角跟蹤的實現(xiàn)。(3)經(jīng)過陰雨天氣后，太陽一出來立即跟蹤的實現(xiàn)。(4)人性化界面的設(shè)計，分為人與單片機溝通和時間顯示程序。1.4 論文結(jié)構(gòu)第一章,緒論主要闡述了課題的研究背景、目的及意義，以及國內(nèi)外太陽能的利用現(xiàn)狀、太陽追蹤方式的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章,主要是對太陽自動追蹤系統(tǒng)進行元器件選擇以及總體方案設(shè)計，確定了系統(tǒng)的追

24、蹤方式。第三章, 自動跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),光電轉(zhuǎn)換器,單片機及其外圍電路,步進電動機以及驅(qū)動電路模塊設(shè)計。第四章, 系統(tǒng)軟件設(shè)計及流程圖。第五章, 測試結(jié)果。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計及元器件選擇2.1 各模塊元器件的選擇2.1.1 傳感器的選擇本系統(tǒng)的傳感器主要是檢測光照度，可考慮的傳感器如下列方案：方案一：光敏電阻。從光照特性來看，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特性變化不靈敏。方案二：硅光電池。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，根據(jù)硅光電池光照強度曲線特性可知：硅光電池的開路電壓或短路電流與光強呈很好的

25、線性關(guān)系。方案三：光敏二極管。光敏二極管具有單向?qū)щ娦裕瑹o光照時，有很小的暗電流，當(dāng)受到光照時，光電流隨射光強度的變化而變化。方案四：光敏三極管。光敏三極管靈敏度遠高于光電池,但受外界環(huán)境影響飄動比較嚴(yán)重,用兩個光敏三極管采集點光源兩側(cè)的光強差,可以有效消除外界環(huán)境光的干擾.光敏三極管接收面不僅小而且是一個有聚光功能的透鏡,更容易確定點光源的位置。用四個光敏三極管組成四象限感光面，上下左右各一個光敏三極管。在測試光敏電阻與硅光電池時，發(fā)現(xiàn)光源的距離限制了兩者的應(yīng)用范圍。當(dāng)距離比較大時，兩者的靈敏度大大降低。經(jīng)實踐測定，光敏二級管與光敏三極管滿足要求，但在反映速度，及變化的靈敏、快速性方面，光敏

26、三極管更勝一籌，因此傳感器選擇方案四。2.1.2 主控芯片的選擇根據(jù)本題的要求，整個系統(tǒng)中必須要有一個主控芯片來處理數(shù)據(jù)和控制操作，主要考慮以下兩種方案：方案一：MSP430F149系列單片機。MSP430有以下優(yōu)點：（1）低電源電壓范圍：1.8-3.6V。（2）超低功耗：擁有5種低功耗模式(LPM0-LPM4)。（3）靈活的時鐘使用模式。（4）高速的運算能力：16位RISC架構(gòu)，125ns指令周期。（5）豐富的功能模塊：這些功能模塊包括 A 多通道1014位AD轉(zhuǎn)換器；B 雙路12位DA轉(zhuǎn)換器；C 比較器；D 液晶驅(qū)動器；E 電源電壓檢測；F 串行口USART(UART/SPI）；G 硬件乘

27、法器；H 看門狗定時器，多個16位、8位定時器（可進行捕獲，比較，PWM輸出）；I DMA控制器。（6）FLASH存儲器：采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行；（7）MSP430芯片上包括JTAG接口：仿真調(diào)試通過一個簡單的JTAG接口轉(zhuǎn)換器就可以方便的實現(xiàn)如設(shè)置斷點、單步執(zhí)行、讀寫寄存器等調(diào)試；（8）快速靈活的變成方式：可通過JTAG和BSL兩種方式向CPU內(nèi)裝在程序。方案二：STC89C51系列作為光源跟蹤系統(tǒng)的主控芯片STC89C52單片機的特點：STC89C52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8k片內(nèi)程序存儲器（ROM）32個雙向輸入/輸

28、出(I/O)口、3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外，89C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)兩種封裝形式。對于一些不太復(fù)雜的控制電路，我們就可以增加少量元件來實現(xiàn)，例如，對溫度的控制，過壓的控制等。通過上面的比較本系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)比較簡單，所以選取STC系列89C52單片機作為控制器，所以選取方案二。2.1.3 電機的選擇本系統(tǒng)電機的

29、主要作用是調(diào)整電池板的方向，指向太陽，可選取的類型如下方案：方案一：步進電機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。每給一次脈沖信號，電機能夠轉(zhuǎn)過一個步距角。方案二：直流減速電機。此電機在正常通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡單方便。根據(jù)設(shè)計的要求可知，直流減速電機存在的明顯缺陷速度不容易控制，而步進電機的控制和實現(xiàn)是相對簡單一些。因而選用方案一。2.1.4 電機驅(qū)動的選擇本系統(tǒng)中選的是步進電機，步進電機驅(qū)動有一下三種方案可選擇：方案一：采用功率三極管作為功率放大器的控制步進電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強，

30、但是電路比較復(fù)雜。方案二：采用由達林頓晶體管陣列ULN2003。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。單驅(qū)動能力比較弱。方案三：采用恒壓橋式驅(qū)動芯片ULN2003。驅(qū)動能力強，電路簡單，使用方便。故選擇此方案。2.1.5 LCD液晶顯示器的選擇本系統(tǒng)LCD顯示器主要顯示的是傳感器檢測到的信號，可選用以下方案：LCD1602是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單

31、、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計方案1：不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽運行的位置變化都是可以預(yù)測的，通過數(shù)學(xué)上對太陽軌跡的預(yù)測可完成對日跟蹤。根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時間來確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理

32、、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。在設(shè)定跟蹤地點和基準(zhǔn)零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標(biāo)公式自動運算太陽的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動信號，實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復(fù)雜，計算量的增大會增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值做比較，因而為了達到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機械結(jié)

33、構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。同時，還要通過儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點處于地面水平面內(nèi)。方案2：系統(tǒng)總體構(gòu)成包括陰影法跟蹤太陽，單片機控制，步進電機、供電等幾個模塊。陰影法跟蹤太陽：本方案選擇的是將太陽能電池板一整塊從中間分成四塊，然后在分割線上插上3厘米的硬紙板，再在四小塊的太陽能電池板上安裝傳感器（盡量貼著紙板）組成的四鑒探測器，較以往的單個光敏傳感器跟蹤或單筒光敏傳感器探測器，其跟蹤效果精確而又穩(wěn)定，曾強了其跟蹤的可靠性，蓄電電路、和供電電路都是基本的穩(wěn)壓電路。多傳感器設(shè)計思想解決了傳統(tǒng)的單個探測器一

34、直存在的錯誤率高的問題，靈敏度低的缺點，增強了太陽能跟蹤系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)本次設(shè)計的要求，以及兩個方案的元器件對比，選擇方案2。系統(tǒng)總體硬件電路框圖如下： 圖1-1系統(tǒng)硬件方框本系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器、步進電機、89C51系列單片機以及相應(yīng)的外圍電路等。太陽能電池板有兩個自由度。控制機構(gòu)將分別對X、Y方向與Z方向進行調(diào)整。單片機加電復(fù)位后，X、Y方向?qū)⑻幱谛D(zhuǎn)狀態(tài)，單片機將對采樣進來的電壓信號進行判斷，電壓有增大和減小兩種可能，如電壓增大，則讓電池板正向轉(zhuǎn)動，一旦電壓減小，單片機將立即發(fā)出信號，讓電機反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電池板對太陽的跟蹤。本裝置主要是跟蹤太陽讓太陽能電池板與太陽保持垂直的，一旦太陽有偏移或

35、是突然變天（雷雨）情況時，與至相應(yīng)的四個探測器(四快太陽能電池板上各一個)根據(jù)分割板的陰影來判斷其太陽的方向，將四個傳感器檢測的信號傳給單片機，在進行比較，然后作出相應(yīng)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，電機就向太陽所在的方向轉(zhuǎn)去。若檢測到每個傳感器都是很暗的特征，并且持續(xù)一段時間則就啟動供電電路對用電器進行供電，反之當(dāng)四個傳感器檢測的結(jié)果差異很大就單開蓄電電路，關(guān)閉供電電路。第3章 硬件設(shè)計3.1 主控芯片模塊3.1.1 控制器STC89C52的介紹 89C52是一種小型單片機。其主要特點為：采用Flash儲存器技術(shù)，降低了制造成本；其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，其程序的電可擦特性，使得開發(fā)與試驗比較容易

36、。圖3-1 AT89C52引腳圖在引腳的驅(qū)動能力上，89C52具有很強的下拉能力。P1、P3的下拉能力均可達到20mA；相比之下，89C51的端口下拉能力最大只有15 mA，而且限定9腳電流之間要小于81 mA，這樣，引腳的平均電流只9 mA。89C52驅(qū)動能力的增強，使得它可以直接驅(qū)動LED數(shù)碼管。本系統(tǒng)的主要控制器件采用89C52單片機。在51系列的單片機中，目前很流行一種內(nèi)含flash程序存儲器的單片機。因為內(nèi)有flash程序存儲器，可以通過編程器十分方便的寫代碼或擦除代碼，擦除次數(shù)達10000次以上，而且還提供了禁止讀寫兩層保密技術(shù)，其空間大小從1KB到64KB不等，有的甚至更大。這種

37、芯片一般都提供了片上和在線修改的功能。該系列的芯片，創(chuàng)建的有138B或256B的片內(nèi)RAM，當(dāng)處理的數(shù)據(jù)不十分復(fù)雜時，一個芯片就組成了一個最小的單片機系統(tǒng)。89C5X型單片機既節(jié)省了數(shù)據(jù)線和存儲器等外圍器件，縮小了嵌如式系統(tǒng)的體積，又提高了工作的可靠性、開發(fā)的方便性和程序的保密性，其價格也便宜。基于以上原因和這次研究系統(tǒng)的實際情況，選擇該系列的89C52單片機作為全天候太陽能系統(tǒng)的核心控制器件。3.1.2 89C52單片機的電源系統(tǒng)89C52有很寬的工作電源電壓，當(dāng)工作在3V時，電流相當(dāng)于6V工作時的1/4。89C52工作于12MHZ時，動態(tài)電路為5.5mA，空閑態(tài)電流為1 mA，掉電狀態(tài)電流

38、僅為20nA。這樣小的功耗很適合電池供電的小型控制系統(tǒng)。3.1.3 89C52單片機的儲存系統(tǒng)89C52單片機內(nèi)含有4K字節(jié)的Flash程序存儲器，128字節(jié)的片內(nèi)RAM，與80C31內(nèi)部類似。由于52內(nèi)部設(shè)計全靜態(tài)工作，所以允許工作的時鐘為020MHZ，也就是說，允許在低速工作時，不破壞RAM內(nèi)容。相比之下，一般8031對最低工作時鐘限制為3.5MHZ，因為其內(nèi)部的RAM是動態(tài)刷新的。3.1.4 89C2051單片機的內(nèi)部I/O控制89C52有32個I/O線，在內(nèi)部I/O控制上繼承了MCS-31的特征：5路三級中斷源結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行口，3路16位定時器/計數(shù)器。3.2 系統(tǒng)顯示模塊3.2

39、.1 LCD1602顯示器特點LCD1602液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的顯示器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為顯示器件有以下幾個優(yōu)點：(1)顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。體積小、重量輕，液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子

40、狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。(2)功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。3.2.2 1602標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口LCD1602各個管腳符號及功能說明：3.2.3 字符的顯示用LCD顯示一個字符時比較復(fù)雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示

41、的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。本系統(tǒng)采用1602字符型液晶顯示器，圖3-2，圖3-3，表3-1分別是1602的實物，顯示地址，字符代碼與圖形對應(yīng)表。 圖3-2 液晶屏顯示圖3-3 1602LCD內(nèi)部顯示地址例如想要在LCD1602屏幕的第一行第一列顯示一個“A”字,就要向DDRAM的00H地址寫入“A”的代碼就行了。表3-1 字符代碼與圖形對應(yīng)圖 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，如下表所示

42、，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常 用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點 陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”3.2.4 1602顯示電路圖3-4 顯示電路1602 液晶的控制管腳都接到了單片機管腳上，在功能設(shè)置指令中可以將液晶設(shè)為8 位數(shù)據(jù)接口和4 位數(shù)據(jù)接口，圖中采用的是8位的數(shù)據(jù)接口，當(dāng)然也可以當(dāng)四位數(shù)據(jù)接口來用。液晶電源正端接5V，負端接地，背光正端接5V，負端接地。此外，液晶的偏壓管腳（VO）接到一個電位器的中間抽頭，電位器的兩端分別接5V 和地，這樣就可通過

43、調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)對1602 液晶對比度的調(diào)節(jié)。經(jīng)實驗測試， 1602 液晶的偏壓管腳的電壓調(diào)節(jié)到0.30.4V 時對比度效果最好，也可以將該管腳通過一個1k 的電阻下拉到地。3.3 電機驅(qū)動模塊3.3.1 步進電機的介紹直流電機是日常生活中廣泛使用的一個電氣產(chǎn)品，太陽能全天候跟蹤系統(tǒng)跟蹤太陽這樣的動作，需要能進行轉(zhuǎn)動控制和立刻停止控制的電路，實際中通常采用微控制器和專用IC芯片。單獨使用直流電機尚不能達到精確的定位控制，只有將它與旋轉(zhuǎn)編碼器組合起來，才能實現(xiàn)精確的位置控制和速度控制。步進電機是一種能夠根據(jù)脈沖（通常為方波）控制轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、并適合微控制器控制的電機。步進電機（也稱脈沖電機）是一種

44、跟蹤給定脈沖信號轉(zhuǎn)動的電機。因此，單純向它施加電壓是不會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動的。換句話說，要使它轉(zhuǎn)動必須借助控制電路，在這個控制電路中，往往需要微控制器或?qū)Ｓ眯酒２竭M電機能根據(jù)給定的脈沖信號實現(xiàn)精確的定位控制，而且即使在停止時也有制動轉(zhuǎn)矩，這些特性全天候跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動控制都是很有利的。由于全天候控制系統(tǒng)是隨的太陽轉(zhuǎn)動的，因為太陽離地球太遠了，在很短時間內(nèi)，檢測系統(tǒng)是感覺不到太陽在移動，需過一段時間才能感覺到太陽已經(jīng)偏移原來位置，所以要求電機隔一段時間轉(zhuǎn)一個角度后馬上停下來。綜合上面對直流和步進電機的性能等進行的比較分析，我選用步進電機。3.3.2 步進電機控制原理步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它

45、的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。3.3.3 步進電機的特性1.步距角步距角指每給一個電脈沖信號電機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。步進電機的步距角是由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和電機的相數(shù)所決定。典型的混合式步進電機是四相200步的電機，步距角為1.9。選擇步進電機時，步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。2.矩角特

46、性矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時通以直流電流時，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。3.響應(yīng)頻率在某一頻率范圍內(nèi)步進電機可以任意運行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用啟動頻率f作為衡量的指標(biāo)。它是指在一定負載下直接啟動而不失步的極限頻率，稱為極限啟動頻率或突跳頻率。3.3.4 步進電機驅(qū)動電路 圖4-1 步進電機驅(qū)動電路本設(shè)計選用ULN2003(國產(chǎn)型號為5G1413)是七路達林頓驅(qū)動器陣列，是個集電極開路(OC)輸出的反向器.最大驅(qū)動電流可以達到500mA。通常應(yīng)用時是把負載步進電機的一端接到VDD(12V)上，另一端接到輸出引腳上，如16腳。為了防止程序進入

47、死循環(huán)，其內(nèi)部的看門狗定時器監(jiān)控UP/UC的工作。如果在1.6s內(nèi)未檢測到其工作，內(nèi)部的定時器將使看門狗輸出WDO處于低電平狀態(tài)，WDO將保持低電平直到在WDI檢測到UP/UC的工作，將WR和WDO連接可使看門狗超時產(chǎn)生復(fù)位。本次設(shè)計采用兩片ULN2003分別驅(qū)動X、Y向的步進電機。3.4 比較器及光線檢測模塊3.4.1 比較器設(shè)計電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運算放大器。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系)： 當(dāng)”輸入端電壓高于”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平； 當(dāng)”輸入端電壓低于”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；電壓比

48、較器的作用：它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。利用簡單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。簡單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此人們就要對它進行改進。改進后的電壓比較器有：滯回比較器和窗口比較器。運放，是通過反饋回路和輸入回路的確定“運算參數(shù)”，比如放大倍數(shù)，反饋量可以是輸出的電流或電壓的部分或全部。而比較器則不需要反饋，直接比較兩個輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開關(guān)（高低電平）量。一般應(yīng)用中，有時也可以用線性運算放大器，在不加負反饋的情況下，構(gòu)成電壓比較器來使用。3

49、.4.2 光線檢測設(shè)計下圖中光電轉(zhuǎn)換電路是其中的一組，另一組電路與此相同。當(dāng)陽光正對太陽能板時，光敏三極管Q1、Q2都是高電阻， A、B兩點電壓相等。四運放LM124的輸出的電壓相同，單片機收到的信號差為零，所以單片機不控制電動機轉(zhuǎn)動。若陽光發(fā)生傾斜，使Ql被陽光射中呈低電阻，則A點電位比B點高。運算放大器U2A的作用是一個電壓跟隨器，起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，保持采樣信號的穩(wěn)定。U3A是減法器，其輸出為A與B的電壓差值。因為A與B的電壓差值可正可負，而單片機的輸入端不能為負的電壓值，所以U3A正的輸入端接了個偏置電壓電路，使U3的輸出始終為正值。圖3-1 光線檢測電路3.5 系統(tǒng)電源

50、模塊設(shè)計電源供給系統(tǒng)是為太陽跟蹤系統(tǒng)步進電機提供能源的裝置，而在本系統(tǒng)中既涉及到信號電信號，又涉及到功率電信號，為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常的工作，電源的設(shè)計部分也是一個關(guān)鍵要解決的問題。綜合電源的質(zhì)量、重量及價格等因素，選用220V TO 5V集成電源模塊組作為5V直流電源。為提高實驗的可靠性，應(yīng)采用盡量穩(wěn)定且方便的直流電壓，同時，我們知道將電容并聯(lián)于電路中能夠濾除交流信號。故如圖所示，在電源模塊的設(shè)計中直接通過USB輸入5V直流電壓，為單片機系統(tǒng)提供正常的工作電壓。D1作為保護二極管，當(dāng)電源接反時，電流將不能通過。同時使用100F和100nF并聯(lián)組成兩級濾波器進行濾波。其中采用容值較大的C1（

51、100F）電容濾除低頻，容值較小的C2（100nF）濾除高頻，以此抑制外部干擾。最后并上限流電阻和LED，LED作為電源工作指示燈。 圖3-1 電源電路圖3.6 總體系統(tǒng)原理圖本設(shè)計給出的基于單片機的太陽自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案,使用STC89C52單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，主要由電機驅(qū)動模塊，點光源檢測模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊等模塊組成。利用4路光敏三極管來檢測點光源的位置并將檢測到的信號經(jīng)過放大傳給控制器STC89C52單片機，經(jīng)過單片機的運算和處理來確定點光源的運動趨勢，并將運算的控制信號傳給兩個步進電機，使其跟隨點光源運動。當(dāng)水平方向上的光敏三極管測量數(shù)值相對接近，同時豎直方向上的光敏三極管

52、測量數(shù)值也相對接近時，電池板將精確的指向太陽。同時將步進電機的轉(zhuǎn)向及時間顯示在LCD液晶屏幕上。3.7 總體系統(tǒng)PCB版圖布線規(guī)則設(shè)置： 布線規(guī)則是設(shè)置布線的各個規(guī)范（象使用層面、各組線寬、過孔間距、布線的拓樸結(jié)構(gòu)等部分規(guī)則，可通過Design-Rules 的Menu 處從其它板導(dǎo)出后，再導(dǎo)入這塊板）。 選Design-Rules 一般需要重新設(shè)置以下幾點: 1、安全間距(Routing標(biāo)簽的Clearance Constraint) 它規(guī)定了板上不同網(wǎng)絡(luò)的走線焊盤過孔等之間必須保持的距離。一般板子可設(shè)為0.254mm，較空的板子可設(shè)為0.3mm，較密的貼片板子可設(shè)為0.2-0.22mm。0.

53、1mm 以下是絕對禁止的。 2、走線層面和方向（Routing標(biāo)簽的Routing Layers） 此處可設(shè)置使用的走線層和每層的主要走線方向。請注意貼片的單面板只用頂層，直插型的單面板只用底層，但是多層板的電源層不是在這里設(shè)置的（可以在Design-Layer Stack Manager中，點頂層或底層后，用Add Plane 添加，用鼠標(biāo)左鍵雙擊后設(shè)置，點中本層后用Delete 刪除），機械層也不是在這里設(shè)置的（可以在Design-Mechanical Layer 中選擇所要用到的機械層，并選擇是否可視和是否同時在單層顯示模式下顯示）。 3、過孔形狀（Routing標(biāo)簽的Routing V

54、ia Style） 它規(guī)定了手工和自動布線時自動產(chǎn)生的過孔的內(nèi)、外徑，均分為最小、最大和首選值，其中首選值是最重要的，下同。 4、走線線寬（Routing標(biāo)簽的Width Constraint） 它規(guī)定了手工和自動布線時走線的寬度。整個板范圍的首選項一般取0.2-0.6mm，另添加一些網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)組（Net Class）的線寬設(shè)置，如地線、+5 伏電源線、交流電源輸入線、功率輸出線和電源組等。網(wǎng)絡(luò)組可以事先在Design-Netlist Manager中定義好，地線一般可選1mm 寬度，各種電源線一般可選0.5-1mm 寬度，印板上線寬和電流的關(guān)系大約是每毫米線寬允許通過1安培的電流，具體可參看有關(guān)資料。當(dāng)線徑首選值太大使得SMD 焊盤在