畢業(yè)論文80472

1、.畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文（2009屆）設(shè)計（論文）題目 太陽能電池板追日裝置的研制 學(xué)院名稱 機械與汽車工程學(xué)院 專 業(yè) （班 級） 機械設(shè)計制造及其自動化 05-6班 姓 名 （學(xué) 號） 趙 亮 （20050499） 指 導(dǎo) 教 師 劉 征 宇 系（教研室）負責(zé)人 曾 億 山 宋 守 許 目 錄中文摘要1Abstract21 引 言32系統(tǒng)總體方案設(shè)計62.1系統(tǒng)組成72.2本課題方案選擇73 電動機的選型84 檢測電路設(shè)計114.1檢測方案選擇114.2 檢測電路設(shè)計135 控制單元的設(shè)計145.1 CPU的選擇155.2 時鐘電路的設(shè)計175.3 數(shù)碼管與單片機的連接195.4 電動機接

2、口電路及驅(qū)動器205.5 步進電動機的驅(qū)動21結(jié) 論22謝 辭23參 考 文 獻24附錄1 系統(tǒng)電氣原理圖24太陽能電池板追日裝置的研制摘要:以單片機的控制處理為核心, 利用由光敏電阻二極管組成的檢測電路和步進電動機的驅(qū)動放大電路以及機電傳動機構(gòu)， 構(gòu)建了一個在方位角和高度角都能自動調(diào)節(jié)的雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)。這是一套自動使太陽能電池板保持與太陽光垂直的自動跟蹤系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理以及元器件的選擇。在任何天氣里面都能很好的檢測追蹤太陽的位置，控制精度高，具有廣泛的應(yīng)用潛力。實現(xiàn)了追蹤太陽的效果，達到提高發(fā)電效率的目的。關(guān)鍵詞：太陽跟蹤；光電檢測；自動定位；單片機Abstract :

3、 Using Single-chip microcomputer as the core of the control processing, containing the diode resistance from the photosensitive composition of the detection circuit and the stepper motor driver amplifier circuit, as well as mechanical and electrical transmission, a biaxial mechanical positioning tra

4、cking system which azimuth and elevation angle can be adjusted automatically is build. This is a set of solar panels tracking with the vertical rays of the sun automatically. It introduces the system structure and working principle as well as the choice of components. It can test and track the locat

5、ion of the sun correctly in any kind of weather with high precision in control. It has wide range of potential applications. It Achieves the effect of tracking the sun and realize the purpose of power generation efficiency.Keywords ：sun tracking; photo-electric detection; automatical positioning; si

6、ngle - chip microcomputer 1 引 言1.1太陽能應(yīng)用情況1.1.1能源與環(huán)保隨著時代的前進，人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時人類社會的負擔(dān)和責(zé)任也隨之增加。能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，社會經(jīng)濟發(fā)展得越快，人類對能源的需求就越大，利用能源時可能對環(huán)境造成較大程度的破壞。目前世界的主要能源是由吸收太陽能的植物經(jīng)億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等。正是由于上述原因，世界能源問題日益嚴峻，表現(xiàn)在如下方面:（1）能源短缺世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計近10 年內(nèi)化石燃料(煤、石油與天然氣等)能量消耗增加了近20倍，預(yù)計今后十年化石燃

7、料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲量只能用到2050年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。（2）環(huán)境污染由于燃燒 煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土。（3）溫室效應(yīng)化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化。這一問題己提到全球的議事日程，有關(guān)國際組織己召開多次會議，限制各國COZ等溫室氣體的排放量。能源問題關(guān)系到經(jīng)濟是否能夠可持續(xù)發(fā)展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的極大關(guān)注?，F(xiàn)在人們常用的一次能源有煤炭，石油，原子能

8、等。占人們能源消費的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。據(jù)有關(guān)資料顯示:石油儲量的綜合估算，可支配的化學(xué)能源的極限大約為1180一1510億噸，以1995年世界石油的年開采量32億噸計算，石油儲量大約在2050年左右宣告枯竭;天然氣儲備估計立方米，年開采量維持在2300兆立方米，將在57一65年內(nèi)枯竭;煤的儲量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為3億噸，可以供應(yīng)169年;鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期，核聚變在2050年前沒有實現(xiàn)的希望。能源短缺 的形勢很嚴峻，當(dāng)前世界多數(shù)國家對能源問題都很重視。

9、新能源技術(shù)及節(jié)能技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。太陽能、綠色生物能、燃料電池、海洋能等新能源的研究與應(yīng)用為人們描繪出希望。其中太陽能應(yīng)用技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在全世界蓬勃發(fā)展，使人們在能源危機的焦慮中，感到不少欣慰。太陽能的特點與優(yōu)勢太陽是個巨大的能源。地球上絕大部分能源歸根究底是來自太陽的。煤炭、石油都是古時候由動物或植物存儲下來的太陽能。太陽每秒鐘發(fā)出的能量有3名65xl護6J，相當(dāng)于每秒鐘燃燒1.犯x1016t標準煤所發(fā)出的能量。太陽是以輻射的方式向四周傳播它的能量的。太陽發(fā)出的能量中約有2億分之一到達地球約是球1.73x1014kw。這些能量經(jīng)過地球大氣層的吸收與反射，最終到達地球表面的約有81

10、xl013kw。全世界人們一年所用的各種能量之和也只有到達地球表面的太陽能的數(shù)萬分之一，利用太陽能的潛力是十分巨大的。太陽輻射能的強度用太陽常數(shù)表示。在地球大氣層的上界，在平均日地距離時，在垂直于太陽光的方向上，在單位時間和單位面積內(nèi)，太陽輻射能有一個比較恒定的數(shù)值，這個數(shù)值就叫太陽常數(shù)，它的值大約是1367土7w加2。太陽輻射能與煤炭、石油、核能相比較，有如下的優(yōu)點:（1）普遍性 。地球上處處都有太陽能，不需要到處去尋找，去運輸。（2）無害性。利用太陽能作為能源，沒有廢渣，廢料，廢氣，廢水的排放，沒有噪聲，不會污染環(huán)境，沒有公害。（3）長久性 。只要有太陽，就有太陽能，因此太陽能可以說是取之

11、不盡，用之不絕。（4）巨大性。一年內(nèi)到達地面的太陽輻射能總量要比現(xiàn)在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬倍。因此 ，太陽能是理想的替代能源之一，太陽能的開發(fā)利用是解決能源短缺問題、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。我國太陽能產(chǎn)業(yè)所存在的問題我國太陽能資源十分豐富，但就目前來看，國內(nèi)太陽能的利用還是遠遠不夠的。這主要是由于太陽能資源自身存在一些缺點:太陽光的密度低、照射間歇性、空間分布不斷變化。因為這些缺點，使得單位時間內(nèi)單位面積上太陽光接收器接收到的能量相對較少(能量密度低)。1.2 太陽能跟蹤技術(shù) 太陽能跟蹤的產(chǎn)生根據(jù)太陽能利用的現(xiàn)狀有人提出通過加入跟蹤裝置來提高太陽能的利用率:不管哪種太陽能利用設(shè)

12、備，如果將其太陽光接收裝置始終保持與太陽光垂直，就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能(接收更多的直射太陽輻射)。如果利用跟蹤裝置使受光面始終與太陽光線相垂直，從日出到日落跟蹤太陽，就能收集到更多的太陽輻射，進一步充分利用太陽能。就民用太陽能屋頂發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀而言，目前一直沒有一種廉價高精的跟蹤裝置，導(dǎo)致這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。如果開發(fā)出跟蹤效果較好的太陽能電池自動跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終對著太陽，保持最大的發(fā)電效率，就能大大推動太陽能電力系統(tǒng)的發(fā)展。這時候太陽能跟蹤技術(shù)應(yīng)運而生，即利用某種技術(shù)手段實現(xiàn)了對太陽跟蹤以獲得更多的光能，達到提高太陽能利用效率的目的。 本課題的研究內(nèi)容我的課題是關(guān)于太

13、陽能追日裝置的研制。其主要內(nèi)容是通過某些技術(shù)手段來實現(xiàn)對太陽的跟蹤，進而提高太陽能的利用效率。 太陽能跟蹤目前存在的問題綜上所述 ，現(xiàn)存的跟蹤裝置，用于觀測太陽活動的裝置雖然跟蹤準確但價格昂貴;其它類型的跟蹤裝置普遍存在的問題是精度較差，其中，壓差式和控放式太陽跟蹤器原理結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;時鐘式和程序控制式的跟蹤裝置存在著累計誤差且不能自動消除光電式跟蹤裝置跟蹤比較精確，原理簡單，容易實現(xiàn)，但是不能連續(xù)對太陽運動進行跟蹤。因此，設(shè)計一種新的太陽跟蹤裝置，使之具有跟蹤范圍廣，精度高，原理結(jié)構(gòu)簡單方便的特點，并盡快將這一技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力、形成高技術(shù)含量的產(chǎn)品，能夠推動太陽能的普及利用，拓寬太陽能的利用領(lǐng)

14、域。1.2.4 本課題的經(jīng)濟性分析太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽能設(shè)備，如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等，但對太陽能的利用還遠遠不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽能設(shè)備而言，如何最大限度的提高太陽能的利用率，仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手，一是提高太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高設(shè)備的能量接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽光線自動跟蹤裝置為解決這一問題提供了可能。不管哪種太陽能設(shè)備，如果它的能量轉(zhuǎn)換部分能始終保持與

15、太陽光垂直就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能。但是太陽每時每刻都是在運動著，能量轉(zhuǎn)換部分若想始終保持與太陽光線垂直，就必須要跟蹤太陽.跟蹤與非跟蹤，太陽能設(shè)備能量的接收率相差37.7%。精確的跟蹤太陽可使太陽能設(shè)備的能量利用率大大提高，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域.圖1.1 跟蹤模式與非跟蹤模式光強的對比 圖1.1 很直觀的說明了跟蹤與非跟蹤所產(chǎn)生的太陽能的利用差別,跟蹤能使電池更好的更多的接受太陽的直接照射,能產(chǎn)生更多的電量,同時也提高了該系統(tǒng)的應(yīng)用價值。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計本課題的研究目的在于如何讓太陽能電池板獲得更多的能量接受更多的光照,更高效率的利用太陽能。分析可知，本設(shè)計大概分為兩部分

16、控制電路設(shè)計，檢測電路的設(shè)計和電機選型等三個模塊。2.1系統(tǒng)組成傳感器微處理器機械傳動機構(gòu)電機驅(qū)動放大電路 太陽能電池板圖2.1 光線自動跟蹤系統(tǒng)如上圖所示,該系統(tǒng)主要由光敏電阻傳感器、微處理器、電機驅(qū)動電路、電機和機械傳動機構(gòu) 5 部分組成。光傳感器采集水平和垂直方向的光強度信號。微處理器采用單片機控制,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理以及電機的驅(qū)動控制。驅(qū)動部分采用了電機驅(qū)動芯片,提高了驅(qū)動能力和精確度,簡化了系統(tǒng)。2.2本課題方案選擇選擇根據(jù)設(shè)計方案的不同，可以有三種方案：方案一; 與最先想到的方案就是做一個類似衛(wèi)星上電池板的裝置,帶有自動追日的效果.就是它能根據(jù)太陽光的強弱自動調(diào)節(jié)水平和垂直的方向

17、來保證太陽能電池板有最大的受光面積。方案二：做一個單片機控制步進電機的控制旋轉(zhuǎn)裝置上裝一個電池板人工設(shè)定好角度和開始旋轉(zhuǎn)時間。這是個開環(huán)控制。方案三:利用光敏電阻和單片機等元件來調(diào)節(jié)太陽能電池板的旋轉(zhuǎn)。相對于電池板東西方向轉(zhuǎn)動追日的調(diào)節(jié)來說電池板的高度調(diào)節(jié)對發(fā)電的影響小,但是也會影響到,所以方案3就是一個雙軸的太陽能追日裝置。三種方案的比較：第一種方案很能鍛煉我的設(shè)計制作能力與動手能力，但實施起來特別困難。首先是技術(shù)上的不足，也就是自己的能力有限，類似衛(wèi)星的裝置過于復(fù)雜，自己的時間又是有限的，所以放棄了方案1。對于方案二，我覺得可行 ，實施簡便，是一個非常典型的開環(huán)控制，而且需要人工來調(diào)節(jié)，不

18、過它不能根據(jù)晴天陰天調(diào)節(jié)自己的位置，只是周而復(fù)始的轉(zhuǎn)動，而且也不能在高度角上進行調(diào)節(jié)。我個人最喜歡方案三和方案一比較它簡單而且實用;和方案二比較它有反饋電路,控制系統(tǒng)。綜上所述我選擇方案三。它既簡單，又能根據(jù)陽光的強度進行高度角和位置上的調(diào)節(jié)。圖2.2 機械部分成型示意圖 圖2.2 是機械部分的成型示意圖，步進電動機直接帶動回轉(zhuǎn)裝置進而直接進行左右方向的調(diào)節(jié)，通過電動推桿來控制上下方向的調(diào)節(jié)的。電池板的重量為31kg，上支架為6kg，支架為23kg，電動推桿11kg，回轉(zhuǎn)裝置52kg。3 電動機的選型本太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)求能夠比較準確的跟蹤太陽位置,因此要求驅(qū)動電機能夠準確的把電信號轉(zhuǎn)

19、化為電機軸上的角位移。能夠滿足此要求的驅(qū)動電機有伺服電機和步進電機兩種。步進電機能夠根據(jù)經(jīng)過單片機處理的的電信號進行電機軸角位移的調(diào)整，控制較為簡單;另外，步進電機價格低廉，性能可靠。本太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)要求設(shè)計簡潔有效、性價比高，因此在本課題中選用了步進電機做為驅(qū)動源。3.1選擇步進電動機的原因步進電機又稱為脈沖電動機,是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。步進電動機的移量或者線位移量與脈沖數(shù)k成正比;它的轉(zhuǎn)速n，或者線速度v與脈沖頻率f成正比。在負載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負載大

20、小、環(huán)境條件的波動而變化.因而可適用于本系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡化。步進電動機可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速;能夠快速反轉(zhuǎn)和制動，很適合采用微型計算機控制。步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機,即給一個脈沖信號，步動機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此作常適合于單片機控制。步進電動機有如下特點:(1)1步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比,因此,當(dāng)它轉(zhuǎn)一周后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。(2)步進電動機與驅(qū)動電路組成的數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽?。同時也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。(3)步進電動機進的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。(4)速度可在相當(dāng)寬

21、的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。低速下仍能保證獲很大的轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。3.2步進電機的確定按勵磁方式分類，步進電動機可分為3大類。(1)反應(yīng)式步進電動機(簡稱VR)反應(yīng)式步進電動機又稱為磁阻式步進電動機。它的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差.(2)永磁式步進電功機(簡稱PM)永磁式步進電動機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的.轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負脈沖信號。(3)混合式步進電動機(簡稱HB)混合式步進電動機也稱為感應(yīng)式步進電動機。它綜合了反

22、應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小。在本設(shè)計中，考慮到驅(qū)動電機帶動的負載較大，故選用了兩相混合式步進電機做為系統(tǒng)驅(qū)動源。本設(shè)計選的是北京捷科利達機電設(shè)備有限公司提供的85BYGH450A混合型步進電動機，技術(shù)參數(shù)如表3.1所示。表3.1 所選步進電機的參數(shù)電池板的一些參數(shù)以及見上圖3,根據(jù)質(zhì)量來估算所需要的功率大概是150W我們必須選擇一個放大電路,以達到節(jié)能和驅(qū)動的要求.所選放大電路如下圖所示經(jīng)過計算可得該電路的放大倍數(shù)是20，所以電機的輸出功率是2.24*4*20=160W大于150W的要求，而該模型的發(fā)電功率大概是350W，我們計算可得需要的驅(qū)動電機的功率遠遠小

23、于發(fā)電產(chǎn)生的功率，所以該裝置有實際的效益，設(shè)計合理，可以進行生產(chǎn)。圖4是本設(shè)計所需要的功率放大電路，它放大的倍數(shù)A=1+R3/R2,下面進行簡單說明。圖3.1 功率放大電路4 檢測電路設(shè)計4.1檢測方案選擇太陽的方位隨著觀測位置和觀測時間的不同而不同, 因此, 欲跟蹤太陽就必須先對太陽進行檢測定位對于如何定位太陽的精確位置以獲得最大的光照我們有以下3種方案:方案1：圖4.1是太陽光電定位裝置中光電檢測電路的俯視圖, 共由5個光電三極管組成正中央個, 旁邊個圍成一圈將此檢測板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住, 圓柱體的直徑略大于檢測板的外圓圓柱體的上方中央開一個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞,

24、 以便光線通過將整個光電檢測裝置安裝在太陽能圈光電檢測管排列光電池板上, 光電二極管的檢測面與電池板平行在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方確保會受到光線的照射也安裝一個光電二極管, 其朝向與圓柱體內(nèi)的光電二極管朝向相同, 用于檢測環(huán)境亮度, 并與圓柱體內(nèi)的每個光電二級管及運放可用集成電路中的一個構(gòu)成一個比較電路, 如圖4.2, 適當(dāng)調(diào)整圖中電阻的阻值, 這樣當(dāng)圓柱體內(nèi)的光電二極管沒有受光線照射時, 運放將輸出低電平此電平可接到的輸人端進行檢測, 圓柱體內(nèi)的每個光電二級管各用一個單片機的輸人端, 共個這樣就可以檢測太陽光線的朝向,來決定哪個電機轉(zhuǎn)動, 向哪個方向轉(zhuǎn)動另外, 為了增大光電二極管的檢

25、測范圍, 視實際情況需要, 也可再增加一圈緊密排列的光電二極管, 外圈的光電二極管與內(nèi)圈的相應(yīng)位置的光電二極管并聯(lián)。圖4.1 光電檢測管的排列圖4.2 光電檢測電路方案2：圖像傳感器的太陽方位檢測系統(tǒng)太陽光線經(jīng)過成像機構(gòu)（一次傳感器）在半透明的接收屏上投影為光斑，接收屏下方的CMOS圖像傳感器OV7620（二次傳感器）對接收屏圖像進行光電轉(zhuǎn)換、放大、 A/D轉(zhuǎn)換，最后輸出數(shù)字圖像信號。DSPTMS320LF2407A完成數(shù)字圖像信號的存儲和處理，提取光斑的亮度特征，測定光斑中心對接收屏的高度角與、方位角從而得到太陽的高度角和方位角并在LED數(shù)碼管上顯示。圖4.3 系統(tǒng)原理框圖方案3:利用太陽

26、高度角和方位角的數(shù)學(xué)模型，就可以在固定緯度，固定時段計算出太陽在此條件下的方位。從而可以通過控制使光伏系統(tǒng)朝向太陽位置對其進行有效跟蹤，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率.計算太陽高度角的表達式為sin h =sin a*sin b+cos a*cos b*cos w式中，a為地理緯度，度;b為太陽赤緯，度;w為太陽時角，度。太陽方位角的計算公式為sin x=cos b*sin w/cos h反復(fù)比較這三種方案,第三種麻煩而且是開環(huán)控制還不能在陰雨天用所以先放棄第三種方案,對于方案二,可行性雖然比較好,但是圖像處理技術(shù)我沒有接觸過,所以選擇方案一.它不僅方法簡單而且易于實現(xiàn)光電檢測的要求,而且對光強的檢測精度

27、很高,還比較容易接受。4.2 檢測電路設(shè)計 檢測電路的連接圖如下圖所示，當(dāng)圖中圓柱體中的光敏二極管接受到光照時，都與在外面的的光敏二極管1所產(chǎn)生的電壓信號做出比較，產(chǎn)生高電平或者低電平，輸入到單片機的P0口，通過單片機中程序的處理后，發(fā)出控制步進電動機的脈沖信號，來控制步進電動機調(diào)節(jié)電池板的轉(zhuǎn)動方向，以達到電池板始終處于能接受到最大的光照的位置即保持太陽能電池板始終與最強光照的方向垂直。檢測電路采用光電二級管及運放此處采用LM324集成電路中的一個，LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點。圖4.

28、4 檢測電路圖5 控制單元的設(shè)計控制單元主要包括單片機的選擇，時鐘電路的設(shè)計，數(shù)碼管與單片機的連接，電動機的控制電路的選擇。5.1 CPU的選擇 目前市場上的單片機從數(shù)據(jù)總線寬度上來分主要有8位機、16位機、32位機，其中的32位單片機近年來在信號分析與處理、語音處理、數(shù)字圖象處理等數(shù)字信號處理運用領(lǐng)域得到廣泛的運用，但在工業(yè)測控現(xiàn)場，占主導(dǎo)地位的還是8位機和16位機，對本課題運用單片機的主要目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、步進電機的控制，它所處理的信息量和復(fù)雜程度用8位機已經(jīng)足夠了。目前，生產(chǎn)單片機的廠商有很多，尤其是近年來微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，比較著名的有Intel, Philips,Mi

29、crochip, Motorola, Zilog, Atmel等半導(dǎo)體企業(yè)。在上述著名的半導(dǎo)體企業(yè)產(chǎn)品中，尤其在工業(yè)測控場合，運用較多的為Intel公司的MCS-51系列，Microchip公司的PIC系列，近年來，隨著Intel公司對8031內(nèi)核的公開以及各半導(dǎo)體企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)上的相互滲透，不僅Intel公司，而且Philips公司、Atmel公司等企業(yè)目前都生產(chǎn)MCS-51系列的CPU.近十年來在工業(yè)測控領(lǐng)域，國內(nèi)運用最多的恐怕是Atmel公司的AT89系列，它的標準型產(chǎn)品不僅在指令上，而且在管腳上都兼容Intel公司的MCS-51系列的第一CPU8031，并在片內(nèi)存儲器、振蕩電路、功耗、

30、軟件加密以及內(nèi)置看門狗等技術(shù)水平上均有很大程度的提高，使國內(nèi)的智能儀表行業(yè)的設(shè)計與開發(fā)者越來越感到使用和設(shè)計上的方便。盡管最近幾年P(guān)hilips公司生產(chǎn)的P87LPC系列的單片機在體積縮小、功耗降低、CPU的運算速度加快、增加豐富的功能部件(如模擬比較器、Watchdog，工2C總線、AID, D/A, PWM等)等方面作了不少文章，使得在一些較小的智能系統(tǒng)中得到了較好的運用，如果作單路溫度測量，恐怕要選擇該系列的CPU，但該系列的少引腳特點就不適合本設(shè)計的需要。本設(shè)計根據(jù)本系統(tǒng)對單片機功能的要求，設(shè)計中本文選用了美國ATMEL公司的AT89S51單片機。主要是因為:八位單片機是目前品種最為豐

31、富、應(yīng)用最為廣泛的單片機，有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣等優(yōu)點。MCS-51系列產(chǎn)品因為開發(fā)工具及軟硬件資源齊全而占主導(dǎo)地位。AT89S51是ATMEL公司新推出的AT89C51的升級產(chǎn)品，全面兼容AT89C51，而且與AT89C51相比，新增加了以下幾個主要功能:可以通過數(shù)據(jù)下載線進行在線編程下載，使程序的寫入更加方便簡捷;工作晶振可以達到33MHz，提高了運行速度:新增了看門狗電路，提高了電路的抗干擾性。AT89C51的特性:1 與MCS-51產(chǎn)品兼容。2. 4K字節(jié)可編程閃速程序存儲器;壽命:1000寫/擦循環(huán)。3.全靜態(tài)工作:0一33MHz.4. 3級程序存儲器加密

32、鎖定。5. 128X8位內(nèi)部RAM。6. 32條可編程UO線。7. 兩個16位定時器/計數(shù)器。8. 5個中斷源。9. 可編程串行通道。10低功耗的閑置和掉電模式，從掉電模式中斷恢復(fù)。11. 看門狗定時器。12雙數(shù)據(jù)指針。13斷電標志。電源和部分重復(fù)的光電檢測單元、高度角的三級管和繼電器(和圖中方位角的相同沒有畫出)圖中DO為置于外部環(huán)境中的光電二極管, 通過調(diào)整R27, 可使在外界沒有光線時,單片機P17腳檢測到低電位,以判斷晝夜。D1為置于圓柱體中央的光電二極管適當(dāng)調(diào)整R0和R1的值,使當(dāng)圓住體中的光電二極管D1在受到光照時運放A1能輸出高電平(1),而D1在沒有受到光照時輸出低電平(0)。

33、其他各路也同樣處理。S2,S3為行程開關(guān),用于檢測方位角和高度角的初始位置。圖5.1 單片機于外圍電路的連接圖5.2 時鐘電路的設(shè)計 由于系統(tǒng)中要進行一些與時間有關(guān)的控制, 這就需要使用實時時鐘。若使用單片機進行計時, 則天長日久會引起較大的誤差, 因此使用DALLAS 公司生產(chǎn)的串行實時時鐘芯片DS1302。它具有實時時鐘和31字節(jié)的靜態(tài)RAM, 采用串行通訊,可方便地與單片機接口。DS1302可提供秒、分、時、日、星期、月和年(帶閏年補償) , 可采用12h或24h方式計時, 采用雙電源(主電源和備用電源) 供電。將DS1302 SCLK、IPO、RST三根引腳與單片機AT89C51 的三

34、根輸入口相連接。DS1302 主要引腳有: X1 , X2 : 連接321768kHz 晶振。GND : 電源地。RST: 復(fù)位, 用于對芯片操作。IPO : 數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。SCLK: 串行時鐘輸入。VCC1 , VCC2 : 主電源與后備電源。DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc10.2V時，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線

35、，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向),SCLK始終是輸入端。數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O)在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸

36、入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。 圖5.2 DS1302與單片機的連接圖5.3 數(shù)碼管與單片機的連接 圖5.3 單片機與數(shù)碼管連接圖數(shù)碼管選擇SM4205，其為共陰極數(shù)碼管(共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮)，數(shù)碼管采用P2口作為段選碼輸出，由P3.2,P3.3,P3.5引腳作為位選碼輸出引腳。數(shù)碼管要正常

37、顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O端口來驅(qū)動，要知道一個89S51單片機可用的I/O端口才32個呢）,實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示

38、方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,d,p"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡

39、管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。5.4 電動機接口電路及驅(qū)動器該電路用于控制電動機的啟動與停止，電路圖5.4 所示。繼電器的2組觸點一組用于控制電機的轉(zhuǎn)動,另一組同時接通電磁閥,解除鎖定。在本光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用了兩相混合式步進電機，此類型電機輸出轉(zhuǎn)矩較大，根據(jù)電機的性能和特點，步進電動機驅(qū)動器選用JK-ZHB03M驅(qū)動器。(1)JK 一ZHB03M 驅(qū)動器的特點1)單極驅(qū)動，恒流控制，極低的電源消耗，極高的開關(guān)效率;2)驅(qū)動電流.08一.35A可調(diào);

40、3)細分數(shù)可由撥碼開關(guān)設(shè)定1超，1/16，1/32，1/64，1/5，1八0，1/20，1/40;4)所有輸入信號與功率放大部分光電隔離，散熱器外殼與驅(qū)動器內(nèi)部完全電絕緣 。圖5.4 電動機的啟動與停止電路5.5 步進電動機的驅(qū)動 步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的執(zhí)行器。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比。改變通電順序可改變步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向:改變通電頻率可改變步進電動機的轉(zhuǎn)速。步進電機的單片機控制可分為串行控制和并行控制。1.串行控制方式要求驅(qū)動裝置必須帶有環(huán)形分配器，它能夠完成對電動機各相勵磁的分配及轉(zhuǎn)換

41、順序。該方式使單片機系統(tǒng)與每個步進電機驅(qū)動裝置之間只需4個端口，結(jié)構(gòu)比較簡單。只要控制輸入驅(qū)動裝置的脈沖數(shù)量，頻率和方向，就可以精確控制步進電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。2并行控制方式用單片機系統(tǒng)的幾條數(shù)據(jù)線去控制步進電機各相驅(qū)動線路，因此在驅(qū)動器中不包括環(huán)形分配器，其環(huán)形分配器的功能由單片機系統(tǒng)來完成，程序設(shè)計比較復(fù)雜。步進電機常用的驅(qū)動方式是全電壓驅(qū)動，即在電機移步與鎖步時都加載額定電壓。為了防止電機過流及改善驅(qū)動特性，需加限流電阻。由于步進電機鎖步時，限流電阻要消耗掉大量的功率，故限流電阻要有較大的功率容量，并且開關(guān)管也要有較高的負載能力。步進電機的另一種驅(qū)動方式是高低壓驅(qū)動，即在電機移步時，加額定或超過額定值的電壓，以便在較大的電流驅(qū)動下，使電機快速移步;而在鎖步時，則加低于額定值的電壓，只讓電機繞組流過鎖步所需的電流值。這樣，既可以減少限流電阻功率消耗，又可以提高電機的運行速度，但這種驅(qū)動方式的電路要復(fù)雜一些。結(jié) 論本文設(shè)計了基于單片機的自動跟蹤式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽的跟蹤。主要研究內(nèi)容總結(jié)如下：(1) 介紹太陽跟蹤的常用方法，各種方法的特點和優(yōu)缺點。為了收集到盡可能多的太陽能，最好采取跟蹤方式，使太陽光收集器的采光面始終對準太陽。常采用的是光電跟蹤和視