太陽能；光照傳感器；步進(jìn)電機(jī)

IV摘要現(xiàn)如今，人類越來越追求節(jié)能環(huán)保的高科技系統(tǒng)。在\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"化石燃料日趨減少的情況下，太陽能早已經(jīng)是人們還是能活中的能源使用的重要一部分，并發(fā)展很好。太陽能有\(zhòng)t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"光能轉(zhuǎn)換熱能和\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"光能轉(zhuǎn)換電能這兩種方式，\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"可再生能源無畏是\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"太陽能發(fā)電。重要的就是能夠?qū)⑻柲艿暮侠砝?。?dāng)今所生產(chǎn)的太陽能裝置大多為位置不可變的固定裝置。設(shè)計(jì)研究太陽能追光系統(tǒng)，通過光照傳感器，接收到不同強(qiáng)度的太陽光，從而給STC89C52單片機(jī)一個(gè)脈沖；由STC89C52單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)在水平和垂直方向追光移動；其中裝置有兩個(gè)模式，包括自動與手動模式，手動模式由四個(gè)按鍵控制二維方向。從而最大程度的利用太陽能，增大了太陽能的利用率。關(guān)鍵詞：太陽能；光照傳感器；步進(jìn)電機(jī)AbstractNowadays,humanbeingsarepursuingmoreandmoreenergy-savingandenvironmentalprotectionhigh-techsystems.Withthedecreaseoffossilfuels,solarenergyhasbecomeanimportantpartofhumanenergyuseandhasbeendevelopingcontinuously.Therearetwowaystousesolarenergy:photothermalconversionandphotoelectricconversion.Solarpowergenerationisanewrenewableenergy.Therationaluseofsolarenergyisthemostimportant.Mostofthesolarenergydevicesproducedtodayarefixeddeviceswithimmutableposition.Asolartracingsystemisdesigned,whichreceivessunlightofdifferentintensitythroughalightsensorandgivesapulsetothesinglechipcomputer.Thesinglechipcomputercontrolsthetracingmovementofsteppingmotorinhorizontalandverticaldirections.Thedevicehastwomodes,includingautomaticandmanualmodes,andthemanualmodeiscontrolledbyfourkeysintwo-dimensionaldirection.Thusthemaximumuseofsolarenergy,increasedtheutilizationofsolarenergy.Keywords：SolarEnergy；Illuminationsensor；Steppermotor目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景 11.2研究課題的目的及意義 11.3課題研究內(nèi)容及設(shè)計(jì)指標(biāo) 2第2章方案的論證與設(shè)計(jì) 32.1系統(tǒng)方案論證 32.1.1主控制器的選擇 32.1.2直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的選擇 42.1.3光強(qiáng)檢測模塊的選擇 42.1.4電壓比較器的選擇 52.1.5供電方式的選擇 52.2系統(tǒng)方案的確定及系統(tǒng)框圖 5本章小結(jié) 6第3章單元電路設(shè)計(jì) 73.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 73.1.1復(fù)位電路設(shè)計(jì) 83.1.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 93.2光電傳感器 103.3光電轉(zhuǎn)換工作原理及電路設(shè)計(jì) 103.4A/D轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì) 113.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 123.5.1步進(jìn)電機(jī)的介紹 123.5.2步進(jìn)電機(jī)控制方式 123.5.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 133.6單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 143.7硬件系統(tǒng)組建 15本章小結(jié) 15第4章軟件程序設(shè)計(jì) 164.1按鍵部分子程序 164.2指示燈部分子程序 174.3主程序模數(shù)轉(zhuǎn)換 174.4驅(qū)動電路子程序 18本章小結(jié) 19第5章整機(jī)電路工作原理與調(diào)試 205.1工作原理 205.2電路的布局 205.3軟件及硬件調(diào)試 215.4不足與進(jìn)一步改進(jìn) 23本章小結(jié) 24結(jié)論 24致謝 錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄1譯文 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄2英文參考資料 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄3整機(jī)原理圖 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄4程序代碼 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄5元件清單 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄6實(shí)物圖 第1章緒論到現(xiàn)在，可實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽旋轉(zhuǎn)的儀器主要有：單軸的自動跟蹤系統(tǒng)，步進(jìn)式的自動跟蹤系統(tǒng)，太陽灶自動跟蹤。有的是有一定的缺點(diǎn)的，比如裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度達(dá)不到要求，自動跟蹤不能夠?qū)崿F(xiàn)。太陽能同時(shí)也是一次能源，但是他還是可再生得。資源非常豐富，使用還是免費(fèi)的，不需要人們來想辦法運(yùn)輸，同時(shí)對生活環(huán)境也沒有什么污染。給人們創(chuàng)造了方便，節(jié)約資源，使社會及人類能夠很好的生活在污染減少，還能無線利用太能能能源的時(shí)代，所以設(shè)計(jì)的研究的重大意義就是對太陽能的高效利用。1.1課題背景眾所周知，太陽在從東方升起，向西運(yùn)動者，根據(jù)這一變化，而目前接收太陽能的裝置位置都是固定動不了的，對這一現(xiàn)象，也就不能夠讓太陽能完美的接收，太陽光就不能一整天的照射在太能能接收裝置。因此，本文設(shè)計(jì)了一種太陽能的自動追光系統(tǒng)，使太陽能在這個(gè)自動裝置上能提高太陽能的接收率。太陽能是一種新的可再生能源，用之不盡，能夠使人們做到節(jié)能、環(huán)保，持續(xù)發(fā)展社會就應(yīng)生活中對太陽能的利用有意義，節(jié)約有限能源。不管哪一種太陽能利用設(shè)備，如果它的收集熱能的裝置能始終保持與太陽光垂直，并且收集更多方向上的陽光，那它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集非常多的太陽能?；趩纹瑱C(jī)雙軸太陽能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作這一課題，利用小的太陽能電池板來說，裝置上裝一些相應(yīng)電子元器件，就可以在各種太陽能裝置系統(tǒng)便可將其應(yīng)用。太陽自動跟蹤系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低廉、穩(wěn)定性也比較高、旋轉(zhuǎn)精度高，就因?yàn)檫@些特點(diǎn)就可以提高太陽能的利用率，必然會有極大的發(fā)展?jié)摿?。理論分析表明，太陽能電池板垂直跟蹤與非跟蹤相比，發(fā)電效率可提高37.7%，顯而易見，其環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益必然是巨大的。1.2研究課題的目的及意義燃燒煤炭，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多年即將枯竭。國內(nèi)能源消耗非常多，解決能源利用的危機(jī)的可行方法就是提高太陽能得利用率。本文實(shí)現(xiàn)智能跟蹤太能光的系統(tǒng)，就是可以達(dá)到提高太陽能利用率的系統(tǒng)。是集機(jī)電、光學(xué)，控制系統(tǒng)為一體的。太陽能智能跟蹤太陽系統(tǒng)第一就是可節(jié)約資源，所以太陽能智能追光系統(tǒng)非常的值得各大電子設(shè)計(jì)人員研究和生活中的實(shí)際運(yùn)用。以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的智能追光系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中可靠穩(wěn)定的工作，對太陽的追蹤精度也比較高，使太陽能接收裝置能夠在一整天不斷的接收，不浪費(fèi)太陽能資源，使太陽能利用率達(dá)到最大限度。此裝置如果能夠廣泛利用，那將會在發(fā)電站、太陽能電池方面、路燈、熱水器等方面很好的使用。1.3課題研究內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)基于單片機(jī)的太陽能追跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作這一課題，首先利用單片機(jī)芯片及編程知識，設(shè)計(jì)并制作出太陽能追光的智能系統(tǒng)，可在太陽的運(yùn)動軌跡位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用步進(jìn)電機(jī)控制指令對系統(tǒng)的運(yùn)動操作（與太陽同步偏移）。研究的關(guān)鍵問題：本設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路是太陽角度跟蹤的實(shí)現(xiàn)、太陽方位角跟蹤的實(shí)現(xiàn)。由五個(gè)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動以及模式切換，利用光照傳感器，通過單片機(jī)控制，當(dāng)傳感器捕捉光源時(shí)候，讓步進(jìn)電機(jī)自動轉(zhuǎn)向，制作一種可隨著太陽的運(yùn)動而轉(zhuǎn)動接收裝置的設(shè)計(jì)?？傮w分析方案的設(shè)計(jì)：太陽控制系統(tǒng)總體方案論證主要涉及到核心控制器和設(shè)計(jì)中的器件的選擇和應(yīng)用，外圍電路的選用，確定系統(tǒng)供電方案等，這些因素的確定有益于系統(tǒng)開發(fā)初期具體方案的實(shí)施。設(shè)計(jì)指標(biāo)：1.可上下左右四個(gè)方向自動追尋光源，并控制步進(jìn)電機(jī)自動轉(zhuǎn)向光源。2.左右（水平）尋光角度范圍0~360度，上下（豎直）尋光角度范圍0~180度。3.手動模式下，可通過多個(gè)按鍵控制電機(jī)四個(gè)方向。4.手動模式下，狀態(tài)指示燈呈紅色，自動模式下，狀態(tài)指示燈呈綠色。第2章方案的論證與設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)方案論證此系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、光強(qiáng)度檢測電路、STC89C52單片機(jī)以及外圍控制電路等組成。太陽能電池板可以水平和垂直轉(zhuǎn)動兩個(gè)角度?？刂茩C(jī)構(gòu)通過檢測光強(qiáng)判斷后由單片機(jī)將分別調(diào)整水平角度與垂直角度?？紤]到功能的實(shí)現(xiàn)、器件的適時(shí)性、價(jià)格和通用性等幾個(gè)方面。硬件的選擇是必然重要的。在設(shè)計(jì)電路的同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量使電路能夠簡單化。首先對主控制器的選擇，由于單片機(jī)的兼容性強(qiáng)，控制方便，不論輸入輸出都能夠很好的完成，利用步進(jìn)電機(jī)控制雙軸使太陽能旋轉(zhuǎn)角度，位置檢測器主要經(jīng)過選定的光敏傳感器組成，通過光敏電阻實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的檢測，控制部分主要是接受來自位置檢測到的微弱信號然后經(jīng)過放大后送給單片機(jī)指令，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，達(dá)到很好的追光效果。以下就對各個(gè)模塊電路的詳細(xì)對比。2.1.1最小系統(tǒng)電路方案設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的核心采用STC系列的單片機(jī)，與傳統(tǒng)的AT89C51單片機(jī)使用方法完全相同，代碼也都兼容，但是比傳統(tǒng)的單片機(jī)運(yùn)行速度快很多，內(nèi)存也大了不少，功耗更低，價(jià)格也不是很貴，這款單片機(jī)還是現(xiàn)在市面上非常常見的，很適合電子愛好開發(fā)者或者大學(xué)生做一些小設(shè)計(jì)用。另外此系列單片機(jī)有4個(gè)IO口，都可作為雙向I/O口使用，但也分別有著不同的功能，比如P3口就有第二功能，有串行口通信功能，用來程序的下載，還有定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、外部中斷等。經(jīng)過介紹，以下是對單片機(jī)的選擇對比。方案一：采用最經(jīng)典的AT系列單片機(jī)作為主控制器，此款單片機(jī)是現(xiàn)如今開發(fā)者的需求高，實(shí)用性廣，所以AT89S51單片機(jī)內(nèi)存小，功能少，速度慢，并且目前市面上已經(jīng)不常見了。方案二：采用STC系列單片機(jī)，STC系列是在AT系列的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其功耗低、速度快、內(nèi)存也足夠一般設(shè)計(jì)者使用，使用方法都相同，程序代碼上也都兼容，開發(fā)方便，比較適合這次設(shè)計(jì)中的要求，可以完全實(shí)現(xiàn)其功能。2.1.2電機(jī)電路方案設(shè)計(jì)太陽能追光，就會需要X軸Y軸配合著動作，也就要用到電機(jī)來控制，在之前接觸中，想到電機(jī)腦子就想到了直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等等，這三種也是在培訓(xùn)課上接觸過的，都是應(yīng)用到不同的設(shè)計(jì)中，都有自己的特點(diǎn)，直流電機(jī)可以應(yīng)用于智能小車、輪式機(jī)器人等，舵機(jī)可以用于智能車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，簡易機(jī)械手臂，步進(jìn)電機(jī)的扭矩比較大，轉(zhuǎn)速均勻，速度慢。三種電機(jī)對比，步進(jìn)電機(jī)在這方面的應(yīng)用比較多，也不會因?yàn)榕ぞ夭粔騿栴}影響效果。方案一：直流減速電機(jī)：這種電機(jī)可以利用PWM脈沖寬度調(diào)制速度，應(yīng)用最多的場合還是智能小車上，智能車在行駛過程太快會受到影響。另外直流電機(jī)在停的一瞬間還有慣性的緩慢停下來，這樣會影響到打標(biāo)的效果圖案。方案二：舵機(jī)：舵機(jī)的工作電流很大，幾個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作的話就容易一下子降低總電源的電壓，轉(zhuǎn)動力矩比較像直流減速電機(jī)，但是控制方式不同，舵機(jī)需要控制其時(shí)間來使舵機(jī)轉(zhuǎn)動一定角度，相對也會有誤差，本身舵機(jī)就是可以轉(zhuǎn)動最大為180°，對本文來說，這舵機(jī)根本就不用考慮了。方案三：步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)又通過線制不同應(yīng)用也不同，大大小小都應(yīng)用于不同場合，其扭矩大，控制靈活，只需要編碼做好規(guī)律，即可控制，動作精準(zhǔn)，很適合此次設(shè)計(jì)的應(yīng)用。三個(gè)方案的電機(jī)都有不錯(cuò)的應(yīng)用案例，只是不同環(huán)境下有一些區(qū)分，只要適合自己設(shè)計(jì)的就是最好的。所以選擇方案三步進(jìn)電機(jī)。2.1.3光照采集電路方案設(shè)計(jì)方案一：采用光敏電阻，其電阻的阻值是根據(jù)外界光的強(qiáng)弱使其電阻的變化，光強(qiáng)度大，它的電阻減小，光線弱的話，電阻就增大。根據(jù)光敏電阻的光照射下的特定波長，它的阻值將立即減小的特性。從而使光敏電阻值迅速下降。比較黑的環(huán)境下，它的阻值可到110M歐,反之，阻值(亮阻)只能有幾百至數(shù)千歐姆，阻值是非常小的。光敏電阻與人眼器對光的敏感性的靈敏度很接近，只要人眼很容易感受到的光，都會影響到光敏電阻阻值變化。方案二：采用光強(qiáng)度傳感器。采集范圍大，靈敏度超高，光照度范圍大，并且該傳感器模塊內(nèi)置16位AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度也很快，不許外接AD轉(zhuǎn)換就可直接輸出數(shù)字信號，減少電路的復(fù)雜程度，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對各種的光高精度檢測，采用標(biāo)準(zhǔn)NXPIIC通信協(xié)議，塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換，可以直接用單片機(jī)IO口連接驅(qū)動，可靠穩(wěn)定，但價(jià)格貴。2.1.4電壓比較電路方案設(shè)計(jì)方案一：采用常接觸到的電壓跟隨器LM324芯片，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的顯著特點(diǎn)。起到隔離、緩沖、可提高它的帶載能力。方案二：采用LM339作為電壓比較器，在本設(shè)計(jì)中用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波只要利用簡單電壓比較器即可。LM339不需要對其反饋，比較兩個(gè)輸入端的量就可直接判斷相關(guān)信息，如比較器的同相輸入大于反相輸入端，既有高電平輸出，否則輸出低電平。2.1.5電源電路方案設(shè)計(jì)方案一：采用雙電源供電。一個(gè)光采集模塊專用電源其參數(shù)為5V1A，另一個(gè)電源給單片機(jī)及外圍器件供電。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于工作電路穩(wěn)定，但電路較復(fù)雜。方案二：只用一個(gè)電源模塊供電即可。從光采集模塊上直接引出單片機(jī)的電源線。由于單片機(jī)正常工作時(shí)所消耗的電流不大，基本上不會影響光采集模塊的效果。2.2系統(tǒng)方案確定及系統(tǒng)框圖經(jīng)過以上反復(fù)的探討對比決定雙軸太陽能追光系統(tǒng)最終方案主要由STC89C52單片機(jī)作為核心控制器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、光敏電阻、按鍵控制電路、電壓比較器?？傮w成本較低。性價(jià)比較高。同樣可以很好的實(shí)現(xiàn)所要的功能。方框圖的論述：系統(tǒng)主要由采用單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，利用光采集檢測控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，按鍵可控制電機(jī)。電路方框圖如圖2-1所示：單單片機(jī)最小系統(tǒng)按鍵模塊電機(jī)模塊光照采集模塊指示模塊圖2-1電路方框圖本章小結(jié)本章主要介紹基于單片機(jī)雙軸太陽能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作這一課題的方案選擇，對三種方案的分析，最終確定以單片機(jī)為核心的數(shù)控穩(wěn)壓源，并對所選方案設(shè)計(jì)及原理給予分析。在下一章節(jié)當(dāng)中，將對該課題中各單元電路的具體設(shè)計(jì)方案、元器件的選擇作進(jìn)一步論述。第3章單元電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)的核心采用STC系列的單片機(jī)，與傳統(tǒng)的單片機(jī)使用方法一樣并且功能兼容，代碼也都兼容，但是比傳統(tǒng)的單片機(jī)運(yùn)行速度快很多，內(nèi)存也大了不少，功耗更低，價(jià)格也不是很貴，這款單片機(jī)還是現(xiàn)在市面上非常常見的，很適合電子愛好開發(fā)者或者大學(xué)生做一些小設(shè)計(jì)用。另外此系列單片機(jī)有4個(gè)I/O口，都可作為雙向I/O口使用，但也分別有著不同的功能，比如P3口就有第二功能，有串行口通信功能，用來程序的下載，還有定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、外部中斷等。P1口驅(qū)動能力低，要想驅(qū)動較大電流的電路需要加上拉電阻，比如驅(qū)動接液晶顯示器。如果讓單片機(jī)正常工作，就需要接外圍電路，在第9腳接復(fù)位電路、第18、19腳接時(shí)鐘振蕩電路。這樣就構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)，有最小系統(tǒng)就可以開發(fā)更多的設(shè)計(jì)。復(fù)位和時(shí)鐘電路下面會做詳細(xì)的介紹。其DIP封裝如圖3-1所示。圖3-1DIP封裝單片機(jī)單片機(jī)功能如表3-1所示。表3-1STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)4K可反復(fù)擦寫FlashROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)最主要的，以STC89C52單片機(jī)為核心，外圍電路包括時(shí)鐘電路、手動復(fù)位電路、供電電路等組成。主要完成數(shù)據(jù)的采集處理和轉(zhuǎn)換，到控制電機(jī)。3.1.1復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路：它是一種能使系統(tǒng)中的所有部件還原到某種特定的初始狀態(tài)的電路設(shè)備。復(fù)位是單片機(jī)工作時(shí)不可缺少的組成，手動使使電路復(fù)位條件是通電后利用外圍的充電電容復(fù)位電路，該電路在RST管腳上添個(gè)高電平利用電容充電，要達(dá)到系統(tǒng)復(fù)位的要求則需使該高電平的時(shí)間遠(yuǎn)大于兩個(gè)機(jī)器期限。復(fù)位電路如圖3-2所示。圖3-2復(fù)位電i路系統(tǒng)通電的一瞬間，電容在充電的時(shí)候電流是最大的，幾乎是電容短路狀態(tài)，復(fù)位端此時(shí)是處于高電平，自動復(fù)位也就因此實(shí)現(xiàn)；電容兩端的電壓如果達(dá)到了電源電壓的時(shí)候，此時(shí)該元件沒有電流，可以看成是電容開路，RST端此時(shí)是處于低電平，程序能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行。按鍵復(fù)位電路一般構(gòu)成的元器件包含：微動開關(guān)、10K的電阻和1K的電阻；10μf的電解電容構(gòu)成。當(dāng)需要手動復(fù)位的時(shí)候，通過按下微動開關(guān)，接通兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)分壓，這樣呢復(fù)位端口輸出就會獲得一個(gè)高電壓。如此就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位，當(dāng)松開手的時(shí)候，復(fù)位斷開分不到電壓就是低電壓，低電壓就不會復(fù)位單片機(jī)。3.1.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)要工作就一定要有時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路在單片機(jī)最小系統(tǒng)中起到了給單片機(jī)運(yùn)行提供基礎(chǔ)時(shí)鐘節(jié)拍的作用。如果單片機(jī)沒有時(shí)鐘電路就不能夠正常工作，整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。時(shí)鐘電路：單片機(jī)有正常時(shí)鐘控制信號才能安全的工作時(shí)，主要是與內(nèi)部的放大器共同組成構(gòu)成振蕩電路，其輸入端是XTAL1，輸出端是XTAL2。時(shí)鐘電路決定著整個(gè)系統(tǒng)是不是穩(wěn)定。芯片外部這兩個(gè)引腳分別接晶體振蕩器兩端并上啟動電容，這樣就完成了穩(wěn)定的自激振蕩器，能夠向XTAL1和XTAL2引腳輸入3V左右的正弦波，振蕩電路就由此形成。如圖3-3所示。單片機(jī)的外界的晶振，它的頻率范圍可以是1MHz到12MHz之間的一種，當(dāng)頻率越高時(shí)它運(yùn)行的速度就越快。單片機(jī)驅(qū)動其他程序運(yùn)行就快。但是也不能高于12MHZ，因?yàn)轭l率高于了這個(gè)上限值，單片機(jī)內(nèi)部就采集不到時(shí)鐘信號了，超出了單片機(jī)頻率采集的最大范圍。圖3-3時(shí)鐘電路3.2光照傳感器光敏電路串接1K限流電阻。這種電阻事半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的電阻，阻值會根光強(qiáng)度而換；隨著照射的光強(qiáng)度變大其電阻的阻值變小，而照射的光強(qiáng)度變小其電阻的阻值變大。通過其特性可以觀察光照采集電路的輸出轉(zhuǎn)變，其輸出的模擬數(shù)據(jù)送A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換，即可得到相應(yīng)的光照度。3.3光電轉(zhuǎn)換工作原理及電路設(shè)計(jì)主要用于接收太陽光，根據(jù)采集的信號，然后轉(zhuǎn)換成電信號，由單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)來達(dá)到太陽能裝置的轉(zhuǎn)動,讓它與太陽光保持垂直角度。光敏電阻的分布如圖3-4所示。圖3-4光敏電阻分布如圖中的A是對檢測左面的遠(yuǎn)離光線，當(dāng)太陽光遠(yuǎn)離接收板時(shí)A檢測到的信號會輸入給單片機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動使其跟隨太陽光左轉(zhuǎn)。B檢測端同理，向右轉(zhuǎn)動。而檢測C與D是檢測垂直角度的，同理，只不過這兩個(gè)檢測點(diǎn)事實(shí)現(xiàn)垂直的轉(zhuǎn)動帶動太陽能接收板。光電轉(zhuǎn)換電路如圖3-5所示。圖3-5光電轉(zhuǎn)換電路3.4A/D轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)主要是兩個(gè)模塊組成，主要是光面電阻檢測光強(qiáng)度，將電壓信號給PCF8591芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給單片機(jī)，單片機(jī)再讀取相應(yīng)的數(shù)值和處理，將測得的光強(qiáng)度送入根據(jù)預(yù)設(shè)的對比，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的動作。需要注意的是，通電后要等光敏電阻初始化穩(wěn)定一會才可以測量。傳感器其體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高所以很受歡迎，其到現(xiàn)在為止已經(jīng)很普及了。學(xué)習(xí)和使用可以懂得轉(zhuǎn)換器的工作原理，也可幫助學(xué)習(xí)單片機(jī)開發(fā)技術(shù)水平的提高。其此轉(zhuǎn)換器的最高分辨可以達(dá)到256級，適應(yīng)大多數(shù)需要轉(zhuǎn)換模擬量的要求。它芯片內(nèi)部電源的輸入跟參考電壓值的復(fù)用，可以使它的模擬電壓輸入值在0V~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32微秒，有兩數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，更加減少了數(shù)據(jù)的誤差，不僅轉(zhuǎn)換的速度快，穩(wěn)定的性能還比較強(qiáng)。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3-6所示。圖3-6A/D轉(zhuǎn)換電路3.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)前面介紹了光電轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，和單片機(jī)電路部分的設(shè)計(jì)，其最終的目的也就是要控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的開環(huán)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.5.1步進(jìn)電機(jī)的介紹當(dāng)驅(qū)動模塊接收到單片機(jī)給出的一個(gè)脈沖信號，它就可以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按自己想要的設(shè)定方向轉(zhuǎn)動個(gè)一定的角度，又名“步距角”，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動時(shí)的角度是一步一步進(jìn)行的，可以通過脈沖的個(gè)數(shù)來控制，因此非常精確，還可以通過控制脈沖的頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度和加速度，達(dá)到PWM調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)不像普通的直流電機(jī)那樣在常規(guī)下使用。所以系統(tǒng)必須同時(shí)配備了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來配合步進(jìn)電機(jī)共同完成自動加料的過程，這樣才能達(dá)到正常工作的效果，電機(jī)運(yùn)行中的系統(tǒng)性能，除了和本身的有關(guān)系，有多半是決定于驅(qū)動電路的性能好賴，因此電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)的搭配也是很重要的，本次加料控制的設(shè)計(jì)中電機(jī)采用的是ULN2003芯片構(gòu)成的驅(qū)動模塊和二相四線性步進(jìn)電機(jī)。3.5.2步進(jìn)電機(jī)控制方式四相步進(jìn)電機(jī)是初學(xué)者最常用的電機(jī)，主要原理是將電信號轉(zhuǎn)成角位移的開關(guān)控制，脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動時(shí)間，具誤差非常小，控制簡單，廣泛用于儀器設(shè)計(jì)。選用28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)有單片機(jī)給步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的脈沖信號時(shí)，它就會不停的轉(zhuǎn)動。四相步進(jìn)電機(jī)可以在單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）這三種不同的方式下工作。3.5.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路顯然如果利用改變電壓來對步進(jìn)電機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)是非常困難的，但是在對許多功率器件的功率調(diào)節(jié)還有一種常用的方法PWM（脈沖寬度調(diào)制）。功率調(diào)節(jié)在生活中許多地方都有應(yīng)用，如直流電機(jī)、加熱器、LED等，這種方法當(dāng)然可以很顯然的用到步進(jìn)電機(jī)上，PWM脈沖頻路盡可能不小于1KHz，如果頻路過低則回造成宏觀抖動，從而失去調(diào)節(jié)功率的作用。根據(jù)設(shè)計(jì)方案使用ULN2003芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，ULN2003內(nèi)部為大電流符合晶體管陣列，七組NPN形達(dá)林頓三極管組成，具有高耐壓大電流的特點(diǎn)。引腳輸入低電平，ULN2003就輸出高電平，正反轉(zhuǎn)跟輸入電平有關(guān)。電路圖如圖3-7所示。圖3-7驅(qū)動芯片3.6單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)1、電源模塊電路其中J1是電源插頭，L1為電源開關(guān)，C1、C2兩個(gè)電容都起到濾波作用，是電路系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，并且當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，D1電源指示燈會亮起，為使LED壽命延長，在LED一端串聯(lián)一個(gè)電阻，作為限流，保護(hù)LED不燒毀。圖3-8電源電路2、按鍵電路其中手動、自動模式S1按鍵控制切換，上電后默認(rèn)為自動模式，S2，S3，S4，S5是手動模式下，利用手動按鍵來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖3-9按鍵電路3、指示燈電路系統(tǒng)默認(rèn)為自動模式，接通電源后LED1亮，當(dāng)按下S1按鍵時(shí)，切換成手動模式，LED2亮。圖3-10指示燈電路3.7硬件系統(tǒng)組建硬件部分主要由轉(zhuǎn)動軸，底座，電池板支架，步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，電機(jī)驅(qū)動作為控制機(jī)械部分，可使太陽光接收板能夠?qū)崿F(xiàn)360度和垂直方向0～80度的轉(zhuǎn)動范圍。用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動，分別水平和垂直?？刂扑椒较蚍轿惠S與地平面垂直，；俯仰軸即為軸與方位軸垂直，垂直方向的管控，通過單片機(jī)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)并與驅(qū)動芯片連接。太陽跟蹤器工作時(shí)由于光強(qiáng)度的檢測會根據(jù)太陽運(yùn)動的軌跡來旋轉(zhuǎn)角度，水平度，以達(dá)到跟蹤的目的。本章小結(jié)本章介紹了本設(shè)計(jì)各單元電路，還有各自負(fù)責(zé)的工作，工作原理，主要模塊有光強(qiáng)度檢測電路，AD轉(zhuǎn)換電路，步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)控制電路，其中還有一些外圍電路的輔助，比如，按鍵控制電路，LED指示燈電路，電源模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)。最后介紹了實(shí)物平臺的具體搭建。第4章軟件程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用常見的STC系列單片機(jī)，它是系統(tǒng)的控制核心，軟件部分也由單片機(jī)來操作，其最終目的就是正確控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。本部分以單片機(jī)為核心控制器將控制操作各部分電路，按鍵主要有手動和自動模式兩種切換，手動模式下可進(jìn)行上、下、左、右四個(gè)方向來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)選擇為手動模式時(shí)紅色指示燈亮，自動模式綠色燈亮，系統(tǒng)上電后默認(rèn)狀態(tài)為自動模式。?？稍O(shè)四個(gè)方向的光敏電阻的光強(qiáng)度值，分別為U1、U2、U3、U4，設(shè)精度為10°。主程序流程圖見附錄4所示。4.1按鍵部分子程序上電后程序開始初始化，按鍵去抖動，就會檢測判斷按鍵是否有人按下，如果有判斷按下將執(zhí)行相關(guān)功能的按鍵指令，如果沒有按下，繼續(xù)判斷等待。按鍵程序流程圖如圖4-1所示。程序初始化程序初始化按鍵消抖判斷按鍵按下執(zhí)行相應(yīng)指令等待按下YN圖4-1按鍵子程序流程圖4.2指示燈部分子程序作為指示燈電路，主要是用來在手動模式和自動模式切換的一種指示，以便于分辨當(dāng)前是處于哪種模式，方便用戶操作，LED1輸出高電平說明此裝置在自動模式下。指示燈程序流程圖如圖4-2所示。程序程序初始化判斷按鍵次數(shù)LED1=1；手動模式開啟if（K=1）LED1=0；自動模式開啟If（K=2）圖4-2指示燈程序流程圖4.3主程序模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換也是非常重要的，光電轉(zhuǎn)換的電壓值輸入到A/D模塊后，經(jīng)過PCF8951芯片里的電壓采樣，最后輸出數(shù)字信號，再把信息傳送給單片機(jī)，從而控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。流程框圖如圖4-3所示。模擬多路輸入模擬多路輸入輸入采樣保持比較器逐次比較寄存器輸出驅(qū)動采樣保持DAC圖4-3A/D模塊流程框圖本設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換主要用的是PCF8951模塊，8位A/D輸入，內(nèi)含采樣保持電路，1路8位輸出，內(nèi)含有ADC數(shù)據(jù)寄存器。意思是芯片內(nèi)有四個(gè)通道，所以分為以下程序的四種情況。Case0是用來讀取8951芯片第一通道所采集的到模擬量的值；0x41是控制發(fā)送的字節(jié)；IRcvByte(PCF8591)是用來接收讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；本設(shè)計(jì)在AD模塊中，利用芯片PCF8951，輸入和輸出都進(jìn)行了電壓保持采樣，即系統(tǒng)內(nèi)部自己進(jìn)行了兩次采樣，所以最后輸出電壓得需要IRcvByte(PCF8591)*2，這才保證輸入和輸出數(shù)據(jù)相同，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；ADC是用來寄存每一通道輸出的數(shù)據(jù)。以下通道同理。4.4驅(qū)動電路子程序設(shè)定10為精度值，制作中一共設(shè)計(jì)有上下左右四個(gè)光敏電阻，在光照下就會產(chǎn)生電壓，上邊電壓大于下邊電壓或者兩邊電壓值差大于10，或者選擇手動模式，此時(shí)按向下旋轉(zhuǎn)的按鍵，控制水平角度的電機(jī)則反轉(zhuǎn)，若下邊電壓大于上邊電壓或者是兩電壓值相差大于10，或者手動模式下按下向上的按鍵，水平電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，左邊電壓大于右邊電壓或者兩者差值大于10，或者手動模式下按下向右的按鍵，方位電機(jī)右轉(zhuǎn)，若右邊電壓大于左邊或者兩者差值大于10，或者手動模式下按下向左的按鍵，方位電機(jī)左轉(zhuǎn)。電機(jī)調(diào)速原理其實(shí)就是PWM波用單片機(jī)定時(shí)器來產(chǎn)生一段可調(diào)時(shí)間的脈寬，來進(jìn)行控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速使步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定工作。主要是通過定時(shí)器控制可調(diào)的脈沖寬度方波，方波中高電平低電平的時(shí)間寬度是一定的，通過給高電平的時(shí)間長短來形成持續(xù)的方波，電壓也隨之改變，所以調(diào)程序代碼就可以對電機(jī)速度進(jìn)行自己所需要的調(diào)整。如圖4-4所示。初始化初始化讀U1U2U3U4讀U1＞U2或U1-U2＞10讀U2＞U1或U2-U1＞10讀U3＞U4或U3-U4＞10讀U4＞U3或U4-U3＞10水平電機(jī)反轉(zhuǎn)水平電機(jī)正轉(zhuǎn)方位電機(jī)右轉(zhuǎn)方位電機(jī)左轉(zhuǎn)圖4-4驅(qū)動子程序流程框圖本章小結(jié)本章主要介紹了整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)及原理，還有編寫的程序，主要模塊的軟件編程，比如，按鍵模塊，LED燈顯示模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，AD轉(zhuǎn)換和AD電壓采樣模塊。第5章整機(jī)工作原理與調(diào)試5.1工作原理系統(tǒng)設(shè)置5個(gè)按鍵，手動/自動模式按鍵、電機(jī)控制調(diào)整按鍵（上、下、左、右）。在接通電源后，系統(tǒng)默認(rèn)為自動模式，首先通過光敏電阻對光線的采集，根據(jù)光敏電阻阻值特性，然后將阻值的變化轉(zhuǎn)換成信號，后將信號由運(yùn)算放大器放大后傳輸出給單片機(jī)來處理，比較，然后通過向系統(tǒng)傳遞信號控制電機(jī)的啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)分析進(jìn)行調(diào)整，控制裝置的轉(zhuǎn)向，使得電機(jī)一直對著太陽轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了對太陽的自動跟蹤。手動模式下，根據(jù)人為操控，使太陽自動追蹤系統(tǒng)方向的轉(zhuǎn)換。整機(jī)原理圖見附件3所示。5.2電路的布局將硬件電路焊接成實(shí)物的過程中，我們不能直接按照電路圖進(jìn)行元件的焊接，這樣不僅容易導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤，而且對整體產(chǎn)品的性能有著極大的影響。所以在焊接之前，必須考慮到整體電路的布局。在保證科學(xué)合理的基礎(chǔ)上讓整體電路更為美觀。通常電路布局有如下的要求：1.能夠?qū)崿F(xiàn)整體設(shè)計(jì)指標(biāo)和；2.整體電路方便檢測和維護(hù)；3.避免元件之間的干擾；4.元件之間的間距適當(dāng)；5.考慮到某些元件發(fā)熱和電磁效應(yīng)等；6.各元件之間避免交接穿插；7.在保證電路布局合理的基礎(chǔ)上，盡量美觀。元器件的焊接：在將硬件電路變成實(shí)物的過程中，元件的焊接起著不可替代的作用。在焊接過程中，一般遵循先焊接大元件再焊接小元件、先焊接集成元件再焊接分立元件的焊接原則。其中電烙鐵是將焊點(diǎn)加熱，再將焊錫放于上方將其融化，讓電子元件和電路板焊接到一起。只是使用的電烙鐵是內(nèi)熱式電烙鐵，功率為20W。其功率越大，所散發(fā)出來的熱量也就越大。如果功率過小，則不能很好的焊接。如果功率過大，又極容易損壞元件。在焊接的過程中，需要注意，電烙鐵焊件與焊點(diǎn)呈一定角度。待焊點(diǎn)加熱至合適程度之后，再將焊錫放入烙鐵和元件之間進(jìn)行熔化焊接。焊錫量應(yīng)當(dāng)適中，焊錫過多不僅浪費(fèi)，而且還容易導(dǎo)致電路短路。焊錫太少容易導(dǎo)致焊接不牢固，造成虛焊。最理想的焊接質(zhì)量是焊點(diǎn)光滑飽滿，大小適中，剛好完全覆蓋旱點(diǎn)。焊接時(shí)間保證在1.5~3秒，過長容易損壞元件，過短容易造成虛焊。當(dāng)然這需要極高的技術(shù)要求，對初學(xué)者有著極大的挑戰(zhàn)。5.3軟件及硬件調(diào)試軟件調(diào)試是根據(jù)軟件編程時(shí)候來進(jìn)行編譯判斷對錯(cuò)的過程，然后用單片機(jī)最小系統(tǒng)板測試編寫的代碼進(jìn)行一點(diǎn)一點(diǎn)的程序調(diào)試，根據(jù)實(shí)物的實(shí)際操作判斷程序的修改方式，直到滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)采用proteus和keil軟件進(jìn)行仿真和調(diào)試，如圖5-1和圖5-2所示，首先在proteus軟件中描述硬件電路，然后在keil軟件源程序中編寫電機(jī)控制源程序，生成匯編后的十六進(jìn)制文件，最后將生成的目標(biāo)文件添加到模擬調(diào)試MCU中。調(diào)試過程：首先，打開keilC51主程序，新建項(xiàng)目，新建文本框編寫程序，保存，檢查是否存在語法錯(cuò)誤，經(jīng)過反復(fù)檢查無誤，編譯，生成51單片機(jī)可執(zhí)行十六進(jìn)制文件。然后將十六進(jìn)制文件寫入微控制器，寫入軟件與51開發(fā)板匹配。目前最常使用的調(diào)試方法有整機(jī)調(diào)試和部分調(diào)試。整機(jī)調(diào)試就是對整體電路看成一個(gè)系統(tǒng)，在上電過后看是否能夠完成相應(yīng)指標(biāo)。如果不能完成相應(yīng)指標(biāo)，根據(jù)其現(xiàn)象分析到底是哪個(gè)模塊出現(xiàn)問題，進(jìn)行修改和調(diào)試，直至能完成各個(gè)相應(yīng)的指標(biāo)。這種方法對技術(shù)要求比較高，而且對電路的焊接和電路圖是否合理，有著極為嚴(yán)格的要求。還有一種比較簡單的方法，就是部分調(diào)試。即在上電過后，如果電路沒有出現(xiàn)預(yù)期的功能。將整體電路根據(jù)原理不同分為小的區(qū)間，在一一檢測各功能模塊是否正常工作。如果某一個(gè)模塊不能正常工作，說明該模塊出現(xiàn)問題。在解決完所有問題過后，完成對整體電路的調(diào)試。這種調(diào)試方法工作量比較大，但是調(diào)試過程比