【正文】 用 多元法三維 ， 多元法三維 就 把檢測(cè)系統(tǒng)接受板分成九個(gè)單元，太陽(yáng)光線從不同角照射到接受板，檢測(cè)元件感應(yīng)光線強(qiáng)度不同 。當(dāng)考慮到 元件誤差時(shí) ， 跟蹤系統(tǒng)與太陽(yáng)實(shí)際位置可能會(huì)出現(xiàn)偏差 。 ? 定位 步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角 ， 是太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)精確定位的 一個(gè)基本問(wèn)題，也可以說(shuō)，太陽(yáng)偏移一個(gè)微小的角度，步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)角 度應(yīng)該比太陽(yáng)偏移角度相等，這就要求步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角要足夠小。 全天候太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng) 的研究意義： 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 20xx 年的煤炭開(kāi)采速度，中國(guó)的煤炭 再 開(kāi)采 80 多年 即將枯竭。 太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 污染 。 作為能源消耗大國(guó)，如何提高對(duì)太陽(yáng)能利用率是解決能源危機(jī)的可行方法之一。設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)太陽(yáng)實(shí)現(xiàn)全天候跟蹤系統(tǒng)，是提高太陽(yáng)能利用率根本方法。 本 研究課題是集機(jī) 電、 光學(xué)， 計(jì)算機(jī) ，控制理論 為一體的，體現(xiàn)了電子 信息專(zhuān)業(yè)多學(xué)科相結(jié)合，相互滲透的特點(diǎn)。 科技以人為本，是為人類(lèi)服務(wù)的， 本人設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能全天候跟蹤系統(tǒng)充分的體現(xiàn)了該特點(diǎn)，體現(xiàn)出人類(lèi)與環(huán)境的和平相處 ， 解決能源危機(jī)， 造福于人類(lèi)和社會(huì)，所以 太陽(yáng)能全天候跟蹤系統(tǒng) 是值得研究和實(shí)際運(yùn)用的。 本課題的研究成功，對(duì)創(chuàng)建能源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)具有較大的意義，也有較好的市場(chǎng)發(fā)展前景 研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 ? 研究的目標(biāo) 本 課題主要是利用單片機(jī)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能全天候跟蹤系統(tǒng)，其突破點(diǎn)在對(duì)太陽(yáng)精確位置檢測(cè)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作指令系統(tǒng)（與太陽(yáng)同步偏移 ）的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)與人性化時(shí)間調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)。 ? 研究的關(guān)鍵問(wèn)題 本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路 ? 太陽(yáng)高度角跟蹤 的實(shí)現(xiàn) 。 ? 太陽(yáng)方位角跟蹤的實(shí)現(xiàn)。 ? 經(jīng)過(guò)陰雨天氣后，太陽(yáng)一出來(lái)立即跟蹤 的實(shí)現(xiàn) 。 ? 人性化界面 的設(shè)計(jì)，分為 人與單片機(jī)溝通 和 時(shí)間顯示 程序。 ? 總體分析方案的設(shè)計(jì)： 太陽(yáng)控制系統(tǒng) 總體方案的設(shè)計(jì)主要涉及到核心控制器和外圍器件的選擇和應(yīng)用，外圍零部件的選用，電源供電方案的確定等，這些因素的確定有益于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期具體方案的實(shí)施。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 系統(tǒng)主控制器 主控制器的選用 本系統(tǒng) 的主要控制器件 采用 89C52 單片機(jī)。在 51系列的單片機(jī)中，目前很流行一種內(nèi)含 flash 程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)。因?yàn)閮?nèi)有 flash 程序存儲(chǔ)器，可以通過(guò)編程器十分方便的寫(xiě)代碼或擦除代碼，擦除次數(shù)達(dá) 10000 次以上，而且還提供了禁止讀寫(xiě)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(shí)，一個(gè)芯片就組成了一個(gè)最小的單片機(jī)系統(tǒng)。 89C5X 型單片機(jī)既節(jié)省了數(shù)據(jù)線和存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)的方便性和程序的保密性，其價(jià)格也便宜 。 基于以上原因和這次研究系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇該系列的 89C52單片機(jī)作為水面打撈垃圾機(jī)器人的核心控制器件。 控制器的介紹 目前有許多種類(lèi)的微控制器，微控制器的組成與一般的計(jì)算機(jī)相同，其動(dòng)作也由程序來(lái)完成。如圖 21 所示的微處理器有輸入、輸出、存儲(chǔ)、運(yùn)算及控制功能，輸入、輸出僅由端口出入。在存儲(chǔ)器以外可以追加外部存儲(chǔ)器。如圖虛線所包圍的部分相當(dāng)于一個(gè)微控制器 圖 21 單片機(jī)的構(gòu)成 微控制器在機(jī)器人中完成的主要功能是：首先，把由光傳感器或超聲波傳感器 、無(wú)線接收機(jī) 取得的信號(hào)通過(guò)微控制器的輸入端口讀入。然后，根據(jù)存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的程序進(jìn)行運(yùn)算、控制，再將結(jié)果作為信號(hào)從輸出端輸出。輸出信號(hào)通過(guò)電子電路使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)、繼電器）動(dòng)作。在上述過(guò)程中，微控制器與電氣電路之間的橋梁被稱(chēng)為接口，其任務(wù)是通過(guò)輸入輸出端口實(shí)現(xiàn)信號(hào)的進(jìn)出。 微控制器根據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器的程序產(chǎn)生不同的動(dòng)作，而程序則是根據(jù)微控制器控 制 運(yùn) 算 存 儲(chǔ) 輸 入 輸 出 外部存儲(chǔ) 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 內(nèi)部的“ 0”和“ 1”所組合成的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行操作。在電路中，二進(jìn)制數(shù)“ 1”表示高電壓狀態(tài)， “ 0”表示低電壓。換句話說(shuō)，可將開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化表示為“ 0”和“ 1”兩種方式，計(jì)算機(jī)通過(guò)許多種開(kāi)關(guān)的組合來(lái)表示。 AT89C52 89C52 的特點(diǎn) 89C52是一種小型單片機(jī)。其主要特點(diǎn)為：采用 Flash 儲(chǔ)存器技術(shù)，降低了制造成本；其軟件、硬件與 MCS51 完全兼容，其程序的電可擦特性，使得開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)比較容易。 圖 22 AT89C52 引腳圖 在引腳的驅(qū)動(dòng)能力上， 89C52 具有很強(qiáng)的下拉能力。 P P3 的下拉能力均可達(dá)到 20mA；相比之下， 89C51/87C51 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(dòng)能力的增強(qiáng)，使得它可以直接驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管。 對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，對(duì)溫度的控制，過(guò)壓的控制等。 89C52 單片機(jī)的電源系統(tǒng) 89C52 有很寬的工作電源電壓，當(dāng)工作在 3V 時(shí)，電流相當(dāng)于 6V 工作時(shí)的1/4。 89C52 工作于 12MHZ 時(shí) ，動(dòng)態(tài)電路為 ，空閑態(tài)電流為 1 mA，掉電 狀態(tài)電流僅為 20nA。這樣小的功耗很適合電池供電的小型控制系統(tǒng)。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 89C52 單片機(jī)的儲(chǔ)存系統(tǒng) 89C52單片機(jī)內(nèi)含有 4K字節(jié)的 Flash 程序存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)的片內(nèi) RAM，與80C31內(nèi)部 類(lèi)似。由于 52內(nèi)部設(shè)計(jì)全靜態(tài)工作，所以允許工作的時(shí)鐘為 0～ 20MHZ，也就是說(shuō)，允許在低速工作時(shí)，不破壞 RAM 內(nèi)容。相比之下，一般 8031 對(duì)最低工作時(shí)鐘限制為 ，因?yàn)槠鋬?nèi)部的 RAM 是動(dòng)態(tài)刷新的。 89C2051 單片機(jī)的內(nèi)部 I/O 控制 89C52有 32 個(gè) I/O 線，在內(nèi)部 I/O 控制上繼承了 MCS31 的特征： 5路三 級(jí)中斷源結(jié)構(gòu)， 1 個(gè)全雙工串行口， 2 路 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 系統(tǒng)顯示模塊 顯示模塊選用 顯示模塊有數(shù)碼顯示和液晶屏顯示，顯示同樣字符，數(shù)碼管占用單片機(jī)資源比液晶屏多很多，功耗也大很多。 液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過(guò)器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)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(zhuān)用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)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(jiǎn)單， 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用液晶 顯示器作為 顯示 器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： ? 顯示質(zhì)量 高 由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)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(diǎn)。因此，液晶顯示器畫(huà)質(zhì)高且不會(huì)閃爍。 ? 數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。 體積小、重量輕 ， 液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)達(dá)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。 ? 功耗低 相對(duì)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(dòng) IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 ? 字符的顯示 用 LCD 顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由 6 8或 8 8 點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)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(diǎn)亮，為“ 0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō)，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD 上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)。 字符型液晶顯示模塊是一種專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)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 1，圖 2，圖 3分別是 1602 的實(shí)物，顯示地址， 字符代碼與圖形對(duì)應(yīng)圖 。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 ? 圖 31 液晶屏顯示 ? 圖 32 1602LCD 內(nèi)部顯示地址 表 31 字符代碼與圖形對(duì)應(yīng)圖 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 4 驅(qū)動(dòng)元件 直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的比較 電機(jī)是我們的生活中不可或缺的動(dòng)力源，常用的有交流電機(jī) ，步進(jìn)電機(jī) 和直流電機(jī)。 直流電機(jī) 是 日常生活中廣泛使用的一個(gè)電氣產(chǎn)品， 太陽(yáng)能全天候跟蹤系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)這樣的 動(dòng)作，需要能進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制和 立刻停止控制 的電路，實(shí)際中通常采用微控制器和專(zhuān)用 IC 芯片。單獨(dú)使用直流電機(jī)尚不能達(dá)到精確的定位控制，只有將它與旋轉(zhuǎn)編碼器組合起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)精確的位置控制和速度控制。 步進(jìn)電機(jī)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(jī)。步進(jìn)電機(jī)（也稱(chēng)脈沖電機(jī)）是一種跟蹤給定脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)。因此，單純向它施加電壓是不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)的。換句話說(shuō)，要使它轉(zhuǎn)動(dòng)必須借助控制電路，在這個(gè)控制電路中，往往需要微控制器 或?qū)Ｓ眯酒? 步進(jìn)電機(jī)能根據(jù)給定的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確的定位控制，而且即使在停止時(shí)也有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這些特性 全天候跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng) 控制都是很有利的。 由于 全天候控制系統(tǒng)是隨的太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的，因?yàn)樘?yáng)離地球太遠(yuǎn)了，在很短時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)系統(tǒng)是感覺(jué)不到太陽(yáng)在移動(dòng)，需過(guò)一段時(shí)間才能感覺(jué)到太陽(yáng)已經(jīng)偏移原來(lái)位置 ， 所以要求電機(jī)隔一段時(shí)間轉(zhuǎn)一個(gè)角度后馬上停下來(lái)。綜合上面對(duì)直流和步進(jìn)電機(jī)的性能等進(jìn)行的比較分析，我 選用 步進(jìn) 電機(jī) 。 步進(jìn) 電機(jī) 控制原理 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說(shuō)：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng) 器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 ? 結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。 0、 1/3 て、 2/3 て ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即 A 與齒 1 相對(duì)齊， B 與齒 2 向右錯(cuò)開(kāi) 1/3 て， C 與齒 3 向右錯(cuò)開(kāi) 2/3 て， A39。與齒 5 相對(duì)齊，（ A39。就是 A，齒 5 就是齒 1） ? 旋轉(zhuǎn)： 如 A 相 通電， B， C 相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1 與 A 對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如 B 相通電， A， C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò) 1/3 て，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 て，齒 4 與 A 偏移（て 1/3 て） =2/3 て。 如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 て，此時(shí)齒 4 與 A偏移為 1/3 て對(duì)齊。 如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4 與 A 對(duì)齊，北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 て 這樣經(jīng)過(guò) A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按 A，B， C， A…… 通電，電機(jī)就每步（每脈沖） 1/3 て ,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A，C， B， A…… 通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て， 1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有 m 相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移 1/m,2/m… …(m 1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制 ——這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。 ? 力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量 Ф）當(dāng)