【正文】 器等各種太陽(yáng)能裝置上，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 本設(shè)計(jì)的目的是為了提高設(shè)計(jì)者自身設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力，將理論與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)踐所學(xué)的知識(shí)，豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。光源跟蹤系統(tǒng)的目的就是在有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能電池板能一直垂直于太陽(yáng)跟隨太陽(yáng)同步運(yùn)動(dòng)，從而提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電量。硬件部分設(shè)計(jì)是圍繞著太陽(yáng)能電池板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 按鍵、液晶顯示器、 AT89S51 型單片機(jī)這些主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 （ 2） 抗干擾性： 為保證跟蹤的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)應(yīng)從硬件和軟件兩反面著來(lái)抑制 系統(tǒng)的干擾。主要設(shè)計(jì)思路框圖如圖 所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 光源跟蹤系統(tǒng)被用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電是必要的。和 B,B39。 光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)方案 光強(qiáng)檢測(cè)系 統(tǒng)是以傳感器為中心和其他各環(huán)節(jié)組成，為了得到正確、無(wú)誤的信息，這就要求傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)精度、靈敏度和分辨率高且其具有好的線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性，工作可靠。在結(jié)構(gòu)上，用 N 個(gè) 微型光電池均勻分布在一個(gè)半圓弧上，若太陽(yáng)正對(duì)某一個(gè)微型光電池時(shí)，則此時(shí)它的輸出最大，這樣系統(tǒng)就能判斷此 時(shí)太陽(yáng)的位置從而進(jìn)行跟蹤。這樣太陽(yáng)任何時(shí)間出現(xiàn)在圓弧的任意位置上，只要在可檢測(cè)的那 2N1 個(gè)方位上，處理器檢測(cè)到跟蹤信號(hào)接著驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電池板可以迅速跟蹤太陽(yáng)。而在中間狀態(tài)時(shí)實(shí)行疏跟蹤。 自身電壓 5V，有兩種工作方式 ：待機(jī)方式和掉電方式。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。有豐富的功能模塊其中包括多通道 1014 位 AD 轉(zhuǎn)換器、雙路 12 位 DA 轉(zhuǎn)換器、液晶驅(qū)動(dòng)器、電源電壓檢測(cè)、看門狗定時(shí)器，多個(gè) 16 位、 8 位定時(shí)器 (可進(jìn)行捕捉，比較， PWM 輸出 )、flash 存儲(chǔ)器，采用先下載程序到 flash，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行、MSP430 芯片上包括 JTAG 接口，仿真調(diào)試通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的 JTAG 接口轉(zhuǎn)換器就可以方便的實(shí)現(xiàn)如設(shè)置斷點(diǎn)等。有以下方案可供選擇： 方案一：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。 步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī)，其有許多有點(diǎn)， 因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、輕常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 工、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、儀器儀表、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。 （ 4）是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 由于本次跟蹤設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的精度有較高的要求，直流減速電機(jī)在此方面有明顯的不足速度不容易控制， 而步進(jìn)電機(jī)的控制和實(shí)現(xiàn)是相對(duì)簡(jiǎn)單一些。步距角為 : θ=360176。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)步進(jìn)誤差一般在 10′之內(nèi)。后清零。 m； θ──失調(diào)角， θ=2π /m（ m為一個(gè)通電順序內(nèi)的拍數(shù)）。因此，稱 π θπ的區(qū)域?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。不同相數(shù)的電機(jī)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不同。 4） 啟動(dòng)頻率和慣頻特性 步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)而不失步的頻率，稱為啟動(dòng)頻率。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性有關(guān)。因此，步進(jìn)電機(jī)在以較低的啟動(dòng)頻率啟動(dòng)后，應(yīng)采用升速控制策略達(dá)到運(yùn)行頻率。當(dāng)光軸未對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)即太陽(yáng)光與光軸成一角度 θ時(shí)，光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)照射到四象限光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移即 (x≠ 0， y≠ 0)。 本次設(shè)計(jì)選擇的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)有三種方案可選擇： 方案一：光敏電阻。 方案三：光敏二極管。 用四個(gè)光敏三極管組成四象限感光面，上下左右各一個(gè)光敏三極管。經(jīng)實(shí)踐測(cè)定，光敏二級(jí)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，光敏三極管更勝一籌，因此傳感器選擇方案四。由該模塊構(gòu)成的液 晶顯示與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件方框圖 本系統(tǒng)是有控制核心的單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)的光源的信號(hào)進(jìn)行分析和處理然后控制電機(jī)，使其跟隨點(diǎn)光源移動(dòng)。 電 池 板鍵 盤X 軸 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng)Y 軸 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng)傳 感 器顯 示單 片 機(jī) 圖 硬件方框圖 主控系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用 TI公司的 AT89C51單片機(jī) 分別作為發(fā)送部分和接受部分的控制核心，完成信號(hào)發(fā)送和接收、電流檢測(cè)、控制電機(jī)、鍵盤輸入及液晶顯示等功能。 單片機(jī)主要特點(diǎn) 是由 ATMEL公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)。片常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 內(nèi)的 Flash存貯器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存貯器編程器來(lái)編程。 I/O口和其他功能單元 ： 4個(gè)并行 I/O； 2個(gè) 16為定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 1個(gè)全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（ 5個(gè)中斷源、 2個(gè)優(yōu)先級(jí)）。 (2)XTAL2:接外部晶體的另一個(gè)引腳。內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖所示。這也是最常用的晶振電路。 當(dāng)在 89C51單片機(jī)的 RST引腳引入高電平并保持 2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。常用的上電復(fù)位電路如圖 （ a）所示。 上電與按鍵均有的復(fù)位電路如圖 （ b）所示。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，所以程序從 0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每次換相轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。 對(duì)于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)當(dāng) Zr =50時(shí) ,在兩相混合式步進(jìn)電機(jī)四拍驅(qū)動(dòng)模式下 N =4,θs =176。為一個(gè)半步。 （ 2）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：依控制器所投入的脈沖信號(hào)指令，提供電流來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度 (RPM)與脈沖速度 (PPS， 又稱 Hz)間的關(guān)系式如下： 電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度 (RPM)＝脈沖速度 (PPS或 Hz) 60247。 （ 4）上述公式拆解后之單位表示為→ RPM=PPS 60 1/分割數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器 (SENSOR)，就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動(dòng)量，并將負(fù)載順利、正確的送達(dá)指定位置點(diǎn)上。 )輸入脈沖數(shù) (1)控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。橋式整流電路雖然用了四肢二極管，但卻克服了全波整流電路要求變壓器次級(jí)有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點(diǎn)。 本系統(tǒng)由 AT89C51單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，通過(guò) P2口（ ， ， ， ， ）輸出，送到驅(qū)動(dòng)芯片 L298N對(duì)相脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 注意： ENA和 ENB必須接與輸入到驅(qū)動(dòng)芯片中完全相同的脈沖信號(hào)，否則就無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。 說(shuō)明： （ 1）改變 DELAY子程序中的時(shí)間參數(shù)就可以改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度。鍵盤就在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)用?？梢燥@示 8 4行 16 16點(diǎn)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(diǎn)。而機(jī)器芯片能夠接收和處理的信號(hào)是 TTL點(diǎn)評(píng)信號(hào)，上述三種信號(hào)形式不一定直接被識(shí)別接收，中間需要接口電路。 ADC0809 轉(zhuǎn)換采集信號(hào) ADC0809J是 8位的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器 ,它有 8路輸入通道 ,能對(duì) 8路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ,但在同一時(shí)刻只能轉(zhuǎn)換某一路。 STAPT是 A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入腳 ,有一個(gè)高脈沖輸入時(shí)開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 CLOCK是輪換器需要的時(shí)鐘信號(hào)。 ADD A, ADDB, ADDC是地址輸入 ,用它們來(lái)選擇要轉(zhuǎn)換的通道。當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，電壓值變化，通過(guò)反相比例放大電路將電壓值 放大，放大后送入 8路12位 A/D轉(zhuǎn)換模塊中的 A0~A3， 分別對(duì)四路光敏三極管輸出電壓進(jìn)行采集。為了避免在多云情況下的盲目跟蹤，如果輻射強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到特定值，則對(duì)于誤差信號(hào)超出死區(qū)不作任何操作。 檢測(cè)信號(hào)送入單片機(jī) I/O口 ,通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換 ,轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào) .當(dāng)光照強(qiáng)度偏離基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí) ,程序通過(guò)對(duì)臨近光照強(qiáng)度的采集 ,與基準(zhǔn)光照強(qiáng)度比較 ,控制電機(jī)轉(zhuǎn)向 ,準(zhǔn)確跟蹤光源的具體位置 ,初始時(shí)刻設(shè)置基準(zhǔn)電壓信號(hào) ,或者預(yù)先掃描整個(gè)光照區(qū)域確定光照強(qiáng)度最大的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓為基準(zhǔn)電壓，當(dāng)光源移動(dòng)時(shí) ,光敏三極管接收到的光照強(qiáng)度減小 ,此時(shí)單片機(jī)控制電機(jī)向周圍空間尋找光源 ,當(dāng)找到光照強(qiáng)度最大的位置時(shí)電機(jī)停止移動(dòng) ,同時(shí)激光 筆被點(diǎn)亮。圖 為按鍵 模塊： 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 開(kāi) 始按 鍵正 轉(zhuǎn)P 1 . 0 = ? 0按 鍵 判 斷P 1 . 2 = ? 0 P 1 . 3 = ? 0P 1 . 1 = ? 0反 轉(zhuǎn)減 速加 速顯 示 轉(zhuǎn) 動(dòng) 方 式 圖 按鍵 按鍵子程序： LDR1 EQU 。 旋轉(zhuǎn)直到光線傳感器 1為亮 JB LDR2,SD2 。 定義變量 MX1， X 軸電動(dòng)機(jī)控制端 1 MX2 EQU 。 X 軸和 Y 軸電動(dòng)機(jī)組合運(yùn)動(dòng) 啟 動(dòng)參 數(shù) 設(shè) 置掃 描 四 向 A / DX 軸 兩 邊 采樣 是 否 相 等調(diào) 整 X 軸 方向 步 進(jìn) 電 機(jī)Y 軸 兩 邊 采樣 是 否 相 等調(diào) 整 Y 軸 方向 步 進(jìn) 電 機(jī)結(jié) 束NYNY常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 MOV A,MOTT CJNE A,01H,GB1 SETB ENA 。 X 軸和 Y 軸電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) SETB ENB CLR MX1 SETB MX2 CLR MY1 SETB MY2 RET 程序?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)跟隨系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，當(dāng)直射到太陽(yáng)能電池板的光線變?nèi)鯐r(shí)，程序會(huì)自動(dòng)改變電池板的方向、位置去得到最大的強(qiáng)度的太陽(yáng)光。系統(tǒng)的硬件主要有控制器 AT89C51單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，檢測(cè)模塊，顯示模塊，鍵盤等模塊組成的。 該設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu) 中 系統(tǒng)上電后先進(jìn)行必要的初始化操作 ,包括主處理器內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)置、定時(shí) /計(jì)數(shù)器的初始化、串行口、 I/O 端口及中斷系統(tǒng)的設(shè)置等。電機(jī)運(yùn)行控制與定時(shí)計(jì)數(shù)器的應(yīng)用關(guān)系密切 。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 下圖 是電機(jī)反轉(zhuǎn)的仿真電路： 圖 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 在仿真中按下正轉(zhuǎn)按鈕電路接通此時(shí)有脈沖給予電路高電平則步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 的 IN1 為高電平， IN IN IN4 為低電平，同時(shí) ENA 和 ENB端與接入的信號(hào)相同步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。可以通過(guò)按鍵來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的控制。 問(wèn)題處理與分析 1)光源跟蹤控制系統(tǒng)異常處理 程序運(yùn)行中會(huì)發(fā)生多種異常情況，有些可以通過(guò)檢查輸入數(shù)據(jù)判斷，而有一些情況系統(tǒng)可以自行校正。太陽(yáng)能板與太陽(yáng)位置發(fā)生偏離的情況下，系統(tǒng)有能力自動(dòng)的回復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。第二種方法是按所示圖逆時(shí)針輸出脈沖信號(hào)。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中學(xué)習(xí)到了很多的知識(shí)，了解了一個(gè)系列的單片機(jī) MSP430，并學(xué)習(xí)了一些相關(guān)。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 27 第 6 章 結(jié)束語(yǔ) 本次設(shè)計(jì)方案是基于 AT89C51單片機(jī)的光源自動(dòng)跟蹤裝置， 光敏三極管檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大在送給單片機(jī)并處理并顯示在液晶屏幕上，同時(shí)將處理的結(jié)果以脈沖的形式輸出給步進(jìn)電機(jī)，使激光筆跟蹤到點(diǎn)光源的位置。 遇到這種情況時(shí)，首先檢查電機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 的連接是否正確；如沒(méi)有接錯(cuò)再檢查輸入頻率是否太高；是否升降頻設(shè)計(jì)不合理；以上原因都不是，可能是驅(qū)動(dòng)器燒毀。當(dāng)控制字表明系統(tǒng)在校正狀態(tài)時(shí)，輸出控制量的值由預(yù)期位置量和光電傳感器誤差信號(hào)共同計(jì)算產(chǎn)生?？赡艿脑蚴浅霈F(xiàn)了一干擾光源或太陽(yáng)能板與太陽(yáng)位置發(fā)生偏離。反轉(zhuǎn)： CCW）。 調(diào)試與分析 本設(shè)計(jì)采用 51 單片機(jī) AT89C51（晶振頻率為 12MHZ）對(duì)兩相四線制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。 下圖 是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的仿真電路： 圖 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 在仿真中按下正轉(zhuǎn)按鈕電路接通此時(shí)有脈沖給予電路高電平則步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 的 IN IN IN3 為 低電平， IN4 為高電平，同時(shí) ENA 和 ENB端與接入的信號(hào)相同步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。其二是通過(guò)串行口接收上位機(jī)的控制命令。通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)包括步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，根據(jù)原理和硬件的設(shè)計(jì)利用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)程