【正文】 9C51型單片機。 圖42 AT89C51芯片引腳圖 光電檢測電路的設(shè)計（1）判斷陰晴的電路設(shè)計 因為整個系統(tǒng)由兩種追蹤模式組成，即光電追蹤模式和太陽角度追蹤模式。下圖是電路部分。(2)判斷晝夜的電路設(shè)計檢測白天還是黑夜，除了可以用時鐘芯片來設(shè)定跟蹤系統(tǒng)的運行時間范圍，當然也可以采用圖42類似的電路所不同的是二極管型號不同，電阻的大小不同，運放輸出要接到中斷0上。將整個光電檢測裝置（光電傳感器）安裝在太陽板上，光敏二極管的檢測面與太陽能板平行。也就是當D0受到光照時，～ 圖45 光電檢測電路設(shè)計同時檢測到高電位。 單片機控制電路設(shè)計單片機控制電路是用來控制電動機的轉(zhuǎn)動的，由上文所介紹的檢測電路檢測到光信號(即太陽光的朝向)，經(jīng)過比較電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，單片機據(jù)此檢測到的電信號來命令控制電路的工作，以達到系統(tǒng)追蹤的目的。可通過軟件設(shè)計程序，這時控制電路中的第一個晶體管截止，而第二個晶體管導通，從而繼電器吸合，電機轉(zhuǎn)動，這樣就達到了對電機的控制。DS1302與單片機的通信僅需三根線即SCLK（串行時鐘線）、I/O（數(shù)據(jù)線）、RST（復位線）。時鐘SCLK是上升沿后繼以下降沿的序列。DS1302主要引腳有：X1。SCLK：串行時鐘輸入。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速與停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，與負載變化無關(guān)，即電機收到一個脈沖信號，則轉(zhuǎn)過一個固定的角度(步距角)。步進電機有很多種，按其運動方式分為有旋轉(zhuǎn)型和直線型，通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進電動機又可分為反應(yīng)式、永磁式、感應(yīng)式，其中反應(yīng)式步進電動機是我國應(yīng)用最廣泛的一種，它具有調(diào)速范圍大、動態(tài)性能好、能快速起動、制動和反轉(zhuǎn)。在步進電機的載重范圍內(nèi)，有關(guān)步進電機轉(zhuǎn)動的技術(shù)參數(shù)只與脈沖信號的多少以及脈沖信號的頻率有關(guān)，而與負載是增加還是減小沒有關(guān)系。對于步進電機來說，其種類不僅有反應(yīng)式的，而且還有混合式的以及永磁式的。但是該種步進電機在運行的過程中，不僅會產(chǎn)生很大的噪聲，而且還會產(chǎn)生很嚴重的振動。176。在細分驅(qū)動器還沒有被發(fā)明的時候，人們主要通過選用不同相數(shù)的步進電機以實現(xiàn)對其步距角的改變。步進電機在實際工作時的步距角與步進電機的驅(qū)動器密切相關(guān)。④定位轉(zhuǎn)矩一電機在斷電的時候，電機的轉(zhuǎn)子鎖定本身的力矩的大小。如下:①步距角精度一步進電機在實際轉(zhuǎn)動的過程中，每轉(zhuǎn)過一個步距角大小的實際值與理論值之間的誤差，用百分比表示為:誤差/步距角100%。電機在轉(zhuǎn)動的過程中，肯定會存在失調(diào)角的，而由失調(diào)角所帶來的誤差，細分驅(qū)動是無法消除的。步進電機輸出力矩和頻率之間的關(guān)系曲線如下圖所示。假如步進電機轉(zhuǎn)動一圈要用200個脈沖信號來對勵磁繞組進行勵磁的話，即步進電機的轉(zhuǎn)動角度與勵磁脈沖信號的個數(shù)之間是呈正比例關(guān)系的。 圖410等效電路圖411 繞組說明步進電機勵磁方式:步進電機的勵磁方式有半步勵磁和全步勵磁兩種類型。步進電機接收到任意一個勵磁脈沖信號后。下表中的1和0分別代表傳送給步進電機的勵磁脈沖信號的高電平和低電平。如果用該種勵磁方式對步進電機的正轉(zhuǎn)進行控制的話，其對應(yīng)的勵磁脈沖信號順序表則如下表所示。該種勵磁方式的特點是步進電機在運行的過程中不僅平滑，而且分辨率也很高，因此應(yīng)用的范圍非常廣泛。該種步進電機不僅價格低廉、控制精度高，而且動態(tài)反應(yīng)速度快等。該驅(qū)動器驅(qū)動二相混合式步進電機57BYG450D4。控制信號端：驅(qū)動器通過脈沖信號(CP)接線端口接收脈沖信號，按接收到脈沖信號數(shù)量來驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動角度；驅(qū)動器通過方向信號端(DIR)接收方向信號，發(fā)送相應(yīng)的指令使步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；控制信號的公共端(COM)； 脫機電平輸入端(RST)：此端子加低電平，電機處于自由狀態(tài)。圖413 系統(tǒng)流程圖其中檢測白天還是黑夜時通過中斷0來判斷的，只要INT0檢測到低電位，系統(tǒng)就進入中斷服務(wù)程序，即等待狀態(tài)。如果系統(tǒng)檢測到D0沒有受到光照，之后系統(tǒng)對分布在D0周圍的4個光敏二極管D1～D4分別檢測，如果檢測到哪個光敏二極管所對應(yīng)的單片機引腳是低電位，這就說明這個光敏二極管受到了光照，這時系統(tǒng)命令此光敏二極管所對應(yīng)的電機超規(guī)定的方向轉(zhuǎn)動，直到D0受到光照為止，這樣就完成了追蹤太陽的目的。系統(tǒng)中用到了中斷服務(wù)程序，黑夜狀態(tài)下INT0檢測到低電位，系統(tǒng)進入中斷處理程序，命令兩個電機停止轉(zhuǎn)動，程序設(shè)計如下：　Void initial（）//初始化{EA=1； //CPU所以中斷開EX0=1； //IT0中斷開IT0=0； //IT0低電平觸發(fā)EX=1； //INT1中斷開IT1=0； //IT1低電平觸發(fā)Return；}void int0（）interrupt 0 using 0{ FINT0=1；}If（FINT0=0） //中斷0{ FINT0=0；P1=0xff； } //所有電機停轉(zhuǎn)第4章 陽光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 光電追蹤器模塊的設(shè)計系統(tǒng)啟動之后進行判斷啟用何種模式，晴天時進入光電檢測追蹤模式，遇到陰天時進入太陽固定軌跡追蹤模式。圖414 光電檢測追蹤模式流程圖 光電檢測追蹤模塊的設(shè)計。設(shè)計如下圖所示。該追蹤程序流程圖如下圖所示。還有主要內(nèi)容是系統(tǒng)的軟件設(shè)計，以理論為主。結(jié)合目前該領(lǐng)域的發(fā)展狀況，對本文設(shè)計制作的太陽能光纖照明裝置總結(jié)如下:(1)深入研究并分析了各種聚光裝置的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)特點、性能特點和其在實際使用過程中所遇到的問題，并且本文設(shè)計的太陽能光纖照明系統(tǒng)選用了基于菲尼爾透鏡結(jié)構(gòu)的聚光器作為本系統(tǒng)的聚光裝置，而且也對其設(shè)計原理、尺寸計算方法等進行了詳細介紹。增加的濾光片有效地濾除了太陽光纖中對人。(3)分析對比了現(xiàn)有的太陽光跟蹤方法，即視日跟蹤和光電跟蹤方式，并對其工作原理、實際使用過程中的優(yōu)缺點進行了分析比較，最終確定了本文設(shè)計的太陽光自動跟蹤裝置采用光電跟蹤的方式，而且對由光敏二極管組成的信號采集電路進行了詳細的分析、介紹?？偨Y(jié) 總結(jié)太陽能光纖照明與傳統(tǒng)市電照明技術(shù)的有機結(jié)合使得太陽能被廣泛應(yīng)用于照明。電路主要包括光電檢測電路、單片機控制電路、時鐘電路、步進電機驅(qū)動器電路。啟動太陽固定軌跡追蹤模式程序。步進電機的轉(zhuǎn)速、啟動停止位置只取決于接收脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，在通常情況下，負載大小對其沒有影響。因此這部分的設(shè)計也不存在每次調(diào)整時電動機轉(zhuǎn)動時間的計算，因為這個轉(zhuǎn)動時間是隨機的，它因太陽光線與太陽板之間的角度的大小而不同。此模式只與時間和地點有關(guān)，而不受太陽光強弱的影響，正好彌補了光電追蹤模式陰天不能正常追蹤的缺陷。在光電跟蹤模式下：系統(tǒng)首先檢測位于圓盤中央的光敏二極管D0是否受到了光照，系統(tǒng)是通過檢測D0對應(yīng)的單片機的引腳的高低電位來判斷的。即開機之后，上電復位，系統(tǒng)進入啟用中斷處理程序，進入等待模式；若是白天，系統(tǒng)會通過光敏二極管來判斷是晴天還是陰天，晴天時，系統(tǒng)進入光電追蹤模式，陰雨天時，系統(tǒng)進入太陽固定軌跡跟蹤模式。電路連接如下圖所示。表44 57BYG450D4 步進電機的技術(shù)指標參數(shù)序號英文名稱中文名稱參數(shù)值1Rated voltage電壓2 phase相數(shù)43Step angle步距角。如果要想讓步進電機按反方向進行轉(zhuǎn)動的話，只需要將勵磁脈沖信號按反向傳送即可實現(xiàn)。 表42 步進電機二相勵磁順序表STEP AB11 100201103001141001勵磁順序說明1→2→3→4③一一二相勵磁一該種勵磁方式是一相勵磁和二相勵磁相互替換使用的勵磁方式。步進電機接收到任意一個勵磁脈沖信號后。如果使用該種勵磁方式對步進電機的正向轉(zhuǎn)動進行控制的話，那么其對應(yīng)的勵磁順序則如下表所示。而半步勵磁又被叫做一二相勵磁。該類型的步進電機共擁有A、5四條勵磁脈沖信號線，一般改變這4根勵磁脈沖信號線上面的勵磁脈沖發(fā)生的時間就能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)動進行控制了。步進電機運行時候的共振不僅會使電機失步，而且還會產(chǎn)生很大的噪聲，因此在使用步進電機時一般主動采取措施避開步進電機的共振區(qū)間。圖48 步進電機運行矩頻特性曲線當確定步進電機的型號的時候，由于電機的靜力矩是電機的固有屬性，因此就不會再變化了。②失步一步進電機在實際轉(zhuǎn)動的過程中，轉(zhuǎn)動的步數(shù)與理論上的步數(shù)不相等時，其被定義為失步。它是反應(yīng)步進電機性能的眾多參數(shù)中的一個主要的參數(shù)，其大小一般和步進電機慢轉(zhuǎn)速時的力矩大小差不多。例如對于四相電機來說，其運行模式是四相四拍的，也就是說ABBCCDDAAB。②步距角一表示步進電機的驅(qū)動電路每接收到一個步進脈沖信號以后，步進電機所轉(zhuǎn)過的角度的大小。（1）步進電機的技術(shù)參數(shù)步進電機在靜止狀態(tài)時所具有的一些技術(shù)參數(shù)指標有相數(shù)、步距角、拍數(shù)、定位轉(zhuǎn)矩以及保持轉(zhuǎn)矩，如下①相數(shù)一步進電機內(nèi)部所含有的線圈繞組個數(shù)?；旌鲜讲竭M電機不僅有二相的，而且也有五相的?；?5。然而盡管步進電機應(yīng)用廣泛，但是在使用時必須有脈沖信號發(fā)生器、步進電機驅(qū)動電路等的配合，方可使用。需要注意的問題是每個步進電機都有自己的共振點，二相混合式步進電機的共振區(qū)一般在180~250pps之間，故在步進電機使用的過程中，我們要避免否其產(chǎn)生共振，這樣步進電機不僅噪聲會很大，而且會劇烈抖動，產(chǎn)生意想不到的后果。同時電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度可以通過控制脈沖頻率來控制，從而實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。如下圖所示。RST：復位， 對芯片操作。如果RST輸出低電平，則I/O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，中止數(shù)據(jù)傳送。串行時鐘芯片為了初始化任何的數(shù)據(jù)傳送，通過把RST輸入驅(qū)動至高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。 時鐘電路設(shè)計本次選擇DALLAS公司生產(chǎn)的串行實時時鐘芯片DS1302，它雖然沒有采取光電隔離，但由于讀寫靠時序控制，且具有寫保護位，抗干擾效果好，同時體積小，連線少，使用靈活。圖46 單片機控制電路設(shè)計上圖是控制電路中的一組。當D1～D4中的某一個受到光照時，電路工作原理是一樣的。D0處在圓盤的中間位置，當D0受到光照時(這時太陽能板正對太陽)，D0導通，4組運放的同相輸入端連在一起同時檢測到高電位，這時分布在D0周圍的4個光敏二極管D1～D4的正極分別接到了LM324芯片的4組運算放大器AL1～AL4的反相輸入端，D1～D4截止，4組運放的反相輸入端檢測到低電位。檢測電路如下所示。即是，晴天時，光電二極管受到的光照強度足以使其導通，運放輸出高電位，程序繼續(xù)運行，通過光電追蹤模式進行追蹤；當太陽光的強度不足以使電路中的光敏二極管導通時，經(jīng)過比較電路之后，運放輸出低電平，這時利用軟件來控制系統(tǒng)啟用太陽固定軌跡追蹤模式。而太陽固定軌跡追蹤模式是通過計算太陽高度角和太陽方位角來進行追蹤的，太陽角度追蹤模式與太陽光強度沒關(guān)系。AT89C51的設(shè)計選用的是靜態(tài)邏輯，也就是說它的頻率可以到0，可以實現(xiàn)空閑模式和掉電模式。 單片機本單元的主要功能是接收由光電檢測電路所發(fā)出的信號，據(jù)此信號來控制電機的驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)對電動機的控制，進而實現(xiàn)對太陽的追蹤。同樣對于太陽能光纖照明系統(tǒng)的復位模式來說，是指當太陽落山至第二天太陽升起的夜間時，光線的強度很低以至于無法滿足光纖照明的要求時，步進電機就會執(zhí)行復位模式，即帶動聚光裝置轉(zhuǎn)動到太陽升起就需要開始進行實時、精確地追蹤的位置處。然后再利用A/D轉(zhuǎn)換器將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，最后再送入到控制芯片一單片機，單片機芯片在接收到這些數(shù)字信號后，會對他們進行處理，繼而輸出相應(yīng)的控制字給步進電機的驅(qū)動電路以控制步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。 硬件控制系統(tǒng)該跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括由光電傳感器組成的信號檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機控制芯片和步進電機及其驅(qū)動器等部分組成。最后展示了簡易的實驗裝置及實驗效果。 陽光光纖照明簡易實驗裝置 裝置組成圖314展示了該裝置的主要有組成，包括菲涅爾透鏡，塑料光纖，當光照通過菲涅爾透鏡，就可以看到光纖末端實驗結(jié)果圖314 簡易裝置圖圖315展示了實驗人員正在對透鏡對光位置進行調(diào)整，使透鏡盡可能的對準光照充足的地方。1/l= 1/f確定凹透鏡的焦距。但石英光纖的芯徑范圍在幾百微米到幾毫米。；橫向誤差對耦合效率的影響次之，但橫向變動的區(qū)間僅限于光纖芯徑的范圍內(nèi)部，因此當橫向誤差增大到 時，耦合效率將降至 0；相比于橫向和縱向兩種誤差，角度誤差的對耦合效率的影響相對較小，但角度誤差θ增大到5。（由聚光透鏡匯聚角度而定）時縱向誤差p與耦合效率的關(guān)系。圖38 橫向偏移誤差和耦合效率的關(guān)系曲線 縱向誤差對耦合效率的影響縱向誤差是指太陽光束的匯聚光斑的最小直徑處未能對準光纖端面，兩者間存在偏差，將此偏差稱為縱向誤差。 θ表示入射光線的入射角。表31 不同種類光纖對比性能軟皮層石英光纖硬皮層石英光纖塑料光纖液芯光纖芯徑直徑310mm數(shù)值孔徑可見光透過率97%99%97%99%95%以上80%以上最高耐溫約200℃1800℃小于200℃小于250℃軟皮層石英的參數(shù)介于硬皮層石英光纖與塑料光纖之間，代表性