【文章內(nèi)容簡介】 大于啟動頻率，則電機會出現(xiàn)失步，不能正常工作。目前，步進(jìn)電機的啟動頻率為1000～3000Hz。電動機啟動頻率與轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性有關(guān)。慣性越大，則啟動頻率越小。5）最高運行頻率運行頻率是指電動機在額定狀態(tài)下逐升速，達(dá)到不失步的連續(xù)工作頻率。一般情況下，連續(xù)運行頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動頻率。因此，步進(jìn)電機在以較低的啟動頻率啟動后，應(yīng)采用升速控制策略達(dá)到運行頻率。同樣，采用降速策略從運行頻率降到啟動頻率以下，在停止控制脈沖。 傳感器的選擇當(dāng)光軸對準(zhǔn)太陽時，光斑的中心在光軸上。四個象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號。當(dāng)光軸未對準(zhǔn)太陽時即太陽光與光軸成一角度θ時，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)。由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比，每個象限被光斑覆蓋的面積不同，因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。根據(jù)上述將Vx，Vy進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入單片機。單片機通過驅(qū)動設(shè)備可控制俯仰角電機和方位角電機轉(zhuǎn)動，直到Vx=Vy=0，即x=0，y=0，則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對準(zhǔn)太陽，根據(jù)以上原理即可對太陽能板位置誤差進(jìn)行校正。本次設(shè)計選擇的是步進(jìn)電機，步進(jìn)電機驅(qū)動有三種方案可選擇：方案一：光敏電阻。從光照特性來看，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特性變化不靈敏。方案二：硅光電池。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，根據(jù)硅光電池光照強度曲線特性可知：硅光電池的開路電壓或短路電流與光強呈很好的線性關(guān)系。方案三：光敏二極管。光敏二極管具有單向?qū)щ娦裕瑹o光照時，有很小的暗電流，當(dāng)受到光照時，光電流隨射光強度的變化而變化。方案四：光敏三極管。光敏三極管靈敏度遠(yuǎn)高于光電池,但受外界環(huán)境影響飄動比較嚴(yán)重,用兩個光敏三極管采集點光源兩側(cè)的光強差,更容易確定點光源的位置。用四個光敏三極管組成四象限感光面，上下左右各一個光敏三極管。光敏三極管常用來檢測可見光或紅外光，有光照射或光強變化時，集電極產(chǎn)生的光伏感生電流直接流入基極，并被器件本身所放大，因此光敏三極管有較高的靈敏度。在測試光敏電阻與硅光電池時，發(fā)現(xiàn)光源的距離限制了兩者的應(yīng)用范圍。當(dāng)距離比較大時，兩者的靈敏度大大降低。經(jīng)實踐測定，光敏二級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。本系統(tǒng)設(shè)計時采用了光敏三極管3DU5作為光強檢測傳感器。 顯示器的選擇本系統(tǒng)顯示器主要顯示的是傳感器檢測到的信號，可選用以下方案：方案一：FYD128640402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形LCD液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點陣的漢字. 。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示與同類型的圖形點陣液晶顯示相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。方案二：七段數(shù)碼管顯示，顯示的范圍比較小，一般只能顯示數(shù)值和字母。數(shù)碼管多時連線也會隨之復(fù)雜。綜上所述：方案一相對比較有優(yōu)勢，所以選LCD液晶顯示。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件方框圖本系統(tǒng)是有控制核心的單片機對傳感器檢測的光源的信號進(jìn)行分析和處理然后控制電機，使其跟隨點光源移動。達(dá)到跟蹤點光源的目的。系統(tǒng)的硬件主要有控制器單片機，電機驅(qū)動模塊，顯示模塊，鍵盤等模塊組成的。 硬件方框圖 主控系統(tǒng)本設(shè)計采用TI公司的AT89C51單片機分別作為發(fā)送部分和接受部分的控制核心，完成信號發(fā)送和接收、電流檢測、控制電機、鍵盤輸入及液晶顯示等功能。AT89C51單片機電路設(shè)計和制作簡單，功耗低。文中所述系統(tǒng)為地平坐標(biāo)系的雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)，因此采用雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制，雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制就是在X軸方向控制1臺步進(jìn)電機，在Y軸方向控制1臺步進(jìn)電機。這2臺步進(jìn)電機同時驅(qū)動同一個對象，使對象在一個平面上以任意曲線運動。 單片機主要特點是由ATMEL公司生產(chǎn)的一個單片機。在功能上，該系列單片機有基本型和增強型兩大類。在片內(nèi)程序存儲其的配置上，該系列的單片機有三種形式：掩膜ROM、EPROM、ROM Less（無片內(nèi)程序存儲器）。AT89C5l是一種低功耗、高性能的8位單片機，片內(nèi)帶有4KB的Flash可編程可擦除只讀存貯器，它采用CMOS工藝和高密度非易失性存貯器技術(shù)，而且引腳和指令系統(tǒng)都與MCS51兼容。片內(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編程。AT89C5l是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。 單片機主要組成CPU系統(tǒng)：8位CPU,含布爾處理器；時鐘電路；總線控制邏輯。存儲器系統(tǒng)：4KB的程序存儲器（ROM/EPROM/Flash，可外擴至64KB）；128KB的數(shù)據(jù)存儲器（RAM,可在外擴64KB）；特殊功能寄存器SFR。I/O口和其他功能單元：4個并行I/O；2個16為定時/計數(shù)器；1個全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（5個中斷源、2個優(yōu)先級）。外接晶體引腳XTAL1和XTAL2：(1)XTAL1:接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩信號源時，該引腳接收外部振蕩源的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。(2)XTAL2:接外部晶體的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩信號源源時，此引腳應(yīng)懸浮不連接。89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部始終方式。內(nèi)部時鐘方式如圖所示。在89C51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5～30pF，典型值為30pF。～12MHZ間選擇，典型值為12MHZ和6MHZ。這也是最常用的晶振電路。： 晶振電路 單片機的復(fù)位電路RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。在對Flash存貯器編程期間，該引腳也用于施加編程語序電源。當(dāng)在89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。在實際應(yīng)用中，復(fù)位操作有兩種形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電復(fù)位與按鍵均有效的復(fù)位。 （a）上電復(fù)位 （b）上電復(fù)位與按鍵 復(fù)位電路上電復(fù)位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復(fù)位操作。（a）所示。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容C1的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進(jìn)行復(fù)位操作。該電路典型的電阻和電容參數(shù)為：晶振為12MHZ時，C1為10uF，；晶振為6MHZ時，C1為22uF,R1為1KΩ。（b）所示。上電復(fù)位原理與圖（a）相同，另外在單片機運行期間，還可以利用按鍵完成復(fù)位操作。晶振為6MHZ,R2為200Ω。單片機的復(fù)位操作使單片機進(jìn)入初始化狀態(tài)。初始化后，程序計數(shù)器PC=0000H，所以程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機啟動后，片內(nèi)RAM為隨機值，運行中的復(fù)位操作不改變內(nèi)RAM的內(nèi)容。 步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計兩相混合式步進(jìn)電機A、B兩個繞組中的通電狀態(tài)每經(jīng)過一個循環(huán),步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距角θ，θ的大小與步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即：θ=360176。Zr其中：Zr———由電機結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)子齒數(shù)。步進(jìn)電動機每次換相轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。用θs表示，其計算公式為：θs=θN=360176。NZr其中：N———控制方式的拍數(shù)。對于兩相混合式步進(jìn)電機當(dāng)Zr =50時,在兩相混合式步進(jìn)電機四拍驅(qū)動模式下N =4,θs =176。,176。為一整步,而在八拍驅(qū)動模式下N =8,θs =176。176。為一個半步。四拍或八拍驅(qū)動方式是兩相混合式步進(jìn)電機通常采用的驅(qū)動方式,在這兩種驅(qū)動模式下,每當(dāng)電機繞組換相時,電機繞組中的電流是不受控制的,在八拍驅(qū)動模式下繞組的電流從0變化到最大值,或從最大值變化到0,而在四拍驅(qū)動模式下繞組中的電流是在正向電流最大值與反向電流最大值之間交替變化,在步進(jìn)電機每個驅(qū)動脈沖到來時由于繞組電流的劇烈變化就造成了電機驅(qū)動力矩的大幅波動,從而使電機在驅(qū)動過程中產(chǎn)生振動,并且電機每一步的運行過程是處于一種自由運行狀態(tài),無法控制電機的精確位置,從而使控制精度降低。步進(jìn)電機在單單僅給予電壓時，電機是不會動作的，必須由脈沖產(chǎn)生器提供位置(脈波數(shù))、速度的脈沖信號指令，以及驅(qū)動器驅(qū)動電流流過電機內(nèi)部線圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機運轉(zhuǎn)。所以欲使步進(jìn)電機動作的必要系統(tǒng)組成有：（1）脈沖產(chǎn)生器：給予角度(位置移動量)、動作速度及運轉(zhuǎn)方向之脈沖信號的電機驅(qū)動指令。（2）步進(jìn)驅(qū)動器：依控制器所投入的脈沖信號指令，提供電流來驅(qū)動步進(jìn)電機動作。（3）步進(jìn)電機：提供轉(zhuǎn)矩動力輸出來帶動負(fù)載。所以步進(jìn)電機系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器、位置傳感器，即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制。步進(jìn)電機的速度控步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)速度會與輸入的脈沖速度成等比例的關(guān)系，所以在脈沖的速度愈快時，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速也會跟著加快；脈波速度愈慢時，電機的轉(zhuǎn)速自然也跟著變慢。電機的運轉(zhuǎn)速度(RPM)與脈沖速度(PPS，又稱 Hz)間的關(guān)系式如下：電機的運轉(zhuǎn)速度(RPM)＝脈沖速度(PPS或Hz)60247。步進(jìn)電機分割數(shù)/圈說明：（1）RPM為一般電機的速度單位，即每分鐘電機所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為步進(jìn)、伺服電機的速度單位，即每秒所送出的脈沖數(shù)。（2）由于RPM與PPS的單位不同，所以于轉(zhuǎn)換的過程中要先將PPS的秒鐘乘以60變?yōu)榉昼?。?）步進(jìn)電機分割數(shù)/圈，又代表要讓電機轉(zhuǎn)一圈所必須送出的脈沖數(shù)。（4）上述公式拆解后之單位表示為→RPM=PPS601/分割數(shù)步進(jìn)電機的控制步進(jìn)電機不需要位置傳感器(SENSOR)，就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動量，并將負(fù)載順利、正確的送達(dá)指定位置點上。而移動量的大小，是依照電機分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來決定。脈沖數(shù)(PULSE)與移動量間的關(guān)系式如下：位置移動量(176。)＝步進(jìn)電機分辨率(176。)輸入脈沖數(shù) (1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機的三拍工作方式，其各相通電順序為ABCD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C,D相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向如果給定工作