【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡(jiǎn)單方便。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求可知，直流減速電機(jī)存在的明顯缺陷速度不容易控制，而步進(jìn)電機(jī)的控制和實(shí)現(xiàn)是相對(duì)簡(jiǎn)單一些。因而選用方案一。167。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇本系統(tǒng)中選的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)有一下三種方案可選擇：方案一：采用功率三極管作為功率放大器的控制步進(jìn)電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，但是電路比較復(fù)雜。方案二：采用由達(dá)林頓晶體管陣列ULN2003。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。單驅(qū)動(dòng)能力比較弱。方案三：采用恒壓橋式驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003。驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單，使用方便。故選擇此方案。167。 LCD液晶顯示器的選擇本系統(tǒng)LCD顯示器主要顯示的是傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，可選用以下方案：LCD1602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(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，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。167。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)方案1：不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽(yáng)運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測(cè)的，通過(guò)數(shù)學(xué)上對(duì)太陽(yáng)軌跡的預(yù)測(cè)可完成對(duì)日跟蹤。根據(jù)太陽(yáng)軌跡算法的分析，太陽(yáng)軌跡位置由觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)按照太陽(yáng)的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算太陽(yáng)的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點(diǎn)。 由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過(guò)程都十分復(fù)雜，計(jì)算量的增大會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。而且這種跟蹤裝置為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切。工程生產(chǎn)中必須要求機(jī)械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。初始化安裝時(shí)，儀器的中心南北線與觀測(cè)點(diǎn)的地理南北線要求重合。同時(shí)，還要通過(guò)儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點(diǎn)處于地面水平面內(nèi)。方案2：系統(tǒng)總體構(gòu)成包括陰影法跟蹤太陽(yáng)，單片機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)、供電等幾個(gè)模塊。陰影法跟蹤太陽(yáng)：本方案選擇的是將太陽(yáng)能電池板一整塊從中間分成四塊，然后在分割線上插上3厘米的硬紙板，再在四小塊的太陽(yáng)能電池板上安裝傳感器（盡量貼著紙板）組成的四鑒探測(cè)器，較以往的單個(gè)光敏傳感器跟蹤或單筒光敏傳感器探測(cè)器，其跟蹤效果精確而又穩(wěn)定，曾強(qiáng)了其跟蹤的可靠性，蓄電電路、和供電電路都是基本的穩(wěn)壓電路。多傳感器設(shè)計(jì)思想解決了傳統(tǒng)的單個(gè)探測(cè)器一直存在的錯(cuò)誤率高的問(wèn)題，靈敏度低的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，以及兩個(gè)方案的元器件對(duì)比，選擇方案2。系統(tǒng)總體硬件電路框圖如下： 圖11系統(tǒng)硬件方框本系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、89C51系列單片機(jī)以及相應(yīng)的外圍電路等。太陽(yáng)能電池板有兩個(gè)自由度?？刂茩C(jī)構(gòu)將分別對(duì)X、Y方向與Z方向進(jìn)行調(diào)整。單片機(jī)加電復(fù)位后，X、Y方向?qū)⑻幱谛D(zhuǎn)狀態(tài)，單片機(jī)將對(duì)采樣進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，電壓有增大和減小兩種可能，如電壓增大，則讓電池板正向轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦電壓減小，單片機(jī)將立即發(fā)出信號(hào)，讓電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。本裝置主要是跟蹤太陽(yáng)讓太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)保持垂直的，一旦太陽(yáng)有偏移或是突然變天（雷雨）情況時(shí)，與至相應(yīng)的四個(gè)探測(cè)器(四快太陽(yáng)能電池板上各一個(gè))根據(jù)分割板的陰影來(lái)判斷其太陽(yáng)的方向，將四個(gè)傳感器檢測(cè)的信號(hào)傳給單片機(jī)，在進(jìn)行比較，然后作出相應(yīng)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，電機(jī)就向太陽(yáng)所在的方向轉(zhuǎn)去。若檢測(cè)到每個(gè)傳感器都是很暗的特征，并且持續(xù)一段時(shí)間則就啟動(dòng)供電電路對(duì)用電器進(jìn)行供電，反之當(dāng)四個(gè)傳感器檢測(cè)的結(jié)果差異很大就單開(kāi)蓄電電路，關(guān)閉供電電路。第3章 硬件設(shè)計(jì)167。 主控芯片模塊167。 控制器STC89C52的介紹 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31 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。PP3的下拉能力均可達(dá)到20mA；相比之下，89C51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。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)作為全天候太陽(yáng)能系統(tǒng)的核心控制器件。167。 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)，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)。167。 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，因?yàn)槠鋬?nèi)部的RAM是動(dòng)態(tài)刷新的。167。 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，3路16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。167。 系統(tǒng)顯示模塊167。 LCD1602顯示器特點(diǎn)LCD1602液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的顯示器件，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)：(1)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。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。(2)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。167。 1602標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口LCD1602各個(gè)管腳符號(hào)及功能說(shuō)明：167。 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68或88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32，圖33，表31分別是1602的實(shí)物，顯示地址，字符代碼與圖形對(duì)應(yīng)表。 圖32 液晶屏顯示圖33 1602LCD內(nèi)部顯示地址例如想要在LCD1602屏幕的第一行第一列顯示一個(gè)“A”字,就要向DDRAM的00H地址寫(xiě)入“A”的代碼就行了。表31 字符代碼與圖形對(duì)應(yīng)圖 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如下表所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常 用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn) 陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”167。 1602顯示電路圖34 顯示電路1602 液晶的控制管腳都接到了單片機(jī)管腳上，在功能設(shè)置指令中可以將液晶設(shè)為8 位數(shù)據(jù)接口和4 位數(shù)據(jù)接口，圖中采用的是8位的數(shù)據(jù)接口，當(dāng)然也可以當(dāng)四位數(shù)據(jù)接口來(lái)用。液晶電源正端接5V，負(fù)端接地，背光正端接5V，負(fù)端接地。此外，液晶的偏壓管腳（VO）接到一個(gè)電位器的中間抽頭，電位器的兩端分別接5V 和地，這樣就可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)1602 液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 1602 ~ 時(shí)對(duì)比度效果最好，也可以將該管腳通過(guò)一個(gè)1k 的電阻下拉到地。167。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊167。 步進(jìn)電機(jī)的介紹直流電機(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)