【文章內(nèi)容簡介】 設計，并且 在熔絲位里，可以控制復位時的額外時間，故 AVR外部的復位線路在上電時，可以設計得很簡單：直接拉一只 10K 的電阻到 VCC 即可 (R1)。為了可靠，再加上一只 的電容 (C5)以消除干擾、雜波。 D1(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將 R1(10K)電阻短路，讓 C5快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復位。當 AVR 在工作時，按下 S1 開關(guān)時，復位引腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復位。實際應用時，如果不需要復位按鈕，復位腳可以不接任何的零件 ， AVR 芯片也能穩(wěn)定工作。 晶振電路由圖中的 Y C和 C9組成，接入單片機的 XTAL1和 XTAL2的引腳。 ATmega16單片機 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M、 2M、 4M、 8M 的振蕩頻率。在一些要求較高的場合，建議使用外部的晶振線路。實際應用時，如果不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部 RC 振蕩，這部分不需要任何的外圍零件。 AD轉(zhuǎn)換濾波電路由圖中的 L C和 C7組成。為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾， ATmega16 7 單片機 芯片有獨立的 AD 電源供電。 ATmega16 單片機 內(nèi)帶 標準參考電壓，也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷海热缭谕饷媸褂?TL431 基準電壓源。不過一般的應用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。實際應用時，如果想簡化線路，可以將 AVCC 直接接到 VCC， AREF懸空，即這部分不需要任何的外圍零件。 ISP 下載線路 ISP 下載線路如圖 5 所示。 P1為 ISP 下載接口， P1 中對應的引腳接入單片機的 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）和復位引腳。 ISP 下載接口不需要任何的外圍零件。由于沒有外圍零件，故 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）、復位腳仍可以正常使用 ，不受 ISP 的干擾。 1 23 45 67 89 10P1ISPPB5RESETGNDPB7PB6VCC 圖 5 ISP下載線路 光強度檢測電路 光敏電阻介紹和工作原理 光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應 (半導體材料受光照射后，其導電率發(fā)生變化的現(xiàn)象）。常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。半導體材料受到光照時 會產(chǎn)生電子一空穴對，使其導電性能增強，其阻值隨光照增強而減小，光線越強，阻值越低。光敏電阻是一種沒有極性的電阻器件。光敏電阻的響應時間一般為 2到 50ms。光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片（或樹脂防潮膜）和電極等組成。 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 如圖 6 所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個 歐姆接觸電極的光電導體。光導體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應，只限于光照的表面 8 薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去，但擴散深度有限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案。它是在 一定的掩模下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。 光敏電阻的類型按半導體材料分為本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。后者性能穩(wěn)定，特性較好，故目前大都采用它。 圖 6 金屬封裝的硫化鎘光敏電 阻結(jié)構(gòu)圖 光強檢測電路 本設計中的光強檢測電路如圖 7 所示。光敏電阻其內(nèi)部電阻隨光照射而變化，光度越強阻值越小，輸出電流越大。電路用了光敏電阻（ R7R11）與負載電阻（ R2R6）相接，再接到 ATmega16 單片機的輸入口 PA0（ ADC0）、 PA1（ ADC1）、 PA2（ ADC2）、 PA3（ ADC3）和 PA4（ ADC4）進行 A/D 轉(zhuǎn)換。其中光敏電阻 R7用于檢測當前的太陽光強是否足夠，若光強小于某個值，系統(tǒng)就不進行跟蹤。光敏電阻 R R R10 和 R11 用于檢測太陽能板是否對準太陽。當平板對準了 太陽后，對稱的兩個光敏電阻的光照強度就會相同，即 R8和 R9 的光強相同， R10 和 R11的光強相同。當平板沒有對正太陽時對稱的兩個光敏電阻的光照強度就會不一樣，則流過電阻的電流就會不相同，這樣獲取的電壓值也不相同。R8和 R9 用于對垂直方向的太陽光進行追蹤， R10 和 R11 用于對水平方向的太陽光進行追蹤。 9 VCCGND10KR21KR7光敏電阻PA0VCCGND10KR31KR8光敏電阻PA1VCCGND10KR41KR9光敏電阻PA2VCCGND10KR51KR10光敏電阻PA3VCCGND10KR61KR11光敏電阻PA4 圖 7 光強度檢測電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換模塊 使用 ATmega16內(nèi)部自帶的 A/D轉(zhuǎn)換器， ADC具有專門的時鐘。這樣可以在ADC工作的時候停止 CPU和 I/O時鐘以降低數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，從 而提高 ADC轉(zhuǎn)換精度（ 王衛(wèi)星， 2020）。 ATmega16 單片機有一個 10 位的逐次逼近型 ADC。 ADC 與一個 8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準。器件還支持 16 路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入 (ADC ADC0 與 ADC ADC2)有可編程增益級，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、 20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端 (ADC1), 而其他任何 ADC 輸入可作為 正輸入端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率。 ADC 包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。 ADC 由 AVCC 引腳單獨提供電源。 AVCC 與 VCC 之間的偏差不能超過 177。 。標稱值為 的基準電壓，以及 AVCC，都位于器件之內(nèi)?；鶞孰妷嚎梢酝ㄟ^在 AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。 時鐘電路 DS1302 時鐘芯片介紹 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、 低功耗的實時時鐘芯片，附加 31字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和 RAM 數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與 31 天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達 ～ 。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后背電源進行涓細電 10 流充電的能力。 DS1302 用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛應用于測量系統(tǒng)中。 DS1302 芯片的引腳分布如圖 8所示。 圖 8 DS1302的引腳分布圖 時鐘電路 時鐘電路原理圖如圖 8 所示 ， DS1302 與單片機的連接需要 3 條線： CE 引腳、 SCLK串行時鐘引腳、 I/O 串行數(shù)據(jù)引腳。本設計中， CE 引腳與單片機 PD5 腳相連， SCLK 引腳與單片機 PD4腳相連， I/O引腳與單片機 PD5腳相連。 VCC2接 5V電源，芯片外接 晶振，為芯片提供計時脈沖。 VCC21X12X23GND4CE5I/O6SCLK7VCC18U4DS1302VCCGNDY232768HZPD4PD6PD527pFC1027pFC1110KR1310KR14VCC10KR12Res2 圖 9 時鐘電路圖 電機驅(qū)動電路 步進電機的介紹 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或直接位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進電機可以直 接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便，一般電動機都是連續(xù)移動的，而步進電機則有電動機 11 則有定位和運轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的； 同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機的轉(zhuǎn)動速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機分為三類：永磁式（ PM），反應式（ VR）和混合式（ HB）。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩 輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家 80 年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般 度，而五相步進角一般為 度，這種步進電機的應用最為廣泛。 步進電機 28BYJ48 型是四相八拍電機，實物圖如圖 10所示，輸入電壓為 DC5VDC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應步進 電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改 變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA ）， 雙 （ 雙 相 繞 組 通 電 ） 四 拍 （ ABBCCDDAAB ）， 八 拍（ AABBBCCCDDDAA）。 圖 10 步進電機 28BYJ48型四相八拍電機 ULN2020 芯片介紹 電機驅(qū)動需要較高的電壓和電流，一般需要根據(jù)電機的具體參數(shù)設計合適的驅(qū)動電路。目前市場上有很多性能優(yōu)良的電機專用驅(qū)動芯片，本設計采用電機驅(qū)動芯片 ULN2020 12 用于步進電機的 驅(qū)動控制。 ULN2020 是耐高壓、大電流達林頓系列，由七個硅 NPN達林頓管組成。該電路的特點如下： ULN2020 的每一對達林頓都串聯(lián)一個 ，在 5V 的工作電壓下他能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2020 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達 500mA,并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。 ULN2020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 11所示。 圖 11 ULN2020內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 電機驅(qū)動電路設計 電機驅(qū)動電 路圖如圖 12 所示 。圖中 U3為 ULN2020 芯片，芯片的 IN1 腳接入單片機的 PB0 腳， IN2 腳接入單片機的 PB1 腳， IN3腳接入單片機的 PB2 腳， IN4 腳接入單片機的 PB3 腳。 J2 為排針，與步進電機相連。 VCCPB0PB1PB2PB3IN55IN77IN66OT512OT611OT710OT413COM9IN11IN44OT215IN33OT314IN22OT116GND8U3ULN202012345J2步進電機VCCGND 圖 12 電機驅(qū)動電路 13 鋰電池充電電路 太陽能充電管理專用充電芯片 CN3063 簡介 CN3063 是可以用 太陽能電池 供電的單節(jié) 鋰電池 充電管理芯片。該器件內(nèi)部包括 功率晶體管，應用時不需要外部