【文章內(nèi)容簡介】 想 在 太陽能追蹤器設(shè)計完成 的 情況下 ， 通過 大量 查閱資料 以及 了解 一些 具體 實例 ，在上述基礎(chǔ)上， 為了 更好的實現(xiàn)自動跟蹤系統(tǒng)的功能，采取下列措施： 1． 采用 AT89C51 單片機作為 系統(tǒng) 的核心。 2． 利用 所 設(shè)計的光電傳感器進行白天還是黑夜 ， 晴天還是陰天的程序運行。 3． 對 光電檢測部分進行電路設(shè)計，并連接單片機，以達到有效地控制。 4． 可以 使用 LED 顯示器，時鐘電路可以采用串行時鐘芯片 DS1302. 5． 控制部分首先 將單片機發(fā)出的信號放大，然后發(fā)送給電動機，電機獲得信號后執(zhí)行動作，從而實現(xiàn)追蹤功能。 6． 機械 裝置采用蝸輪蝸桿傳動，達到減速和改變運動方向 的 目的 。 系統(tǒng)框架圖 如 圖 所示 。 圖 太陽自動跟蹤 系統(tǒng)框圖 光電檢測單片機白天 ? 黑夜YN系統(tǒng)中斷進入等待晴天 ?啟動光電檢測追蹤模式陰天YN啟動固定軌跡追蹤模式比較電路單片機電機運轉(zhuǎn)電池板調(diào)節(jié)進入時鐘模塊利用內(nèi)設(shè)函數(shù)計算太陽高度角和方位角太陽能電池板 自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計 14 本章小結(jié) 本章主要闡述的 內(nèi)容 是 太陽能 追蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計思想和方案。為了 實現(xiàn) 本任務和目的，介紹了應采取的措施 ， 確定了 光電跟蹤 與固定軌跡跟蹤兩種 跟 蹤方式結(jié)合在一起使用 的 方案，并進行了相關(guān)說明。 在此基礎(chǔ)上 ，自行設(shè)計了光電傳感器，并對整體機械模塊進行了設(shè)計 與 說明。 第 3章 硬件系統(tǒng) 部分的設(shè)計 15 第 3 章 硬件系統(tǒng) 部分的設(shè)計 AT89C51 單片機 簡介 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。它 是 整個系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)所選用的單片機為 AT89C51 型 單片機 。 AT89C51 單片機 因其強大的功能而被廣泛的使用，它的性能如下 [10]： （ 1） 4KB 可改寫程序 Flash 存儲器 （ 2） 全靜態(tài) 工作 ： 0Hz～ 24Hz （ 3） 3級 程序存儲器保密 （ 4） 128 8字節(jié) 內(nèi)部 RAM （ 5） 32條 可編程 I/O 線 （ 6） 2個 16位 定時 /計數(shù)器 （ 7） 5個 中斷源 （ 8） 可編程 串行通道 圖 AT89C51 的 引腳結(jié)構(gòu)圖，共有 40 個 引腳 ， 雙列直插封裝 方式 。 太陽能電池板 自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計 16 圖 AT89C51 芯片 引腳圖 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。在 空閑模式 中， CPU 停止工作， 而 RAM、定時 /計時器 、 串行口 和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作；在掉電模式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被 “ 凍結(jié) ” ， 使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容，直到下一次硬件 復位為止 。 光電檢測電路的 設(shè)計 判斷陰晴天的 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。當 太陽光 比較弱的時候光電追蹤模式會表現(xiàn)的不靈敏，甚至使系統(tǒng)紊亂。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。本 系統(tǒng)設(shè)計 的是將光電追蹤模式和太陽角度追蹤模式結(jié)合起來，當陰天的時候，太陽光比較弱，這時系統(tǒng)會由光電追蹤模式轉(zhuǎn)換到太陽角度追蹤模式。圖 電路部分。 圖 判斷陰晴天的電路 此 電路中使用一個 光敏二極管 來檢測太陽光的強弱， 用 一組運放做比較電路，運放的 輸出端 接到單片機引腳 上 。 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，這時 檢測到 高電位，程序繼續(xù)運行，通過光電追蹤模式進行追蹤 [11]； 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，這時單片機的引腳 檢測到 地電位 ，這時利用軟件來控制系P 0 . 4G N D+ 5 V+ 5 V100 K100 Ω 100 Ω 1 K +第 3章 硬件系統(tǒng) 部分的設(shè)計 17 統(tǒng)啟用太陽 固定軌跡 追蹤模式。 這樣 就 可以 無論陰天到晴天還是晴天到陰天下的追蹤模式的切換。 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 。即 實現(xiàn) 如下功能：白天時，運放輸出 高電位 ，中斷 0檢測到 高電位，系統(tǒng)沒有中斷請求，程序繼續(xù)運行，開始檢測是陰天還是晴天；黑夜時，運放輸出低 電位 ，INT0 檢測到 低電位，外部中斷 0 是 低電平有效地引腳，因此 INT0=0 時 ，向單片機發(fā)出中斷請求， 單片機 接到中斷請求后，外部中斷 0被激活 ，進入外部中斷 0處理 程序，從而進入等待狀態(tài)。 檢測電路 如下圖 。 圖 判斷晝夜的檢測電路 光電檢測電路 的設(shè)計 光電 檢測電路主要是 檢測 太陽 的 高度角和方位角的變化 ， 電路 中 采用了 5個 光敏二極管，排列如圖 21所示 。 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。 電路圖 如圖 。 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I N T 0G N D+ 5 V+ 5 V100 K1 K 1 K +太陽能電池板 自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計 18 止， 4 組 運放的反相輸入端檢測到低電位。由 運算放大器 的工作原理知，這時 4 組 運放的輸出端同時輸出高電位。也就是 當 D0 受到光照時，單片機 AT89C51 的 4個 引腳 ～ 圖 同時檢測到高電位。因為 電路中 是利用了 運算放大器 將 D0 和 D1～ D4進行比較，為了系統(tǒng)的正常運行，調(diào)節(jié)電路中的 5 個 電阻值，使得當處在中間位置 的 D0 沒有受到光照時， 同時 保證 D1～ D4 中沒有受到光照的光敏二極管所對應的運放輸出高電位 ， 而 受到光照的那個光敏 二極管 所對應的運放輸出低電位 。 當 D1～ D4 中的某一個受到光照時 ,電路 工作原理 是 一樣的 。以 D1為例 ： 當 D1 處于導通狀態(tài)，正如上文所述，這時只有 D1 所對應的運算放大器 AL1輸出低電位，而與 D0一樣沒有 受到 光照的 D D D4 所對應的 運算放大器 AL AL AL4 輸出 高電位，這時對應得 AT89C51 的 引腳 檢測到 低電位，而 、 、 檢測到 高電位 。 單片機 控制電路的設(shè)計 ++++P 2 . 0P 2 . 1P 2 . 2P 2 . 3+ 5D 0D 1D 2D 3D 4AL 1AL 3AL 2AL 4200 Ω200 Ω200 Ω200 Ω200 Ω第 3章 硬件系統(tǒng) 部分的設(shè)計 19 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 。 控制 電路時通過兩級 NPN 管的導通而來控制繼電器的吸合或斷開，進而控制電機的工作狀態(tài) ， 如圖 [12]。 圖 單片機控制電路的設(shè)計 圖 是 控制電路中的一組。當 光電二極管 受到光照時，通過光電檢測電路之后，AT89C51 單片機的 引腳會檢測到低電位，實現(xiàn)了光信號到電信號的轉(zhuǎn)變，這時 系統(tǒng)需要軟件將光電檢測部分與控制部分聯(lián)系起來。 可 通過軟件設(shè)計程序，當 檢測到低電平 時，將 清零，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。 上圖 中所畫出的只是整個控制 電路的 一個分支，完整的控制電路由四組與上圖完全相同的電路組成，四個分支分別由 AT89C51 的四個引腳 ～ 引出 ，四組電路接了四個繼電器，分別控制兩個電機的 正反 轉(zhuǎn) 。 時鐘 電路的設(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，外圍只有一個 晶振，使用靈活。具有 31 8RAM， 可供保存 有用 數(shù)據(jù)。 DS1302 與 單P 1 . 4+ 5 V1 K 1 K 1 K K 1Q 2Q 1太陽能電池板 自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計 20 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 ） 。 數(shù)據(jù)可以 按每次一個字節(jié)或多達 31 個 字節(jié)的形式傳送到時鐘 RAM 或從中 送出 。 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。RST 提供有 兩種功能 ： 首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令 序列送入移位寄存器；其次， RST 提供了單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送 的 手段 [13]。 時鐘 SCLK 是上升沿后 繼 以下降沿的序列。數(shù)據(jù) 輸入 時，在時鐘的上升沿前必須有效，而數(shù)據(jù)位在時鐘的下降沿之后輸出。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。上電 時 ， Vcc， RST 必須為邏輯 0， 當 RST 由 0 至 1 狀態(tài) 時，SCLK 必須為邏輯 0。 DS1302 主要 引腳 有： X1， X2連接 晶振。 GND：電源地。 RST： 復位， 對芯片操作。 I/O： 數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。 SCLK： 串行時鐘輸入。 VCC1， VCC2：主電源 與后備電源。 如圖 所示 。 圖 時鐘電路 步進電機驅(qū)動器 電路的設(shè)計 本文設(shè)計的控制器的步進電機采用 SJ220MA 驅(qū)動器 [14]。該驅(qū)動器驅(qū)動二相混合式步進電機 57BYGH8404。 SJ220MA 驅(qū)動器采用原裝進口模塊，實現(xiàn)高頻斬波恒流驅(qū)動，具有很強的抗干擾性、起動頻率高、高頻性能好、內(nèi)部信號與控制信號實現(xiàn)光電隔離、電流可調(diào)、整半步可自由設(shè)定、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、運行平穩(wěn)、帶動 4A 以下所有的42BYG、 57BYG、 86BYG 系列步進電機。其電路 連接如圖 。 P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2Vc c 1X 1X 2G N DV