【正文】 執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。信號(hào)采集處理電路如圖 。東西或南北兩塊光電池的電壓接入EE2。AR11LM3245VR11RES2RF12RES2E2 AR11LM3245VR11RES2RF12RES2E1 圖 信號(hào)采集電路為了精確測(cè)量數(shù)十 mA 范圍的光電池電流，運(yùn)算放大器的偏置電流應(yīng)該不大于數(shù)毫安。本文中選用 LM324,它的偏置電流是 nA 數(shù)量級(jí)，LM324 是一種 4 集成運(yùn)算放大器，由于價(jià)廉且使用方便，被廣泛應(yīng)用于控制和一般信號(hào)放大處理之中。光電轉(zhuǎn)換電路可以使用集成運(yùn)算放大器。圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，3 太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)14運(yùn)放采用 LM324，在圖中所示條件下，電路放大倍數(shù)如式（）所示: [27] 放大倍數(shù)=1+RF12/R11 ()西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14 光電池的特性參數(shù)光電池的主要功能是在不加偏置的情況下能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。按用途光電池可分為太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池兩大類。太陽(yáng)能光電池主要用作電源，由干它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、能直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，因而不僅成為航天工業(yè)的重要電源，還被廣泛地應(yīng)用干人們的日常生活中。測(cè)量光電池的生要功能是作為光電探測(cè)用，對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，它被廣泛地應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中。光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。所謂光生伏特效應(yīng)就是在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng) [21]。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱為太陽(yáng)能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源組件，具有較大面積的結(jié)，當(dāng)光照射在結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)半導(dǎo)體的材料不同，光電池可分為硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。光電池的開(kāi)路電壓是指當(dāng)光電池外接電阻為無(wú)窮大時(shí)，該電阻上所測(cè)得的電壓即為開(kāi)路電壓。開(kāi)路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。短路電流是指把光電池結(jié)的兩端通過(guò)外導(dǎo)線短接，形成流過(guò)外電路的電流，該電流稱為光電池的輸出短路電流，其大小與光強(qiáng)成正比。光電池的光譜特性決定于材料。硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm~1100nm，峰值波長(zhǎng)在 850nm 附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 光電池的型號(hào)根據(jù)硅光電池的特點(diǎn)和工作的需要程度，本文選用 2CR43 硅光電池。2CR43光電池：面積 1010mm2。開(kāi)路電壓≥550mv。短路電流≥23mA；輸出電流≥；轉(zhuǎn)換效率 1012%。 跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選型在本文的主要控制器件單片機(jī)的選型方面，由于考慮到本系統(tǒng)要用到 A/D轉(zhuǎn)換，所以我們選著了 Silicon 公司的 80C51F330。C8051F330 器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU，其自帶 A/D 轉(zhuǎn)換，就不需要外擴(kuò) A/D，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15圖 80C51F330 芯片結(jié)構(gòu)圖下面列出了其一些主要特性：⑴ 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS） ⑵ 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） ⑶ 真正10位200 ksps的16通道單端/差分ADC，帶模擬多路器 ⑷ 10位電流輸出DAC ⑸ 高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器 ⑹ 8KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器⑺ 768字節(jié)片內(nèi)RAM ⑻ 硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/ I 2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口 ⑼ 4個(gè)通用的16位定時(shí)器 ⑽ 具有3個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）⑾ 片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 ⑿ 片內(nèi)電壓比較器 ⒀ 17個(gè)端口I/O（容許5V輸入） 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16 電源電路電源模塊需要向 80C51F330 提供 3V 的電源電壓，向外部時(shí)鐘提供 5V 的電源電壓，向通信模塊 RS485 提供 5V 的電壓，向限位開(kāi)關(guān)、復(fù)位電路提供 3V 的邏輯電壓，以及向控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器 PMM8713 提供 5V 的電源電壓，向步進(jìn)電機(jī)及其功率放大驅(qū)動(dòng)電路提供 24V 的電壓。綜上所述本系統(tǒng)的電源電壓共需要以下 3 個(gè)等級(jí)的電源電壓：3V、5V、24V。將輸入的 12V 電壓轉(zhuǎn)換到 5V 我們選用 MC78M05 三端穩(wěn)壓芯片，將 5V 轉(zhuǎn)換到 3V 我們選用 AS1117 三端穩(wěn)壓芯片，在將 12V 轉(zhuǎn)換到 24V 時(shí)我們沒(méi)有用 MC78M05 而是選用了轉(zhuǎn)換效率更高的 MAX618EEE 芯片。電源電壓模塊圖見(jiàn)圖 .IN1 OUT 3GND2U21MC78M05ACTVIN3GND2VOUT 1U22AS117 5VDC12VC21100uf C24100ufC2510uf3VIN10SHDN5VL11GND1GND8GND9GND12GND16PGND 13PGND 14PGND 15LX 2LX 3LX 4FB 7COMP 6U31MAX618EEEC321uf C3656pfC34110ufDC12VD31 24R31150kR3210kC3550ufC31100ufL3134uh圖 電源電壓MAX618 芯片輸出電壓的大小由 R31 和 R32 的阻值決定。三者之間符合如下關(guān)系：Vout=Vfb(1+R31/R32),其中 Vfb 一般為 。電感值最佳值的選取應(yīng)符西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17合式 L=Vout/7105。經(jīng)計(jì)算選取 R31=150K，R32=10K,L=34uH。 外部時(shí)鐘電路由于光電跟蹤控制系統(tǒng)存在一定的缺陷，例如早上陰天的話不能夠跟蹤到太陽(yáng)光，會(huì)造成跟蹤系統(tǒng)在跟蹤時(shí)觸碰行程開(kāi)關(guān)，造成強(qiáng)制歸位，引起誤操作。故在系統(tǒng)中加入一個(gè)外部時(shí)鐘電路，使系統(tǒng)能夠識(shí)別時(shí)間。在一定時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)只會(huì)出現(xiàn)在某一角度范圍內(nèi)，故跟蹤控制系統(tǒng)只要在這一范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤即可。經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們確定單片機(jī)每隔 分鐘給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)脈沖，也就是說(shuō)間隔 分鐘單片機(jī)才從外部時(shí)鐘采集一次數(shù)據(jù)。所以我們并不需要采用高速的并行時(shí)鐘，而采用一般的串行時(shí)鐘就可以滿足要求了，這樣可以節(jié)省單片機(jī)的 I/O 口以備他用。在時(shí)鐘芯片的選著上，我們選擇 DALLAS 公司生產(chǎn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯DS1302，為 I2C 協(xié)議，它雖然沒(méi)有采取光電隔離，但由于讀寫(xiě)靠時(shí)序控制，且具有寫(xiě)保護(hù)位，抗干擾效果好，同時(shí)體積小，連線少，外圍只有一 晶振，使用靈活。DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月以及帶閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計(jì)數(shù)，具有 318RAM，可供保存有用數(shù)據(jù)。用于時(shí)鐘或 RAM 數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)具有單字節(jié)或多字節(jié)(也稱脈沖方式)數(shù)據(jù)傳送方式。采用雙電源(主電源和備用電源)供電。DS1302 慢速充電時(shí)鐘芯片包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和 31 字節(jié)的靜態(tài) RAM，經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷提供秒、分、時(shí)、日、月和年等信息，對(duì)小于 31 天的月末的日期進(jìn)行調(diào)整，還包括閏年的校正功能。時(shí)鐘的運(yùn)行可采用 24 小時(shí)或帶上午和下午的 12 小時(shí)格式。DS1302 與單片機(jī)的通信僅需三根線即 SCLK（串行時(shí)鐘線） 、I/O（數(shù)據(jù)線） 、RST（復(fù)位線） 。數(shù)據(jù)可以按每次一個(gè)字節(jié)或多達(dá) 31 個(gè)字節(jié)的形式傳送到時(shí)鐘 RAM 或從中送出。DS1302 主要引腳有：X1，X2 連接 晶振。GND：電源地。RST：復(fù)位，用于對(duì)芯片操作。I/O：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。SCLK：串行時(shí)鐘輸入VCC1，VCC2：后備電源和主電源。電路圖如圖 所示。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18SCLK7RST5X12X23GND4VCC1 8VCC2 1I/O 6U41DS1302BT413V5VC41C42Y41圖 外部時(shí)鐘電路 復(fù)位電路外部復(fù)位。外部/RST 引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制 MCU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的方法。在/RST 引腳上加一個(gè)低電平有效信號(hào)將導(dǎo)致 MCU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。最好能提供一個(gè)外部上拉和（或）對(duì)/RST 引腳去耦以防止強(qiáng)噪聲引起復(fù)位。從外部復(fù)位狀態(tài)退出后，PINRSF 標(biāo)志（）被置“1” 。外部復(fù)位電路如圖 所示。上電復(fù)位。在上電期間，器件保持在復(fù)位狀態(tài)，/RST 引腳被驅(qū)動(dòng)到低電平，直到 VDD 上升到超過(guò) VRST電平。從復(fù)位開(kāi)始到退出復(fù)位狀態(tài)要經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)；該延時(shí)隨著 VDD 上升時(shí)間的增大而減?。╒DD 上升時(shí)間被定義為 VDD 從 0V 上升到 VRST的時(shí)間） 。最大的 VDD 上升時(shí)間為 1ms；上升時(shí)間超過(guò)該最大值時(shí)可能導(dǎo)致器件在 VDD 達(dá)到 VRST電平之前退出復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)上升時(shí)間小于 1ms 時(shí)，上電復(fù)位延時(shí)通常小于 。/R STR 811K3VS8 1SW PBC 81 uF圖 復(fù)位電路西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19 C8051F330 的 ADC0 子系統(tǒng)圖 C8051F330 的 ADC0 子系統(tǒng)C8051F330 的 ADC0 子系統(tǒng)集成了兩個(gè) 16 通道模擬多路選擇器（合稱AMUX0）和一個(gè) 200ksps 的 10 位逐次逼近寄存器型 ADC，ADC 中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。AMUX0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可用軟件通過(guò)特殊功能寄存器來(lái)配置（見(jiàn)圖 ） 。ADC0 可以工作在單端方式或差分方式，可以被配置為用于測(cè)量 P0~P溫度傳感器輸出或 VDD（相對(duì)于 P0~P1 或 GND） 。只有當(dāng) ADC 控制寄存器（ADC0CN）中的 AD0EN 位被置‘1’時(shí) ADC0 子系統(tǒng)才被使能。當(dāng) AD0EN 位為‘0’時(shí)，ADC0 子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。C8051F330的ADC0子系統(tǒng)有6種A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，由ADC0CN中的ADC0轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式位（AD0CM20）的狀態(tài)決定采用哪一種方式。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有： ⑴ 寫(xiě)‘1’到ADC0CN的AD0BUSY位⑵ 定時(shí)器0溢出（即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換）⑶ 定時(shí)器2溢出⑷ 定時(shí)器1溢出 ⑸ CNVSTR輸入信號(hào)（）的上升沿 ⑹ 定時(shí)器3溢出 向 AD0BUSY 寫(xiě)‘1’方式提供了用軟件控制 ADC0 轉(zhuǎn)換的能力。AD0BUSY 位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)‘0’。AD0BUSY 位的下降沿觸發(fā)中斷（當(dāng)被允許時(shí)）并置位 ADC0CN 中的中斷標(biāo)志（AD0INT）。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20 開(kāi)關(guān)量輸入電路為了使跟蹤平臺(tái)在方位角方向上夜間歸位，安裝一個(gè)行程開(kāi)關(guān)（限位開(kāi)關(guān)） ，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。每當(dāng)方位軸轉(zhuǎn)向正西方向（太陽(yáng)下山）的時(shí)候，便會(huì)撞擊行程開(kāi)關(guān)，將此機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)發(fā)出回轉(zhuǎn) 180 度指令，是系統(tǒng)在方位角方向回到東方，等待第二天太陽(yáng)升起。在高度角方向上不存在夜間歸位的問(wèn)題。因?yàn)楦叨冉窃谥形绲臅r(shí)候最大，早晚的高度角相差不大。本跟蹤系統(tǒng)方位角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是177。90 度，高度角是 0 度90 度。行程開(kāi)關(guān)的連接電路圖如 所示，S81 表示行程開(kāi)關(guān)，它處在常開(kāi)狀態(tài)。R71 為一上拉電阻，阻值為 10K 到 100K。3 VR 7 11 0 KP0 . 7S7 1 SW P B圖 限位開(kāi)關(guān)電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制組件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角 [22]。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴ 在不失步的前提下步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，不存在累積誤差，具有良好的跟隨性。⑵ 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，即非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21⑶ 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。⑷ 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行組件，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。不僅在開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，而且在閉環(huán)以及半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，尤其是在強(qiáng)調(diào)速度控制、位置控制的伺服系統(tǒng)，例如數(shù)控設(shè)備中的刀具快速定位以及輪廓的定位跟蹤系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)的分類及工作原理步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，