【正文】 圖 47 固態(tài)繼電器電路連接圖 47 中所示為固態(tài)繼電器與單片機的連接示意圖，本文中采用的繼電器工作電壓為直流+5V 電壓，繼電器的外圍連接了一個三極管和一個二極管。三極管起開關(guān)作用，根據(jù)單片機 I/0 口為 0 或為 1 決定三極管是否導(dǎo)通；二極管要反過來接，主要作用是保護(hù)三極管，因為在線圈停電的瞬間會產(chǎn)生反向電動勢，可能會對三極管造成損傷。 步進(jìn)電機系統(tǒng)設(shè)計 步進(jìn)電機是一種可以將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)化成角位移的執(zhí)行元件，步進(jìn)電機有一些基本參數(shù)，如固有步距角、相數(shù)、保持轉(zhuǎn)矩等。步進(jìn)電機的顯著特點是沒有累計誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。 步進(jìn)電動機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它是將數(shù)字電脈沖直接轉(zhuǎn)換為位移角度的機電設(shè)備。一般情況下，步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)動的總角度與輸入的脈沖個數(shù)成正比。和一般的電動機相比，步進(jìn)電機具有以下特點： ，采用微處理器作為控制器能很好兼容； ，步距誤差不會長時間積累； ，仍具有良好的定位精度； 、停止、正反轉(zhuǎn)變化和變速響應(yīng)好； ，可靠性高； ； ，需要專用的驅(qū)動器驅(qū)動； 。步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中。 本文選用的是兩相混合式步進(jìn)電機和細(xì)分型高性能步進(jìn)電機驅(qū)動器，步進(jìn)電機系統(tǒng)由單片機、步進(jìn)電機驅(qū)動器、步進(jìn)電機和負(fù)載電阻組成，單片機通過步進(jìn)電機驅(qū)動蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書26器控制步進(jìn)電機來帶動負(fù)載電阻，使負(fù)載電阻按預(yù)定的要求變化，并在變化的過程中進(jìn)行電壓和電流的采集。步進(jìn)電機系統(tǒng)電路連接示意圖如圖 48 所示： RA210+5V24紅黃綠藍(lán) 負(fù) 載電 阻Q2HBMGBS57H6圖 48 步進(jìn)電機系統(tǒng)電路連接如圖 48 中所示，步進(jìn)電機驅(qū)動器的 PUL，DIR，ENA 三個端子與單片機的三個I/0 引腳連接，這在前面已有介紹，這里不再重復(fù)。驅(qū)動器的 A+，A，B+，B四個端，+V 端子接 +24V 的電源，OPTO 端子接+5V光電隔離電源。本文采用 ACDC 開關(guān)電源來為+V 和 OPTO 端子提供+24V 和+5V 的電壓，驅(qū)動器的 GND 端需要與單片機的 GND 端接在一起，否則單片機 I/0 口的輸出電平無法對步進(jìn)電機驅(qū)動器施加影響。由于本文采用的是兩相混合式步進(jìn)電機，步進(jìn)電機的步距角為 度，則步進(jìn)電機轉(zhuǎn)一圈需要 200 個脈沖信號，作為負(fù)載電阻的多圈電位器一圈的阻值是 10 歐姆，則每接收一個脈沖信號步進(jìn)電機可以帶動多圈電位器改變的阻值為 歐姆，如果希望使步進(jìn)電機的步距腳更小，可以通過操作步進(jìn)電機驅(qū)動器的撥碼開關(guān) DIPSW 來實現(xiàn)。 光強信號采集單元設(shè)計 太陽能電池的短路電流受到溫度、光照等環(huán)境因素的影響，但是在太陽能電池面積較小的情況下，可以認(rèn)為太陽能電池的短路電流只與光照強度有關(guān)，并且它們之間成正比例關(guān)系，而不受其他環(huán)境因素的影響。本文根據(jù)這一原理，在測量太陽能電池的光照強度時，采用一塊小面積的太陽能電池作為光照強度傳感器，在太陽能電池的正負(fù)極之間接入阻值很小的電阻，此時，可以認(rèn)為太陽能電池處于短路狀態(tài)，測量太陽能電池兩端的電壓，從而計算出此時太陽能電池的短路電流，根據(jù)太陽能電池的短路電流與日照強度成正比例關(guān)系的原理，間接得到光照強度的數(shù)值。 小阻值的電阻可以通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機來控制線圈電阻器，使其電阻變得很小可以忽略不計時就可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集電路中的采集方法來采集此時太陽能電池兩端的電壓，從而得出電池的短路電流。 溫度信號采集單元設(shè)計 本文中太陽能電池溫度信號的采集采用的是單總線數(shù)字溫度傳感器 DSl8B20　蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書27技術(shù)性能描述：1 獨特的單線接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。2 測溫范圍 －55℃～+125℃，固有測溫分辨率 ℃。3 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8個，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實現(xiàn)多點測溫4 工作電源: 3~5V/DC5 在使用中不需要任何外圍元件6 測量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送7 不銹鋼保護(hù)管直徑 Φ68 適用于 DN15~25, DN40~DN250 各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫9 標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1, , G1/2”任選10 PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接由于被測溫度直接采用數(shù)字形式輸出，因此無需外加 A/D 轉(zhuǎn)換器，其電路連接如圖 39 所示。 49 DS18B20 電路連接在使用 DSl8B20 時，經(jīng)常采用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在實際連接電路時，往往將DSl8B20 的信號線與單片機的一位 I/O 口線相連，圖 39 中將 DSl8B20 的 DQ 端連接到單片機的 RB3 口。DSl8B20 與單片機有 2 種連接方式，一種是采用寄生電源供電，另一種是采用外部電源供電，本文采用的是外部電源供電，DSl8B20 的 DQ 端直接接單片機的 RB3 口， VDD 接+5V 電壓 VCC，GND 接地。 DS18B20 的外形及管腳排列圖如下圖 410 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書28（1）GND 地信號（2）DQ 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。用在寄生電源下，可以向器件提供電源。（3）VDD 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。圖 410 DS18B20 外形及引腳排列 DS18B20 的方框圖如圖 411 所示圖 411 DS18B20 方框圖DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 EERAM。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 9 字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如表 411 所示。頭 2 個字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié) TH 和 TL 的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯第 9 字節(jié)讀出前面所有 8 字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。第5 字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。低 5 位都為 1，TM 是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式，DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶可改動，R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。DS18B20 的硬件圖如下圖所示：蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書29RB3 DS18B20圖 412 DS18B20 硬件圖 顯示模塊設(shè)計本文采用的是點陣字符型的 LCD，點陣字符 LCD 除了可以顯示數(shù)字和字符外，還可以顯示一些特殊的字符。點陣字符型的 LCD 將 LCD 板、PCB 板和控制驅(qū)動電路組成在一起，形成了點陣 LCD 模塊。本設(shè)計采用的是 LCD 顯示模塊來顯示測量出的各種數(shù)據(jù)。LCD 采用的型號是GDM1602K，此 LCD 是雙行顯示，每行顯示 16 個數(shù)。GDM1602K 由HD44780、HD4410 及幾個電容電阻組成，它與 MCU 的接口很簡單，只有 8 條數(shù)據(jù)線和 3 條控制線。如圖所示。HD44100 是用低功耗 CMOS 技術(shù)制造的一種通用大規(guī)模 LCD 驅(qū)動集成電路，是由兩個獨立的 20 路液晶顯示驅(qū)動電路組成的。它可以用于 LCD 靜態(tài)驅(qū)動，也可以用于 LCD 的動態(tài)驅(qū)動，可以用在行驅(qū)動，還可作為列驅(qū)動器和行驅(qū)動器共同使用，HD44100 由 20*2b 數(shù)據(jù)鎖存器和 20*2b 驅(qū)動器組成，HD44780 也是用低功耗 CMOS 技術(shù)制造的大規(guī)模點陣 LCD 控制器，它集控制器和驅(qū)動器為一體，是字符點陣液晶顯示控制器的代表電路，與 4/8 位微處理器接口兼容，可以使用點陣 LCD 顯示大小英文字母、數(shù)字和符號等。HD44780 整體可以分為四個部分：接口部分、LCD 部分、控制部分和顯示存儲部分。接口部分主要指令寄存器（IR） 、指令譯碼器、地址計數(shù)器（AC） 、忙標(biāo)志電路、I/O 緩沖器和數(shù)據(jù)寄存器（DR）等，LCD 驅(qū)動部分包含 16/40 位移位寄存器、40 位鎖存器、行/段信號驅(qū)動器和驅(qū)動電壓選擇電路等，控制部分包含時序發(fā)生器、并 /串轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位電路和光標(biāo)閃爍控制器等。顯示存儲部分包含顯示存儲器和字符發(fā)生器等。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書30GDM1602KRD01234567CR圖 413 GDM1602K 硬件圖 串口通信單元介紹 本文設(shè)計的太陽能電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是上位機一下位機的工作方式，由于PC 機的分析能力很強，處理速度很快，而單片機使用起來靈活方便，因此本文采用PC 機作為上位機，單片機作為下位機，兩者之間通過 RS232 串口進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的發(fā)。因此，本文中的串口通信指的是單片機和 PC 機之間的數(shù)據(jù)傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸是由單片機的串口和 PC 機的串口共同完成的。 MAX23+5VC140C12C13C15圖 414 通信模塊接線圖蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書31第五章 軟件部分設(shè)計 主程序設(shè)計 本文用 pic 單片機語言編寫了與數(shù)據(jù)采集部分硬件電路相配合的軟件程序，其主流程圖如圖 51 所示：本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要是在中斷服務(wù)子程序中完成，主程序中只是進(jìn)行變量的定義已經(jīng) I/O 端口的初始化。 I/O初 始 化 定 義 變 量 表開 始休 眠圖 51 數(shù)據(jù)采集部分軟件流程圖 中斷服務(wù)子程序這部分子程序主要完成的是通過 RBRB5 的電平變化來檢測外部電路是不是有按鍵的按下，當(dāng)發(fā)生中斷時，先判斷是哪個鍵按下，然后根據(jù)按鍵的情況進(jìn)入相應(yīng)的分支，然后按照流程圖的順序執(zhí)行測量任務(wù)，直到最后測量完成返回斷點。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書32 中 斷 程 序 YNU鍵 按 下 ？NYI鍵 按 下 ？NYS鍵 按 下 ？ 調(diào) 電 壓 采 集 程 序調(diào) 電 流 采 集 程 序調(diào) 光 強 采 集 程 序調(diào) 溫 度 采 集 程 序 返 回 電壓采集程序太陽能電池的電壓采集是通過第二章中的采集電路的原理來實現(xiàn)的。本文中選用的太陽能電池是額定電壓 380V，而單片機的 I/O 口所能承受的電壓是 5V 以下，所以要測量 380V 的太陽能電池，要將電壓先用電阻分壓到 5V 內(nèi)才行。然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行采集后的計算。最后將計算結(jié)果通過 LCD 顯示電路顯示出來。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書33讀 RA3端 口 數(shù) 據(jù)A/D轉(zhuǎn) 換計 算 U=76U調(diào) 顯 示 程 序調(diào) 步 進(jìn) 電 機 控 制 程 序 返 回RB0、 RB RB2置 1電 壓 采 集 程 序 電流采集程序電流也是本次采集任務(wù)的主要采集對象，電流的采集和電壓的采集類似，但卻比電壓采集復(fù)雜。電流的采集首先要通過外接 24V 電壓測出負(fù)載電阻的阻值，然后再通過測量電路測出負(fù)載電阻兩端的電壓，然后就可以計算出電流值了。然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行采集后的計算。最后將計算結(jié)果通過 LCD 顯示電路顯示出來。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書34RB0置 1RB、 2置 0A/D轉(zhuǎn) 換計 算 R=76U/(576U)RB0、 RB2置 1讀 RA3端 口 數(shù) 據(jù)A/D轉(zhuǎn) 換計 算 I=76U/R調(diào) 顯 示 程 序 返 回 電 流 采 集 程 序調(diào) 步 進(jìn) 電 機 控 制 程 序讀 RA3端 口 數(shù) 據(jù) 光強采集程序太陽能電池的光強是和太陽能電池的短路電流成正比的。所以在這個測量中只要蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書35計算出短路電流就可以了，計算短路電流時首先要先將負(fù)載電阻調(diào)到零，然后測得太陽能電池的電壓然后再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，最后通過計算就可以得出短路電流的值。再把數(shù)據(jù)輸出到 LCD 中進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。 調(diào) 電 機 使 R=0RB0、 RB RB2置 1讀 RA3端 口 數(shù) 據(jù)A/D轉(zhuǎn) 換計 算 I=76U/R調(diào) 顯 示 程 序 返 回 光 強 采 集 程 序調(diào) 步 進(jìn) 電 機 控 制 程 序 溫度采集程序溫度采集和前面三項采集任務(wù)不同，不需要通過采集電路來實現(xiàn)，而是通過溫度傳感器 DS18B20 來進(jìn)行采集溫度。只是溫度的采集時間稍長。溫度采集也不需要通過A/D 轉(zhuǎn)換，可以直接輸入到單片機中，然后再送到 LCD 中進(jìn)行顯示。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書36NY返 回初 始 化 DS18B20A/D轉(zhuǎn) 換等 待 20ms初 始 化 DS18B20發(fā) 數(shù) 據(jù) 讀 取 命 令讀 取 CR校 驗校 驗 正 確數(shù) 據(jù) 存 入 緩 存調(diào) 顯 示 程 序溫 度 采 集 程 序調(diào) 步 進(jìn) 電 機 控 制 程 序 LCD 顯示子程序LCD 顯示子程序主要是將經(jīng)過采集電路采集到的數(shù)據(jù)顯示到 LCD 中，LCD 是雙蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書37行顯示的。顯示時要先設(shè)置好數(shù)據(jù)在 LCD 中的顯示位置以及顯示的具體方式。顯 示 程 序返 回LCD初 始 化延 時設(shè) 第 一 行 顯 示 位 置設(shè) 第 一 行 顯 示 內(nèi) 容設(shè) 第 二 行 顯 示 位 置設(shè) 第 二 行 顯 示 內(nèi) 容 步進(jìn)電機控制程序本設(shè)計在采集電路中運用到的負(fù)載電阻是通過步進(jìn)電機來調(diào)節(jié)電阻的。每次完成一次采集任務(wù)后，步進(jìn)電機便調(diào)節(jié)電阻，然后進(jìn)行下次測量。當(dāng)測量太陽能電池的短路電流時。步進(jìn)電機會調(diào)節(jié)電阻使負(fù)載電阻為 0，步進(jìn)電