【正文】 圖 310 顯示電路示意圖 輔助電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。 并且 CD4511 芯片只能驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED 顯示器，因此，當(dāng)系統(tǒng)需要連接多個(gè) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 LED 顯示器時(shí)，勢(shì)必造成硬件電路增加，使得電路復(fù)雜，成本也上升。 通常的七段 LED 顯示塊中有 8 個(gè)發(fā)光二極管，其中 7 個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字型“ 8”，一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。 LED 顯示器結(jié)構(gòu)與原理 LED 顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。 I/O：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。上電時(shí)， Vcc〉 ， RST 必須為邏輯0，當(dāng) RST 由 0 至 1 狀態(tài)時(shí)， SCLK 必須為邏輯 0。 RST 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。 DS1302 由 VC1和 VC2 兩者中較大者供電，當(dāng) VC2 大于 VC1+ 時(shí)， VC2給 DS1302 供電。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。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(chēng)脈沖方式 )數(shù)據(jù)傳送方式。 外部時(shí)鐘電路 由于系統(tǒng)中要進(jìn)行時(shí)間的控制，因此需要使用時(shí)鐘電路。 圖 36 檢測(cè)電路判斷白天或者黑夜 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制電路是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的，由上文所介紹的光電檢測(cè)電路檢測(cè)到光信號(hào)（本文中所謂的光信號(hào)也就是當(dāng)時(shí)太陽(yáng)光的朝向），經(jīng)過(guò)比較電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，單片機(jī)就憑著檢測(cè)到的電信號(hào)來(lái)命令控制電路的工作，以達(dá)到系統(tǒng)追蹤的要求。這也是軟硬件結(jié)合來(lái)控制的，圖 35就是硬件部分，也就是電路部分，電路中用了一個(gè)光電二極管來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)光的強(qiáng)弱，用了一組運(yùn)放來(lái)做比較電路，運(yùn)放的輸出端接到了單片機(jī)引腳 上，電路需要實(shí)現(xiàn)這樣的功能 ：當(dāng)太陽(yáng)光的強(qiáng)度不足以使電路中的光電二極管導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)過(guò)比較電路之后，運(yùn)放輸出低電平，這時(shí)單片機(jī)的引腳 檢測(cè)到低電平，系統(tǒng)進(jìn)入太陽(yáng)角度追蹤模式，下面對(duì)電路的原理作詳細(xì)的介紹： 圖 35 判斷晴天還是陰天 電路連接（如圖 35）所示，將光電二極管的正極接到了運(yùn)放 AL0 的同相輸入端，而運(yùn)放 AL0 的反相輸入端與一個(gè)固定電壓相連，通過(guò)多次試驗(yàn)確定了R0， R1， R2， R3 的值，使的電路達(dá)到這樣的效果：晴天時(shí)，光電二極管受到光照的強(qiáng)度足以使其導(dǎo)通，這時(shí)運(yùn)放的同相輸入端的電位高于其反相輸入端的電位，組成了一個(gè)比 較電路，運(yùn)放輸出高電位，因此引腳 檢測(cè)到高電位，程序繼續(xù)運(yùn)行，通過(guò)光電追蹤模式進(jìn)行追蹤；而出現(xiàn)陰天時(shí)，光電二極管所受到的光照不能使其導(dǎo)通，光電二極管截止，這時(shí)運(yùn)放的反相輸入端的電位要高于其同相輸入端的電位，同樣經(jīng)過(guò)比較之后，運(yùn)放的輸出端輸出的是低電位，這時(shí)引腳 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 檢測(cè)到低電位，這時(shí)利用軟件來(lái)控制系統(tǒng)啟用太陽(yáng)角度追蹤模式。 判斷 陰天還是晴天的檢測(cè)電路 設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)由兩種追蹤模式組成，那就是光電追蹤模式和太陽(yáng)角度追蹤模式。 從上文得知 （如圖 34） ， D0 是處在圓盤(pán)的中央的位置，當(dāng) D0 受到光照時(shí)（這時(shí)太陽(yáng)板正對(duì)太陽(yáng)）， D0 導(dǎo)通， 4 組運(yùn)放的同相輸入端連在一起同時(shí)檢測(cè)到高電位，這時(shí)分布在 D0 周?chē)?4 個(gè)光電二極管 D1~D4 在圓柱體的遮擋下不能受到光照，而且 D1~D4 的正極分別接到了 LM324 芯片的 4 組運(yùn)算放大器 AL1～ AL4的反相輸入端， D1~D4 截止， 4組運(yùn)放的反相輸入端 檢測(cè)到低電位，經(jīng)過(guò)分析得知，當(dāng) D0 受到光照時(shí)， 4 組運(yùn)放的同相輸入端同時(shí)檢測(cè)到高電位，而 4 組運(yùn)放的反相輸入端同時(shí)檢測(cè)到低電位，由運(yùn)算放大器的工作原理，這時(shí) 4組運(yùn)放的輸 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 出端同時(shí) 輸出高電位，也就是當(dāng) D0 受到光照時(shí)，單片機(jī) AT89C51 的 4 個(gè)引腳～ 同時(shí)檢測(cè)到高電位。將整個(gè)光電檢測(cè)裝置安裝在太陽(yáng)板上，光電二極管的檢測(cè)面與太陽(yáng)能板平行。圓柱體的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的話(huà)，太陽(yáng)光通過(guò)透光孔很容易（這里的很容易是指在很小的角度變化下）就會(huì)照到圓柱體的內(nèi)壁上，而照不到光敏二極管上了，這樣就會(huì)使系統(tǒng)紊亂，單片機(jī)不能做出正確的判斷。 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 光電模型的尺寸確定： 電路中采用的光電二極管的直徑是 6mm，兩個(gè)光敏二極管之間留有一個(gè)光敏二極管直徑 6mm 的距離（距離太大的話(huà)，會(huì)產(chǎn)生照不到任何光敏二極管的情況，這樣會(huì)使系統(tǒng)紊亂；距離小于 6mm 的話(huà)，有可能產(chǎn)生同時(shí) 照到兩個(gè)光敏二極管，這樣也會(huì)使單片機(jī)無(wú)法正確的判斷太陽(yáng)的方向），（如圖 32） 5 個(gè)光敏二極管分 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 布在一個(gè)圓盤(pán)上。 光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間一般在百納秒以下，而光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)510 微秒，復(fù)合型光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間還要長(zhǎng)。基于 這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻；其二是光生伏特效應(yīng)：在光作用下，使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。 顯示電路的設(shè)計(jì)：采用 MAX7219 芯片來(lái)驅(qū)動(dòng) 8 位 LED 顯示器，用來(lái)顯示時(shí)間?？蓪?shí)現(xiàn)時(shí)間判斷、天氣狀況判斷、按時(shí)間跟蹤、自動(dòng)光線(xiàn)跟蹤，時(shí)間校對(duì)等功能。 圖 26 單字節(jié)傳送 圖 27 多字節(jié)傳送 本章小結(jié) 本章先簡(jiǎn)單建立太陽(yáng)光高度角追蹤的數(shù)學(xué)模型，再主要介紹了 AT89C51，MAX7912 和 LM324 芯片的引腳以及外部接口以及 MAX7912 和 LM324 芯片，以及包括光敏二極管，運(yùn)放，電磁式繼電器的工作原理，為下一章的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 提供設(shè)計(jì)依據(jù)。只要 RST 保持為高電平，如果有額外的 SCLK 周期，它們將重新發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。數(shù)據(jù)傳送有兩種方式，單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送，時(shí)序圖如圖 26和圖 27所示。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 數(shù)據(jù)輸入時(shí)，時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)必須有效，數(shù)據(jù)的輸出在時(shí)鐘的下降沿。 圖 25 MAX7219數(shù)據(jù)傳送時(shí)序圖 DS1302 的數(shù)據(jù)傳送方式和工作時(shí)序 前面在硬件部分的設(shè)計(jì)中已經(jīng)介紹了，本系統(tǒng)中采用的是外部時(shí)鐘 電路，選用的時(shí)鐘芯片是目前常用的串行時(shí)鐘芯片 DS1302。 MAX7219 的寄存器，因此 LOAD 又可稱(chēng)為片選端。 CLK 的每個(gè)上升沿，均有一位數(shù)據(jù)由 DIN 移入到內(nèi)部移位寄存器 （如圖 25）。最高輸入頻率為 10MHz,在 CLK 的上升沿 ,數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部移位寄存器 。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 ： +5V 電源端 。 : 串行數(shù)據(jù)輸出端。輸出位選信號(hào) ,從每位ＬＥＤ顯示器公共陰極吸入電流。 MAX7219 是 24 引腳雙列直插式芯片，引腳排列 (如圖 24)所示。 MAX7219 的基本控制功能 MAX7219 是一中高性能的多位 LED 顯示驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰極LED， MAX7219 采用串行通信，只需通過(guò) CLK、 LOAD、 DIN 三根線(xiàn)便可與單片機(jī)連接。在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段 LED。 三極管內(nèi)部包含三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)，同時(shí)相應(yīng)的引出三個(gè)電極：發(fā)射極，基極，集電極。 圖 22 運(yùn)算放大器 圖 23 LM324 電磁式繼電器的工作原理 電磁式繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片 等組成的。每一組運(yùn)算放大器可用 (如圖 22)所示的符號(hào)來(lái)表示，它有 5 個(gè)引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。當(dāng)從同相輸入端和反相輸入端同時(shí)注入不同信號(hào)時(shí)，輸出端輸出的信號(hào)是它們的代數(shù)和，即差動(dòng)放大。通過(guò)外電路的光電流強(qiáng)度隨入射光照度變化，光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。設(shè)計(jì)中單片機(jī)端口分配引腳連接電路。 3． 外部時(shí)鐘電路本系統(tǒng)中需要進(jìn)行時(shí)間的控制，因此需要連接外部時(shí)鐘電路，選擇串行時(shí)鐘芯片 DS1302 作為外部時(shí)鐘電路的核心。 圖 21 AT89C51 AT89C51 單片機(jī)的外部接口 在太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)中， AT89C51 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，起著協(xié)調(diào)各部分工作的作用，使系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)調(diào)，穩(wěn)定性好。在空閑方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。 ：導(dǎo)彈控制、智能武器裝置、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。 單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，大致可分為以下幾個(gè)方面： ：電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、智能傳感器等。 ，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類(lèi)控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。 單片機(jī)的介紹 所謂單片機(jī)，全稱(chēng)是單片微型計(jì)算機(jī)，又稱(chēng)微 控制器。時(shí)角。 太陽(yáng)方位角：太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線(xiàn)在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線(xiàn)在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。 首先了解一下太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的概念。 的設(shè)計(jì)：采用 MAX7219 芯片來(lái)驅(qū)動(dòng) 8 位 LED 顯示器，用來(lái)顯示時(shí)間。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 。具體要求為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成低，不但能在晴天時(shí)正常追蹤太陽(yáng)，當(dāng)突然出現(xiàn)陰天時(shí)也能自動(dòng)追蹤，這樣就提高了追蹤的精度。另外，計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化技術(shù)中發(fā)揮著極其重要的作用。工作時(shí)集熱器根據(jù)太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變集熱器的傾斜角，從而使反射鏡面的主光軸始終與太陽(yáng)光線(xiàn)平行。工作時(shí)反射鏡面繞極軸運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以追蹤太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)；反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)是為了適應(yīng)赤緯角 的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。單軸追蹤 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線(xiàn)不能始終與主光軸平行，收集太陽(yáng)能的效果并不理想 [4]。 單軸追蹤一般采用： ； ，東西追蹤； ，南北追蹤。在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板。據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，在太陽(yáng)能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)追蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，因此在太陽(yáng)能利用中，有必要進(jìn)行太陽(yáng)追蹤 [2]?？傊?，大力發(fā)展太陽(yáng)能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑 [1]。根據(jù)我國(guó) 1996～2020 年太陽(yáng)能光電 PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計(jì)劃，在 2020 年和 2020 年的太陽(yáng)能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到 萬(wàn)千瓦和 30 萬(wàn)瓦。如果利用 1/10 的荒漠安裝光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，每 年可以發(fā)電 10 萬(wàn)億千瓦以上，相當(dāng)于目前全國(guó)用電量的 5倍多。印度也于 1997 年 12 月宣布，將在 2020年前推廣 150 萬(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)。目前，美國(guó)正在新建幾座新的太陽(yáng)能電站。已用 4 的德國(guó)家庭利用了清潔環(huán)保、用之不 竭的太陽(yáng)能，估計(jì)每年可節(jié)約 。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)的數(shù)字，在過(guò)去的幾年中，德國(guó)太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了 5倍，增速比其他國(guó)家平均水平高出一倍。太陽(yáng)光能發(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。日本是世界上太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用第一大國(guó)，也是太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)強(qiáng)國(guó)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)把太陽(yáng)能應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，主要包括：太陽(yáng)能熱利用、太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)能光發(fā)電。 然而太陽(yáng)光也存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題 , 這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。 在一個(gè)世紀(jì)前的 1878 年一個(gè)小的太陽(yáng)能動(dòng)力站在巴黎建立，該裝置是一個(gè)小型點(diǎn)聚焦太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)，盤(pán)式拋物面反射 鏡將陽(yáng)光聚焦到置于其焦點(diǎn)處的蒸汽鍋爐，由此產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)一個(gè)很小的互交式蒸汽機(jī)運(yùn)行。 MCU xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 摘要 …… ........................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................ II 第 1 章 緒論 .....................................................................................................................1 課題背 景 ................................................................................................................1 太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................1