【正文】 所以，本次設(shè)計(jì)的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)比較理想化、個性化，充分考慮到了各種各樣的情況，以保證系統(tǒng)整體方面的優(yōu)良。在夜間，系統(tǒng)將自動停機(jī)，以減少不必要的損耗。而接下來把數(shù)字電壓信號送給單片機(jī)進(jìn)行處理、分析、控制并發(fā)出指令，來控制四相步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，從而使太陽能電池板能夠在方向和高度兩個方面精確跟蹤太陽，即使太陽能電池板盡可能的和太陽光照強(qiáng)度最強(qiáng)的方向保持垂直。然后通過光電檢測電路把光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，送給 AD 轉(zhuǎn)換電路的輸入端。本設(shè)計(jì)的光強(qiáng)信號檢測轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)較為巧妙，主要是在 8 個光敏二極管的分布設(shè)計(jì)很巧妙，即采用了內(nèi)外各 4 個光敏二極管來粗略檢測和精確檢測光照強(qiáng)度，使系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)。 CT=0。 // TL0 = 0x33。 If(CONT==0)break。 InitMotor()。 TR0 = 1。 // TL0=0x00。}}void system_Ini(){ TMOD|= 0x11。CONT。 MotorStep = 0。 //0xf9 C = 1。case 7: //DA if(TIM) { A = 0。TIM=0。 D = 0。 b = 1。 } break。 MotorStep = 6。 //0xfc C = 0。case 5: //CD if(TIM) { A = 1。TIM=0。 D = 1。 b = 1。 } break。 MotorStep = 4。 //0xf6 C = 0。 case 3: //BC if(TIM) { A = 1。TIM=0。 D = 1。 b = 0。 } break。 MotorStep = 2。 C = 1。case 1: // AB if(TIM) { A = 0。TIM=0。 D = 1。 //0xf1 b = 1。 MotorDelay=Speed。 D = 1。 b = 1。define speed 8 // 調(diào)整速度 數(shù)值不要設(shè)的太低 低了會引起震動。unsigned int MotorTimer = 0。sbit D = P1^3。 //定義管腳sbit b = P1^1。對于高度角調(diào)節(jié)同理。然后判斷 Upx，如果精確校準(zhǔn)信號 Upx0 則控制步進(jìn)電機(jī) B 順時針旋轉(zhuǎn)一個較小的角度，如果 Upx0 則控制步進(jìn)電機(jī) B 逆時針旋轉(zhuǎn)一個較小角度。對于方位角的調(diào)節(jié)，當(dāng)圓筒外側(cè)東西方向光敏二極管產(chǎn)生光電流不同，轉(zhuǎn)換后的電壓也不同，如果初步校準(zhǔn)信號 Ux0 則控制步進(jìn)電機(jī) B 順時針旋轉(zhuǎn)一個較大的角度，如果 Ux0 則控制步進(jìn)電機(jī) B 逆時針旋轉(zhuǎn)一個較大角度。為了防止電機(jī)持續(xù)工作消耗過多電能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了每十分鐘跟蹤太陽光一次。如果 Upy0,51 單片機(jī)則發(fā)出控制脈沖信號控制高度角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) A 正轉(zhuǎn)一個微小角度，然后再返回繼續(xù)判斷直至 Upy=0；如果 Upx0，51 單片機(jī)則發(fā)出控制脈沖信號控制方位角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) A 反轉(zhuǎn)一個微小角度，然后返回繼續(xù)判斷直至 Upy=0；執(zhí)行完第 5步則實(shí)現(xiàn)了方位角，和高度角的精確校準(zhǔn)，此時太陽光光線與電池板保持垂直。然后判斷高度角精確調(diào)整信號 Upy 是否為零。如果 Upx0，51 單片機(jī)則發(fā)出控制脈沖信號控制方位角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) B 正轉(zhuǎn)一個微小角度，然后返回繼續(xù)判斷直至 Upx=0；如果 Upx0，51單片機(jī)則發(fā)出控制脈沖信號控制方位角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) B 反轉(zhuǎn)一個微小角度，然后返回繼續(xù)判斷直至 Upx=0；執(zhí)行完第 4 步則實(shí)現(xiàn)了方位角的精確對準(zhǔn)。第 4 步:如果同時為零，然后判斷方位角精確調(diào)整信號 Upx 是否為零。如果Uy0，51 單片機(jī)則發(fā)出控制脈沖信號控制高度角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) A 反轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，然后再返回繼續(xù)判斷直至 Uy=0；執(zhí)行完第 3 步則完成電池板與太陽光垂直的初步校準(zhǔn)。再判斷 Ux，如果 Ux0，51 單片機(jī)則發(fā)出控制脈沖信號控制方位角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) B 正轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，然后再返回繼續(xù)判斷直至 Ux=0；如果 Ux0,51 單片機(jī)則發(fā)出控制脈沖信號控制方位角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) B 反轉(zhuǎn)適當(dāng)角度,然后返回繼續(xù)判斷直至 Ux=0；如果 Ux=0,51 單片機(jī)則控制方位角調(diào)整步進(jìn)電機(jī) B 停止。第 3 步:如果不同時為零，然后判斷 Ux 是否為零。第 2 步:如果差值大于零，則表示有陽光照射。(2) 在 AT89C51 中 ,對 A/ D 轉(zhuǎn)換后的光敏二極管輸出的信號進(jìn)行處理。算法的目的是為解決一個具體問題，一旦問題得以解決，就說明采取的算法是正確的，而結(jié)果的輸出正是驗(yàn)證這一目的的最好方式。算法的過程可以無數(shù)據(jù)輸入，也可以有多種類型的多個數(shù)據(jù)輸入，需根據(jù)具體的問題加以分析。每一個具體步驟在通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時應(yīng)能夠使計(jì)算機(jī)完成，如果這一步驟在計(jì)算機(jī)上無法實(shí)現(xiàn)，也就達(dá)不到預(yù)期的目的，那么這一步驟是不完善的和不正確的，是不可行的。如果采取了一系列步驟而問題沒有得到徹底的解決，也就達(dá)不到目的，則該步驟是無意義的。 （2）確定性：每個步驟確定，步驟的結(jié)果確定。有窮性是算法的重要特性，任何一個問題的解決不論其采取什么樣的算法，其終歸是要把問題解決好。通俗地講，就是為解決某一特定問題而采取的具體有限的操作步驟。 程序算法的簡單介紹本部分主要介紹軟件的流程設(shè)計(jì)部分，軟件程序是整個太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的核心部分，如果程序算法不好的話，將會從整體上大大限制本設(shè)計(jì)的可用性和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。本設(shè)計(jì)采用的是 89C51 單片機(jī)，它是控制這個系統(tǒng)的核心部分，軟件程序也是由單片機(jī)來操作，其最終目的就是正確控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。從而保證太陽能電池板與太陽光線垂直。而當(dāng)太陽光偏離一個較大角度時 ,筒內(nèi)的光敏二極管可能接受不到太陽光 ,而筒外的光電二極管 DD4 能反映出照度差值 ,該信號經(jīng)運(yùn)算放大器后送入控制單元 ,控制太陽能自動跟蹤裝置調(diào)整太陽能電池板的角度 ,當(dāng)達(dá)到太陽光偏離電池板垂直方向一個小角度時 ,系統(tǒng)自動切換到 D4 和 D6 進(jìn)行探測跟蹤。而當(dāng)太陽光偏離電池板垂直方向一個小角度時 ,D2 、D4 可能受到環(huán)境光強(qiáng)的影響 ,不會反映出太陽光線的變化。對于方位角跟蹤而言 ,當(dāng)太陽光與電池板垂直的方向照射到傳感器上時 , D2 、D4 接受到的光照度相同 , DD8 接受到的光照度也相同 ,則Ux=0,Upx=0。光敏二極管DD8，DD7 則安裝在內(nèi)側(cè)用于精確校準(zhǔn)，在內(nèi)側(cè)裝有一片濾光片防止夏天時日照強(qiáng)度過大使光敏二極管飽和。北西東南A方位角當(dāng)前位置復(fù)位位置圖 316 太陽能電池板方位角示意圖圖 314 是傳感器光敏二極管的分布結(jié)構(gòu)圖:設(shè)置一個圓筒形的外殼 ,在圓筒外部東、 南、 西、 北四個方向上分別布置 4 個光敏二極管 ,其中光敏二極管 D2 、 D4 東西對稱安裝在圓筒的外側(cè) ,用來粗略的檢測太陽由東向西運(yùn)動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角。太陽能電池板方位角如圖316所示。選取太陽能電池板與地面平行, 即高度角為90%時, 作為系統(tǒng)高度角的復(fù)位基準(zhǔn), 由光電門開關(guān)控制。有效絲杠長度與高度角之間的關(guān)系如圖314所示?？刂齐姍C(jī)邏輯電路驅(qū)動電路M電路用電源電機(jī)用直流電源步進(jìn)電動機(jī)圖 310 步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)硬件電路及機(jī)械部分設(shè)計(jì)+V1239IUALMB圖 311 光電轉(zhuǎn)換電路+ pYMHzuotrevQ圖 312 系統(tǒng)信號處理電路太陽自動跟蹤裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖313所示, 其主要功能是固定支撐太陽能電池板, 實(shí)現(xiàn)對其高度角和方位角的調(diào)節(jié)控制。通過改變 P0 口電平的高低和變化時間來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。+KH圖 39 單片機(jī)驅(qū)動電機(jī)電路原理圖由上圖可知，由單片機(jī)的 I/O 接口 輸出數(shù)字信號，在信號的傳輸中可能產(chǎn)生各種干擾，或輸出的信號不穩(wěn)定，所以為使電機(jī)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)，采用 74hc14 用 6 路施密特觸發(fā)反相器，將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動的輸出信號。引腳輸入低電平，ULN2022 就輸出高電平，正反轉(zhuǎn)跟輸入電平有關(guān)。輸入接上拉。五線式步進(jìn)電機(jī)，以脈沖電流來驅(qū)動，若每旋轉(zhuǎn)一圈以 20 個激勵信號來計(jì)算，ULN2022 驅(qū)動一個 5V 的直流電機(jī),ULN2022 的 8 腳接地,9 腳接 為七路輸入，假如用第一路,那么 1 腳就是輸入,16 5V,另一端接 16 1 腳接 5V 腳接地時,電機(jī)就無工作電流。齒距角： 。m 為電動機(jī)相數(shù)。式中 為轉(zhuǎn)子齒數(shù)； 運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)1360brmz???rz1m的整數(shù)倍。布距角：每給一個電脈沖信號電動機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)所轉(zhuǎn)過的角度理論值。 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 前面介紹了光電轉(zhuǎn)換電路，AD 轉(zhuǎn)換電路，和單片機(jī)電路設(shè)計(jì)部分，其最終目的也就是要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。在程序運(yùn)行時，利用 檢測 ADC0808 的 EOC 接口，判斷 ADC0808是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ADC0808CLK 上的時鐘頻率為 500kHz。ADC0808 的地址由 P0 口和 P2 口提供，即 P0 口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，提供低 8 位地址；P2口提供高 8 位地址。由微控制器的讀信號 RD 和 控制 ADC 的數(shù)據(jù)輸出。本部分通過 ADC0808 和 74LS373 完成從檢測電路檢測到的電壓模擬信號轉(zhuǎn)化成八位二進(jìn)制編碼的數(shù)字信號，然后把數(shù)字信號通過單片機(jī)的 P0 口送人到單片機(jī)中并進(jìn)行處理。 A/D 轉(zhuǎn) 換 主 要 有 四 個 步 驟 ： 采 樣 、 保 持 、量 化 、編 碼 。 A/D 轉(zhuǎn) 換 后 ， 輸 出 的 數(shù) 字 信 號 可 以 有 8 位 、 10位 、 12 位 和 16 位 等 。 模 擬 量 可以 是 電 壓 、 電 流 等 電 信 號 ， 也 可 以 是 壓 力 、 溫 度 、 濕 度 、 位 移 、 聲 音 等 非 電信 號 。由于 AD 轉(zhuǎn)換精度較高，保證了太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的流暢運(yùn)行。 AD 轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)針對由光強(qiáng)檢測電路得到的模擬電壓信號，我們采用了 ADC0808 轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過單片機(jī)進(jìn)行處理。R50K 定值電阻。由電路可推得其 1 端(AD 輸入）電壓為： （31）)2(*2i RiUdn??光敏二極管 D1 產(chǎn)生的光電流。 +V圖 36 光電轉(zhuǎn)換基本電路光敏二極管光電流與照度的關(guān)系曲線如下圖：0 . 0 50 . 0 40 . 0 30 . 0 20 . 0 102 0 0 4 0 06 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0光 電 流（ m A ）照 度 （ L x ）圖 37 光敏二極管光電流與照度的關(guān)系曲線根據(jù)太陽光光照強(qiáng)度和特性曲線可知光敏二極管的光電流大約在 0~100uA。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。這種特性稱為“光電導(dǎo)” 。當(dāng)有光照時，攜帶能量的光子進(jìn)入 PN 結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對，稱為光生載流子。 　　光敏二極管是在反向電壓作用之下工作的。光敏二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。1. 光敏二極管的分布設(shè)計(jì) 在這個設(shè)計(jì)電路中，光敏二極管的分布起到了不可或缺的作用，只有合理的分布光敏二極管，才能有效采集光強(qiáng)信號，并將東西南北四個方向的微小信號放大，將信號處理后，才能精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池板和太陽光線呈垂直方向。 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)光電轉(zhuǎn)換電路由八個相同基本電路組成，每個基本電路由光敏二極管，電阻（含可變電阻） ，電容，運(yùn)算放大器組成。 　　引腳 15：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 2 腳信號輸入端。 　　引腳 13：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 4 腳信號輸入端。 引腳 11：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 6 腳信號輸入端。如果該腳接地,實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對地接通。 　　引腳 9：該腳是內(nèi)部 7 個續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。 　　引腳 7：CPU 脈沖輸入端。 　　引腳 5：CPU 脈沖輸入端。 　　引腳 3：CPU 脈沖輸入端。 圖 34 ULN2022 芯片引腳圖引腳1：CPU脈沖輸入端，端口對應(yīng)一個信號輸出端。 該電路的特點(diǎn)如下: ULN2022 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻,在 5V的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路 直接相連,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 　　輸入 5VTTL 電平，輸出可達(dá) 500mA/50V。ULN2022