【正文】 永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步。不僅在開環(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)中步進電機的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在強調(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)。⑷ 速度可在相當寬的范圍內(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)動負載。同時，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)。因此，不存在累積誤差，具有良好的跟隨性。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角 [22]。R71 為一上拉電阻，阻值為 10K 到 100K。90 度，高度角是 0 度90 度。因為高度角在中午的時候最大，早晚的高度角相差不大。每當方位軸轉(zhuǎn)向正西方向（太陽下山）的時候，便會撞擊行程開關(guān)，將此機械信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到單片機，單片機根據(jù)此信號發(fā)出回轉(zhuǎn) 180 度指令，是系統(tǒng)在方位角方向回到東方，等待第二天太陽升起。AD0BUSY 位的下降沿觸發(fā)中斷（當被允許時）并置位 ADC0CN 中的中斷標志（AD0INT）。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有： ⑴ 寫‘1’到ADC0CN的AD0BUSY位⑵ 定時器0溢出（即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換）⑶ 定時器2溢出⑷ 定時器1溢出 ⑸ CNVSTR輸入信號（）的上升沿 ⑹ 定時器3溢出 向 AD0BUSY 寫‘1’方式提供了用軟件控制 ADC0 轉(zhuǎn)換的能力。當 AD0EN 位為‘0’時，ADC0 子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。ADC0 可以工作在單端方式或差分方式，可以被配置為用于測量 P0~P溫度傳感器輸出或 VDD（相對于 P0~P1 或 GND） 。/R STR 811K3VS8 1SW PBC 81 uF圖 復位電路西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（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 16 通道模擬多路選擇器（合稱AMUX0）和一個 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器。最大的 VDD 上升時間為 1ms；上升時間超過該最大值時可能導致器件在 VDD 達到 VRST電平之前退出復位狀態(tài)。在上電期間，器件保持在復位狀態(tài)，/RST 引腳被驅(qū)動到低電平，直到 VDD 上升到超過 VRST電平。外部復位電路如圖 所示。最好能提供一個外部上拉和（或）對/RST 引腳去耦以防止強噪聲引起復位。外部/RST 引腳提供了使用外部電路強制 MCU 進入復位狀態(tài)的方法。電路圖如圖 所示。I/O：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。GND：電源地。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。時鐘的運行可采用 24 小時或帶上午和下午的 12 小時格式。DS1302 慢速充電時鐘芯片包括實時時鐘/日歷和 31 字節(jié)的靜態(tài) RAM，經(jīng)過一個簡單的串行接口與單片機通信。用于時鐘或 RAM 數(shù)據(jù)的讀/寫具有單字節(jié)或多字節(jié)(也稱脈沖方式)數(shù)據(jù)傳送方式。在時鐘芯片的選著上，我們選擇 DALLAS 公司生產(chǎn)的串行實時時鐘芯DS1302，為 I2C 協(xié)議，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 晶振，使用靈活。經(jīng)過計算，我們確定單片機每隔 分鐘給步進電機發(fā)送一個脈沖，也就是說間隔 分鐘單片機才從外部時鐘采集一次數(shù)據(jù)。故在系統(tǒng)中加入一個外部時鐘電路，使系統(tǒng)能夠識別時間。經(jīng)計算選取 R31=150K，R32=10K,L=34uH。三者之間符合如下關(guān)系：Vout=Vfb(1+R31/R32),其中 Vfb 一般為 。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 時我們沒有用 MC78M05 而是選用了轉(zhuǎn)換效率更高的 MAX618EEE 芯片。西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（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存儲器⑺ 768字節(jié)片內(nèi)RAM ⑻ 硬件實現(xiàn)的SMBus/ I 2C、增強型UART和增強型SPI串行接口 ⑼ 4個通用的16位定時器 ⑽ 具有3個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）⑾ 片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 ⑿ 片內(nèi)電壓比較器 ⒀ 17個端口I/O（容許5V輸入） 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（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，向限位開關(guān)、復位電路提供 3V 的邏輯電壓，以及向控制步進電機的脈沖分配器 PMM8713 提供 5V 的電源電壓，向步進電機及其功率放大驅(qū)動電路提供 24V 的電壓。C8051F330 器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型 MCU，其自帶 A/D 轉(zhuǎn)換，就不需要外擴 A/D，簡化了硬件電路的設(shè)計。短路電流≥23mA；輸出電流≥；轉(zhuǎn)換效率 1012%。2CR43光電池：面積 1010mm2。硅光電池應(yīng)用的范圍 400nm~1100nm，峰值波長在 850nm 附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。光電池的光譜特性決定于材料。開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系。硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。根據(jù)半導體的材料不同，光電池可分為硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。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。太陽能光電池主要用作電源，由干它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、能直接將太陽能轉(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。圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，3 太陽跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計14運放采用 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)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（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轉(zhuǎn)換成電信號。本文中選用 LM324,它的偏置電流是 nA 數(shù)量級，LM324 是一種 4 集成運算放大器，由于價廉且使用方便，被廣泛應(yīng)用于控制和一般信號放大處理之中。東西或南北兩塊光電池的電壓接入EE2。由于光電跟蹤傳感器的輸出電壓很小，不利于直接比較，所以我們先將光電傳感器的輸出電壓進行放大處理后輸入單片機，在單片機內(nèi)進行比較再由執(zhí)行機構(gòu)動作?？梢圆捎孟尬婚_關(guān)來復位，當機械設(shè)備轉(zhuǎn)到極限位置時，限位開關(guān)向單片機系統(tǒng)發(fā)送個脈沖，單片機響應(yīng)此操作，進行中斷處理，跟蹤裝置歸位。光電傳感器輸出的誤差信號經(jīng)過調(diào)理輸入到 A/D,為跟蹤提供依據(jù)。單片機會結(jié)合當前時鐘調(diào)節(jié)光電池陣列的角度，如果光電傳感器仍然檢測不到電壓差信號，則可判斷是陰天，系統(tǒng)停止連續(xù)跟蹤調(diào)節(jié)以節(jié)能；如果光電傳感器能檢測到電壓差信號，但是經(jīng)單片機對電機進行調(diào)整后，光電傳感器再次檢測的信號與前一次相比沒有變化，則判斷光電池陣列是否觸到限位開關(guān)，若是，單片機將結(jié)合當前時鐘對光電池陣列的角度進行調(diào)節(jié)，若不是，則說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這時將由通信口發(fā)出信號通知工作人員進行維護。單片機(A/D)電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動電路垂直方向電機水平方向電機光電池陣列通信口當前時鐘電路電源電路光源跟蹤信號前置電路限位檢測電路圖 系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)工作原理西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）12正常情況下：光電池陣列接受光照后，光電傳感器輸出信號（電壓差）經(jīng)放大處理等（光源跟蹤信號前置電路）輸入單片機，單片機處理后發(fā)出信號給電機驅(qū)動電路，進而驅(qū)動電機對光電池陣列進行水平和垂直方向的調(diào)節(jié)，以便保持同太陽光垂直的角度，從而達到對太陽光的最大利用，通過當前時鐘可以很方便的在太陽下山后（無光照時）控制光電池陣列回到初始位置，以便開始新的一天的工作。其優(yōu)點為調(diào)節(jié)較為精確,電路也比較簡單。 跟蹤方式的選著綜合 的幾種跟蹤方式以及結(jié)合本課題的要求，我們選著光電加時鐘跟蹤方式，簡略敘述如下：正常情況下，由光電傳感器反饋信息進而對太陽能電池陣列進行調(diào)節(jié)，使其能與太陽光垂直，保持對太陽能的最大利用。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽能發(fā)電裝置。在運行當中，西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）11以過程控制為主，傳感器瞬時測量作反饋，對程序進行累積誤差修正。在視日運動軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個高精度傳感器。視日運動軌跡跟蹤在計算太陽角度的過程中會產(chǎn)生誤差，從而影響跟蹤精度，并且跟蹤裝置的機械執(zhí)行機構(gòu)的精密程度也會影響到裝置的跟蹤精度。光電跟蹤靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為方便；但受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到硅光電管上，導致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至會引起執(zhí)行機構(gòu)的誤動作 [12]。 光電跟蹤目前，國內(nèi)常用的光電跟蹤有重力式、電磁式和電動式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器如硅光電管。雙軸跟蹤又可以分為兩種方式:極軸式全跟蹤和高度角一方位角式全跟蹤。單軸跟蹤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與太陽能電池板垂直，收集太陽能的效果并不理想 [17][18]。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向跟蹤。單軸跟蹤一般采用:①傾斜布置東西跟蹤。 視日運動軌跡跟蹤視日運動軌跡跟蹤，即計算機先根據(jù)太陽運行規(guī)律計算出一天內(nèi)某時刻太陽的位置角度，然后運行控制程序使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。 跟蹤方式的比較目前國內(nèi)外跟蹤太陽的主要方法可以分為三種：①視日運動軌跡跟蹤②光電跟蹤③視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。從式（21） ， （22） ， （23）可看出，當 δ，ω，φ 確定后，采光組件傾角 β 和方位角 γ 的值決定了直接日射入角 θ，因此只要控制采光組件使其傾角和方位角有合適的值，就可以保證太陽光線入射角 θ 為 0，從而最大限度地收集太陽能。上午時角為負值，下午時角為正值，例如，上午 10 時和下午2 時的時角分別為30176。／24＝15176。地球自轉(zhuǎn)一周為 360176。 （）ω=(t12)15176。以上角度如圖 所示。采光組件的方位角 γ：采光組件表面法線在地面上有個投影，此投影線與正南方的夾角為采光組件的方位角。太陽光線在地面上的投影線與正南方的夾角 γs，為太陽的方位角。該射線與地面法線的夾角叫太陽天頂角 θz.。由此可見，實際使用時應(yīng)該是入射角 θ 越小越好，這也就是所說的跟蹤。太陽光線入射角 θ：太陽光線和采光組件表面法線之間的夾角，稱為太陽光線的入射角。所以有必要分析傾斜面在特定時間 及地點下的太陽入射計算。秒。當天體作周日運動時，天體的赤緯 δ 不隨周日運動而變化，但天體的時角 ω 卻從 0176。2 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計8圖 地平坐標系 圖 時角坐標系西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）8b. 時角坐標系以天赤道為基本圈，北天極為基本點，天赤道和子午圈在南點附近的交點為原點的坐標系為時角坐標系或第一赤道坐標系，如圖 所示。顯然 Z=90176。通過天頂和太陽（任一天體）X 作一大圓，叫做地平經(jīng)圈；地平交地平面于 M 點；從原點 S 沿地平圈順時針方向計量，弧 SM 為方位角γs(地平經(jīng)度)；弧 XM 為高度角 α（地平緯度） ，向上為正，向下為負。在設(shè)計太陽能應(yīng)用系統(tǒng)時，不可避免地都會涉及到地球和太陽的位置關(guān)系，如太陽高度角、方位角等問題。在北半球，春分大約是 3 月 21 日、夏至是 6 月 22 日，秋分是 9 月 23 日，而冬至是 12 月 21 日。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運行的軌道面(黃道面)的法線傾斜成 度的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極，這也是太陽赤緯角的最大值。地球圍繞太陽在一個橢圓形軌道上公轉(zhuǎn)，每公轉(zhuǎn)一周為一個太陽年、它等于 365 天 5 小時 48 分。2 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計72 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計 太陽運動規(guī)律 太陽與地球的位置關(guān)系地球每天圍繞通過它本身南極和北極的一個假想軸——地軸自西向東自傳一周，每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為 24 時，所以地球每小時自轉(zhuǎn) 15 度。④設(shè)計和畫出太陽能光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)硬件原理圖。②研究太陽跟蹤控制系統(tǒng)的相關(guān)資料、技術(shù)要求。本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了新的跟蹤策略，可實現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。全自動跟蹤太陽裝置是根據(jù)地平坐標、雙軸跟蹤原